基于潛油電泵的同井采注水關鍵技術研究

 隨著大慶油田的采油進入中后期，油層儲量逐漸減少，為了保持油田的持續(xù)高產穩(wěn)產，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組作為注水設備的方案，用同一口井實現(xiàn)采水和注水，減少了前期投入，縮短了建設周期，并降低了成本。筆者對同井采注水技術進行了研究，解決了關鍵技術難題，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]。同井采注水技術就是將潛油電泵作為增壓注水的工具，在注水井內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 采下注上管柱結構及原理 采下注上管柱如圖1所示。將潛油電泵機組各部件按封隔器、扶正器、保護器、多級離心泵、注水口、倒置保護器、潛油電機、保護器的連接順序連接下井，機組位于水源層以上、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，使其高速運轉，通過軸帶動多級離心泵葉輪高速轉動。水由下部吸入口經過導流罩進入多級離心泵流道，經過逐級增壓，最終進入到注入層中。
1.2 采上注下管柱結構及原理 采上注下管柱結構如圖2所示，將潛油電泵機組各部件按封隔器、扶正器、倒置泵、泵吸入口、倒置保護器、潛油電機、保護器、出水口、皮碗封隔器、測試工具的連接順序連接下井，機組位于水源層以下、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，使其高速運轉，帶動倒置泵內的葉輪做高速旋轉運動。水由泵吸入口被進入倒置泵流道離心內，經逐級增壓后，由出口排到封隔器以下的油管中，進入注人層中，完成注水過程。
2 關鍵技術
2.1 防砂技術 在水源層中，常含有一些低濃度細砂粒。因此應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，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，水源層的水經防砂篩管濾除砂粒后，經過水器進入皮碗封隔器下部進入泵吸入口，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)空沉積砂進行解堵，可將堵塞器從井口投入，堵塞器下行進入流量測試段后與之配合，此可進行正沖解堵。解堵完成后，再用打撈工具將堵塞器撈出，再啟動倒置泵進行增壓注水。
2.2 潛油電機的設計 常規(guī)潛油電機位于機組下部，通過軸向上傳輸轉矩，帶動葉輪旋轉。在同井采注水中，將傳統(tǒng)的潛油電機改為置頂潛油電機。該電機位于機組的最上端，向下傳輸轉矩，原潛油電機結構中的封閉形式改為連通形式，底座與下保護器相連（如圖3）。
2.3 專用保護器的設計 由于同井采注水工藝的特點及潛油電泵機組的結構特殊性，為了在設備運行中充分保證其散熱和保護，同時還能像常規(guī)保護器一樣具備為電機提供補償?shù)哪芰?，選用上下保護器相結合的形式。
2.3.1 上保護器的設計 上保護器位于潛油電機上部，是一種專用的電機油補償器，用于補充潛油電機工作過程中排出的電機油。上保護器上下分別與管柱和潛油電機相連，實現(xiàn)補償作用，如圖4所示。
2.3.2 下保護器的設計 下保護器位于潛油電機下部，將其設計為膠囊式保護器。
潛油電泵機組進入井底后，溫度上升會導致潛油電機油膨脹，進而使膠囊膨脹，最終使膠囊內外壓力平衡。潛油電機啟動后，溫度迅速上升，部分電機油進入保護器的膠囊。膠囊繼續(xù)膨脹，當膠囊內部壓力增大到一定時，單流閥動作，電機油通過單流閥進入膠囊外部，排入井筒，該過程至膠囊內外壓力平衡后停止。當機組停止工作后，溫度下降至井底溫度，電機油收縮，膠囊收縮，該過程至膠囊內外壓力平衡后停止。
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)的潛油電泵機組中，泵的上端和油管連接，而倒置潛油電泵上端和下保護器相連，下端和油管相連。因此，應對倒置潛油電泵的連接重新設計。
針對倒置潛油電泵殼體上端的連接問題，對泵頭進行了重新設計。選用更適合于與下保護器相連接的法蘭盤，使用8個材料為1Cr18Ni9Ti的M10螺栓。1Cr18Ni9Ti的抗拉強度為550MPa，根據(jù)計算，滿足強度要求[8]。圖6為泵頭的結構。
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，確定與保護器連接的軸頭尺寸，要保證即使它與保護器之間的間隙最小時不會頂軸，與保護器的間隙達到最大時不會脫軸。
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，影響整套設備的正常運轉。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，在倒置泵底部設計了一個承載短節(jié)（如圖7）。當設備運行時，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行了論證。導流罩與承載短節(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 結論
①對應用潛油電泵的同井采注水的關鍵技術進行了論述，對其中的采上注下、采下注上兩種方案的管柱結構和工藝原理進行了詳細的介紹。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行了結構改進。③同井采注水技術為邊緣區(qū)塊和零散小區(qū)塊油藏資源的開發(fā)提供了更加經濟、可靠的注水方法，是對傳統(tǒng)油田注水開發(fā)技術的革新，為老油田在確保高產穩(wěn)產的同時有效降低開發(fā)成本提供了新的思路。