李海濤 白健華 王秋霞 蔣召平 于法浩 侯新旭 喻小剛 曾潤
中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院 天津 300459
電潛離心泵是海上油田生產(chǎn)最主要的人工舉升方式,是油田產(chǎn)能貢獻(xiàn)的主力,由于其排量范圍大,揚(yáng)程高,調(diào)節(jié)方便,運(yùn)轉(zhuǎn)壽命長,在海上油田廣泛應(yīng)用。海上油田機(jī)采井占生產(chǎn)井總井?dāng)?shù)92%,其中電潛離心泵占機(jī)采井比例更是高達(dá)98%。
潛油電泵機(jī)組一般由井下電泵機(jī)組、地面控制設(shè)備、其他輔助設(shè)施3部分組成。電潛泵電機(jī)與普通電機(jī)的主要區(qū)別是,電泵電機(jī)的總體外形呈現(xiàn)細(xì)長形狀,電機(jī)長度是直徑的10余倍,潛油電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、止推軸承及徑向扶正支撐機(jī)構(gòu)、油路循環(huán)系統(tǒng)、引線連接等部件所組成,所有摩擦副全部采用滑動軸承[1]。這種特殊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的潛油電機(jī)一般位于井筒幾百至幾km的深處,井況條件差異較大,需要面臨油藏溫度、電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的溫升等高溫挑戰(zhàn),特稠油、超稠油黏度挑戰(zhàn),含砂井機(jī)械磨損挑戰(zhàn)等全方位的嚴(yán)酷井況條件。機(jī)采井故障原因診斷需要從井況條件、產(chǎn)品質(zhì)量、施工作業(yè)、運(yùn)維維護(hù)等多方面綜合分析??焖僭\斷電潛泵機(jī)采井故障原因,鎖定故障點(diǎn)不僅可以幫助油田盡快恢復(fù)生產(chǎn)還可以避免造成修井,降低油田操作成本。全面解剖海上油田機(jī)采井故障的典型案例,詳細(xì)分析了故障原因,對實(shí)際生產(chǎn)具有重要借鑒意義。
廣泛研究海上多個(gè)油田近600口機(jī)采井檢泵案例后,把電泵故障分為選泵設(shè)計(jì)、井況條件、產(chǎn)品質(zhì)量、施工作業(yè)和日常運(yùn)維等幾個(gè)方面。
潛油電泵在油井中的工作環(huán)境對電泵的運(yùn)行壽命影響很大,也是一項(xiàng)重要因素,其中包括:高含砂井、高含氣井、結(jié)垢、稠油井、高溫井等。
BZ××井是海上油田一口低滲壓裂井,施工作業(yè)完成后下入新機(jī)組,變頻驅(qū)動35Hz啟動運(yùn)行正常,運(yùn)轉(zhuǎn)2天后由于供電系統(tǒng)故障而停機(jī),恢復(fù)供電后35Hz啟動電泵顯示過載,仍無法啟動,測電機(jī)電性能正常。
根據(jù)故障現(xiàn)象描述,電泵安裝下井后35Hz啟動直至失電停機(jī)前運(yùn)行正常,恢復(fù)送電后,在啟動前對電泵機(jī)組的電性能檢查無異常,但無法啟動,因此初步判斷該現(xiàn)象與井況有關(guān),而保護(hù)器以下部分是密閉的,驅(qū)動軸不接觸井液,說明在停電期間在保護(hù)器以上的部件額外增加了相當(dāng)程度的旋轉(zhuǎn)摩擦阻力矩。這種阻力矩的產(chǎn)生有2種可能:有異物進(jìn)入泵內(nèi),造成泵內(nèi)旋轉(zhuǎn)部件的卡阻;井液中攜帶的某種雜質(zhì)由于停泵隨井液沉積在旋轉(zhuǎn)部件與固定部件之間狹小的縫隙內(nèi),將會造成旋轉(zhuǎn)件與固定件之間的摩擦阻力矩增大。
機(jī)組停機(jī)原因是失電停機(jī)而不是故障過載停機(jī),在泵吸入口處未裝濾網(wǎng),異物有可能隨井液進(jìn)入泵內(nèi),而且在泵內(nèi)固定件與旋轉(zhuǎn)件之間,葉導(dǎo)輪口環(huán)部位的間隙尺寸應(yīng)在0.089~0.191mm之間,如果有某種易粘敷的物質(zhì)隨井液沉積在葉導(dǎo)輪的間隙中,極容易造成葉導(dǎo)輪之間的摩擦阻力增大或卡阻。綜上分析,2種原因都不能排除。
