AFS与ADV在双电潜泵采油系统中的应用及对比

◇中海石油深圳分公司 秦宇

随着深水油田的不断开发，为减少油井修井频次，提高油田的生产时效，双电泵采油技术在深水油田的应用将越来越普遍。本文主要通过对某深水油田双潜油电泵组合采油系统中的自动导流阀在实际生产过程中出现的异常情况进行分析和总结，对以后使用双电泵采油技术的油田的电泵管理和故障分析具有一定的借鉴意义。

AFS（AutoFlowSub）和ADV（AutomaticDiverterValve）是目前在井下实现双电潜泵人工举升方案中主流设备。近年来，双电潜泵（DUAL-ESP）方案在海洋石油领域得到了越来越广泛的应用。根据南海海域的使用经验，电泵的平均使用寿命为3.5年，也就是单电泵油井平均3.5年就会进行一次修井作业，更换电潜泵及生产管串。而采用双电潜泵设计，即一台电泵运行，另一台电泵备用，当一台电泵故障时，另一台泵能远程控制其切换至工作状从而实现继续生产。根据建模计算和现场应用情况，修井频率可延长至5年修井一次。大大提高油井生产时率，降低油田运营成本。AFS和ADV在双泵系统中发挥了至关重要的作用，同时从现场实际应用情况看也表现出有待完善技术问题。

1 AFS功能特点及应用案例

1.1 AFS的功能特点

对于投产初期可以通过自喷生产的油井，此时电潜泵处于关停状态。自喷流体通过电泵入口进入生产管串将产生较大压降，并可能在泵腔内出现回压效应，产生节流作用。相对提高了井底压力，降低了油井自喷生产能力。在这种情况下将AFS设置在POD（罐体）以内电潜泵以上的位置，可实现将电潜泵旁通，流体通过AFS的阀瓣（阀瓣）直接进入生产管串，对于自喷油井来讲可减少最低50psi的压力损失。当自喷生产期结束，电潜泵投入运行时，流体从泵吸入口进入，向上泵送，AFS因压差影响（内压大于环空压力）阀瓣关闭旁通通道并形成有效密封，流体正常向上输送。在双电潜泵举升系统中，当下泵工作时，流体经下泵泵吸入口进入电潜泵向上泵送，经过下泵的AFS（该AFS的阀瓣处于关闭状态）继续向上，由于上泵未工作，上泵环空压力高于泵管串内压力，上泵AFS的阀瓣打开，由下泵泵送上来的流体从上泵的AFS进入生产管串，继续向上输送。当上泵工作时，下泵AFS段环空压力大于管串内压力，阀瓣打开，流体从下泵的AFS进入管串向上输送，再经上泵泵吸入口进入上泵向上举升，此时上泵的AFS管串内压力大于环空压力，阀瓣处于关闭状态，设计上不会出现流体经阀瓣回流的现象。

图1 自动导流阀工作示意图和井液流程图

图2 双电潜泵密封罐装系统

1.2 AFS应用案例及分析

2015年2月A6井A泵由于“motorstall”跳井。测量三相直阻：AB=9.7欧姆，AC=9.7欧姆，BC=8.1欧姆，对地绝缘为0，无法重新启动A泵。遂切换至B泵生产，发现液量大幅减少，泵出口与吸入口压差较低（300psi），且马达温度上升较快。电流、电压未见异常波动，而B泵刚开始运转，泵轴断裂的几率较小。A泵运转时，井口温压、流量均正常，排除管柱穿孔泄漏情况。该井化学药剂从双泵下部注入，因此B泵pubjoint短节腐蚀穿孔可能性很小。切换B泵运转后，环空压力正常，排除导流罩穿孔泄漏。考虑到A6井在完井时A、B泵均配置了AFS，且根据厂家反映，国外部分使用AFS的双泵油井也出现过部分井的备用泵启动后无产量或减产的情况。地面试验发现泵排量大于8000BPD时待命电泵上端AFS的阀瓣处于半开半闭震动状态。阀瓣不能完全关闭形成密封无疑将造成举升过程中的液量损失。从A6h井的B泵表现看，AFS故障的可能性很大，经B泵举升的流体到AFS后部分从阀瓣分流，又回到泵吸入口。这种情况下电流、电压不会有明显异常，而泵压差将明显变小，液量将显著降低。在后来的修井作业中推断得到了验证，出井的B泵阀瓣的铰链结构损坏且阀瓣表面有点蚀现象，导致AFS失效。

