流花4-1油田水下双电潜泵完井系统设计

张俊斌秦世利李 勇张 宁畅元江

(1.中海石油(中国)有限公司深圳分公司; 2.中国石油大学(华东))

流花4-1油田水下双电潜泵完井系统设计

张俊斌1秦世利1李 勇1张 宁1畅元江2

(1.中海石油(中国)有限公司深圳分公司; 2.中国石油大学(华东))

流花4-1油田是我国第一个自营开发的深水油田。为了减少该油田修井作业次数,降低油田开发及维护费用,首次开展了双电潜泵完井技术的应用研究,设计出了双电潜泵完井系统,并根据油田的油藏特点和配产数据进行了电潜泵相关的水下设备选择和电潜泵机组设计。现场应用表明,所设计的双电潜泵完井系统可以实现较长时间的采油周期,有效减少修井作业次数,具有良好的开发效果和显著的经济效益。

流花4-1油田;水下双电潜泵;完井系统设计

电潜泵是一种重要的机械采油设备,具有排量大、扬程高的优点,广泛应用于深井和定向井中,是油田实现高产、稳产的重要手段[1]。电潜泵安装在油井地下几百米至几千米处,其安装费用很高,尤其对于海上深水油田,电潜泵的检泵费用和检泵带来的油井产量损失会严重影响油田开发的经济效益[2]。为有效减少海上深水油田修井作业次数,提高生产井检泵周期,目前研制出了双电潜泵系统,即在1口井中安装2套电潜泵,2台泵可以共用1条潜油电缆,也可以相互独立。实践表明双电潜泵系统可以减少修井作业次数,从而降低设备安装费用及油田开发、维护费用[3-4],并且可以有效解决环保热点地区对修井作业的限制问题。

流花4-1油田位于南海珠江口盆地,距香港约215 km,海域水深260～310 m,是我国第1个自营开发的深水油田。该油田储层为礁灰岩,储层胶结好,井壁稳定,固相产出的可能性不大。为了最大限度地满足提高油井产能和降低投资的需要,该油田8口油井产层段均采用裸眼完井方式。由于单井产液量大、井底流压较低、井口回压高,参考流花11-1油田的机采方式应用情况并通过比选,流花4-1油田决定采用电潜泵机采方式进行开发。

为有效减少修井作业次数,提高生产井检泵周期,首次开展了双电潜泵完井技术的应用研究,设计出了适用于该油田的双电潜泵完井系统,并对双电潜泵系统机组进行了设计,取得了良好的开发效果。流花4-1油田水下双电潜泵完井系统设计与作业经验,可为双电潜泵技术在我国海上其他油田的推广应用提供借鉴。

1 电潜泵下深设计与参数监测

根据油藏预测的井底流压和沉没度要求,参考流花11-1油田的生产情况,设计了流花4-1油田各井的电潜泵下入垂深(表1),电潜泵下入φ244.5 mm套管内。为了保证电潜泵的运行寿命,在设计的电潜泵下深井段留有长度100 m的稳斜段,要求狗腿度小于1°/30 m,电潜泵机组通过的上部井段狗腿度不大于7°/30 m。因井底流压高,A1 H、A2 H、A4H和A6H井电泵机组适当增加了沉没度,以便后期生产提高油井产液量。

表1 流花4-1油田电潜泵设计下深

为了监测电潜泵的工况,需要在井中下入电潜泵工况监测仪器,监测参数有:电潜泵吸入口的温度、电机的工作温度和振动、电潜泵吸入口和排出口的压力、电机漏电流。为了减少油管挂的电缆穿越数量,要求井下监测参数通过电潜泵动力电缆载波传送,然后在变频器控制柜端检波得到上述监测参数。

2 双电潜泵密封罐装完井系统设计

为了延长检泵/换泵作业周期,流花4-1油田采用双电潜泵的完井管柱,1台电潜泵工作时,另1台作为备份随时接替工作。根据海上油气田的安全生产要求,完井管柱上需要安装1个井下安全阀和1个生产封隔器。对于常规“Y”型电潜泵生产管柱,其生产封隔器安装在电潜泵之上,电潜泵的动力电缆要穿过封隔器,对于φ114.3 mm油管和φ244.5 mm套管来说,可以满足穿过1条动力电缆;如果要穿过2条动力电缆,则要选择内径更大的φ273.1 mm套管,但随之带来的是钻井需要选择非常规的钻头、套管、套管挂、尾管挂、斜向器,并可能带来高费用及通用性差等问题。双电潜泵密封罐装完井系统的封隔器安装在电潜泵以下,不需要留电缆穿越孔道,可以很好地解决这些问题,满足流花4-1油田的完井要求。

