潜油电泵设备的气体处理技术研究

李鹏飞，李卓睿，门洪宇

（中国石油集团渤海石油装备制造有限公司，天津 300280）

0 引言

潜油电泵设备是以电机为核心，对井液施加压力的一种重要设备，其运行能力与增压效果有直接关系。我国油气资源储量有限，大部分油田在进入开采中后期会出现游离气含量增加的问题，如果井液中游离气含量超过潜油电泵所能承受的最高数值，将会对电泵的工作能力产生影响，甚至会出现气锁问题。因此，在油田开采中需要重点关注潜油电泵中的气体处理技术。

1 常用气体处理技术

1.1 气体分离技术

在非洲、中东等国家或地区，油藏资源丰富，地质条件卓越，石油开采较为简单。但是，由于我国地质条件复杂，油藏资源相对有限，开采时间较长，很多大型油田已经进入中后期的开采阶段。因此，我国大部分油田通常会采用人工举升采油法，常见的螺杆泵、水力泵、潜油电泵等是人工举升采油法的重要表现形式[1]。电泵的整体成本较低、工作深度较快，应用范围也较为广泛，这使得潜油电泵技术的经济效益和节能效益被人们所关注。潜油电泵系统主要由控制系统、电机保护器、气液分离器、变压器、卸油阀、单流阀、油管接线盒等结构组成（图1）。

图1 潜油电泵系统结构

由于气体和液体在密度方面有较大差别，在离心力的影响下可以使气液分离。气体分离技术是对潜油电泵设备内部气体进行分离的一种技术，它以高速旋转的方式将密度较高的液体甩在外圈、密度较低的气体就会留在设备中，然后通过特定通道将分离出的气体排出。

1.2 避气入泵技术

在油田开采中后期，由于油田内气液比出现变化，气体含量不断增加，游离气体的含量也逐步增加。在实际运行中，潜油电泵系统不同点位对于游离气体的处理能力也存在较大差别，通常左侧位置游离气体处理能力要明显优于右侧。游离气体含量逐渐增加，会使潜油电泵的转速逐渐下降。避气入泵技术也是一种常用的泵内游离气体处理技术，主要是通过增加配件或改变潜油电泵位置的方式，对进入潜油电泵设备内的气体进行控制、避免气体进入。通常情况下，采用的措施有增加导流罩或加深潜油泵的安装位置[2]。

2 新型气体处理技术

2.1 塔式潜油电泵的应用

与发达国家相比，我国的工业化水平相对较为落后，石油开采中所涉及的机械设备与理论研究也较为传统，这也导致了我国油田开采的实践能力和工作经验都与西方国家存在较大差距。但是，随着我国对于石油开采工作的重视程度不断提高，对于电动设备的重视程度也越来越高，并且在潜油电泵设备气体处理技术研究方面取得一定进展，塔式潜油电泵就是在这一过程中取得的最主要成果之一。与传统的潜油电泵设备相比，塔式潜油电泵是由多个大小不一的泵共同组成的塔式结构，运行过程中所有油气会通过体积不同的泵体，大小不同的泵体由于体积差异，内部的压力也存在较大差距[3]。在石油开采中后期，塔式潜油电泵可以有效适应不同情况下的油气总体积，提高设备处理气体的能力，这有利于保证石的油开采效率。

2.2 高级气体处理技术

高级气体处理技术是在对潜油电泵设备进行深入研究之后，提出的一种新型气体处理技术。其是以离心泵为核心设备，通过改变游离气体的形态和大小，对即将进入潜油电泵设备的游离气体进行预处理的一种方式。在潜油电泵运行中，高级气体处理技术可以使进入泵体内的气泡直径逐渐减小，游离气体的含量也能大幅度降低。通常情况下，高级气体处理技术需要在潜油电泵的叶轮上进行打孔，在离心力的影响之下，离心泵的流道也会发生相应改变。而且在石油开采中，尤其是在举升过程中，一旦游离气体进入潜油电泵设备内部，就可以通过叶轮上的小孔进行分离。游离气体的形态和大小会大幅变化，潜油电泵就可以对更多的游离气体进行处理。在后期使用中，能有效延长潜油电泵的使用寿命，这对于提高潜油电泵的耐受性也有着积极作用。所以，在油田开采中后期，如果所涉及的游离气体含量快速增加，但是整体施工成本有限，就可以采用高级气体处理技术，以在成本可控的条件之下提高电泵的游离气体处理能力。

