牛彩云，甘庆明，郑天厚，张 磊，李佰涛，魏 韦，杨海涛

(1.长庆油田公司 油气工艺研究院，西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 710018；3.长庆油田公司 企管法规部，西安 710018)

近年来，致密油藏勘探开发极为活跃，世界大部分国家和地区均已发现了致密油资源[1-2]。北美在致密油勘探开发方面获得巨大成功[3]，根据美国能源信息署(EIA)2019-02的资料，美国致密油藏产量近80%产自巴肯(Bakken)、鹰滩(EagleFord)、沃尔夫坎普(Wolfcamp)这3大油区[4]。目前，在美国陆地上，大多数致密油井使用2种人工举升系统进行生产。在生产的初始阶段，约40%油井使用气举系统，36%油井使用电潜泵(ESP)系统,13%油井使用杆式泵系统，7%油井使用柱塞泵系统，4%油井使用射流泵系统[5-6]。在生产的中后期，根据油井产量调整为其它举升方式。近几年，我国的致密油藏开发也得到长足发展，主要在鄂尔多斯、准噶尔和松辽等盆地[7]，其中，以鄂尔多斯长7层为代表的致密油藏得到大规模开采[8]，开发方式采用准自然能量、水平井+体积压裂方式[9]。资料表明：致密油藏完井压裂后的产量在第1年内就下降了40%～80%[10]，全生命周期生产曲线特征为“L”型：表现为初期产量高，递减快，后期产量低，产量变化范围大。大多数致密油藏水平井从前期排液到后期稳定生产，需不断调整泵径以适应产量变化要求。因此，有必要探索一种新型举升工艺，以适应致密油藏水平井全生命周期产量变化需求。

1 宽幅电潜泵举升工艺简介

1.1 管柱结构

鄂尔多斯三叠系长7层致密油藏水平井按“长水平井体积压裂、大井丛工厂化作业”的思路进行开发。目前投产水平井近200口，举升方式以有杆泵抽油机举升为主，油井开发初期的气油比大于100 m3/m3，井筒具有结蜡、结垢以及偏磨现象。

结合已投产井生产现状，为解决大井组水平井油杆管偏磨问题，减少抽油机生产对大井丛工厂化作业的影响，举升工艺选用无杆采油方式。考虑长7层致密油藏水平井大规模体积压裂时入井液量大(2.5～3.2 万m3)，压后需快速排液以减少压裂液对储层的伤害，初期产液量控制在100～150 m3/d，见油后控流压生产，3个月后产液量递减至10～30 m3/d。从初期排液到后期稳定生产，产量变化范围大，为满足全生命周期生产需要，选择Baker Hugher公司的Flex ER宽幅电潜泵，其排量为150～10 m3/d，正常生产时可以根据运行频率控制产量；同时考虑长7储层溶解气油比较高(100 m3/t)，管柱设计涡轮式气液分离器。采用73.0 mm(2英寸)油管依次将电机、保护器、气液分离器、宽幅电潜泵下入井筒，地面电源通过专用电缆线连接潜油电机，带动宽幅电潜泵旋转，将井筒原油举升至地面。系统组成如图1所示。

图1 宽幅电潜泵生产系统组成示意

1.2 宽幅电潜泵工艺原理

宽幅电潜泵相比传统的电潜泵，改善了泵叶轮的水力学设计，增加叶轮自平衡能力，改善泵的轴承耐磨性，上止推磨损垫片与叶轮一体设计,使泵向低排量和高排量同时拓宽，大幅提高泵的排量范围。不但满足投产初期100 m3/d以上大排量排液需求，也可满足中后期10～20 m3/d低液量生产需求，符合排采一体化设计思路。其工艺原理与普通电潜泵相同。工作时，电机带动泵轴上的叶轮高速旋转时，叶轮内液体的每一质点受离心力的作用，从叶轮中心沿叶片间的流道甩向叶轮四周，流体压力和速度同时增加，经过导轮流道被引向上一级叶轮。这样逐级流经所有的叶轮和导轮，使液体压能逐次增加，最后获得一定的扬程，将井液输送到地面。