由于双电潜泵密封罐装系统完井方式具有在较小套管内径尺寸内可以达到较大的排量、对电潜泵系统有较好的保护作用等优点,在不需要进行钢丝作业和增产措施的情况下,水平井采用该完井方式要比采用常规“Y”型管柱方式好。由于流花4-1油田所有井均不进行钢丝作业和增产措施,于是该油田均采用双电潜泵密封罐装系统的完井方式[5]。流花4-1油田采用的完井管柱结构如图1所示,双电潜泵密封罐装系统如图2所示。

流花4-1油田采用的双电潜泵密封罐装系统是由2个电潜泵和2个自动换向阀组成。自动换向阀有阀瓣式和滑套式2种。对于阀瓣式自动换向阀,应用表明当排量大于1 590 m3/d时,备用泵阀门曾经发生半开半闭且振动的问题。于是,流花4-1油田前2口井使用阀瓣式自动换向阀,产液量控制在1 590 m3/d以下,以避免备用泵阀门失效;而剩余6口井的自动换向阀全部更换为滑套式,即使产液量大幅度增加也不会发生控制不灵活或者振动的问题,应用效果良好。

图1 流花4-1油田智能完井管柱结构

图2 流花4-1油田双电潜泵密封罐装系统

3 电潜泵水下设备选择

3.1 水下切换开关

为了确保系统可靠性,每台电潜泵均配置一条井下电缆,“南海挑战号”FPS到水下井口采用3根三合一电缆,即每根电缆内有3组导线,为电潜泵提供三相电,其中一组备用。于是在水下井口附近须安装1个开关,目的在于当井中正在工作的电潜泵发生故障后,能够在“南海挑战号”上远程将电源切换到同一井中的另1台备用电潜泵。另外,该水下切换开关必须具有被旁通的功能,当控制该开关的液压系统失效时,连接脐带缆终端到该切换开关的跨接线缆可以旁通该开关确保正常生产,或当液压系统正常后重新接回该开关。根据设计结果,流花4-1油田水下切换开关可在断电状态下完成切换,可在33 MPa压力下完成1 000次切换测试,设计寿命为20年,超过油田设计寿命,且工作水深可达到1 000 m。

3.2 湿式电接头

湿式电接头主要作用是实现电缆在水下的插拔,并满足导电、绝缘和密封要求。它是由公头和母头2个部分组成,其另外一端分别与井下电缆和水下电缆相连接,如图3所示。在流花4-1油田水下生产系统中,油管挂与采油树帽、采油树帽与跨接电缆、跨接电缆与动力电缆分配单元之间的连接均使用了湿式电接头。

图3 流花4-1油田湿式电接头

湿式电接头的主要技术要求包括:①电气性能方面,如额定工作电流、最大载流量、最高工作电压和短路水平等,应根据电潜泵所需的水下井口处的最高电压、谐波电压、电潜泵机组的最大电流和井下短路电流来确定这些参数;②压力方面,要求提供对采油树帽和油管挂的双重屏障,压力测试至少能承受采油树的压力等级,且要求静水压和气密性测试遵循API 6A标准;③工作环境方面,要求油管挂的湿接头符合水下下入油管柱方位定位习惯,水下湿接头能采用常规的水下机器人进行操作。流花4-1油田湿式电接头设计水深可达到1 000 m,在20年的油田设计寿命内能满足电潜泵修井作业的需要,连接/断开操作最少100次。

3.3 变频器

变频器设计和选择主要标准包括:电气性能满足电潜泵正常工作需要,能抑制共模电压产生,输出端不能有升压变压器,适合海洋环境及与平台关断系统硬连接等。根据流花4-1油田每口井需要的电功率、电机参数和电缆压降(从“南海挑战号”到井口约有14 km)来选择合适的变频器型号。

根据工程方案,“南海挑战号”上的发电机输出电压为4.16 k V,故采用中压变频器为首选方案。该方案不需要升压变压器就可以提供较高的海缆输入电压,从而减少电缆沿程的电压降,并避免升压变压器对输出谐波的放大作用。通过适应性分析,最终选用PF7000中频变压器,采用MATLAB/SIMULINK系统仿真技术进行可行性验证,根据电潜泵的最大额定电流,采用横截面积为70 mm2的电缆即可满足所有8口井的电压降要求,且所有井都采用相同尺寸的电缆线径而便于互为备用,最终实现了8口井水下双电潜泵一次性投运成功。

