海上油田机采井故障原因分析及应对措施

2023-11-14李海涛白健华王秋霞蒋召平于法浩侯新旭喻小刚曾润

石化技术 2023年11期

李海涛白健华王秋霞蒋召平于法浩侯新旭喻小刚曾润

中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海石油研究院天津 300459

1 现状

电潜离心泵是海上油田生产最主要的人工举升方式，是油田产能贡献的主力，由于其排量范围大，扬程高，调节方便，运转寿命长，在海上油田广泛应用。海上油田机采井占生产井总井数92%，其中电潜离心泵占机采井比例更是高达98%。

潜油电泵机组一般由井下电泵机组、地面控制设备、其他辅助设施3部分组成。电潜泵电机与普通电机的主要区别是，电泵电机的总体外形呈现细长形状，电机长度是直径的10余倍，潜油电机主要由定子、转子、止推轴承及径向扶正支撑机构、油路循环系统、引线连接等部件所组成，所有摩擦副全部采用滑动轴承[1]。这种特殊的设计结构的潜油电机一般位于井筒几百至几km的深处，井况条件差异较大，需要面临油藏温度、电机运行时产生的温升等高温挑战，特稠油、超稠油黏度挑战，含砂井机械磨损挑战等全方位的严酷井况条件。机采井故障原因诊断需要从井况条件、产品质量、施工作业、运维维护等多方面综合分析。快速诊断电潜泵机采井故障原因，锁定故障点不仅可以帮助油田尽快恢复生产还可以避免造成修井，降低油田操作成本。全面解剖海上油田机采井故障的典型案例，详细分析了故障原因，对实际生产具有重要借鉴意义。

2 故障分析

广泛研究海上多个油田近600口机采井检泵案例后，把电泵故障分为选泵设计、井况条件、产品质量、施工作业和日常运维等几个方面。

2.1 井况条件

潜油电泵在油井中的工作环境对电泵的运行寿命影响很大，也是一项重要因素，其中包括：高含砂井、高含气井、结垢、稠油井、高温井等。

BZ××井是海上油田一口低渗压裂井，施工作业完成后下入新机组，变频驱动35Hz启动运行正常，运转2天后由于供电系统故障而停机，恢复供电后35Hz启动电泵显示过载，仍无法启动，测电机电性能正常。

根据故障现象描述，电泵安装下井后35Hz启动直至失电停机前运行正常，恢复送电后，在启动前对电泵机组的电性能检查无异常，但无法启动，因此初步判断该现象与井况有关，而保护器以下部分是密闭的，驱动轴不接触井液，说明在停电期间在保护器以上的部件额外增加了相当程度的旋转摩擦阻力矩。这种阻力矩的产生有2种可能：有异物进入泵内，造成泵内旋转部件的卡阻；井液中携带的某种杂质由于停泵随井液沉积在旋转部件与固定部件之间狭小的缝隙内，将会造成旋转件与固定件之间的摩擦阻力矩增大。

机组停机原因是失电停机而不是故障过载停机，在泵吸入口处未装滤网，异物有可能随井液进入泵内，而且在泵内固定件与旋转件之间，叶导轮口环部位的间隙尺寸应在0.089～0.191mm之间，如果有某种易粘敷的物质随井液沉积在叶导轮的间隙中，极容易造成叶导轮之间的摩擦阻力增大或卡阻。综上分析，2种原因都不能排除。

机组拆解后电机、保护器、进口段均正常，上、下节泵分别盘轴均无法盘动，将泵解体后发现，减磨垫磨损正常，但流道内有少量细砂及垢状物质并有黏状物，取出一套叶轮、导壳，手持状态下叶轮在导壳内无法转动，摩擦阻力明显增大。拆检结果证实了的上述分析结论。

