大排量节能举升工艺在留北潜山地热井的应用

2023-01-13苗彦平朱治国薛李强马文娟

石油工程建设 2022年6期

杜航，李栋，苗彦平，朱治国，薛李强，马文娟

中国石油华北油田公司第三采油厂，河北沧州 062450

新能源和可再生能源的开发利用在能源行业占据越来越重要的地位，地热能目前已有100多个国家在开发利用，并以12.8%的速度递增。华北油田地热资源丰富，与其他油田的地热资源相比，地热资源热储厚度大，储层物性好，温度亦较高，地热开发潜力较大。地热的综合开发利用，不仅能减少对传统化石能源的依赖，降低使用化石能源带来的环境污染，也有利于华北油田的持续稳定发展。

留北潜山已进入开发后期，目前主要利用潜山地热资源为生产伴热、外输换热、卸油点化油、清洗油管提供热源。潜山井通过大排量潜油电泵进行开采，单井日产液平均值达500 m3以上。潜油电泵生产中存在能耗高、维护成本高等问题。为此，探索新的开采工艺及配套技术以满足现场生产需求至关重要。

1 留北潜山概况

留北潜山位于饶阳凹陷东部，属于留路潜山下降盘的潜山。潜山地层产状东北低、西南高，潜山内部发育多条东北-西南走向的断层，潜山储集类型为裂缝-孔隙型，储集空间以小型孔洞为主，裂缝主要作为流体流动的通道，构造缝中以高角度缝为主，裂缝倾角70°～90°，孔隙度为6%，有效渗透率158×10-3m2，潜山油层中深3 350 m，原始地层压力32.9 MPa，地层温度120℃，地热田面积44.85 km2，地热资源为1.75×1018J，地热水资源量为3.93×108m3。

该油藏于1978年6月正式投入开发，先后经历高速高产开发阶段、产量快速递减开发阶段、高含水低速低效开发阶段，随着综合含水达到99.9%，油藏进入特高含水期；2006年9月开始，为利用潜山热水资源，进入地热利用开发阶段。通过应用潜油电泵对高含水油井进行大排量提液，大幅提升井口产出液温度（达到110～114℃），以满足地热水综合利用的需要。

2 大排量双作用泵提液技术

2.1 双作用泵结构

双作用泵结构如图1所示，由泵筒、空心拉杆、上部进液固定阀1、下部进液固定阀2、柱塞、上部游动阀1和下部游动阀2等主要部件组成。拉杆为空心拉杆，内部有流体流道，其中进液固定阀1为环阀，由多个阀绕圈组成，其采取侧向进液的方式[1]。

图1 双作用泵结构示意

2.2 双作用泵工作原理

下冲程时，柱塞下腔室的体积变小，压力升高，使固定阀2关闭，柱塞游动阀2打开，原油通过柱塞上端的空心拉杆进入油管。同时，柱塞上腔室体积增大，压力降低，使固定阀1打开，游动阀1关闭，原油由油管和套管的环形空间进入柱塞上腔，完成柱塞上腔吸液过程。

上冲程时，柱塞下腔室固定阀2打开吸液。与此同时，柱塞上腔室固定阀1关闭，游动阀1打开，柱塞上腔室排液。

可以看出，该泵一个往复冲程可完成两次汲液和排液的过程，较普通整筒泵而言，实现了下冲程利用杆柱自重压缩液体排液。

2.3 理论排量计算

式中：Q为双作用泵的理论排量[2]，m3/d；F为双作用泵柱塞的截面积，mm2；f为空心拉杆的截面积，mm2；S为冲程，m/次；N为冲次，次/min。

表1是不同规格双作用泵的参数，从该表中可以看出，适用于留北潜山地热井D177.8 mm套管的120/70双作用泵，其最大理论排量可达412 m3/d。

表1 双作用泵参数

2.4 大排量并联双作用泵提液技术

考虑到留北潜山地热井的日均产液量为500 m3左右，为了进一步提升双作用泵提液能力，特开展并联抽油泵提液技术研究。

2.4.1 并联双作用泵结构

并联双作用泵是在双作用泵的上部并接1台泵，该泵与双作用泵并联进液，上部单泵与下方双作用泵共用空心拉杆，上单泵由上单泵游动阀、上单泵固定阀、上单泵筒组成，见图2。

图2 并联双作用泵结构示意

2.4.2 并联双作用泵工作原理

上行程时，上单泵游动阀关闭、固定阀打开，上单泵柱塞排液；下方的双作用泵游动阀1开启排液，固定阀2开启进液。

下行程时，上单泵固定阀关闭、游动阀打开，上泵柱塞进液；下方的双作用泵固定阀1开启进液，游动阀2开启排液。

2.4.3 并联双作用泵理论排量计算

式中：Q2为并联双作用泵的理论排量，m3/d；F为双作用泵柱塞的截面积，mm2；f为空心拉杆的截面积，mm2；S为冲程，m/次；N为冲次，次/min。

双作用泵并联前后参数对比如表2所示。

表2 双作用泵并联前后参数对比

由表2可以看出，120/70并联双作用泵的最大排量达594 m3/d，是120/70双作用泵最大理论排量的1.44倍，其排量达到了提液需求。

2.5 双作用泵生产特点

调研发现，双作用泵在现场应用中出现了杆柱弯曲、偏磨等问题，分析认为是双作用泵的下行阻力大导致。造成双作用抽油泵下行困难的主要外力从大到小依次为：油液作用于柱塞空心拉杆面积差上的向上反馈顶托力、作用于抽油杆底部的液体浮力、柱塞及空心拉杆产生的半干摩擦力、油液流过游动阀时的水力阻力[3]。由于下行阻力大，双作用泵运行时抽油杆易出现下行慢的问题。通过对抽油杆进行加重设计、采用D101.6 mm油管降低液流磨阻等办法，该问题基本得到了解决。

