2. 大庆油田有限责任公司第一采油厂
2. No.1 Oil Production Plant, Daqing Oilfield Company
0 引言
目前我国各大老油田已经进入了开发中后期,产液含水质量分数大都超过90%[1],而含水量的增加,直接导致了开采成本的上升,迫使一些油田报废,而这些报废的油田中往往还含有大量的原油未被开采,造成了极大的浪费,同时采出水的处理过程中还会造成环境污染问题[2-3]。同井注采系统能够将大部分水在井下分离出来并注入到地层中,同时将分离后的浓缩液举升至地面,降低采出液中的含水量。从20世纪90年代开始,加拿大C-FER公司最先提出井下油水分离的设想并将其变成现实以后,同井注采系统先后在国外的很多油田及国内的胜利、河南和大庆等油田进行了井下试验,并取得了良好的效果,举升方式包括有杆泵、螺杆泵和电潜泵等几种方式[4-6]。美国得克萨斯公司使用1台双作用泵同时完成采油和注水,但是油水分离效果不好[7];颜廷俊等[8]进行了电潜泵井下油水分离系统方案设计,但电潜泵的价格达到常规电潜泵的23倍;周晓君[9]设计的往复式双液流泵收到了显著的降水稳油效果,但是该泵结构复杂,截面尺寸较大。根据油水分离系统分离原理的不同,同井注采系统可分为重力分离式和机械分离式2种,笔者在设计中选用了重力式多杯等流分离器[10],该分离器结构简单且不需要动力驱动。有杆泵同井注采系统使用2套双柱塞抽油泵完成采油和注水,符合我国以抽油机为主的开采方式[11],并在现场应用中取得了较高的降水效果。
1 有杆泵同井注采系统技术分析 1.1 结构双柱塞泵结构如图 1所示。有杆泵同井注采系统由采出泵、密封活塞、上封隔器、下封隔器、注入泵和油水分离系统等部分组成,其结构如图 2所示。
1.2 工作原理
由于油和水密度的差异,进入油水分离器沉降杯的油液逐渐分为2层,密度大的水沉在下层,经过油水分离器的中心管到达注入泵吸入口,密度小的油液浮在上层,通过中间通道上升至采出泵吸入口处。上冲程时,在抽油杆的带动下,注入泵的柱塞向上运动,小柱塞与大泵筒之间的环形空间减小,进液阀关闭而出液阀打开,环形空间中的液体被排出到注入腔中,并最终被注入到注入层中,同时,采出泵的柱塞也向上运动,环形空间中的液体被排出到油管中,并被举升至地面,完成采油和注入过程;下冲程时,在抽油杆的带动下,注入泵的柱塞向下运动,小柱塞与大泵筒之间的环形空间体积增大,进液阀打开而出液阀关闭,经油水分离器分离出的水被吸入到环形空间中,采出泵的柱塞同时向下运动,油水分离器分离出的浓缩液经桥式封隔器通道后,被吸入到采出泵的环形空间中,注入泵和采出泵同时完成吸水和吸油的过程。
2 关键节点力学分析有杆泵同井注采系统悬点载荷组成复杂,为了计算各节点的载荷,由下至上分别建立了注入泵、密封活塞和采出泵力学模型,得到了系统各部分载荷的计算公式。
2.1 注入泵上端力学分析为了对注入泵进行受力分析,首先在靠近密封活塞下部,假想把连接密封活塞和下部注入泵小柱塞的抽油杆截断,以抽油杆及注入泵大、小柱塞为研究对象建立力学模型,如图 3所示。
上冲程时,进液阀打开而出液阀关闭,大小柱塞环腔内液体压力p注1与注入压力p注相等,因此由平衡方程可得:
(1) |
(2) |
下冲程时,进液阀关闭而出液阀打开,大小柱塞环腔内液体压力p注1与注入泵吸入口压力p注吸相等,因此由平衡方程可得:
(3) |
式中:P注上、P注下分别为上、下冲程注入泵抽油杆所受的力,N;G拉自为抽油杆自重,N;G1为注入泵自重,N;p注为注入压力,Pa;p注1为大小柱塞间环形面积压力(上冲程时p注1=p注,下冲程时p注1=p注吸),Pa;D注大、D注小分别为大、小柱塞直径,m;d拉为注入泵上端抽油杆直径,m;p注吸为注入泵吸入口压力,Pa;ρ为油液密度,kg/m3;g为重力加速度,m/s2;l注沉为注入泵沉没度,m;p套为套管压力,Pa。
