2. 中石化华北石油工程有限公司河南钻井分公司, 河南南阳 473000;
3. 中国石油勘探开发研究院, 北京 100083
2. Henan Drilling Branch of Sinopec Huabei Oilfield service Corporation, Nanyang, Henan, 473000, China;
3. Exploration & Development Research Institute, CNPC, Beijing, 100083, China
草舍油田位于江苏省东台市溱东乡草舍村，是中国石化华东油气分公司CO2驱试验油田，主要目的层是泰州组和阜三段。阜三段油藏平均埋深3 000.00 m，孔隙度10.07%~17.92%，渗透率1.42~40.76 mD，渗透率级差10~26，非均质性较强。草舍油田共有生产井45口，注气井8口，其中以阜三段为目的层的生产井18口，采用5注13采井网，这13口采油井2014年10月平均日产油量39.88 t，2015年10月平均日产油26.98 t，产油量下降的主要原因是注入的CO2沿注气大通道窜至生产井。以阜三段为目的层的生产井有7口井见气，最高产气量达2 300 m3/d，气油比最高达1 100 m3/t。由于该油田见气井气油比高，造成常规管式泵游动阀打开滞后甚至发生“气锁”而打不开[1]，因此该油田需要采用防气举升技术。草舍油田目前应用的“过桥防气泵+离心式油气分离器”防气举升技术[2]只适用于气油比小于300 m3/t的油井，国内现有气锚[3]和中空防气泵只适用于气油比小于200 m3/t的油井，无法满足该油田生产的需要。为此，笔者研制了射流泵和强制拉杆式防气泵等关键工具，组合了高气油比井人工举升管柱，形成了适用于草舍油田的CO2驱高气油比井举升新技术，并在3口井进行了现场试验，取得了很好的防气效果，产油量和泵效得到了提高。
1 高气油比井人工举升管柱 1.1 技术思路当注CO2井形成注气大通道后，CO2从注气大通道很快到达采油井，储层中的大部分原油得不到有效驱替，油井只产CO2。为了避免该现象的发生，高气油比井举升新技术采用“防气泵+射流泵”的二级防气举升工艺：在井下生产管柱中安装一台防气射流泵，控制高渗透“气窜”油层的产气量，实现对高渗透“气窜”油层的一级防气，将油井的气油比控制在600 m3/t以内；当高渗透层和低渗透层产出的气液混合物到达强制拉杆式防气泵时，该防气泵将气油比低于600 m3/t的油井产出流体举升至地面[4]，实现对油井产出流体的二级防气。
1.2 管柱结构CO2驱新型防气举升管柱 (见图 1) 由有杆泵举升管柱和丢手管柱组成[5]：有杆泵举升管柱由强制拉杆式防气泵、锚定器、上筛管和上丝堵组成；丢手管柱由丢手接头、Y441-114型封隔器[6]、射流泵、RTTS-Ⅲ型封隔器、下筛管和丝堵组成。
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| 图 1 CO2驱新型防气举升管柱结构 Fig.1 Structure of new anti-gas lifting string in CO2 flooding 1.锚定器；2.强制拉杆式防气泵；3.上筛管；4.上丝堵；5.丢手接头；6.Y441-114型封隔器；7.射流泵；8.RTTS-Ⅲ型封隔器；9.下筛管；10.下丝堵 |
正常生产时，Y441-114型封隔器、射流泵和RTTS-Ⅲ型封隔器将高渗透生产层和低渗透生产层分开。射流泵的喷嘴控制高渗透生产层产出的液量和气量，同时高渗透层产出的流体经射流泵的喷嘴喷射后，在射流泵喷嘴末端产生低压区，提高了低渗透生产层的生产压差，低渗透生产层产出的流体被吸进低压区。低渗透生产层产出的流体进入射流泵低压区与高渗透生产层产出的流体经过射流泵的喉管、Y441-114型封隔器的中心管，到达有杆泵举升管柱。高、低渗透生产层产出的流体经过射流泵的能量交换后完成了对高渗透“气窜”层产出流体的一级防气[7]。
从丢手管柱产出的流体经过上部有杆泵举升管柱的筛管，到达强制拉杆式防气泵，被其举升至地面。同时，强制拉杆式防气泵完成了对剩余产出气的二级防气[8]。
1.4 性能特点1) 利用高压气体作为射流泵的动力源。在CO2驱受效油井利用储层自身的能量实现“防气泵+射流泵”组合式二级防气，射流泵的动力源来自通过高渗透层窜至油层的高压CO2，不需要在地面增加额外的动力，施工工艺简单。
2) 避免层间干扰。通过射流泵的喷嘴控制高渗透层的产气量，在射流泵喷嘴的末端产生低压区，提高了低渗透层的生产压差，既避免了层间矛盾，实现了高低渗透层的分采，又利用了层间压差，提高了低渗透层的产液能力[9]。
3) 在射流泵的上、下分采机构中，分别设计了内过滤筛管和外过滤筛管，对产出液进行二次过滤，有效防止了喷嘴的堵塞。
4) 油管及配套的井下工具均由抗CO2腐蚀材料制成，延长了CO2驱防气举升管柱的使用寿命。
