基于潛油電泵的同井采注水關(guān)鍵技術(shù)研究

 隨著大慶油田的采油進(jìn)入中后期，油層儲量逐漸減少，為了保持油田的持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，邊緣區(qū)塊和零散小區(qū)塊油藏資源的開發(fā)愈發(fā)重要。隨著油田地層產(chǎn)能的下降，這類小規(guī)模油藏資源開采的難度越來越大，注水作為有效的能量補充手段，發(fā)揮著越來越大的作用。但常規(guī)的注水工藝較長的建站周期，且成本較高，不適用于這種小規(guī)模油藏資源的開采[1，2]。因此提出把常規(guī)的潛油電泵改造成同井采注水電泵機(jī)組作為注水設(shè)備的方案，用同一口井實現(xiàn)采水和注水，減少了前期投入，縮短了建設(shè)周期，并降低了成本。筆者對同井采注水技術(shù)進(jìn)行了研究，解決了關(guān)鍵技術(shù)難題，為油田開發(fā)開辟了一條新途徑。
1 同井采注水工藝原理
在同一口井中，存在兩個或兩個以上不同地層，從其中一個地層中取水，注入到另一個需要增壓的地層中，完成注水增壓過程[3～6]。同井采注水技術(shù)就是將潛油電泵作為增壓注水的工具，在注水井內(nèi)選擇不同的層段作為水源層和注水層，采用封隔器將其隔開，再利用潛油電泵從水源層采出水直接注入注入層[7]。根據(jù)注水井的地質(zhì)特點和開發(fā)要求，同井采注水的工藝方案分為采上注下和采下注上兩種。
1.1 采下注上管柱結(jié)構(gòu)及原理 采下注上管柱如圖1所示。將潛油電泵機(jī)組各部件按封隔器、扶正器、保護(hù)器、多級離心泵、注水口、倒置保護(hù)器、潛油電機(jī)、保護(hù)器的連接順序連接下井，機(jī)組位于水源層以上、注入層以下。用封隔器隔開水源層和注入層以后，運用多級離心泵對水源層的水增壓后，將其注入到上部的注入層中。由動力電纜將地面動力傳遞給潛油電機(jī)，使其高速運轉(zhuǎn)，通過軸帶動多級離心泵葉輪高速轉(zhuǎn)動。水由下部吸入口經(jīng)過導(dǎo)流罩進(jìn)入多級離心泵流道，經(jīng)過逐級增壓，最終進(jìn)入到注入層中。
1.2 采上注下管柱結(jié)構(gòu)及原理 采上注下管柱結(jié)構(gòu)如圖2所示，將潛油電泵機(jī)組各部件按封隔器、扶正器、倒置泵、泵吸入口、倒置保護(hù)器、潛油電機(jī)、保護(hù)器、出水口、皮碗封隔器、測試工具的連接順序連接下井，機(jī)組位于水源層以下、注入層以上。用倒置泵對水源層的水增壓后，注入到下部的注人層中。動力電纜將地面動力傳遞給潛油電機(jī)，使其高速運轉(zhuǎn)，帶動倒置泵內(nèi)的葉輪做高速旋轉(zhuǎn)運動。水由泵吸入口被進(jìn)入倒置泵流道離心內(nèi)，經(jīng)逐級增壓后，由出口排到封隔器以下的油管中，進(jìn)入注人層中，完成注水過程。
2 關(guān)鍵技術(shù)
2.1 防砂技術(shù) 在水源層中，常含有一些低濃度細(xì)砂粒。因此應(yīng)研究適用于同井采注水工藝配套的防砂工藝，防止水源層出砂帶來的不利影響。對于防砂的研究，應(yīng)立足于以下三個目的：①防止?jié)撚碗姳眠^流部件的過快磨損，延長其使用壽命；②提高注入水的水質(zhì)，防止注入層出現(xiàn)底層堵塞；③防止因砂粒的沉積造成潛油電泵管柱出現(xiàn)砂埋現(xiàn)象。
因此，設(shè)計由防砂篩管、流量測試段、皮碗封隔器、過水器組成防砂管柱，水源層的水經(jīng)防砂篩管濾除砂粒后，經(jīng)過水器進(jìn)入皮碗封隔器下部進(jìn)入泵吸入口，防砂篩管外砂粒沉在皮碗封隔器的上部。若對防砂篩管外部的油套環(huán)空沉積砂進(jìn)行解堵，可將堵塞器從井口投入，堵塞器下行進(jìn)入流量測試段后與之配合，此可進(jìn)行正沖解堵。解堵完成后，再用打撈工具將堵塞器撈出，再啟動倒置泵進(jìn)行增壓注水。
2.2 潛油電機(jī)的設(shè)計 常規(guī)潛油電機(jī)位于機(jī)組下部，通過軸向上傳輸轉(zhuǎn)矩，帶動葉輪旋轉(zhuǎn)。在同井采注水中，將傳統(tǒng)的潛油電機(jī)改為置頂潛油電機(jī)。該電機(jī)位于機(jī)組的最上端，向下傳輸轉(zhuǎn)矩，原潛油電機(jī)結(jié)構(gòu)中的封閉形式改為連通形式，底座與下保護(hù)器相連（如圖3）。
