潛油電泵設備的氣體處理技術研究

李鵬飛，李卓睿，門洪宇

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司，天津 300280）

0 引言

潛油電泵設備是以電機為核心，對井液施加壓力的一種重要設備，其運行能力與增壓效果有直接關系。我國油氣資源儲量有限，大部分油田在進入開采中后期會出現游離氣含量增加的問題，如果井液中游離氣含量超過潛油電泵所能承受的最高數值，將會對電泵的工作能力產生影響，甚至會出現氣鎖問題。因此，在油田開采中需要重點關注潛油電泵中的氣體處理技術。

1 常用氣體處理技術

1.1 氣體分離技術

在非洲、中東等國家或地區，油藏資源豐富，地質條件卓越，石油開采較為簡單。但是，由于我國地質條件復雜，油藏資源相對有限，開采時間較長，很多大型油田已經進入中后期的開采階段。因此，我國大部分油田通常會采用人工舉升采油法，常見的螺桿泵、水力泵、潛油電泵等是人工舉升采油法的重要表現形式[1]。電泵的整體成本較低、工作深度較快，應用范圍也較為廣泛，這使得潛油電泵技術的經濟效益和節能效益被人們所關注。潛油電泵系統主要由控制系統、電機保護器、氣液分離器、變壓器、卸油閥、單流閥、油管接線盒等結構組成（圖1）。

圖1 潛油電泵系統結構

由于氣體和液體在密度方面有較大差別，在離心力的影響下可以使氣液分離。氣體分離技術是對潛油電泵設備內部氣體進行分離的一種技術，它以高速旋轉的方式將密度較高的液體甩在外圈、密度較低的氣體就會留在設備中，然后通過特定通道將分離出的氣體排出。

1.2 避氣入泵技術

在油田開采中后期，由于油田內氣液比出現變化，氣體含量不斷增加，游離氣體的含量也逐步增加。在實際運行中，潛油電泵系統不同點位對于游離氣體的處理能力也存在較大差別，通常左側位置游離氣體處理能力要明顯優于右側。游離氣體含量逐漸增加，會使潛油電泵的轉速逐漸下降。避氣入泵技術也是一種常用的泵內游離氣體處理技術，主要是通過增加配件或改變潛油電泵位置的方式，對進入潛油電泵設備內的氣體進行控制、避免氣體進入。通常情況下，采用的措施有增加導流罩或加深潛油泵的安裝位置[2]。

2 新型氣體處理技術

2.1 塔式潛油電泵的應用

與發達國家相比，我國的工業化水平相對較為落后，石油開采中所涉及的機械設備與理論研究也較為傳統，這也導致了我國油田開采的實踐能力和工作經驗都與西方國家存在較大差距。但是，隨著我國對于石油開采工作的重視程度不斷提高，對于電動設備的重視程度也越來越高，并且在潛油電泵設備氣體處理技術研究方面取得一定進展，塔式潛油電泵就是在這一過程中取得的最主要成果之一。與傳統的潛油電泵設備相比，塔式潛油電泵是由多個大小不一的泵共同組成的塔式結構，運行過程中所有油氣會通過體積不同的泵體，大小不同的泵體由于體積差異，內部的壓力也存在較大差距[3]。在石油開采中后期，塔式潛油電泵可以有效適應不同情況下的油氣總體積，提高設備處理氣體的能力，這有利于保證石的油開采效率。

2.2 高級氣體處理技術

高級氣體處理技術是在對潛油電泵設備進行深入研究之后，提出的一種新型氣體處理技術。其是以離心泵為核心設備，通過改變游離氣體的形態和大小，對即將進入潛油電泵設備的游離氣體進行預處理的一種方式。在潛油電泵運行中，高級氣體處理技術可以使進入泵體內的氣泡直徑逐漸減小，游離氣體的含量也能大幅度降低。通常情況下，高級氣體處理技術需要在潛油電泵的葉輪上進行打孔，在離心力的影響之下，離心泵的流道也會發生相應改變。而且在石油開采中，尤其是在舉升過程中，一旦游離氣體進入潛油電泵設備內部，就可以通過葉輪上的小孔進行分離。游離氣體的形態和大小會大幅變化，潛油電泵就可以對更多的游離氣體進行處理。在后期使用中，能有效延長潛油電泵的使用壽命，這對于提高潛油電泵的耐受性也有著積極作用。所以，在油田開采中后期，如果所涉及的游離氣體含量快速增加，但是整體施工成本有限，就可以采用高級氣體處理技術，以在成本可控的條件之下提高電泵的游離氣體處理能力。

