海上油田罐装电潜泵管柱工艺技术研究.pdf

收稿日期 基金项目 中石化股份公司课题()作者简介 王向东()男山东济南人中国石化胜利油田分公司海洋采油厂工程师主要从事海上油气田采油工艺研究:./.海上油田罐装电潜泵管柱工艺技术研究王向东(中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司 海洋采油厂山东 东营)摘 要为解决海上油田中深层系油藏极易发生漏失油藏含气量高气体快速上窜造成完井、修井过程中的井控风险高的问题提出一种海上油田罐装电潜泵管柱工艺该工艺可以满足电泵底部悬挂管柱要求下入电泵同时打开产层生产起出电泵即可隔绝地层降低井控风险 罐装电潜泵管柱中关键工具罐装电泵加强装置可为电泵提供机械保护避免下入过程泵体受损 为解决电泵气锁问题对罐装电泵加强装置进行开孔设计根据井况及压溃强度分析并基于布孔参数优化方法对罐装电泵加强装置的布孔参数进行优化确定在满足强度条件下外径、的罐装电泵加强装置具有最好流通性的布孔参数分别为、个 在胜利油田埕岛油田应用 余口高气油比生产井平均生产周期 以上管柱长效性明显提升关键词罐装电潜泵插管滑套气锁压溃分析中图分类号 文献标识码 文章编号()罐装电潜泵管柱是将电潜泵机组放置于金属罐内的一种人工举升工艺胜利油田海上中深层系古生界为主要含油气层系埋藏深度较深由于生产气油比高电潜泵在生产过程中极易发生电潜泵气锁效应 目前油井生产管柱普遍采用将电潜泵罐装在电泵加强装置内但是在这种完井方式下对于高气油比油气藏的处理能力受离心泵自身处理能力限制所有气体都要通过泵进入油管气油比过高容易造成电泵负载波动在生产过程中也极易产生气锁效应影响运行寿命采用常规罐装电潜泵生产管柱的油井电潜泵寿命平均安全生产周期仅为 大部分井因为电潜泵故障而需要修井作业 为了避免海上油田中深层系生产过程中电潜泵气锁效应对常规罐装电潜泵管柱进行优化设计使之适用于海上油田中深层系油藏高气油比的生产条件减少电潜泵故障发生频率提高举升效率延长油井生产管柱安全生产周期 技术分析 海上中深层系罐装电潜泵管柱设计罐装电泵加强装置是一种密封装置在完井过程中经常与电潜泵配合使用来沟通油藏为流体提供生产流动通道从油层射孔段到井口处形成一个整体的密封系统 该装置可减少电潜泵机组与套管的空间加大电机周围流体的流速增强电机冷却效果延长电潜泵使用寿命 贝克休斯的 罐装电潜泵系统适用于含 或 等腐蚀性流体的油气井可以防止套管被腐蚀性流体腐蚀破坏 海上油田尤其是深水油气田普遍采用较大尺寸的电潜泵及其配套罐装电泵加强装置以达到保护电潜泵机组、冷却电机温度、悬挂下部生产管柱的目的同时还可以提高人工举升工艺管柱的可靠性有效延长生产管柱使用寿命海上中深层系罐装电潜泵管柱如图 所示该工艺管柱包括留井完井管柱和上部完井管柱其中留井完井管柱包括悬挂封隔器、插管滑套上部完井管柱从上至下依次为过电缆封隔器、自喷滑套、罐装 年 月山东石油化工学院学报.第 卷 第 期 .电泵加强装置和滑套开关工具排气阀过电缆封隔器自喷滑套电缆罐装电泵加强装置电潜泵机组滑套开关工具悬挂封隔器插管滑套图 海上中深层系罐装电潜泵管柱示意图 工艺原理及特点罐装电潜泵管柱工艺首先下入留井完井管柱包括悬挂封隔器和插管滑套再次下入上部完井管柱包括电潜泵机组、罐装电泵加强装置、滑套开关工具等 下入时管柱中电泵加强装置底部接油管、滑套开关工具电潜泵置于罐装电泵加强装置内部电缆穿越过电缆封隔器、罐装电泵加强装置连接电潜泵 