4 电潜泵机组设计

为了合理选择电潜泵,使电潜泵的运行安全高效,在电潜泵机组选型设计时应遵循一定的原则,即保证泵在最高效率点附近工作,保证泵的额定排量与油井产能匹配,保证电机的输出功率能满足举升液体所需功率要求等。

流花4-1油田电潜泵机组选型设计所必需的基础数据主要包括油井生产数据和不同泵型的电潜泵特性曲线。一方面,根据油藏部门提供的各井生产预测数据,分别用每一口井每一年的生产数据进行泵机组设计(以A4 H井为例,电潜泵特性曲线如图4所示),最后优选出每一个运行点都落在泵机组所推荐的运行范围之内,保障机组的运行寿命。另一方面,针对油藏方案可能有变化的井(主要是产液量可能增加的井),选择级数更高的泵和功率更大的电机作为备用,以保证油井后期可以达到更高的产液要求。

图4 流花4-1油田A4H井电潜泵特性曲线

流花4-1油田各井双电潜泵机组设计结果见表2。应用效果表明,流花4-1油田所选用的电潜泵具有排量大、扬程范围大、功率大、生产压差大、适应性强、地面工艺流程简单、机组工作寿命长、管理方便、经济效益显著等特点。该油田自2012年7月投产后各井双泵都启动正常,单井日产液量分别达到了1 500 m3和3 000 m3,取得了良好的开发效果和经济效益。

表2 流花4-1油田双电潜泵机组设计结果

5 结束语

为有效减少修井作业次数,提高生产井检泵周期,在流花4-1油田首次开展了双电潜泵完井技术的应用研究,设计出了适用于该油田的双电潜泵密封罐装系统,并针对油田的油藏特点和配产数据,进行了电潜泵水下设备如水下切换开关、湿式电接头和变频器的选择和电潜泵机组的设计。

流花4-1油田双电潜泵采用一用一备的管理方案,开发前期用上泵适当控制产量,开发后期含水率高时启动备用泵生产,以获得较长的油井寿命,且后期6口井均采用了滑套式自动换向阀,很好地避免了阀门控制可靠性等问题。应用效果表明,流花4-1油田采用双电潜泵完井可使单井产液量达到3 000 m3/d,取得了良好的开发效果和显著的经济效益,其水下双电潜泵完井系统设计和作业经验可以为我国海上其他类似油田提供参考。

[1] 梅思杰,邵永实,刘军.潜油电泵技术[M].北京:石油工业出版社,2004:11-35.

[2] 朱学海,纪树立,潘贵荣,等.双电潜泵系统的研究及在渤海油田的应用[J].石油机械,2007,35(10):60-63.

[3] 索美娟,龚万兴.电潜泵举升工艺新进展[J].国外石油工程, 2007,23(6):29-30.

[4] 隋晓明.国外油田井下单井双电泵工艺及技术调研[J].装备制造技术,2012,(5):211-212.

[5] 陈胜宏,范白涛,邵明仁,等.海上无人简易平台双电潜泵完井技术[J].中国海上油气,2009,21(5):335-337.

The design of subsea dual ESP completion system for LH4-1 oilfield

Zhang Junbin1Qin Shili1Li Yong1Zhang Ning1Chang Yuanjiang2
(1.Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong,518067; 2.China University of Petroleum,Shandong,266580)

LH4-1 oilfield is the first self-developed deep water oilfield in China.In order to optimize workover frequency and minimize development and maintenance cost of the oilfield,the research on application of subsea dual ESP completion technology was carried out for the first time and the dual ESP completion system was designed. According to the reservoir characteristics and production proration data of LH4-1 oilfield,the subsea equipment related with the ESP strings were selected and designed.The field practice demonstrated the technical success and significant economic benefit of the dual ESP completion system which has achieved longer run life and lower workover frequency.

LH4-1 oilfield;subsea dual ESP;completion system design

2013-11-21改回日期:2014-03-07

(编辑:孙丰成)

张俊斌,1995年毕业于原石油大学(北京)石油工程专业,主要从事深水油气田开发技术方面的研究。E-mail:zhangjb@ cnooc.com.cn。