全金屬螺桿泵蒸汽吞吐注采一體化試油技術

姜 東

(中國石化勝利油田分公司石油工程技術研究院)

油田開發中，對于地層產能評價及預測主要通過排液試油方法獲取相關數據參數,目前現場常用工藝有：液氮誘噴[1]、水力泵[2-5]和機械抽汲[6-11]等工藝方法。隨著稠油油藏的深入開發，對于超稠油、特超稠油油藏多采用SAGD、CSS注蒸汽熱采開發方式，從舉升上主要應用了抽油機-抽油泵有桿泵排液方式[12]，該技術通過下放桿柱打開注汽通道，注汽后上提抽油桿、調好防沖距快速轉抽生產，但到注汽中后期，隨井溫降低，油井產出液黏度增大，存在稠油進泵困難、泵效低或抽油桿柱下行困難甚至不能正常生產的問題，用于試油排液則不能準確測試油井產能。針對稠油井產出液黏度大、流動性差問題，應用了常規橡膠螺桿泵試油技術[13-14]，并見到了一定效果，但由于常規螺桿泵橡膠定子耐溫低(一般小于160℃)，目前主要用于普通常規稠油油藏的冷采試油排液，無法實現300℃以上稠油熱采井高溫舉升排液需求。

為滿足稠油熱采試油井快速、準確、全面獲取油藏數據資料需求，本文通過研究一種定轉子均為金屬材料的全金屬螺桿泵技術，在發揮螺桿泵適用于稠油、出砂油藏，并具有連續螺旋舉升排液優勢同時，大幅提升螺桿泵耐高溫性能，通過技術配套形成適用于稠油熱采井、工作溫度達到380℃以上的全金屬螺桿泵注采一體化排液技術，為稠油熱采井的高溫長效舉升試油排液提供一種新工藝。

一、全金屬螺桿泵特性研究

全金屬螺桿泵區別于普通常規橡膠螺桿泵的關鍵技術是其金屬定轉子采用間隙配合方式旋轉嚙合舉升。

1.全金屬螺桿泵結構優勢

通過優化用于金屬定轉子的材料及表面硬化處理工藝，實現了380℃高溫井況環境下舉升排液，繼承了常規橡膠螺桿泵適用稠油優勢，用于探井試油能解決以下問題：

(1)螺桿泵金屬定子、轉子采用真空氮化處理，其硬度分別達到HIV900-1100和HIV600-800，具有耐高溫、抗磨損優勢，解決了常規橡膠定子螺桿泵耐溫低，因橡膠定子疲勞、老化壽命短的問題，在高溫熱采井上應用具有更長的使用壽命。

(2)舉升排液連續、均勻，具有較強的自吸能力，適用于高黏度、高含氣和出砂油井高效、長效舉升；與常規抽油機舉升方式相比，螺桿泵采油整體配套緊湊，地面設備占地空間小，具有安裝操作簡便和運行能耗低等優勢。

因此，采用全金屬螺桿泵對于稠油井(尤其是熱采井)試油，能實現高溫、高效、穩定排液，有效降低試油成本、提高試油效果。

2.全金屬螺桿泵特性試驗

為掌握全金屬螺桿泵運行特性，針對其定轉子間隙配合特點，依據《GB/T 21411.1-2014 石油天然氣工業井下設備》“人工舉升用螺桿泵系統”(第1部分)標準規定，對GLB160-30/JD全金屬螺桿泵樣機，在不同介質及運行轉速條件下，測試分析其舉升揚程與泵效規律，分析其間隙漏失對泵效影響規律，掌握全金屬螺桿泵運轉特性規律，用于指導全金屬螺桿泵選型及應用。

2.1 測試方法

采用100%水、100%油(32#液壓油，黏度53 mPa·s)為試驗介質，在轉速為100、150、200 r/min條件下，測試全金屬螺桿泵對應不同出口壓力(等效舉升揚程)下的泵效。

將圖1的四邊形OABC中的矢量等式r= b+ a- c的兩邊作自身的點積(數量積)有：rr= bb+ aa+ cc+ 2(ba- bc- ac)，即r2= b2+ a2+ c2+ 2(bacφ- bccφ?ψ- accψ)，[(b2+ a2+ c2- r2)/ 2+ bacφ] /c= acψ+ bcψ?φ，

