一種創(chuàng)新型氣體處理器將多項技術(shù)集成于單一裝置，旨在提高非常規(guī)井中潛油電泵（ESP）的氣體處理效率。
采用人工舉升技術(shù)開采多相流體頗具挑戰(zhàn)性，而泵的設(shè)計通常適用于高含液工況。然而，高氣液比（GLR）為人工舉升創(chuàng)造了嚴苛環(huán)境，導(dǎo)致泵效率低下及停機問題。
圖1 典型的潛油電泵裝置包括串聯(lián)式氣體分離器和氣體處理泵
非常規(guī)井在高氣液比作業(yè)中面臨額外復(fù)雜性。陡峭的產(chǎn)量遞減曲線及各類水平井井筒形態(tài)，導(dǎo)致生產(chǎn)模式呈瞬態(tài)變化。非常規(guī)井的井底壓力在投產(chǎn)6至18個月內(nèi)迅速降至泡點壓力（氣體開始從液體中分離的壓力）以下。此外，水平井鉆井的特性（如起伏、趾部上傾和趾部下傾結(jié)構(gòu)）使生產(chǎn)在高液比與高氣比之間波動。
在非常規(guī)井的潛油電泵應(yīng)用中，氣體干擾是最昂貴且耗時的挑戰(zhàn)之一。氣體干擾問題的根源在于許多非常規(guī)井的固有特性——這類油藏往往具有高氣液比，伴隨的游離氣體積可能超出傳統(tǒng)分離和處理設(shè)備的負荷。這種氣體主導(dǎo)狀態(tài)會阻礙作業(yè)者降低泵入口壓力（PIP），而該參數(shù)是優(yōu)化人工舉升系統(tǒng)和最大化產(chǎn)量的關(guān)鍵指標。
為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)并在油藏壓力下降和氣液比上升的情況下，利用潛油電泵實現(xiàn)非常規(guī)井的產(chǎn)量最大化，需要人工舉升技術(shù)的范式轉(zhuǎn)變。目前已開發(fā)出一種新型氣體處理系統(tǒng)，以增強傳統(tǒng)潛油電泵的氣體處理能力，從而提高設(shè)備運行時間、產(chǎn)量和生產(chǎn)壓差。
氣體處理技術(shù)的演進
潛油電泵（ESP）氣體處理技術(shù)的進步包括氣體分離器、渦流氣體分離器和氣體處理泵級等設(shè)備。這些技術(shù)有助于油井持續(xù)產(chǎn)液，并防止因氣體干擾導(dǎo)致的ESP停機。其原理是在氣體進入主生產(chǎn)泵前對其進行分離和壓縮。
非常規(guī)井中典型的離心式ESP裝置從上至下包括：生產(chǎn)泵、氣體處理器、一至兩個氣體分離器、保護器/密封件、電機和傳感器。流體進入氣體分離器后，液氣在此分離。氣體處理泵進一步壓縮流體中殘留的氣體，以降低進入生產(chǎn)泵的氣含率（GVF）（見圖1）。
圖2 一體化氣體處理器（IGP）取代了氣體分離器和氣體處理器
傳統(tǒng)離心式 ESP 泵級由旋轉(zhuǎn)葉輪和固定擴散器組成，通過堆疊實現(xiàn)壓力逐級提升。當(dāng)離心葉輪旋轉(zhuǎn)時，會將較重的液體向外推送，而較輕的氣體則留在葉輪中心附近。這種分離可能導(dǎo)致氣體在泵內(nèi)滯留或 “鎖死”。氣體鎖死會干擾流體流動，顯著降低ESP的效率和可靠性。這種情況不僅可能導(dǎo)致運行停機，還會因機械磨損和電機潛在過熱而威脅設(shè)備完整性。
強化氣體處理能力
國民油井華高人工舉升系統(tǒng)部門開發(fā)了集成式氣體處理器（IGP），旨在改善潛油電泵（ESP）系統(tǒng)的氣體管理并最大限度減少生產(chǎn)停機時間。這種多模塊氣體處理系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)氣體處理泵和氣體分離器，通過將多項技術(shù)集成于單一裝置來提升氣體處理效率（見圖2）。其采用專利無法蘭螺紋連接系統(tǒng)，將三個模塊連接成一個整體單元，這種無法蘭連接設(shè)計減少了可能限制流體流動并導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)壓降的夾點。
IGP的運行機制與傳統(tǒng)氣體處理設(shè)備不同：流體進入大流量入口后進入下部模塊，模塊內(nèi)的專有反向螺旋泵（CHP）級對氣液混合物進行壓縮和均質(zhì)化處理。與傳統(tǒng)離心泵不同，CHP提供兩條流道，允許氣體同時進入轉(zhuǎn)子和定子——主通道為螺旋流，次通道為轉(zhuǎn)子與定子葉片間產(chǎn)生的流體渦流。因此，CHP在泵送過程中能吸入并處理更多氣體，而對氣體的均質(zhì)化處理還能為產(chǎn)出流體提供浮力，提升整體舉升效率。
經(jīng)均質(zhì)化的氣液混合物隨后進入中部模塊，該模塊配備雙腔氣體分離器，其策略性布局可減少氣體再循環(huán)并增強分離效率。誘導(dǎo)輪高速旋轉(zhuǎn)流體，使高密度液體移向外徑，低密度氣體則向內(nèi)徑集中?？缃咏M件將游離氣體導(dǎo)入出口并排入IGP與套管壁之間的環(huán)空，同時將液體引入下一分離階段。該過程在第二級分離中重復(fù)進行，進一步降低氣含率（GVF）并將流體導(dǎo)入上部模塊。
