基于潜油电泵的同井采注水关键技术研究

 随着大庆油田的采油进入中后期，油层储量逐渐减少，为了保持油田的持续高产稳产，边缘区块和零散小区块油藏资源的开发愈发重要。随着油田地层产能的下降，这类小规模油藏资源开采的难度越来越大，注水作为有效的能量补充手段，发挥着越来越大的作用。但常规的注水工艺较长的建站周期，且成本较高，不适用于这种小规模油藏资源的开采[1，2]。因此提出把常规的潜油电泵改造成同井采注水电泵机组作为注水设备的方案，用同一口井实现采水和注水，减少了前期投入，缩短了建设周期，并降低了成本。笔者对同井采注水技术进行了研究，解决了关键技术难题，为油田开发开辟了一条新途径。
1 同井采注水工艺原理
在同一口井中，存在两个或两个以上不同地层，从其中一个地层中取水，注入到另一个需要增压的地层中，完成注水增压过程[3～6]。同井采注水技术就是将潜油电泵作为增压注水的工具，在注水井内选择不同的层段作为水源层和注水层，采用封隔器将其隔开，再利用潜油电泵从水源层采出水直接注入注入层[7]。根据注水井的地质特点和开发要求，同井采注水的工艺方案分为采上注下和采下注上两种。
1.1 采下注上管柱结构及原理 采下注上管柱如图1所示。将潜油电泵机组各部件按封隔器、扶正器、保护器、多级离心泵、注水口、倒置保护器、潜油电机、保护器的连接顺序连接下井，机组位于水源层以上、注入层以下。用封隔器隔开水源层和注入层以后，运用多级离心泵对水源层的水增压后，将其注入到上部的注入层中。由动力电缆将地面动力传递给潜油电机，使其高速运转，通过轴带动多级离心泵叶轮高速转动。水由下部吸入口经过导流罩进入多级离心泵流道，经过逐级增压，最终进入到注入层中。
1.2 采上注下管柱结构及原理 采上注下管柱结构如图2所示，将潜油电泵机组各部件按封隔器、扶正器、倒置泵、泵吸入口、倒置保护器、潜油电机、保护器、出水口、皮碗封隔器、测试工具的连接顺序连接下井，机组位于水源层以下、注入层以上。用倒置泵对水源层的水增压后，注入到下部的注人层中。动力电缆将地面动力传递给潜油电机，使其高速运转，带动倒置泵内的叶轮做高速旋转运动。水由泵吸入口被进入倒置泵流道离心内，经逐级增压后，由出口排到封隔器以下的油管中，进入注人层中，完成注水过程。
2 关键技术
2.1 防砂技术 在水源层中，常含有一些低浓度细砂粒。因此应研究适用于同井采注水工艺配套的防砂工艺，防止水源层出砂带来的不利影响。对于防砂的研究，应立足于以下三个目的：①防止潜油电泵过流部件的过快磨损，延长其使用寿命；②提高注入水的水质，防止注入层出现底层堵塞；③防止因砂粒的沉积造成潜油电泵管柱出现砂埋现象。
因此，设计由防砂筛管、流量测试段、皮碗封隔器、过水器组成防砂管柱，水源层的水经防砂筛管滤除砂粒后，经过水器进入皮碗封隔器下部进入泵吸入口，防砂筛管外砂粒沉在皮碗封隔器的上部。若对防砂筛管外部的油套环空沉积砂进行解堵，可将堵塞器从井口投入，堵塞器下行进入流量测试段后与之配合，此可进行正冲解堵。解堵完成后，再用打捞工具将堵塞器捞出，再启动倒置泵进行增压注水。
2.2 潜油电机的设计 常规潜油电机位于机组下部，通过轴向上传输转矩，带动叶轮旋转。在同井采注水中，将传统的潜油电机改为置顶潜油电机。该电机位于机组的最上端，向下传输转矩，原潜油电机结构中的封闭形式改为连通形式，底座与下保护器相连（如图3）。
2.3 专用保护器的设计 由于同井采注水工艺的特点及潜油电泵机组的结构特殊性，为了在设备运行中充分保证其散热和保护，同时还能像常规保护器一样具备为电机提供补偿的能力，选用上下保护器相结合的形式。
2.3.1 上保护器的设计 上保护器位于潜油电机上部，是一种专用的电机油补偿器，用于补充潜油电机工作过程中排出的电机油。上保护器上下分别与管柱和潜油电机相连，实现补偿作用，如图4所示。
2.3.2 下保护器的设计 下保护器位于潜油电机下部，将其设计为胶囊式保护器。
潜油电泵机组进入井底后，温度上升会导致潜油电机油膨胀，进而使胶囊膨胀，最终使胶囊内外压力平衡。潜油电机启动后，温度迅速上升，部分电机油进入保护器的胶囊。胶囊继续膨胀，当胶囊内部压力增大到一定时，单流阀动作，电机油通过单流阀进入胶囊外部，排入井筒，该过程至胶囊内外压力平衡后停止。当机组停止工作后，温度下降至井底温度，电机油收缩，胶囊收缩，该过程至胶囊内外压力平衡后停止。
3 倒置潜油电泵存在的问题及解决方案
3.1 倒置潜油电泵的连接问题 常规的潜油电泵机组中，泵的上端和油管连接，而倒置潜油电泵上端和下保护器相连，下端和油管相连。因此，应对倒置潜油电泵的连接重新设计。
针对倒置潜油电泵壳体上端的连接问题，对泵头进行了重新设计。选用更适合于与下保护器相连接的法兰盘，使用8个材料为1Cr18Ni9Ti的M10螺栓。1Cr18Ni9Ti的抗拉强度为550MPa，根据计算，满足强度要求[8]。图6为泵头的结构。
针对泵壳体上端的连接问题，在其尺寸已确定的条件下，要对泵轴的连接进行计算。根据泵轴的尺寸规格和其工作特点，确定与保护器连接的轴头尺寸，要保证即使它与保护器之间的间隙最小时不会顶轴，与保护器的间隙达到最大时不会脱轴。
3.2 倒置泵的止推力承载问题 由于倒置泵位于下部，其轴向定位依靠的是卡簧，若卡簧出现失效，泵轴将因失去轴向定位而发生脱落，影响整套设备的正常运转。在同井采注水过程中，在泵对水源层中的水施加推力的同时，水也对泵叶轮和泵轴施加相反方向的反推力，加剧了使止推力承载问题。
为了解决直推承载问题，在倒置泵底部设计了一个承载短节（如图7）。当设备运行时，泵轴在反作用力的作用下有向下运动的趋势，承载短节的动块向下，和静块接触，静块与轴承密封座相固定，可阻挡泵轴向下动，起到对泵轴止推的作用。
由于一部分地层水要通过导流罩和承载短节之间的空间，因此这部分空间可能会出现一些冲蚀现象。从冲蚀的角度对这部分空间的进行了论证。导流罩与承载短节直接的径向面积为2249mm2，最大允许流量为1500m3/d，而目前同井采注水的排量大都低于50m3/d，因此导流罩与承载短节之间的空间从冲蚀角度上来看是安全的。
4 结论
①对应用潜油电泵的同井采注水的关键技术进行了论述，对其中的采上注下、采下注上两种方案的管柱结构和工艺原理进行了详细的介绍。②针对同井采注水中倒置潜油电泵的连接问题和止推承载问题进行了结构改进。③同井采注水技术为边缘区块和零散小区块油藏资源的开发提供了更加经济、可靠的注水方法，是对传统油田注水开发技术的革新，为老油田在确保高产稳产的同时有效降低开发成本提供了新的思路。