图1 砂堵塞泵叶轮流道

2.2 产品质量

BZ××井是海上油田一口电泵井，检泵作业完成后下入新机组机约25d，现场检测到电泵运行电流异常升高，机组很快停止运转。该井不存在高温、高含蜡、高黏原油等异常井况，投产垢该井产液量稳定，不存在大幅波动现象，机组运行过程中未有人工干预因素，机组运行时间远远低于平均检泵周期，电泵机组可能存在质量问题。

机组拆解后用盘轴器对电机轴进行盘转，检查电机轴转动轻快无阻滞现象，未发现卡顿；拆开电机底座注油阀体，放净电机腔内原有的电机油，进一步测量绝缘电阻。用2.5kV兆欧表测量定子绕组对地绝缘电阻为26MΩ，远远小于规定值1000MΩ，确定定子绕组绝缘损伤。绕组绝缘损伤可能原因有定子绕组受潮、绕组本身缺陷或检修工艺不当、机组温升导致的绕组过热、绝缘老化、马达内部进入金属异物、过大电压击穿。根据上述综合分析，怀疑定子绕组绝缘质量存在问题。进一步拆解后发现定子绕组绝缘损伤，浸漆不合格固化后脱落，验证了分析结果。

2.3 施工作业

SZ××井在电泵下井作业前进行地面检查时，测电机绕组对地绝缘电阻＞2000MΩ，绕组冷态直流线电阻1.3Ω而且三相平衡，但在进行工况仪的信号回路检查测试时发现信号回路有异常，在回路中施加DC120V电压，在通过电机绕组后出现很大的压降，工况仪地面仪表显示井下传感器信号输入端电压很低，根据测试结果，从电机出线孔三相绕组引出线到绕组星点引出线尾端出现了近似断路异常状况。

测试电机绕组直流电阻数值正确，而且三相电阻平衡，表明绝缘性能良好，电机绕组星点以上一切正常。判断绕组星点以下至信号插头之间可能存在信号回路异常。

星点引出线是采用多股镀银软线，连接工艺采用气焊连接，星点引出线尾端与信号线插头连接采用专用压接钳现场压接。在此区间存在2个可疑点。第一，绕组星点与星点引出线的连接处：该接点两端导线的线径相差较大，绕组线为独股，线径φ3.0mm，星点引出线为2.5mm2多股软线，当采用气焊工艺连接时，其火焰温度高，而且热影响区大，很容易使φ1.8mm的多股软线焊接点形成熔化、脆断。

第二，星点引出线尾端与信号线插头的连接处：星点引出线尾端与信号线插头的连接是采用专用压接钳压接，如果压接不牢固或者引出线伸入压接套部位的绝缘层未剥除或处理不彻底，也会造成接触电阻大甚至形成近似断路的现象。

拆解发现：绕组星点与星点引出线的连接处存在断点，验证分析结果正确，重新接线后，保证下入机组过程中的质量控制。

图2 接线示意图

2.4 运行维护

2022年渤海CFD××油田机采井异常停泵8井次，如不能及时发现问题，重新启泵生产，就可能造成修井作业，增加油田成本，造成机采故障率上升。

CFD油田××井是一口低产液电泵井，稳定运转420d后现场收到预警诊断系统的报警信号。查看系统中该井各项运行参数，电泵运行电流81A，泵工况温度96℃，频率52Hz，产液量未发现异常波动。仔细研究该井预警诊断系统中生产曲线，改井自换泵后稳定生产，产液量逐渐下降，近期泵工况检测到的温度稳定上升，怀疑电泵长期运转造成井底流压下降，该低产井地层不能及时补充能量，电泵沉没度不足而引起报警。根据分析，现场环空补液后生产，检测到泵工况温度91℃，产液量上升，报警解除。