氣體分離優(yōu)化設(shè)計
傳統(tǒng)氣體分離器的入口端口通常位于氣體出口端口下方約0.6米處，而IGP將這些端口間距擴大至約2.4米，以最大限度降低氣體再循環(huán)至系統(tǒng)的可能性。此外，氣體分離器的長度提供了更長的滯留時間，使其能更高效地脫除氣體（見圖3）。
圖3：三模塊一體化殼體系統(tǒng)設(shè)計用于在氣體進入ESP主生產(chǎn)泵前完成分離預(yù)處理
最后，流體進入上部模塊進行進一步壓縮和調(diào)質(zhì)處理，隨后進入主生產(chǎn)泵。上部模塊可選用CHP或離心式泵級。
案例研究
IGP的現(xiàn)場研究已取得令人矚目的成果，證明其在各種挑戰(zhàn)性嚴苛環(huán)境中性能優(yōu)于傳統(tǒng)ESP氣體處理系統(tǒng)和氣舉方法。在整個二疊紀盆地，IGP持續(xù)展現(xiàn)出處理高含氣量、減少停機時間、增大生產(chǎn)壓差和提升運行效率的能力，顯著改善了產(chǎn)量和運營現(xiàn)金流。
德拉瓦盆地某油井因氣體干擾導(dǎo)致泵入口壓力（PIP）無法降低，原油產(chǎn)量停滯。針對這一高氣液比工況，作業(yè)者需要提高原油產(chǎn)量并降低PIP。在拆除競爭對手的泵后，安裝了相同尺寸的NOV ESP，并采用IGP 取代串聯(lián)式氣體分離器和氣體處理器。
IGP性能超越了此前的氣體處理設(shè)備，促使流體產(chǎn)量迅速提升：原油產(chǎn)量從136桶/日增至344桶/日，增幅153%；天然氣產(chǎn)量從202萬標準立方英尺/日增至654萬標準立方英尺/日，增幅224%；產(chǎn)水量從417 桶/日增至1,734桶/日，增幅316%，進而使氣液比從365標準立方英尺/桶降至315標準立方英尺/桶，降幅14%。同時，泵入口壓力從579psi立即降至514psi，降幅11%（見圖4）。
氣體再循環(huán)抑制效果
更低的氣體再循環(huán)率促使液體產(chǎn)量顯著提升且氣液比（GLR）下降，進而使主生產(chǎn)泵運行效率提高，通過延長設(shè)備運行時間全面增強系統(tǒng)性能。
圖4 安裝IGP后，二疊紀盆地作業(yè)者觀察到產(chǎn)量立即提升，同時GLR 和PIP下降
另一位德拉瓦盆地作業(yè)者希望更高效地進一步降低油井井底壓力，但由于新墨西哥州Wolfcamp地層的已知產(chǎn)氣量大，該作業(yè)者此前只能依賴氣舉系統(tǒng)。國民油井華高人工舉升系統(tǒng)將IGP集成至ESP系統(tǒng)，成功處理入口處高達70%的游離氣和平均2,700標準立方英尺/桶的氣液比。
IGP性能超出作業(yè)者初始生產(chǎn)目標10%，使其在六個月內(nèi)獲得超過50 萬美元的額外原油產(chǎn)量。此外，相較于鄰井氣舉系統(tǒng)的類比數(shù)據(jù)，IGP 性能優(yōu)勢達35%。在該地層中，多數(shù)作業(yè)者已放棄使用ESP采油而默認采用氣舉作為主要人工舉升方法，但該作業(yè)者通過IGP技術(shù)多獲得了67.5萬美元的原油產(chǎn)量。
新墨西哥州德拉瓦盆地 Bone Spring 地層的某油井全年多次發(fā)生ESP故障，因氣體問題導(dǎo)致的停機造成高昂成本。受限于基礎(chǔ)設(shè)施和改造費用，氣舉方案不可行。搭載IGP的ESP再次證明，其性能超越了常規(guī)井中用于低排量高氣液比工況的標準氣體處理設(shè)備。
該新型氣體處理系統(tǒng)高效處理大量氣體，顯著提升油井運行效率并增加現(xiàn)金流：除將停機時間縮短32% 外，系統(tǒng)還將平均產(chǎn)量提升50%至600桶/日，每月新增45萬美元原油收益，并使油井生產(chǎn)壓差進一步擴大20%。
與此同時，米德蘭盆地某作業(yè)者需為Wolfcamp A&B枯竭油藏的二次/三次ESP采油尋求解決方案。在此工況下，氣液比已升至標準ESP氣體處理系統(tǒng)失效的水平。
研究中，3口高含氣井配備IGP，6口井采用傳統(tǒng)ESP設(shè)備（如串聯(lián)氣體分離器和氣體處理泵）。由于IGP能更高效處理分離大量氣體并延長運行時間，3口井平均產(chǎn)液量較6口傳統(tǒng)井高出50%，且入口壓力更低。該系統(tǒng)因此延長了ESP泵設(shè)備壽命，提升可靠性，減少停機并降低運營成本。
隨著全球能源需求增長和水平井段延長，實現(xiàn)非常規(guī)油藏的產(chǎn)量最大化需要強大先進的ESP技術(shù)，以耐受更嚴苛環(huán)境和持續(xù)升高的氣液比。
全美非常規(guī)井中已安裝超120臺IGP，應(yīng)對氣體干擾這一長期挑戰(zhàn)。通過將關(guān)鍵氣體處理功能集成于單一模塊化優(yōu)化系統(tǒng)，經(jīng)實踐驗證的IGP有望開啟增產(chǎn)新紀元，并從操作安全、效率和可靠性方面實現(xiàn)大幅提升。
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