2.2 全金屬螺桿泵特性分析

全金屬螺桿泵性能測試結果如圖1所示。由圖1看出，介質分別為水、油時，全金屬螺桿泵表現出了不同特性。采用水介質時，泵效整體呈快速下降趨勢，隨轉速增大泵效下降趨緩，當轉速為200 r/min、泵出口壓力11 MPa時泵效降為0。而采用油介質，全金屬螺桿泵具有較好特性，轉速對泵效影響不大，均達到75%以上，在轉速200 r/min、壓力16 MPa時，泵效達到70%。

圖1 采用純水純油介質金屬螺桿泵特性曲線圖

全金屬螺桿泵特性測試結論表明，介質黏度、運行轉速是決定全金屬螺桿泵泵效的主要因素。當輸送有一定黏度的油介質時，因介質黏度增大減少了全金屬螺桿泵定轉子配合間隙的漏失，表現出了較高泵效；而當輸送黏度較低的水介質時，間隙漏失對泵效產生量較大影響，但可通過增加轉速提高泵效，減小漏失對泵效的影響。

3.全金屬螺桿泵耐高溫旋轉扶正器配套技術

全金屬螺桿泵工作時，通過抽油桿柱將地面電機旋轉動力傳遞至井下驅動螺桿泵舉升排液，該驅動方式用于斜井必然存在抽油桿與油管間的接觸旋轉磨損。目前，對于螺桿泵旋轉防偏磨技術，扶正器主要采用橡膠、尼龍等高分子材料[15]，該類材料耐溫一般小于160℃，無法在溫度大于300℃注蒸汽熱采井中應用。

針對螺桿泵在斜井中工作存在的管桿接觸旋轉磨損問題，基于滑動軸承原理，設計了耐高溫抽油桿剛性旋轉扶正器技術，該扶正器結構上由扶正桿、扶正體組成，其結構示意圖見圖2。扶正器整體采用金屬材料，扶正桿外表面、扶正體內表面采用合金粉末噴焊處理，耐溫達到400℃以上，具有潤滑減磨、防腐抗磨特性，能適用于?76 mm油管中與?22 mm、?25 mm抽油桿連接應用。

圖2 全金屬抽油桿扶正器結構示意圖

扶正防磨原理：使用時，在偏磨井段將扶正器代替抽油桿接箍與抽油桿連為一體，扶正器扶正體通過力的作用與油管保持相對靜止；抽油桿帶動扶正桿在扶正體內做旋轉運動，將抽油桿與油管間的旋轉磨損轉變為扶正器扶正桿與扶正體間的潤滑減磨運動，避免油管抽油桿磨損，大幅提升熱采螺桿泵井抽油桿、油管使用壽命。

二、全金屬螺桿泵注采一體化工藝

為滿足稠油熱采井注蒸汽熱采舉升排液試油需求，研究了全金屬螺桿泵注采一體化工藝，在勘探開發井，采用全金屬螺桿泵實現了一趟管柱注汽-放噴-轉抽生產高效舉升排液試油。

1.注采一體化管柱組成

全金屬螺桿泵注采一體化管柱由驅動裝置、光桿、注汽密封裝置、油管四通、套管四通、抽油桿、油管、全金屬螺桿泵(定子、轉子)、油管補償器、防轉錨、注汽封隔器組成，管柱圖如圖3所示。作業施工時，首先安裝套管四通和油管四通，按照圖3所示油管柱、抽油桿柱下入井內?？赏ㄟ^抽油桿柱的上提下放，實現注汽-生產-再注汽-再生產多輪次熱采排液試油。

2.注汽轉抽一體化工藝

全金屬螺桿泵注采一體化排液施工分為三個階段：

(1)注蒸汽階段。將油管、全金屬螺桿泵定子、油管補償器、防轉錨、注汽封隔器連接組成的油管柱下入井內，油管柱通過管螺紋與套管四通連接，并實現注汽高溫密封；將光桿、抽油桿柱、全金屬螺桿泵轉子組成的驅動抽油桿柱下入螺桿泵定子內，調好防沖距，上提光桿使全金屬螺桿泵金屬轉子脫出金屬定子，懸掛于驅動裝置頂部。