2.3 調整電機負載

在我國大型油田開采過程中，由于油氣資源儲量有限，地質條件較為復雜，潛油電泵設備的應用范圍越來越廣泛。據數據統計，潛油電泵井已經占機械采油井總數的10%左右，產液量占總產量的30%[4]。所以，在油氣資源日趨緊張的背景之下，為了提高油氣資源的開采效率，就要提高對潛油電泵設備的重視程度。尤其在油田開采中后期，充分關注潛油電泵設備的氣體處理技術，不斷延長潛油電泵設備的工作能力和使用壽命。通過對電機負載進行實時監測發現，可以在電機可承載的前提之下，不斷提高潛油電泵的機組轉速，這樣可以有效控制氣體堵塞問題。這對于提高潛油電泵的運行水平有著積極影響，也是油田開采中后期潛油電泵設備平穩運行的重要途徑之一。但是，在對電機轉速進行調整的過程中，一定要以電機負載為前提，確保在電機可負載的范圍之內，否則將會影響電機的運行安全和電泵的使用壽命。

2.4 加深泵掛技術的應用

在油井開采的過程中，經常會涉及到一些含氣量相對較高的油井。針對這種情況，可以采用加深掛泵技術，有效提高泵氣入口的壓力，這也是對潛油泵氣體體積進行控制的重要方式之一。此外，應用加深掛泵技術需要以導流罩為基礎裝置。在實際開采過程中，通過導流罩可以實現井液和氣體的有效分離，這對于延長潛油電泵工作能力有著積極影響。因此，在潛油電泵井生產中，加深泵掛深度并安裝導流罩裝置是一種有效方法，可以提高油井的生產效率和穩定性。

在潛油電泵實際工作過程中，如果電機表面散熱能力相對較差，會嚴重縮短潛油電泵的使用壽命。針對這個問題，在安裝過程中需要嚴格控制安裝位置，盡量安裝在油井射孔段以上，這樣可以實現較好的散熱效果，延長電泵的使用壽命。實際上，為了控制下泵深度，同樣也需要對潛電泵的安裝位置進行控制。如果電泵安裝在油井射孔段以下，下泵深度也會相應加大，因此需要安裝一個液體導向護罩，確保井液能夠順利流過電機表面，從而有效帶走電機散發的熱量。在正常生產過程中，為了保護泵吸入口、保護器和電機罩，它們被放置在護罩內。當井液從油層流出后，會順著護罩的環形空間向下流動、進入護罩內部，然后經過電機和保護器、通過分離器入口進入，最終由泵將井液舉升到地面。在這個過程中，井液會不斷地與電機表面進行熱交換、及時帶走熱量，從而達到保護電機的目的。

導流罩由導流罩殼體、導流罩接頭、導流罩頂部密封部分和電機扶正器4 個部分組成，主要作用是引導井液流向泵吸入口，保護泵吸入口、保護器和電機罩不受損壞，同時還能幫助電機扶正、確保電機的穩定性。根據現場使用情況，在垂直井內導流罩被安裝在分離器位置。

此外，在實際運行過程中，潛油電泵也可以采用旋轉式高效分離器、套管放氣閥以及高效氣體壓縮器等新型硬件設備，這有利于提高設備的氣體處理水平。

3 應用價值分析

潛油電泵設備作為我國大型油田開采中最為主要的一種機械，運行能力與油田的開采水平有著直接關系。大慶油田、勝利油田、克拉瑪依油田等已進入開采的中后期，而在我國對于油氣資源的需求量卻日益增長。在生態環保的理念之下，盡管有越來越多的光伏能源、核能源得以應用，但是從能源結構的角度分析，油氣資源是其他新能源無法替代的。所以，為了保證油氣資源的充足供給，就要以開采末期的潛油電泵井為基礎，對新型的氣體處理技術進行分析，這樣才能對新型氣體處理技術的應用效果進行充分評價。

例如，某潛油電泵油井油藏資源垂直深度為1250 m，地層壓力約12.67 MPa，飽和壓力約12.00 MPa，這是典型的高油氣比油田類型。該油田是在開采初期屬于自噴井，整體產量可以達到70～120 m3/d。但是，隨著開采工作的逐步開展，地層能量越來越低，初始的自噴型油井也轉變為間歇型自噴油井，油量下降至25 m3/d，地層壓力約10.34 MPa，含水率已經達到2.8%。為了提高該油井的產量、使其達到90 m3/d 以上，需要應用新型的塔式潛油電泵和高級氣體處理技術。在改造過程中，需要將塔式潛油電泵入口流壓控制為3.5 MPa，流量控制為210 m3/d，游離氣體含量控制為55%。通過計算可知，第一級葉輪處流壓為4.1 MPa、流量為180 m3/d，游離氣體含量為45%，這些數值符合MVP多項流泵操作要求。

通過應用塔式潛流電泵和高級氣體處理技術，發現調整后潛油電泵井的最佳效率點在右側，整體的電流相對較為穩定，塔式潛油電泵的運行平穩性得以提高。

4 結束語

在實際應用中，潛油電泵常用的氣體處理技術主要有氣體分離技術和避氣入泵技術。隨著科技的進步發展，塔式潛油電泵、高級氣體處理技術以及調整電機負載、加深泵掛技術等新型的氣體處理技術也已在潛油電泵運行中得以應用。即使是在油田開采末期，這些新型氣體處理技術不僅可以提高潛油電泵的運行效率，還可以起到一定電流穩定的作用。所以，在油田開采中后期，應采用這些新型的氣體處理技術，不斷提高潛油電泵設備的工作能力。