油井举升方式适应性评价与优化应用探究

摘 要：相较于自喷采油，人工举升采油的成本要高一些。但油藏本身的能量，即地层压力，会随着采出原油的增多而逐渐下降，油井就会出现停喷现象，这时就要利用人工举升办法采油。高效开采是石油开采的核心技术。常规通过增压、二次和三次采油等方法延长整个油田的开采寿命，因此注水开采的油田往往排出大量的水，需要采用人工举升手段以维持油井生产的经济性。

关键词：人工举升方式；电潜泵技术；结构特点；故障诊断；对策

如果地层压力不能将原油举升到井口，那么就需要借助某些人工举升的办法采油，或者向油层中注入某种流体提高地层压力，将原油举升出井口、采到地面。这种方法就是人工举升采油。相较于自喷采油，人工举升采油的成本要高一些。但油藏本身的能量，即地层压力，会随着采出原油的增多而逐渐下降，油井就会出现停喷现象，这时就要利用人工举升办法采油。一般情况下，油田的自喷期限只有1～5年，而油田的生产年限要延续20～30年以上，因此，油层中的原油大部分是靠人工举升方式采出来的。人工举升采油包括气举采油、抽油机有杆泵采油、潜油电动离心泵采油、水力活塞泵采油和射流泵采油等。

目前电潜泵技术广泛应用于油田开发中，随着应用技术的不断成熟，电潜泵技术也在不断改进。电潜泵采油工艺具有排量大、功率高、生产压差大、适应性强、地面工艺流程简单、自动化程度高、经济效益显著等特点，广泛应用于石油开采中。本文重点介绍了电潜泵的结构原理、监测系统及其故障的解决。

1 人工举升方法

当地层能量足够维持将井液举升到地面时，产量可通过向井流动动态曲线（IPR）和油管入口曲线进行估算，其中必须考虑油管尺寸、井液特性以及温度的影响。这两条关系曲线的交点决定了预计的产量。当油管入口曲线位于IPR之上时，地层没有足够的能量，需要使用人工举升方法。五种常用的人工举升方式为：有杆泵、螺杆泵、气举、水力泵和电潜泵。最常用的是使用有杆泵。有杆泵操作简单，比其他人工举升方式成本低，但效率和排量都较低，特别是在高气液比通过小直径油管生产的深井中尤其如此。另一种举升方式为使用螺杆泵，螺杆泵成本较低，可靠性高，受地层出砂和结垢的影响较小，且容积效率高于有杆泵。在有气源和压缩机系统的情况下，通常采用气举方法，因为该方法灵活性强，易于调节，并且可以方便地通过钢丝作业更换井下设备。气举系统不受出砂的影响，在高气/油比和大斜度井中使用较为理想。但随着地层压力逐渐降低至弃井时的压力，这些优点不再显现，在油田生产末期就需要使用其他人工举升方法。目前应用广泛的人工举升方式为使用电潜泵。本文将介绍电潜泵的工作原理、结构、监测系统及电潜泵故障原因分析。

2 电潜泵采油工艺

2.1 工作原理。电潜泵全称电动潜油离心泵，简称电潜泵，是将电动机和多级离心泵一起下入油井液面以下进行抽油的举升设备。其工作原理是地面通过变压器、控制屏和电缆将电能输送给井下电机，电机带动多级离心泵叶轮旋转，将电能转换为机械能，将井液举升到地面。电潜泵广泛应用于非自喷高产井、高含水井。

2.2 电潜泵结构特点。电潜泵系统包括电机、保护器、泵、吸入口、动力电缆、气体处理装置和井下传感器。地面设备包括泵控制设备（变频器等）、数据传输箱和电源等。潜泵由三相感应电机驱动，由地面电源供电。电源可以调整，从而根据油藏条件的变化对泵的性能进行微调。泵内每级离心泵由旋转叶轮和固定的导壳组成，旋转叶轮周围的流体通过轴向和径向流动，形成一个螺旋形的上升运动进入高一级的泵级中，最后进入油管。固定的导壳结构将井下的流体动能转化为势能—压力。动力电缆将地面上的电能通过由铠装保护且外层绝缘的电缆传到井下。电缆一般为圆形，但在泵和保护器的位置处，可将电缆设计为扁平形。井下监测设备包括漏电传感器、压力传感器、温度和压力感器以及电机和泵振动传感器，