2 关键部件简介

2.1 宽幅电潜泵

宽幅电潜泵结构由多级叶轮和导轮组成，分多节串联的离心泵，转动部分主要有轴、键、叶轮、垫片、轴套等，固定部分主要有壳体、泵头(即上部接头)、泵座(即下部接头)、导轮和扶正轴承等[11]。相邻两节泵的泵壳用法兰连接，轴用花键套连接。结构如图2。

选型必须与油井生产能力匹配。考虑套管尺寸、油管尺寸、举升扬程、油压、套压、油管摩阻、产液量、离心泵特性曲线等因素。设计长7层致密油水平井宽幅电潜泵总级数为233级，其中上泵89级,下泵134级，外径均为ø101 mm。

图2 宽幅电潜泵结构

2.2 涡轮式气液分离器

由旋转轴、螺旋型大角度增压叶轮、导向叶片等组成(如图3)。通过增压叶轮给流体施加离心力，使得密度更大的流体被甩到外侧，而气体则顺着腔室的中间部分上升，两种流体在顶部通过交叉流道，液体通过内部流道进入泵，气体被排出到环空内。

图3 涡轮式气液分离器结构

3 现场应用及故障原因分析

3.1 宽幅电潜泵现场应用情况

在鄂尔多斯长7层致密油藏进行宽幅电潜泵无杆采油技术试验。所选丛式井组总井数为10 口，其中7口井采用宽幅电潜泵，均为新投产井。2019-06投入试验，生产初期采用频率控制模式，投产后流压一直处于波浪线波动运行(如图4 泵入口压力线)。连续运行1个月后，频繁出现卡泵停机(如图4,电流线为零时表示停机)。生产中后期，所有井调整为流压控制模式，虽然减少了停机次数，但仍然无法避免堵转停机。至2020-02，所有试验井因为停井而全部起出，连续运行时间最高为220 d。生产数据如表1、泵运行数据如表2。

从现场应用来看，宽幅电潜泵相比传统的电潜泵，在低液量范围段具有更广的适应性。从前期排液到后期稳定生产，满足了150～10 m3/d产量变化要求，实现了排采一体化。同时，宽幅电潜泵能适时反映电机温度、运行频率、运行电流、泵出口压力等关键参数，有利于及时撑握井下工况和油井生产情况，智能化控制程度较高。

3.2 宽幅电潜泵故障原因分析

宽幅电潜泵在生产上采用闭环控制模式，无论前期的频率控制模式，或者后期的流压控制模式，都设定相应的阈值，触发阈值，停井或者报警。生产井出现电机堵转停机、过载停机、高温停机等故障背后的机理一致，均是因为轴负载加剧导致，只是触发关停及报警逻辑的不同而已。频繁停机后，改接大功率启动器，井口配合洗井车反洗清洁井筒，正反转解卡成功。但是运行寿命均不长，最终无法运转而起泵。为分析泵故障原因，拆检了4 口电潜泵机组。

图4 H2#生产运行曲线(7月至10月停井20多次)

表1 宽幅电潜泵生产数据

表2 宽幅电潜泵运行数据

3.2.1 结蜡影响

宽幅电潜泵泵挂深度为1 400～1 500 m，传感器检测电机入口处井液温度57 ℃左右，长7地层温度58.9 ℃。地质资料显示，原油胶质+沥青质含量13%，蜡含量26%，属于高含蜡原油，析蜡温度在21.5～23.5 ℃，有较强的结蜡趋势。同层系长7层有杆泵抽油机修井记录表明，油井有结蜡现象，一般结蜡井段在井口以下600 m。按照地温梯度3 ℃/100 m分析计算，宽幅电潜泵生产井结蜡井段在井口附近，正常热洗就可有效防蜡。后期起油管及拆检泵证明，油井结蜡对电潜泵的生产影响不大，不会发生卡泵。