2.2 密封活塞上端力学分析密封活塞上冲程力学模型如图 4所示。密封活塞上部通过抽油杆与采出泵大柱塞下端相连,下端通过另一抽油杆与注入泵小柱塞相连,无论上、下冲程,柱塞上端始终存在采出泵吸入口压力p采吸,而下端始终存在注入压力p注。
上冲程时,悬点载荷为:
(4) |
(5) |
下冲程时,悬点载荷为:
(6) |
式中:P封上、P封下分别表示上、下冲程密封活塞抽油杆所受载荷,N;D封为密封活塞直径,m;d封密封活塞上部抽油杆直径,m;G2为密封抽油杆和密封活塞重力,N;p采吸为采出泵吸入口压力,Pa;l采沉为采出泵沉没度,m。
2.3 采出泵上端力学分析与注入泵力学模型相同,可以求得采出泵上冲程载荷为:
(7) |
(8) |
下冲程载荷为:
(9) |
式中:P采上、P采下分别为上、下冲程采出泵柱塞上端所受载荷,N;D采大、D采小分别为采出泵大、小柱塞直径,m;d杆为采出泵上部抽油杆直径,m;p排为采出泵排出压力,Pa;p采吸为采出泵吸入口压力,Pa;G3为采出泵大小柱塞重力,N;l采挂为采出泵泵挂深度,m;p油为油管压力,Pa。
2..4 悬点载荷采出泵上端载荷加抽油杆重力即为悬点载荷。
(10) |
式中:P悬为悬点载荷,N;G杆为抽油杆重力,N。
通过各节点受力分析,可以优化杆柱直径,减小悬点载荷,同时避免杆柱受压带来的屈曲以至于出现偏磨和卡泵等现象,同时可以为抽油机的选型提供参考。
3 现场应用目前有杆泵同井注采系统共在大庆油田现场应用15口井,采出液平均含水质量分数下降7.2个百分点。其中X井作业前含水质量分数为95.0%,于2015年10月3日进行了同井注采系统下井作业,采出泵下泵深度884 m,动液面深度190 m,采出泵与注入泵距离60 m,采出泵采用 70/57 mm抽油泵,注入泵采用 83/44 mm抽油泵,油管压力0.31 MPa,套管压力0.42 MPa,注入压力22.00 MPa,密封活塞直径为38 mm,所有连杆直径为25 mm。作业前、后生产参数如表 1所示。将以上参数代入式(1)~式(10)计算,可得各节点载荷,结果如表 2所示。
由表 1可以看出,进行同井注采试验后,X井采出液含水质量分数由95.0%下降至87.5%,下降了7.5个百分点,日产液量下降了55.08 t,减少了61.1%,然而日产油量仅下降了0.12 t,减小幅值为2.7%。
由表 2中X井系统各节点计算载荷可以看出,系统各节点在上、下冲程均处于受拉状态,避免了管柱出现受压弯曲现象,降低了杆柱偏磨和卡泵等事故的发生概率,悬点上冲程载荷与现场实测误差仅为2.69%,验证了计算模型的正确性。
4 结论(1)有杆泵同井注采系统采用多杯等流分离器在井下进行油水分离,使用注入抽油泵将分离后的水直接注入到地层中,同时另一台采出抽油泵将分离后的浓缩液举升至地面,能够有效降低采出液含水率。
(2)基于理论力学方法,建立了注入泵、密封活塞和采出泵的力学模型,并得到了各部分载荷计算公式,上冲程悬点载荷与实测值误差仅为2.69%,验证了计算模型的正确性。
(3)同井注采系统在大庆油田现场应用15口井,应用结果表明:在保持产油量基本不变的情况下,X井采出液含水质量分数下降7.5%,同时产液量下降61.1%,减少了将水举升至地面及地面水处理所需费用,达到了节能降耗的目的。
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