機(jī)組拆解后電機(jī)、保護(hù)器、進(jìn)口段均正常,上、下節(jié)泵分別盤軸均無法盤動,將泵解體后發(fā)現(xiàn),減磨墊磨損正常,但流道內(nèi)有少量細(xì)砂及垢狀物質(zhì)并有黏狀物,取出一套葉輪、導(dǎo)殼,手持狀態(tài)下葉輪在導(dǎo)殼內(nèi)無法轉(zhuǎn)動,摩擦阻力明顯增大。拆檢結(jié)果證實(shí)了的上述分析結(jié)論。
圖1 砂堵塞泵葉輪流道
BZ××井是海上油田一口電泵井,檢泵作業(yè)完成后下入新機(jī)組機(jī)約25d,現(xiàn)場檢測到電泵運(yùn)行電流異常升高,機(jī)組很快停止運(yùn)轉(zhuǎn)。該井不存在高溫、高含蠟、高黏原油等異常井況,投產(chǎn)垢該井產(chǎn)液量穩(wěn)定,不存在大幅波動現(xiàn)象,機(jī)組運(yùn)行過程中未有人工干預(yù)因素,機(jī)組運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于平均檢泵周期,電泵機(jī)組可能存在質(zhì)量問題。
機(jī)組拆解后用盤軸器對電機(jī)軸進(jìn)行盤轉(zhuǎn),檢查電機(jī)軸轉(zhuǎn)動輕快無阻滯現(xiàn)象,未發(fā)現(xiàn)卡頓;拆開電機(jī)底座注油閥體,放凈電機(jī)腔內(nèi)原有的電機(jī)油,進(jìn)一步測量絕緣電阻。用2.5kV兆歐表測量定子繞組對地絕緣電阻為26MΩ,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)定值1000MΩ,確定定子繞組絕緣損傷。繞組絕緣損傷可能原因有定子繞組受潮、繞組本身缺陷或檢修工藝不當(dāng)、機(jī)組溫升導(dǎo)致的繞組過熱、絕緣老化、馬達(dá)內(nèi)部進(jìn)入金屬異物、過大電壓擊穿。根據(jù)上述綜合分析,懷疑定子繞組絕緣質(zhì)量存在問題。進(jìn)一步拆解后發(fā)現(xiàn)定子繞組絕緣損傷,浸漆不合格固化后脫落,驗(yàn)證了分析結(jié)果。
SZ××井在電泵下井作業(yè)前進(jìn)行地面檢查時(shí),測電機(jī)繞組對地絕緣電阻>2000MΩ,繞組冷態(tài)直流線電阻1.3Ω而且三相平衡,但在進(jìn)行工況儀的信號回路檢查測試時(shí)發(fā)現(xiàn)信號回路有異常,在回路中施加DC120V電壓,在通過電機(jī)繞組后出現(xiàn)很大的壓降,工況儀地面儀表顯示井下傳感器信號輸入端電壓很低,根據(jù)測試結(jié)果,從電機(jī)出線孔三相繞組引出線到繞組星點(diǎn)引出線尾端出現(xiàn)了近似斷路異常狀況。
測試電機(jī)繞組直流電阻數(shù)值正確,而且三相電阻平衡,表明絕緣性能良好,電機(jī)繞組星點(diǎn)以上一切正常。判斷繞組星點(diǎn)以下至信號插頭之間可能存在信號回路異常。
星點(diǎn)引出線是采用多股鍍銀軟線,連接工藝采用氣焊連接,星點(diǎn)引出線尾端與信號線插頭連接采用專用壓接鉗現(xiàn)場壓接。在此區(qū)間存在2個(gè)可疑點(diǎn)。第一,繞組星點(diǎn)與星點(diǎn)引出線的連接處:該接點(diǎn)兩端導(dǎo)線的線徑相差較大,繞組線為獨(dú)股,線徑φ3.0mm,星點(diǎn)引出線為2.5mm2多股軟線,當(dāng)采用氣焊工藝連接時(shí),其火焰溫度高,而且熱影響區(qū)大,很容易使φ1.8mm的多股軟線焊接點(diǎn)形成熔化、脆斷。
第二,星點(diǎn)引出線尾端與信號線插頭的連接處:星點(diǎn)引出線尾端與信號線插頭的連接是采用專用壓接鉗壓接,如果壓接不牢固或者引出線伸入壓接套部位的絕緣層未剝除或處理不徹底,也會造成接觸電阻大甚至形成近似斷路的現(xiàn)象。
拆解發(fā)現(xiàn):繞組星點(diǎn)與星點(diǎn)引出線的連接處存在斷點(diǎn),驗(yàn)證分析結(jié)果正確,重新接線后,保證下入機(jī)組過程中的質(zhì)量控制。
圖2 接線示意圖
