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【本周专题:人工举升】百端待举,如日方升(八)

【本周专题:人工举升】百端待举,如日方升(八)

“不读水浒,不知天下之奇;不看石油圈,不晓人工举升之最全新进展。”小编说,没毛病!

来自 | World oil
编译 | 张德凯

在油气开采中,人工举升技术应用非常广泛且种类繁多,“人工举升”一词应用范畴很广,通常指可以提高产量(一般为原油或是油/水混合物)的工具、设备、控制装置、仪器、电脑硬件/软件以及技术等。人工举升可通过各种类型的泵,以机械的方式将井下液体举升至地面,这种方式的原理非常简单,只是通过外力改变井下液体的流速。另外,还可以通过降低井下液体静压的方式提高液体产量,一般通过注入气体完成。

螺杆泵技术

趋于枯竭的井通常会产生大量的气体,会对一些人工举升设备造成严重的损害,尤其是ESP系统,在气体流量波动范围大的井中经常发生气锁问题,开采效率很低。即使是不存在气锁问题的PCP(螺杆泵),当吸入口游离气体含量超过20%时,其效率也会明显降低。而在某些大斜度井中,由于游离气体引起的RDPCP(顶驱螺杆泵)故障发生几率非常大。

新型尾管降低故障发生几率

Lightning Rod and Pipe最新推出了水泥衬里尾管技术LightningFlo LF115,可将低PCP/抽油机开采中的故障发生频率。LightningFlo LF115采用特殊聚合物材料制成,能够降低驱动杆/抽油杆与管壁的摩擦力,减少防磨蚀化学品的使用,保持尾管在高温应用中的完整性。

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图18.热塑性材质尾管的抗冲击强度为HDPE尾管的两倍

尾管的高性能树脂涂层还解决了之前成本过高的问题。新型树脂在高温条件下,性能同样优秀,抗磨蚀能力更强,摩擦系数更低,能够承受高强度的磨损问题。

LightningFlo LF115尾管的内衬为高温聚烯酮(POK)材料,相比于其他种类的高性能树脂,POK的价格也有一定优势,在热塑性内衬领域得到了广泛应用。POK最初由Shell Chemical用于替代HDPE在海上开采的应用。可溶解POK的溶剂种类非常少,且其对盐、碳氢化合物及大多数化学药剂的抗性都很强,特别适用于海上油气开发。

在环空压力比较高、尾管内压力迅速下降时,热塑性衬里会快速失效,这种问题在油管冲压而后快速泄压的油井中十分常见。研究表明,尾管衬里材料的渗透性越强,在压力变化过程中尾管的故障几率就越高。在最新的研究中发现,当5in尾管与POK材料联合使用时,在室温条件下,其抗压力冲击强度是常规HPDE尾管的两倍。

此外,实验室测试还成功验证了几种不同规格的新型尾管。随后,在68~176℉的条件下,进行了长达8个月的尾管多相原油暴露实验。结果显示,在测试前后尾管的系数、屈服应力、伸长性质都没有改变。在另外一项测试中,POK材料置于北海酸性气体环境中,环境温度221℉,时间也为8个月。结果表明,在测试进行两天后,POK的拉伸性能达到了稳定状态,在之后的测试时间内都没有变化。实际应用也表明,采用POK材料的尾管能够降低故障发生几率,延长完井、开采过程中故障发生间隔时间。

柱塞举升技术

柱塞举升一般用于气井中液体的移除或高含气(GOV)井中原油的开采。其原理是通过柱塞将井液与游离气体隔离,随着气体压力逐渐提高,液体即被举升至地面,井筒的压力得到了更加合理的利用。

管套式旁路柱塞泵

Dover Artificial Lift子公司PCS Ferguson推出了管套式旁路柱塞泵,能够减少柱塞关闭时间,最大化液体产量。该产品为业界首款同类柱塞举升工具,由于柱塞循环时间缩短,在相同时间内完成循环次数更多,产量更高。新型柱塞在提高油井日产量方面的应用非常有效,而采用管套式设计则加强了柱塞泵的可控性,相比于传统的柱塞泵系统,新型柱塞泵在不规则管路中的密封性更强。

