罐装电潜泵系统在渤海某稠油油田的研究与应用

（中海石油（中国）有限公司天津分公司 天津 300459）

渤海某油田部分油井产出液含H2S等腐蚀气体，对油套管和电潜泵容易产生腐蚀，造成油井出现复杂情况进行大修[1]；同时部分定向井井斜较大，常规动管柱作业起下电泵时，电潜泵机组容易和套管发生接触受损，影响电潜泵寿命[2]。

例如J区块J16井为一口生产井，该井井况较为复杂，电泵运转寿命短。从2017年初开始每套故障电泵的故障原因分析中都存在着一个共同的现象就是电泵外壳有电缆印痕，分析为井筒异常造成电缆容易烧毁以及电潜泵本体损坏的情况，严重制约着该井的稳产和高产。由于普通电潜泵举升工艺设计很难解决以上问题，因此需要设计一套对异常井况有较强适应能力的罐装电泵管柱来满足J16井正常生产。

1.整体管柱设计方案

J16井生产管柱总设计为5-1/2"罐装系统总成、2-7/8"EU油管及短节+2.313"X型座落接头、2-7/8"EU油管2根及短节+7"过电缆封隔器、2-7/8"EU油管2根及短节+2.313"井下安全阀、2-7/8"EU油管及短节+双公短节+油管挂。同时电潜泵机组部分包括泵工况、电机、保护器、分离器、潜油泵、泵头、传压短节、悬挂器下部油管、悬挂器[3]，具体情况见图1。前期经过陀螺仪测试原井眼井斜，决定泵挂深度上提至1530m。

图1 J16井整体管柱示意图

2.罐装系统设计方案

罐装底部为转接头，直接与尾管相连。根据电潜泵外径及井筒套管尺寸以及机械性能选定5-1/2"罐装系统总成套管后，从套管接箍开始组装。罐装系统套管顶部还有一个衬套，配备一个密封孔。电潜泵安装在套管内，悬挂器连接到机组顶部，插入衬套的密封孔内形成密封，并且过“承重环”锁定。悬挂器还配备了连接上部油管丝扣以及电潜泵电缆孔，可让电缆进入密封的套管内。罐装系统的组成见图2。

图2 罐装系统组成示意图

（1）悬挂器的设计。悬挂器是罐装套管、油管和电潜泵机组的连接桥梁。悬挂器上配备了与油管连接的贯穿接口，泵头在安装之前就已经连接到悬挂器之下的油管接口上。电潜泵机组在罐装套管内安装完成后，提起悬挂器，将泵头连接到泵的顶部。在悬挂器上安装电缆穿越，然后再将悬挂器坐到罐装套管顶部的外套管上，并用支撑环固定。悬挂器之上的油管接口部分连接到上部油管。配备了电缆穿越安装孔，可以让电缆穿过悬挂器，标配了两个控制管线接口。悬挂器上部还配备了堵头槽面，上部悬挂器上的堵头安装槽可以通过钢丝安装临时堵头，用于悬挂器以上油管的试压。

（2）衬套的设计。罐装系统外套管短节安装在罐装套管的顶部，外套管上部有密封孔用于安装悬挂器。当悬挂器坐到外套管上时，要在外套管外部螺纹上安装支撑环，并将悬挂器包含在内。这一设计的优点是在安装悬挂器时无需旋转任何部件。支撑环安装好后，悬挂器即被固定，不会有任何上下活动。支撑环是与外套管一起提供的。外套管是以短节形式提供的，这个短节可以起到防护作用，防止在连接到套管接箍时损坏外套管。

（3）罐装套管接箍的设计。多个套管通过接箍连接组成罐装主体，接箍主要根据电潜泵外径尺寸、预期流量、机械性能以及套管偏移内径进行选择。

套管接箍连接方式的选择还要能够承受预期的拉力载荷，并且突破和破坏压力等级必须足够在预期的运行环境和压力条件下运行。比如试压、封隔器座封、使用压力驱动的完井工具等。

（4）底部变扣的设计。罐装系统底部的变扣在下部油管与罐装套管之间起到连接作用。变扣包括一个套管短节，用于连接到罐装套管底部的接箍上，还有一个短节用于连接到下部油管接箍。转接头为圆形截面，可以确保电潜泵、扁平套件和罐装套管外部的化学管线不会被锋利的棱角或者外径的变化损坏。

（5）电潜泵的设计。潜油电泵设计包含离心泵、气体处理装置、保护器、电机和电缆的设计[4]。通过中成机械ESP Smart潜油电泵选型设计软件对J16油井数据进行模拟分析，计算得到泵吸入口处压力为5.62MPa，预计产量293m3/d，井液含气29.5%。该井所使用5-1/2"灌装系统内径为4.892in，通径尺寸121mm。故配套450系列潜油电机系统和400系列离心泵[5]。

①离心泵设计。考虑到该井泵挂位置可能存在套管突变，在满足设计排量的前提下，整机的长度越短越好。通过软件拟合计算，选用400系列ZC300宽幅泵，211级。较普通系列整机缩短长度1.9m，该系列泵可满足200m3/d至400m3/d需求，离心泵效率大于50%。泵轴强度校核，60Hz下运行时负载率小于80%。

②气体处理装置设计。泵吸入口处气体含量为29.5%，设计选用单级旋转式防砂分离器，气体处理效率大于95%。分离出的气体进入机组与罐装系统环空，再通过罐装排气孔进入油套环空。避免游离气体进入离心泵，影响整机的运行效率。

③保护器设计。根据保护器选型原则配套为102型双节双胶囊高承载保护器。该系列保护器具有较高的承载能力，通过止推轴承承受泵及液柱传递下来的轴推力，起到保护电机的作用。

④电机设计。通过ESP Smart软件计算，最终选择电机为450系列，外径φ114mm，额定功率81kW，额定电压1620V，额定电流45A，50Hz，耐高温150℃。并配套Zenith泵工况检测装置，可实时反馈整机的运转及井况数据的变化情况。

⑤电缆设计。电缆包括两个部分，动力电缆和小扁电缆。井底温度其中动力电缆选用4#圆电缆，绝缘等级F级；小扁电缆为6#扁电缆，绝缘等级H级，采用F46复合膜加乙丙橡皮绝缘铅护套镀锌钢带连锁铠装结构。

通过潜油电泵选型软件设计结合人工校核，整套机组在扬程排量以及各部件负载强度方面均满足J16井的设计井况要求。

3.现场应用

J16井于2019年5月10日作业结束，截止目前各项生产参数稳定，电潜泵机组工作频率50Hz，产液量272m3/d，产油量68m3/d，含水75%，井底流压4.3MPa，机组运行电压、电流稳定，生产平稳。

4.结论

罐装泵系统对于重质稠油油田大斜度井具有良好的适用性，能够保护电潜泵机组在动管柱作业中不会在井筒中发生磕碰损坏。罐装泵系统电机与罐装系统套管间的环空空间合适，保证流经电机表面井液的流速，有效加快散热速度，进而提升电潜泵的寿命。