2022年渤海CFD××油田機(jī)采井異常停泵8井次,如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題,重新啟泵生產(chǎn),就可能造成修井作業(yè),增加油田成本,造成機(jī)采故障率上升。
CFD油田××井是一口低產(chǎn)液電泵井,穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)420d后現(xiàn)場收到預(yù)警診斷系統(tǒng)的報(bào)警信號。查看系統(tǒng)中該井各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù),電泵運(yùn)行電流81A,泵工況溫度96℃,頻率52Hz,產(chǎn)液量未發(fā)現(xiàn)異常波動。仔細(xì)研究該井預(yù)警診斷系統(tǒng)中生產(chǎn)曲線,改井自換泵后穩(wěn)定生產(chǎn),產(chǎn)液量逐漸下降,近期泵工況檢測到的溫度穩(wěn)定上升,懷疑電泵長期運(yùn)轉(zhuǎn)造成井底流壓下降,該低產(chǎn)井地層不能及時(shí)補(bǔ)充能量,電泵沉沒度不足而引起報(bào)警。根據(jù)分析,現(xiàn)場環(huán)空補(bǔ)液后生產(chǎn),檢測到泵工況溫度91℃,產(chǎn)液量上升,報(bào)警解除。
機(jī)組故障率與機(jī)采井日常維護(hù)密不可分[2-3]。及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)采井的產(chǎn)液、電流、震動等參數(shù)的異常波動并預(yù)警,可幫及時(shí)采取措施,避免造成修井作業(yè)從而降低機(jī)采井故障率。
選泵設(shè)計(jì)是機(jī)采井能夠穩(wěn)定運(yùn)行的前提,選泵設(shè)計(jì)需要據(jù)油藏信息、流體物性參數(shù)、完井信息、井史等實(shí)際井況情況選擇合理的舉升方式。電泵型號應(yīng)與該井的地層供液能力相匹配,實(shí)際產(chǎn)液量應(yīng)控制在電泵的合理排量范圍之內(nèi)。電泵長時(shí)間在偏離高效區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn),會造成葉輪上漂或下沉,必然導(dǎo)致減磨墊磨損,當(dāng)磨損到一定程度時(shí),就會發(fā)展到葉輪與導(dǎo)殼貼府摩擦的狀態(tài)下工作,不僅增加了電機(jī)的無功損耗,還將導(dǎo)致上述部位因嚴(yán)重磨損直至報(bào)廢。
選泵設(shè)計(jì)還需要重點(diǎn)關(guān)注油井的作業(yè)歷史,是否存在出砂、結(jié)蠟、稠油等特殊情況,并根據(jù)實(shí)際井況,優(yōu)化舉升工藝。
例如,液體的黏度影響電潛泵的特性曲線,使機(jī)組所需功率急劇增加,使泵的揚(yáng)程、排量和效率顯著下降。經(jīng)驗(yàn)證明,如果含水在20%~40%之間,且有乳化液生成的話,黏度將增加2~3倍[1]。渤海LD××油田油品屬于超稠油,地面50℃黏度大于350mPa·s,有些區(qū)塊地面50℃黏度甚至大于10000mPa·s,井筒流體的黏度對潛油泵揚(yáng)程、排量及泵的效率影響較大,而潛油泵的特性一般在清水狀態(tài)下測試出來的,必須對泵的揚(yáng)程、排量和泵效進(jìn)行修正,以確保機(jī)組的可靠運(yùn)行,防止電機(jī)過載等問題的出現(xiàn)[1]。
1)易出砂、低滲壓裂井應(yīng)根據(jù)出砂含量和粒徑選擇合理舉升方式,建議機(jī)組下井前徹底洗井。
2)考慮稠油和特稠油油田油品黏度較大,注熱開發(fā)后井底溫度較高,建議機(jī)采方式選擇射流泵舉升工藝,采用電潛泵舉升需根據(jù)油品黏度校正機(jī)組的排量和揚(yáng)程系數(shù)。
3)選泵設(shè)計(jì)應(yīng)與油田未來3~5年產(chǎn)能、井況相匹配,建議選擇大排量高范圍電泵舉升工藝,提高選泵適配程度,降低換泵頻次。