2.3 專用保護(hù)器的設(shè)計 由于同井采注水工藝的特點及潛油電泵機(jī)組的結(jié)構(gòu)特殊性，為了在設(shè)備運行中充分保證其散熱和保護(hù)，同時還能像常規(guī)保護(hù)器一樣具備為電機(jī)提供補償?shù)哪芰Γx用上下保護(hù)器相結(jié)合的形式。
2.3.1 上保護(hù)器的設(shè)計 上保護(hù)器位于潛油電機(jī)上部，是一種專用的電機(jī)油補償器，用于補充潛油電機(jī)工作過程中排出的電機(jī)油。上保護(hù)器上下分別與管柱和潛油電機(jī)相連，實現(xiàn)補償作用，如圖4所示。
2.3.2 下保護(hù)器的設(shè)計 下保護(hù)器位于潛油電機(jī)下部，將其設(shè)計為膠囊式保護(hù)器。
潛油電泵機(jī)組進(jìn)入井底后，溫度上升會導(dǎo)致潛油電機(jī)油膨脹，進(jìn)而使膠囊膨脹，最終使膠囊內(nèi)外壓力平衡。潛油電機(jī)啟動后，溫度迅速上升，部分電機(jī)油進(jìn)入保護(hù)器的膠囊。膠囊繼續(xù)膨脹，當(dāng)膠囊內(nèi)部壓力增大到一定時，單流閥動作，電機(jī)油通過單流閥進(jìn)入膠囊外部，排入井筒，該過程至膠囊內(nèi)外壓力平衡后停止。當(dāng)機(jī)組停止工作后，溫度下降至井底溫度，電機(jī)油收縮，膠囊收縮，該過程至膠囊內(nèi)外壓力平衡后停止。
3 倒置潛油電泵存在的問題及解決方案
3.1 倒置潛油電泵的連接問題 常規(guī)的潛油電泵機(jī)組中，泵的上端和油管連接，而倒置潛油電泵上端和下保護(hù)器相連，下端和油管相連。因此，應(yīng)對倒置潛油電泵的連接重新設(shè)計。
針對倒置潛油電泵殼體上端的連接問題，對泵頭進(jìn)行了重新設(shè)計。選用更適合于與下保護(hù)器相連接的法蘭盤，使用8個材料為1Cr18Ni9Ti的M10螺栓。1Cr18Ni9Ti的抗拉強(qiáng)度為550MPa，根據(jù)計算，滿足強(qiáng)度要求[8]。圖6為泵頭的結(jié)構(gòu)。
針對泵殼體上端的連接問題，在其尺寸已確定的條件下，要對泵軸的連接進(jìn)行計算。根據(jù)泵軸的尺寸規(guī)格和其工作特點，確定與保護(hù)器連接的軸頭尺寸，要保證即使它與保護(hù)器之間的間隙最小時不會頂軸，與保護(hù)器的間隙達(dá)到最大時不會脫軸。
3.2 倒置泵的止推力承載問題 由于倒置泵位于下部，其軸向定位依靠的是卡簧，若卡簧出現(xiàn)失效，泵軸將因失去軸向定位而發(fā)生脫落，影響整套設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。在同井采注水過程中，在泵對水源層中的水施加推力的同時，水也對泵葉輪和泵軸施加相反方向的反推力，加劇了使止推力承載問題。
為了解決直推承載問題，在倒置泵底部設(shè)計了一個承載短節(jié)（如圖7）。當(dāng)設(shè)備運行時，泵軸在反作用力的作用下有向下運動的趨勢，承載短節(jié)的動塊向下，和靜塊接觸，靜塊與軸承密封座相固定，可阻擋泵軸向下動，起到對泵軸止推的作用。
由于一部分地層水要通過導(dǎo)流罩和承載短節(jié)之間的空間，因此這部分空間可能會出現(xiàn)一些沖蝕現(xiàn)象。從沖蝕的角度對這部分空間的進(jìn)行了論證。導(dǎo)流罩與承載短節(jié)直接的徑向面積為2249mm2，最大允許流量為1500m3/d，而目前同井采注水的排量大都低于50m3/d，因此導(dǎo)流罩與承載短節(jié)之間的空間從沖蝕角度上來看是安全的。
4 結(jié)論
①對應(yīng)用潛油電泵的同井采注水的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述，對其中的采上注下、采下注上兩種方案的管柱結(jié)構(gòu)和工藝原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。②針對同井采注水中倒置潛油電泵的連接問題和止推承載問題進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)。③同井采注水技術(shù)為邊緣區(qū)塊和零散小區(qū)塊油藏資源的開發(fā)提供了更加經(jīng)濟(jì)、可靠的注水方法，是對傳統(tǒng)油田注水開發(fā)技術(shù)的革新，為老油田在確保高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的同時有效降低開發(fā)成本提供了新的思路。