2.3 调整电机负载

在我国大型油田开采过程中，由于油气资源储量有限，地质条件较为复杂，潜油电泵设备的应用范围越来越广泛。据数据统计，潜油电泵井已经占机械采油井总数的10%左右，产液量占总产量的30%[4]。所以，在油气资源日趋紧张的背景之下，为了提高油气资源的开采效率，就要提高对潜油电泵设备的重视程度。尤其在油田开采中后期，充分关注潜油电泵设备的气体处理技术，不断延长潜油电泵设备的工作能力和使用寿命。通过对电机负载进行实时监测发现，可以在电机可承载的前提之下，不断提高潜油电泵的机组转速，这样可以有效控制气体堵塞问题。这对于提高潜油电泵的运行水平有着积极影响，也是油田开采中后期潜油电泵设备平稳运行的重要途径之一。但是，在对电机转速进行调整的过程中，一定要以电机负载为前提，确保在电机可负载的范围之内，否则将会影响电机的运行安全和电泵的使用寿命。

2.4 加深泵挂技术的应用

在油井开采的过程中，经常会涉及到一些含气量相对较高的油井。针对这种情况，可以采用加深挂泵技术，有效提高泵气入口的压力，这也是对潜油泵气体体积进行控制的重要方式之一。此外，应用加深挂泵技术需要以导流罩为基础装置。在实际开采过程中，通过导流罩可以实现井液和气体的有效分离，这对于延长潜油电泵工作能力有着积极影响。因此，在潜油电泵井生产中，加深泵挂深度并安装导流罩装置是一种有效方法，可以提高油井的生产效率和稳定性。

在潜油电泵实际工作过程中，如果电机表面散热能力相对较差，会严重缩短潜油电泵的使用寿命。针对这个问题，在安装过程中需要严格控制安装位置，尽量安装在油井射孔段以上，这样可以实现较好的散热效果，延长电泵的使用寿命。实际上，为了控制下泵深度，同样也需要对潜电泵的安装位置进行控制。如果电泵安装在油井射孔段以下，下泵深度也会相应加大，因此需要安装一个液体导向护罩，确保井液能够顺利流过电机表面，从而有效带走电机散发的热量。在正常生产过程中，为了保护泵吸入口、保护器和电机罩，它们被放置在护罩内。当井液从油层流出后，会顺着护罩的环形空间向下流动、进入护罩内部，然后经过电机和保护器、通过分离器入口进入，最终由泵将井液举升到地面。在这个过程中，井液会不断地与电机表面进行热交换、及时带走热量，从而达到保护电机的目的。

导流罩由导流罩壳体、导流罩接头、导流罩顶部密封部分和电机扶正器4 个部分组成，主要作用是引导井液流向泵吸入口，保护泵吸入口、保护器和电机罩不受损坏，同时还能帮助电机扶正、确保电机的稳定性。根据现场使用情况，在垂直井内导流罩被安装在分离器位置。

此外，在实际运行过程中，潜油电泵也可以采用旋转式高效分离器、套管放气阀以及高效气体压缩器等新型硬件设备，这有利于提高设备的气体处理水平。

3 应用价值分析

潜油电泵设备作为我国大型油田开采中最为主要的一种机械，运行能力与油田的开采水平有着直接关系。大庆油田、胜利油田、克拉玛依油田等已进入开采的中后期，而在我国对于油气资源的需求量却日益增长。在生态环保的理念之下，尽管有越来越多的光伏能源、核能源得以应用，但是从能源结构的角度分析，油气资源是其他新能源无法替代的。所以，为了保证油气资源的充足供给，就要以开采末期的潜油电泵井为基础，对新型的气体处理技术进行分析，这样才能对新型气体处理技术的应用效果进行充分评价。

例如，某潜油电泵油井油藏资源垂直深度为1250 m，地层压力约12.67 MPa，饱和压力约12.00 MPa，这是典型的高油气比油田类型。该油田是在开采初期属于自喷井，整体产量可以达到70～120 m3/d。但是，随着开采工作的逐步开展，地层能量越来越低，初始的自喷型油井也转变为间歇型自喷油井，油量下降至25 m3/d，地层压力约10.34 MPa，含水率已经达到2.8%。为了提高该油井的产量、使其达到90 m3/d 以上，需要应用新型的塔式潜油电泵和高级气体处理技术。在改造过程中，需要将塔式潜油电泵入口流压控制为3.5 MPa，流量控制为210 m3/d，游离气体含量控制为55%。通过计算可知，第一级叶轮处流压为4.1 MPa、流量为180 m3/d，游离气体含量为45%，这些数值符合MVP多项流泵操作要求。

通过应用塔式潜流电泵和高级气体处理技术，发现调整后潜油电泵井的最佳效率点在右侧，整体的电流相对较为稳定，塔式潜油电泵的运行平稳性得以提高。

4 结束语

在实际应用中，潜油电泵常用的气体处理技术主要有气体分离技术和避气入泵技术。随着科技的进步发展，塔式潜油电泵、高级气体处理技术以及调整电机负载、加深泵挂技术等新型的气体处理技术也已在潜油电泵运行中得以应用。即使是在油田开采末期，这些新型气体处理技术不仅可以提高潜油电泵的运行效率，还可以起到一定电流稳定的作用。所以，在油田开采中后期，应采用这些新型的气体处理技术，不断提高潜油电泵设备的工作能力。