3.2.2 结垢影响

拆检发现，泵头和顶部轴承支架内可见垢覆盖(如图5)，泵内及叶轮导轮被垢附着，结垢厚度0.5～2.0 mm。H2，H5井拆检发现泵轴卡死，且上下双节离心泵叶轮、导轮粘合紧密，无法轻易将叶轮和导轮分离，也无法轻易从泵轴上取下。强拆发现二者均磨损严重(如图6)。

图5 轴承支架及轴端的结垢

图6 导轮/叶轮磨损形貌(新旧对比)

分析认为，大量垢沉积在叶轮和导轮之间较小的间隙处时，使得叶轮和导壳粘连在一起，无法进行上下浮动，摩阻增大，致使驱动叶轮的转矩不断增大，最终导致电机无法转动叶轮，造成卡泵。这一迹象表明，长7层井筒结垢严重，新投井H3和H8井(如表2)，完井后由于井场邻井压裂作业无法立即投产，待20多d后首次开井出现启泵困难，推测泵内可能结垢，也从侧面说明结垢速度较快。

3.2.3 外来异物影响

长7层致密油大规模压裂后，井筒存在压裂砂、压裂液、可溶桥塞残余物，即便投产前进行井筒处理，也难以彻底清理干净。H2井拆检发现上泵顶部有少量金属异物，最大尺寸32.18 mm(如图7)，说明在机组运行过程中有异物进入。电潜泵是一种通过叶轮高速旋转(2 000～3 500 r/min)产生离心力对流体进行举升的机采设备，任何非流体的异物进入泵内都会对泵运行造成影响，造成泵负载加大，发生卡泵等现象。

a 垢块 b 金属异物

3.2.4 气体影响

致密油藏水平井开发初期气油比在100 m3/m3以上，当井底流压小于饱和压力时，释放出大量游离气体[12]，在井下容易形成气体段塞。监测宽幅电潜泵生产发现，吸入口压力成周期性波动,当压力达到峰值时，泵口流体和电机温度也达到峰值，电流降到最低(如图8)。

分析表明，当吸入口压力约4.56 MPa(650 psi) 时，折算地层流压约为8.5 MPa 左右，已经降至饱和压力9.09 MPa以下，说明近井带地层发生脱气。当气体段塞进入泵内，不断聚集使泵内压力升高(如图8中圈A、B)，达到一定峰值后气体排出，压力下降。同时，电流曲线表明，当压力上升至峰值时，电流最低(如图8中圈C、D)，说明泵内流经液体少，负载小，这一现象也说明了泵内存在气体段塞。当发生气体段塞时，流经电机以及泵内液体少，导致叶轮和导壳发生干磨，冷却效果下降，电机和泵内液体温度升高，严重时触发高温保护停机。因此，针对气油比较高致密油生产区，应用宽幅电潜泵，单一气液分离器不能有效防止气体影响，应加大气体治理力度，采用组合式防气工具。

4 结论

1)鄂尔多斯长7层致密油藏丛式水平井应用无杆采油技术，井筒彻底消除了杆管偏磨，井口占地面积较少，有利于工厂化作业；电机温度、运行电频率、运行电流、泵出口压力等关键参数能够及时上传，有利于及时撑握井下工况和油井生产情况，智能化控制程度较高。

2)宽幅电潜泵相比传统的电潜泵，在低液量范围段具有更广的适应性。现场试验表明，从前期快速排液到后期稳定生产，可满足大范围产量变化要求，实现了致密油藏水平井排采一体化生产。

3)对于结垢严重或气油比较高的致密油藏，应用宽幅电潜泵进行生产，易发生卡泵或气体段塞，导致叶轮与导轮干磨，引发电机堵转停机或高温停机。