(2)注汽燜井放噴階段。由油管四通閘門經過油管向井底注入高溫高壓蒸汽(見圖3注汽狀態)。注汽過程中，光桿與注汽密封裝置配合實現井口高溫高壓靜密封。其中，注汽密封裝置采用石墨材料組合與光桿實現自補償彈性密封，確保安全注汽。按照設計方案完成注汽、燜井后放噴，放噴產出液由油管四通另一端排出進流程。

(3)轉抽生產階段。放噴后待井口壓力、溫度降低到可施工工況后，將懸掛光桿下放至預先調好的防沖距位置，螺桿泵轉子進入定子實現正確嚙合(見圖3生產狀態)。接通螺桿泵驅動裝置電機電源，按照設定的轉速開機生產排液，測試記錄相關生產數據。

通過上述工序施工，完成全金屬螺桿泵注蒸汽熱采一體化舉升排液，實現油井的生產和試油。

圖3 全金屬螺桿泵注采一體化示意圖

1驅動裝置 2光桿 3注汽密封裝置 4注汽入口 5油管四通 6套管四通 7抽油桿 8油管 9螺桿泵金屬轉子 10螺桿泵金屬定子 11油管補償器 12防轉錨 13注汽封隔器 14注汽/返排通道 15套管 16油層 17排液出口 18旋轉扶正器

3.全金屬螺桿泵注采一體化工藝技術指標

可實現注蒸汽-燜井-防噴-轉抽多輪次注蒸汽吞吐一體化作業，耐溫大于380℃，耐壓達到25 MPa。

三、現場應用情況

全金屬螺桿泵排液舉升技術在勝利油田生產井和探井開展了現場試驗，應用效果證明，全金屬螺桿泵運行平穩可靠，形成的注蒸汽熱采一體化技術用于高黏流體稠油熱采井，實現了注汽、轉抽一體化排液試油生產，為稠油熱采井注采一體化試油排液提供了新技術。

1. 612生產井

該井為稠油熱采井，井筒為?177.8 mm套管，油層深度1 315.8 m，油層厚度7.9 m，早期因高含水關井。2016年2月注蒸汽吞吐后，采用GLB160-30/JD全金屬螺桿泵高溫生產。該井下泵深度1 100 m，采用頂部驅動，?25.4 mm抽油桿驅動生產，運行轉速在80～140 r/min。正常運行轉速140 r/min時，油井產量20 m3/d，產油量1 m3/d，含水95%，泵效52%，平穩運行18個月泵效穩定。通過該井的試驗證明，全金屬螺桿泵技術成熟，用于油井舉升能維持較高的泵效長壽命生產。

2. 688試油井

該井為勝利油田西部油區的一口勘探試油井。該井井筒為?177.8 mm套管，油層深度1 502.8 m，油層厚度6.7 m，地層溫度32℃，原油黏度>6 600 mPa·s，含水32%，因油稠采用抽油機試抽桿柱緩下不成功。2016年11月采用全金屬螺桿泵注蒸汽吞吐試油排液。注汽時，井口溫度達到320℃～380℃、注汽壓力16 MPa；采用GLB110-30/JD全金屬螺桿泵配套一體化高溫注汽井口排液求產，運行轉速100～120 r/min，產量2.7～13.2 m3/d，連續試油8 d累排液42 m3，累采油15 m3，實現了油井產能的測試。

四、結論

(1)以全金屬螺桿泵為核心，通過井口高溫密封注汽轉換技術、井下高溫減磨抽油桿扶正器技術配套實現了全金屬螺桿泵用于稠油熱采井生產和試油排液，為稠油油藏的注蒸汽高溫舉升和注采一體化試油排液提供了新工藝。

(2)全金屬螺桿泵特性測試結果表明，介質黏度、運行轉速是決定全金屬螺桿泵泵效的主要因素。舉升高黏度大于53 mPa·s有一定黏度油介質時，泵效大于70%；而舉升純水介質時，因定轉配合間隙漏失泵效隨增壓值增大呈快速下降趨勢，但可通過增加轉速提高泵效，減小漏失對泵效的影響。

(3)勝利油田試驗應用表明，全金屬螺桿泵用于油井舉升能維持較高的泵效長壽命生產運行。