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图19.高循环频率管套式柱塞,可显著提高原油产量

通过分离杆和固定闩,密封球和套筒固定在柱塞弹簧上。当固定闩打开,井筒内压差与分离杆共同作用将套筒固定,而密封球则投向井底。当井筒内压差逐渐降低,套筒也会逐渐向井底运动。

当套筒到达井底接触缓冲弹簧,与密封球结合,形成密封,随后密封球下部气体压力逐渐累积增加,将上部的井液、密封球举升至地面。当柱塞接触地面固定弹簧后,套筒分离杆将套筒和密封球固定,随后再次将密封球投入井底,形成循环。

在Texas州Bridgeport油田的一口柱塞泵井,产液量5bpd,产气量500 Mcfgd,柱塞泵套筒9in,密封球为不锈钢材质,井深6760ft,井筒轨迹轻微不规则。

随后,开发商采用管套式柱塞泵代替了传统柱塞泵。三个月后,柱塞共循环4735次,平均每次循环用时11.5min,液体和气体产量分别提高了40%和10%。

气举技术

气举是一种通过向油管-套管间隙注入气体,以提高液体产量的人工举升方式。注入的气体在一定程度上减小了井下液体的密度,到达某一阈值后,井下压力就足够将密度降低的液体举升至地面。根据生产状况及人工举升设备的不同,气体有连续注入和间歇注入两种方式。

新型气举方案,提高液体产量

气举在油页岩开采中的使用非常普遍,然而目前使用的气举压缩机完全照搬气体零售业。但两种行业的气体压缩机使用目的不同,设备需求也不相同。

现行的设计标准通常能满足气举作业要求,但由于其来自其他行业,重点在于防止气体过热;而在油田气举开采中,气举的重点则是防止气体过冷,与现行标准有着明显冲突。现行标准防止气体过热主要是用于保护下游设备,防止设备在低于100℉的情况下不能正常运转,通常气体零售商将温度上限设为130℉或更低。

显而易见,完全照搬气体零售业压缩机标准与油田气举的高效运行存在矛盾。由于油田现场没有气体加工设施,NGLs(液化天然气)不能及时转移,当NGL通过压缩机时,通常会在气体冷却器内冷凝,对压缩机运转造成不利影响,增加开采成本,设备故障和环境问题发生的几率也会增加。

目前来看,NGL在压缩器内冷凝主要造成以下两种问题:

1.排气管路冷凝堵塞;
2.低温结冰,堵塞压缩机部件。

在堵塞的冷凝管内,丙烷等小分子气体在150psi压力下都转化为液体,在将冷凝物排入常压罐时,由于压力降为常压,小分子物质重新转变为气态,而气化过程会吸收周围环境的热量。

由于在气化、液化过程中会吸收放出大量的热量,丙烷通常作为制冷剂使用。但丙烷气化过程会产生大量的蒸汽,目前的蒸汽罐并不能完全满足应用要求,结果大量丙烷停留在压缩机循环系统,不能移除,造成一部分热量流失,使气体压缩机的效率大幅度降低。

为了解决冷凝堵塞和低温水合物生成问题,运营商一般通过连续注入甲醇来解决。但是一方面甲醇的成本很高,另一方面是甲醇非常易燃,泵注过程非常危险。随着页岩开采规模的逐渐扩大,甲醇泵注的安全问题不可以忽略。

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图20.气体冷却系统保持气态物质的温度恒定,防止水合物生成,防止管线凝结堵塞

近日,Encline Lift公司开发了一种甲醇替代方案,可以完美解决早期冷凝堵塞和水合物生成问题。该公司设计了一个气体冷却系统,保持气态温度趋于稳定(图中黄色区域),防止小分子冷凝。对于蜡含量高(注气会导致石蜡含量增加)的气举井,该系统能够将气体出口温度保持在150℉以上,防止注气口以上区域发生石蜡结垢问题。

下期关键词:检测系统,CO2模拟与气举分析,智能报警系统

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二丫
石油圈认证作者
毕业于中国石油大学(北京),油气井工程硕士,长期聚焦国内外石油行业前沿技术装备信息,具有数十万字技术文献翻译经验。如需获取更多技术资料,请联系二丫(QQ295900524;微信13132550596)

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