信号通过动力电缆传递到地面的远程控制单元，对井下压力、温度、振动、电流和电压进行连续采样。传感器的测量参数可设置为在给定的阈值打开开关，当测量值发生变动时，关闭电机，以保护电机，免遭破坏。电机保护器把电机和泵连接在一起，支撑电潜泵产生的上冲力或下冲力，避免井液进入电机并储备足够的电机油，平衡电机和油井的内外压力，提供流体来调节机油的热膨胀或收缩。井液自泵的吸入口流入泵中且作为井下液体吸入的一部分。气體处理装置为一种多相、轴向的仪器，可将井液倒流或产生离心运动把部分自由气体从泵

吸入口前分离到环空中，用来处理泵中达75%的自由气。当气体可排放到套管时，该装置应安装在气体分离器的上方；如果产出气必须流经泵，此装置应安装在标准入口的上面。

3 井下监测系统

在油井采油时，要对电潜泵的设定值进行监测和调整，确保举升系统的效率达到最高。电潜泵的监控系统提供有价值的信息，监控系统可每隔一分钟监测一次泵和井的动态，一天24小时连续工作，根据监测到的信息提供油藏的动态，确定提高油藏生产率的方法。人工智能举升监测系统可辅助电潜泵作业，连续获取泵的吸入口压力和排出口压力，吸入口、电机和排出口温度，振动和泄漏电流等一系列数据，通过保护电气系统不受超高泵温的影响，保护泵不受闭合阀关闭的影响，保护泵不受高温入口再循环和高产出液温度造成过热的影响，保护电机不受低流量条件、高电机负载和冷却不良引起高温的影响等监控电潜泵的性能，通过监测系统及时发现电潜泵运行中的一系列问题并及时调整生产措施，对生产井进行主动干预。

4 电潜泵的故障及解决方法

（1）地层的高温环境。电潜泵依靠产出液的运动给电机散热，这一要求将电潜泵的内部工作温度限制在200℃左右。随着天然气处理内部组件材料的发展，利用陶瓷、冶金和合成橡胶等材质可以拓宽电潜泵的工作温度范围。另一方面，深井中井下温度高，严重影响潜油电机的绝缘和密封特性，最终可导致电机失效。高温绝缘系统和密封技术已使电潜泵的耐温能力提高到450℉以上。（2）运动中的磨损程度。电潜泵在井下作业时，径向轴承的磨损将缩短电潜泵电机和保护器的寿命，现有系统中径向轴承增加了在自动润滑衬套中运行的轴套。（3）振动对泵使用寿命的影响。当电机轴振动时，加大了对轴周围密封垫的磨损，最终造成油井中的产出液泄漏到保护器中。井筒中的流体从保护器渗透过轴封，并渗透到电机，污染电机油，改变电机介电、水力和润滑性质，导致电机失效。由于保护器顶部轴承受泵吸入口振动及产出液磨蚀的影响，在改进中使用了氧化锆轴承，以加大抗磨性。（4）井下泥浆的影响。电潜泵运行过程中，经常遭遇泥浆的阻挡而停止工作。井下泥浆除砂器可清除砂岩井中地层流体中的砂岩，将砂岩留在井下，防止其进入电潜泵，以减少损害。（5）系统设计和操作失误导致的故障。变速驱动装置通过调节电机转速，提供不同泵的优化流量，灵活地适应电潜泵的耗电及发热，解决了这一问题。与固定速度的电机相比，配备变速驱动装置的电潜泵可提供宽范围的泵量，对电机速度和转矩进行微调，当井况发生变化时，无需更换泵，进而缩短了停机时间降低生产成本。

参考文献：

[1]温静. 普通稠油油藏转换开发方式研究与实践[J]. 断块油气田. 2012（S1）