底部滑套开关工具打开留井管柱的插管滑套连通地层进行生产地层油气通过底部防砂管柱中的筛管流经插管滑套进入油管最终通过罐装电泵加强装置内部的电潜泵到达地面 当电潜泵出现故障需要修井时起出管柱底部开关工具将插管滑套关闭隔绝地层降低井控风险 这种管柱工艺具备如下优点:()满足电潜泵底部悬挂管柱要求 该管柱可加深悬挂油管及滑套开关工具悬挂外径 加厚油管最长可达 以上()提高电潜泵深抽期间电机冷却效果 可提高电机附近井液流速提高电泵机组的冷却效果实现机组的长寿命运转()下入生产管柱期间电潜泵处于罐装电泵加强装置内部为电潜泵及小扁电缆提供机械保护()满足井控的要求 修井期间插管滑套可完全隔离地层防漏失的同时降低井控溢流风险()可根据油气藏气油比高低决定是否对电泵加强装置进行开孔有效防止电泵气锁、堵塞 罐装电泵加强装置开孔优化设计为了解决电潜泵气锁效应问题需要对罐装电泵加强装置的外保护套进行开孔设计 外保护套的开孔会降低其整体强度当电泵工具下入的井深较深时外保护套会承受较高的液柱压力和围岩巨大的外压作用 当开孔较多时外保护套容易发生挤毁破坏增大电泵工具发生失效的风险同时外保护套的开孔设计也会影响流体流动开孔数量较少会影响流量冷却电潜泵机组的效果有限 因此对外保护套开孔进行优化设计确定最优的布孔参数具有重要意义 外护套抗压强度计算假设外保护套采用平行布孔形式并将其简化为单层基管建立平行布孔筛管抗挤强度的计算公式即 .()式中为基管的压溃强度为基管对应的布孔前套管挤毁强度 为基管抗挤强度系数 为孔径 为轴向孔间距 为周向孔间距在优化设计过程中采用式()计算布孔外护套的抗挤强度 外保护套表皮因子在外保护套布孔参数优化设计过程中除了考虑外保护套的抗压强度外流体流入外护套的能力也是考虑的重要参数之一 工程上常用表皮因子来表示流体通过孔眼的能力且表皮因子越小流体流入筛管的能力越强 等提出了表皮因子的计算模型主要包括两部分:气体流经孔眼时的线性流和近井地带外保护套外表面的径向流(与地层的渗透率等参数相关)表皮因子的计算公式为.()式中为表皮因子无量纲为与速度无关的表皮因子无量纲为湍流因子无量纲为 系数无量纲由于外保护套进行开孔设计用于将电泵分离第 卷 山东石油化工学院学报 年 第 期器分离出的气体排放至环空不涉及地层流体的作用因此表皮系数主要考虑气体流经孔眼时的阻力式()变为.()气体流经孔眼时的表皮因子为().()其中/(/)/式中为横截面上孔眼的数量 为孔眼的渗透比率无量纲为孔径与外保护套直径之比无量纲 为外保护套直径 外保护套布孔参数优化外保护套布孔参数优化的目的是在外保护套强度满足要求的条件下增加外保护套的过流能力因此笔者以最小表皮因子为优化目标函数以外保护套的强度以及孔眼参数的限制为边界条件利用专业的非线性优化软件 编程对外保护套的布孔参数进行优化优选出满足强度要求下表皮因子最小的外保护套布孔参数目标函数为().()约束条件包括外保护套的挤毁强度和孔眼参数 外保护套的挤毁强度应大于地层的围压才能使外保护套不发生挤毁破坏外保护套的挤毁强度边界条件为.()式中为外保护套挤毁强度 为外护套安全系数无量纲为地层围压工程中常用的外保护套孔眼直径范围为 .由式()可知外保护套的周向孔间距和轴向孔间距越小筛管的抗挤压强度越小因此孔间距过小是不合理的假设./.那么周向孔数和轴向孔数应为整数:(/)(/).