机组故障率与机采井日常维护密不可分[2-3]。及时发现机采井的产液、电流、震动等参数的异常波动并预警，可帮及时采取措施，避免造成修井作业从而降低机采井故障率。

3 应对措施

3.1 井况条件

选泵设计是机采井能够稳定运行的前提，选泵设计需要据油藏信息、流体物性参数、完井信息、井史等实际井况情况选择合理的举升方式。电泵型号应与该井的地层供液能力相匹配，实际产液量应控制在电泵的合理排量范围之内。电泵长时间在偏离高效区运转，会造成叶轮上漂或下沉，必然导致减磨垫磨损，当磨损到一定程度时，就会发展到叶轮与导壳贴府摩擦的状态下工作，不仅增加了电机的无功损耗，还将导致上述部位因严重磨损直至报废。

选泵设计还需要重点关注油井的作业历史，是否存在出砂、结蜡、稠油等特殊情况，并根据实际井况，优化举升工艺。

例如，液体的黏度影响电潜泵的特性曲线，使机组所需功率急剧增加，使泵的扬程、排量和效率显著下降。经验证明，如果含水在20%～40%之间，且有乳化液生成的话，黏度将增加2～3倍[1]。渤海LD××油田油品属于超稠油，地面50℃黏度大于350mPa·s，有些区块地面50℃黏度甚至大于10000mPa·s，井筒流体的黏度对潜油泵扬程、排量及泵的效率影响较大，而潜油泵的特性一般在清水状态下测试出来的，必须对泵的扬程、排量和泵效进行修正，以确保机组的可靠运行，防止电机过载等问题的出现[1]。

1）易出砂、低渗压裂井应根据出砂含量和粒径选择合理举升方式，建议机组下井前彻底洗井。

2）考虑稠油和特稠油油田油品黏度较大，注热开发后井底温度较高，建议机采方式选择射流泵举升工艺，采用电潜泵举升需根据油品黏度校正机组的排量和扬程系数。

3）选泵设计应与油田未来3～5年产能、井况相匹配，建议选择大排量高范围电泵举升工艺，提高选泵适配程度，降低换泵频次。

3.2 产品质量

机组质量直接决定机组运行状态和故障率。提升机组质量包括技产品质量和安装质量。其中机组质量由定子直线度、转子直线度以及定、转子同轴度以及扶正轴承的结构、质量等决定。这些质量不合格可能造成定、转子扫膛，最终导致定子绕组放炮。

电潜泵机组安装所涉及的密封部位较多，包括电机与保护器的法兰密封连接、注油阀及螺塞、放油、排气孔等多处阀体、螺塞的密封，电机油的注入质量、各节之间的连接配合及密封处的可靠性、变压器的容量及档位的正确选择、地面控制设备各保护参数的正确设置等。其中任何一处的疏漏都会造成井液进入本应密闭的腔体内，不仅会造成密闭腔内各摩擦副的润滑环境变差，同时电机的绝缘性能会降低，当进入电机腔内的井液过多，使电机绕组绝缘性能降低到一定程度时，在高电压下就会出现短路现象。

渤海油田通过建立机采产品体系标准、加强关键技术研发引领、执行供应商奖惩措施等筛选了一批质量可靠的供应商，有效保证了机组质量。

3.3 施工作业

施工作业中的质量控制是整体控制和降低机采井故障率的关键一环。提升施工作业质量包括施工流程标准化、配套工具升级、施工人员技能培训等方面。渤海油田持续完善修订电潜泵作业、电缆连接、泵工况作业、收放机维保等操作指导书，严格规范重点环节的操作标准，形成了一系列技术体系指南，有效保证了施工作业高质量完成。近年来，渤海油田因施工作业造成的机组故障显著降低。

3.4 运行维护

预警诊断系统[4-6]基于油田机采井的产液量、含水率、井底流温、井口压力、电机电流等基础参数，根据单井生产状态偏离正常值程度确定该井健康程度。当单井生产参数偏离达到预警值时，会触发系统报警。这些运维措施促进了油藏动态管理、机采工程师、现场生产人员的联动，保障机采井的高效、平稳运行，有效降低机采井故障率。2022年预警诊断系统处理CFD××油田异常停泵8井次，其中恢复生产3井次，优化生产3井次。有效性75%。见图3。