機(jī)組質(zhì)量直接決定機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和故障率。提升機(jī)組質(zhì)量包括技產(chǎn)品質(zhì)量和安裝質(zhì)量。其中機(jī)組質(zhì)量由定子直線度、轉(zhuǎn)子直線度以及定、轉(zhuǎn)子同軸度以及扶正軸承的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量等決定。這些質(zhì)量不合格可能造成定、轉(zhuǎn)子掃膛,最終導(dǎo)致定子繞組放炮。
電潛泵機(jī)組安裝所涉及的密封部位較多,包括電機(jī)與保護(hù)器的法蘭密封連接、注油閥及螺塞、放油、排氣孔等多處閥體、螺塞的密封,電機(jī)油的注入質(zhì)量、各節(jié)之間的連接配合及密封處的可靠性、變壓器的容量及檔位的正確選擇、地面控制設(shè)備各保護(hù)參數(shù)的正確設(shè)置等。其中任何一處的疏漏都會造成井液進(jìn)入本應(yīng)密閉的腔體內(nèi),不僅會造成密閉腔內(nèi)各摩擦副的潤滑環(huán)境變差,同時(shí)電機(jī)的絕緣性能會降低,當(dāng)進(jìn)入電機(jī)腔內(nèi)的井液過多,使電機(jī)繞組絕緣性能降低到一定程度時(shí),在高電壓下就會出現(xiàn)短路現(xiàn)象。
渤海油田通過建立機(jī)采產(chǎn)品體系標(biāo)準(zhǔn)、加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)引領(lǐng)、執(zhí)行供應(yīng)商獎(jiǎng)懲措施等篩選了一批質(zhì)量可靠的供應(yīng)商,有效保證了機(jī)組質(zhì)量。
施工作業(yè)中的質(zhì)量控制是整體控制和降低機(jī)采井故障率的關(guān)鍵一環(huán)。提升施工作業(yè)質(zhì)量包括施工流程標(biāo)準(zhǔn)化、配套工具升級、施工人員技能培訓(xùn)等方面。渤海油田持續(xù)完善修訂電潛泵作業(yè)、電纜連接、泵工況作業(yè)、收放機(jī)維保等操作指導(dǎo)書,嚴(yán)格規(guī)范重點(diǎn)環(huán)節(jié)的操作標(biāo)準(zhǔn),形成了一系列技術(shù)體系指南,有效保證了施工作業(yè)高質(zhì)量完成。近年來,渤海油田因施工作業(yè)造成的機(jī)組故障顯著降低。
預(yù)警診斷系統(tǒng)[4-6]基于油田機(jī)采井的產(chǎn)液量、含水率、井底流溫、井口壓力、電機(jī)電流等基礎(chǔ)參數(shù),根據(jù)單井生產(chǎn)狀態(tài)偏離正常值程度確定該井健康程度。當(dāng)單井生產(chǎn)參數(shù)偏離達(dá)到預(yù)警值時(shí),會觸發(fā)系統(tǒng)報(bào)警。這些運(yùn)維措施促進(jìn)了油藏動態(tài)管理、機(jī)采工程師、現(xiàn)場生產(chǎn)人員的聯(lián)動,保障機(jī)采井的高效、平穩(wěn)運(yùn)行,有效降低機(jī)采井故障率。2022年預(yù)警診斷系統(tǒng)處理CFD××油田異常停泵8井次,其中恢復(fù)生產(chǎn)3井次,優(yōu)化生產(chǎn)3井次。有效性75%。見圖3。
圖3 預(yù)警診斷系統(tǒng)
1)井況條件、產(chǎn)品質(zhì)量、施工作業(yè)、運(yùn)行維護(hù)等因素是影響海上油田機(jī)采井故障的主要原因;其中井況條件和選泵設(shè)計(jì)是機(jī)采井穩(wěn)定運(yùn)行的前提,產(chǎn)品質(zhì)量、施工作業(yè)直接決定機(jī)組壽命,運(yùn)行維護(hù)是及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并有效延長機(jī)組壽命的重要措施。
2)通過采取綜合應(yīng)對措施和預(yù)警診斷系統(tǒng)的應(yīng)用,CFD××油田機(jī)采井故障率逐年穩(wěn)步降低,2022年機(jī)采井故障率降幅達(dá)14%。