其中为外保护套长度假设外保护套长度为 布孔区域长度为 强度安全系数取为 外保护套的其他参数及地层参数如表 所示表 外保护套参数及围压参数项目围压/未布孔外保护套的强度/抗挤强度系数 外保护套直径/优化后外护保套的布孔参数如表 所示表 外护套布孔参数优化结果项目 孔径/轴向孔间距/周向孔间距/最小表皮因子每米最佳开孔数量/个 根据表 优化结果可以看出 外径为、的 种外保护套的每米最佳开孔数量分别为、个在这种开孔数量下得到最小表皮因子即满足外保护套强度要求下具备的最大过流能力 关键工具设计 罐装电泵加强装置罐装电泵加强装置是深层罐装电潜泵管柱中的核心组成部分其上端接生产油管下部悬挂电潜泵及尾管由提升短节、压环、压板、背紧帽、顶帽、内短接、外保护套、下接头以及电缆穿越密封件组成(图)压环、压板以及顶帽设有小扁穿越槽实现穿越期间小扁电缆及液控管线的整体穿越 电缆穿越密封件用于保护电缆并起到一定的密封作用外保护套用于包裹保护电泵缩小电泵外侧环空面积提高电机附近流体流速提高冷却效果 外保护套可根据罐装系统开孔优化设计研究内容进行开孔优化设计用于将电潜泵分离器分离出的气体排放至环空防止电泵气锁提升短节压环压板背紧帽顶帽内短接外保护套下接头电缆穿越密封件图 罐装电泵加强装置示意图王向东:海上油田罐装电潜泵管柱工艺技术研究 插管滑套插管滑套由上接头、滑套、连接套、密封组合、下连接套、开关棘爪、下接头组成(图)插管滑套和封隔器一起使用封隔器用于悬挂插管滑套 插管滑套用开关工具开启和关闭开关工具下压滑套打开油管和地层联通建立采油生产通道开关工具上提滑套关闭油管和地层隔离保证作业过程中井控安全上接头滑套连接套密封组合下连接套开关棘爪下接头图 插管滑套示意图 现场应用胜利油田海上埕岛油田中深层系东营组、古潜山地层油层埋藏深垂深 根据该区块高压物性资料电潜泵下深 时吸入口气液比为 根据高含气油井举升经验一般气液比超过 常规泵罐加强保护装置易产生电泵气锁效应无法满足生产要求因此需对罐装电泵加强装置进行打孔优化设计以提高举升效率以海上普遍采用的生产套管(内径 )内下入的罐装电泵加强装置为例其主要技术参数为:外径 内径 可允许最大外径 的电潜泵泵组耐温 耐压 采用最优开孔数量 孔/整体抗拉强度可达 满足中深层系生产管柱悬挂吨位要求 近三年来已应用十余口井以上平均生产周期 罐装电潜泵管柱可靠有效使用寿命超过常规泵罐加强保护装置一年以上大大节省修井作业日费 结 论()提出一种海上油田罐装电潜泵管柱工艺技术可以满足电泵底部悬挂管柱要求实现电泵机组下部连接其他完井工具下入电泵同时打开产层生产起出电泵后插管滑套关闭即可隔绝地层降低井控风险同时减少压井液对储层的伤害()根据压溃强度分析对罐装电泵加强装置进行开孔优化研究优化后外保护套抗挤强度满足强度要求而且可以使外保护套表皮因子最小流体的过流能力最好最大程度解决了生产过程中的电泵气锁问题()根据胜利油田海上埕岛油田数口井现场应用表明该工艺管柱适用海上油田中深层系油藏高气油比的生产条件可减少井控风险同时大幅延长生产管柱使用寿命参考文献 陈胜宏范白涛邵明仁等 海上无人简易平台双电潜泵完井技术 中国海上油气():薛德栋程心平张凤辉等 海上油田电泵智能气举管柱工艺研究 石油机械():杨少春齐陆宁拴豹 埕岛地区埕北 潜山带裂缝类型、发育期次及控制因素 中国石油大学学报(自然科学版)():程心平薛德栋秦世利等 深水油田双电潜泵采油技术.石油机械():周思宏王向东王辉等 负压射孔与防漏失一体化工艺在海上油田的应用 石油机械():孙宝江彭玉丹张伟国等 筛管压溃强度计算公式及适用性 石油学报():():():责任编辑 温丽萍第 卷 山东石油化工学院学报 年 第 期