2.6 载荷计算

目前还未见双作用泵抽油系统悬点载荷计算的相关报道[4-6]，载荷计算以现场经验为主，供抽油机选型参考。

3 塔式抽油机举升技术

双作业泵与普通整筒泵相比，实现了下冲程无需外在能量输入、借助杆柱自重排液，具备了节能的特性。为了进一步提升新举升工艺的节能效果，综合考虑抽油机地面传动效率，平衡调节难度，解决双作用泵运行时上冲程速度快、抽油杆下行阻力大、速度慢等问题，优选塔式抽油机配合双作业泵进行地热资源开采。

3.1 塔式抽油机工作原理

工作时，开关磁阻电机直接驱动减速滚筒正反换向旋转运行，滚筒外部两端窄带用于悬挂配重箱，中间宽带用于悬挂抽油杆，滚筒旋转带动配重箱与抽油杆的上下往复运动。

3.2 塔式抽油机结构

塔架式抽油机主要由底座、塔架、动力组合装置、皮带、配重箱及智能控制系统等六部分构成，见图3。动力组合装置包括动力滚筒、定滑轮、刹车系统。

图3 塔式抽油机结构

电机选用开关磁阻电机，可根据抽油杆在上行和下行中的速度实时变化，通过调节电机的转速，实现抽油机和抽油杆运动速度的匹配，适应双作用泵正常生产时抽油杆柱下慢上快的特点；同时该电机起动转矩大，启动电流低，启动时对电网无冲击，适合重载起动和负载变化频繁的工况，兼具功率因数高的特点，在空载和满载下的功率因数均大于0.95，可实现节能生产；动力滚筒采用电动滚筒结构，将电机和减速器内置于滚筒，整体结构紧凑，占据空间位置少，传动效率高，适合在野外恶劣环境下稳定工作；采用直接式油冷方式冷却电机，提升了电机散热效果；减速器选用行星齿轮传动，体积小、重量轻、承载能力大，便于安装，适应抽油机生产时载荷变化大的特点；传动皮带使用复合皮带结构，皮带采用压板方式固定于滚筒之上，皮带内部嵌有数根钢丝绳，钢丝绳外层胶连横向增强层，皮带表面胶连覆盖层，耐温范围广（可适用于-40～80℃的工作环境），使用寿命长；机架设计让位机构，作业时将机架顶部液压翻转，让位距离不低于0.8 m，满足后期修井作业的需求。

3.3 塔式抽油机特点

（1）用绳轮（皮带）传动结构[7]将电机所产生的电能转化为上下循环运动，减少传动过程，提升传动效率，同时运动规律除上下死点有短时间加减速运动外，大部分时间是匀速运动，使惯性载荷大幅度下降，抽油机性能得到较大改善[8]。

（2）塔式抽油机容易实现长冲程，相对冲程损失小，有效冲程长（最大值达5.5 m），同时降低抽油杆的磨损和疲劳，延长了抽油杆的使用寿命。

（3）塔式抽油机通过天平平衡的方式[9]，可以快速而低消耗地进行调整。配重箱采用上下两层分体式结构，下层可根据载荷预先配置好固定配重，上层采用每块15 kg的小配重，便于调节平衡。

（4）塔式抽油机通过数字智能控制系统，可实现带载精准无级调参数，可采用现场（井口）旋钮调节或远程调节电机的转速，使抽油机和抽油杆运动速度相匹配；具有定点停机、快速制动功能，当断杆（荷载为零）或荷载加大（卡井）超过上限时，即刻进行停机保护，最大限度确保井内设施安全。

4 塔式抽油机配合并联双作用泵举升工艺应用效果

4.1 提液效果

留北潜山提液井应用塔式抽油机配合并联双作用泵举升工艺共4井次（见表3），4口井中，留44、留52N井潜油电泵生产时日产液合计1 147 t，采用塔机配合双作用泵举升工艺后采用5.5 m×3次的制度生产，日产液合计1 116 t，达到了与潜油电泵产液接近的水平，实现了大排量提液；留24、留32井因作业区热水需求量影响，投产初期分别进行调小工作制度（3 m×1.6次）生产，短期生产后临时关井，2口井日产液合计291 t，但根据之前潜油电泵生产时储层供液能力来看，同样具备提液至潜油电泵产液水平的能力，4口井在生产过程中，通过智能控制系统控制开关磁阻电机上下冲程转速的变化，抽油机、杆运动速度匹配良好，未出现两者相互“顶牛”而影响生产的问题。