2 ADV功能特点及应用案例

2.1 ADV功能特点

ADV安装于电潜泵上部，当电潜泵启动时，由泵液动力推动内滑套上移，阀生产主通道立即打开，循环出口自动关闭，正常采液生产。电潜泵关停时，在油管柱内、外压差作用下内滑套自动复位，阀生产主通道立即关闭，循环出口自动打开，油管内液体(或管内有掺杂着固体颗粒的液体)被排出到环空，液面回落。由于通往电潜泵的流道被切断，因而阻止了固体或流体进入电潜泵，同时也避免了电潜泵倒转。ADV与双电潜泵配套工作原理如图5所示。当上部电潜泵工作时，井下流体旁通下部电潜泵进入上部电潜泵的吸入口，处于上部电潜泵上方的ADV关闭上部电潜泵与环空之间的循环通道，同时开启生产主通道;当下部电潜泵工作时，处于下部电潜泵上方的自动换向阀关闭下部电潜泵与环空之间的循环通道，同时开启生产主通道，井下流体被引导到上部电潜泵外面，通过其上ADV流入油管，到达地面。当油井具有自喷能力时，上、下电潜泵均关闭，井下流体不经过电潜泵，直接通过ADV形成流动通道，避免了流体通过电潜泵内部产生的节流和冲蚀。

图3 ADV工作原理图

图4 ADV内部构造

图5 A6第一次生产数据异常曲线图

2.2 ADV应用案例及分析

A6井于2016年初完成修井并复产，采用了带ADV的双电潜泵进完井，并从之前的双罐结构该为了单罐结构。然而在一年后该井再次出现异常情况。

第一次生产数据异常发生在2017年9月5日19:24，泵出口压力上升500psi后26秒回落170psi，同时吸入口压力有80psi的小幅上升，初步判断B泵上部的流道发生改变。

图6 A6第一次生产数据异常工况模拟分析

异常情况下B泵在52.9Hz运行，根据软件模拟B泵的产量约为12536bpd。发生异常情况后根据泵效曲线52.9Hz，扬程为823米时，B泵的产量约为659bpd.异常前后B泵产量下降12536-659=11877bpd，根据井口压力波动幅度，到达井口的液量降低约10000bpd左右，情况基本吻合。

第二次生产数据异常发生在9月11日04:10，与第一次相似，泵出口压力突然上升后24秒回落200psi，吸入口压力小幅升高。在第三次发生类似现象时海上及时进行了降频调整，但泵出、入口压力较以往仍然偏高。关掉B泵，开启A泵从40Hz逐步提频到53Hz时突然出现供液能力下降的现象，然后降频到40Hz后仍发现泵出、入口压力较以往偏低。

图7 A6第二、三次生产数据异常曲线图

异常情况前B泵运行在52.9Hz，井下产量为12639bpd，异常后B泵运行在40Hz，井下B泵产量模拟约为657bpd，与第一次情况相似。

图8 A6第二、三次生产数据异常工况模拟分析

下泵生产时，正常情况下下泵的流体应该通过上部的ADV环空通道进入到油管中，由于受到流量的影响，上部ADV环空关闭，下泵的流体经过上泵进入到油管，水力摩阻增加，造成憋泵现象。上泵生产时，正常情况下上泵的流体应该通过下部的ADV环空通道进入到油管中，由于受到流量的影响，下部ADV环空关闭，上泵的流体经过下泵吸入口进入，水力摩阻增加，造成供液不足的现象。

图9 下泵生产正常流道与非正常流道对比

图10 上泵生产正常流道与非正常流道对比

图11 ADV阀门端面

判断当井下流速达到一定大小时，通过ADV环空通道的流体会在阀门端面形成紊流，压力降低，在阀杆上下形成压差，导致阀杆动作关闭ADV环空通道，但该推断被ADV厂家否定，理由是根据ADV设计不存在这种可能。

40Hz正常启动B泵，每1Hz逐步向上调节频率，每一个频率稳定运行2个小时左右，数据无异常继续进行，泵运行在53Hz时已反复出现过3次泵工况异常状态，推荐在53Hz下至少运行24小时，如仍无异常再调整到55Hz，模拟产量约15000bpd达到ADV冲蚀极限，55Hz作为稳定生产的最大频率。如在某一频率下出现憋泵现象（如53Hz），停泵恢复1小时，然后重新正常40Hz启泵并运行到该憋泵频率下一个频率（如53Hz憋泵，那么只能运行在52Hz）作为稳定生产的最大频率。

3 结论

（1）结合A6修井检泵情况和其余生产井运行稳定性情况可以看出AFS阀瓣不耐冲蚀，寿命较短，导致AFS失效。另外，对于使用ADV双泵采油的生产井，当下泵运行时，若下泵ADV阀未完全关闭，则会出现打循环的情况，马达温度长时间相对升高，出口压力低于正常值，入口压力高于正常值。若上泵ADV阀门未完全打开，则会出现憋泵现象，泵出、入口压力高于正常值；当上泵运行时，若下泵ADV阀门未完全打开，会出现供液不足和节流现象，入口压力低于正常值，若上泵ADV阀门未完全关闭，则会出现打循环的情况，马达温度长时间相对较高，出口压力低于正常值，入口压力高于正常值。

（2）上泵生产时更容易出现入口压力低，供液不足的情况，下泵生产时更容易出现憋泵的情况。