2 关键工具 2.1 射流泵射流泵是CO2驱高气油比井举升管柱的关键工具，其结构随高渗产气层位置的不同而有所变化，当高渗层在低渗层上部时，CO2驱高气油比井举升管柱采用上射流泵，当高渗层在低渗层下部时，CO2驱高气油比井举升管柱采用下射流泵 (下面以上射流泵为例介绍其结构设计)。
2.1.1 基本结构上射流泵主要由上接头、支承体、内中心管、外管、混合管、扩散管、销钉、喉管、喷嘴、喷嘴座、下压帽、内过滤筛管、下接头和外过滤筛管等构成，见图 2。
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| 图 2 上射流泵的基本结构 Fig.2 Structure of upper jet pump 1.上接头；2.支承体；3.内中心管；4.外管；5.混合管；6.扩散管；7.喉管；8.喷嘴；9.喷嘴座；10.下压帽；11.内过滤筛管；12.下接头；13.外过滤筛管 |
射流泵设计有2路流体通道。高、低渗透层产出的流体沿着各自的路径流动。高渗透层产出的高压流体经过外管的轴向若干条缝、下接头的轴向通孔、内过滤筛管、下压帽到达喷嘴末段。低渗透层产出的流体通过外过滤筛管、下接头的中心孔、偏孔、内中心管的传压孔到达喷嘴末段。根据能量守恒定律，喷嘴上游流体的能量与喷嘴末段流体的能量相等。透高渗层产出的气液混合物通过射流泵喷嘴时，其速度显著提高，导致压能显著降低，从而在喷嘴端面周围形成“负压”区，其压力低于低渗透层的压力，从而使低渗透层产出的流体被吸进“负压”区，吸入的流体与高渗透层产出的流体在射流泵的喉管混合，再经扩散管扩散，逐步恢复压能，该压能完成混合流体的一次举升[10]。
2.1.3 主要特点1) 具有2路流体通道。射流泵的下接头设计成偏心结构，使其有2路流体通道，保证了高渗透层产出的流体和低渗透层产出的流体沿各自的通道流动，当上层为高渗透“气窜”层需要限制产气量，而下层为供液不足的低渗透油层需要放开生产时，高渗透层产出的气液混合物通过喷嘴的射流作用产生低压区，提高低渗透油层的生产压差，从而提高低渗透层的产液量，避免了层间干扰。同时，高渗透层与低渗透层产出的流体充分混合后进入涡流举升机构，流体沿涡流举升机构作螺旋运动，实现了改变流体运动方向和加速的功能，提高了气体的携液能力[11]。
2) 防止堵塞喷嘴。设计了内过滤筛管和外过滤筛管，内过滤筛管、外过滤筛管的孔径小于射流泵喷嘴的直径，对产出流体进行二次过滤，有效防止了喷嘴的堵塞。
3) 有保护通道。在射流泵正常工作时，保护通道处于关闭状态。如果内、外过滤筛管被堵塞，射流泵失去作用时，保护通道在低渗透层产出流体的作用下打开，低渗透层产出的流体经过保护通道，再经防气泵抽汲到地面[12]。
2.1.4 主要技术参数射流泵泵体长度868.0 mm，泵体最大外径114.0 mm，喷嘴直径1.3~3.9 mm，喉管直径3.3~6.2 mm；与φ19.0 mm抽油杆连接，适用于内径62.0 mm的油管和内径121.0~124.0 mm的套管。
2.2 强制拉杆式防气泵 2.2.1 基本结构强制拉杆式防气泵由游动阀总成、固定阀总成和泵筒组成。强制拉杆式防气泵与普通防气泵的区别在于游动阀总成的结构不同，普通防气泵游动阀总成采用阀球与阀座密封，而强制拉杆式防气泵的游动阀总成采用强制拉杆式结构，拉杆与半圆形游动阀球连接，通过半圆形游动阀球与阀座密封，见图 3。
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| 图 3 强制拉杆式防气泵的基本结构 Fig.3 Structure of anti-gas pump with impellent pull rod 1.刮削器；2.柱塞；3.游动阀；4.泵筒；5.拉杆；6.固定阀；7.固定阀球；8.扶正杆 |
抽油杆与防气泵拉杆相连，拉杆与游动阀球相连。上冲程过程中，柱塞在拉杆带动下上行，泵筒体积增大，泵筒内压力降低，产出的气液混合物通过固定阀进入泵筒，气体位于泵筒上部，液体位于泵筒下部；下冲程过程中，柱塞在拉杆带动下下行，泵筒体积减小，泵筒内压力升高，拉杆强行打开游动阀球，气体及液体经柱塞中心通道进入泵筒，流入油管，最终经油管排至地面。
2.2.3 主要特点强制拉杆式防气泵游动阀总成采用强制拉杆式结构，拉杆与半圆形游动阀球连接，在下冲程过程中游动阀被强制打开，有效避免了抽油泵“气锁”现象的发生。
2.2.4 主要技术参数强制拉杆式防气泵泵体最大外径88.9 mm，泵长6.80 m，泵径32.0~38.0 mm，柱塞长度1.50 m，柱塞冲程5.00 m，防冲距0.40 m；拉杆与φ19.0 mm抽油杆连接；泵体与φ73.0 mm油管连接。
3 井下防腐材料的优选由于CO2驱高气油比井中产出的CO2气体对井下管柱及工具会产生腐蚀，因此，CO2驱高气油比井举升管柱及配套工具要采用防腐材料，并且要加入缓蚀剂，以保护油管和套管。
3.1 防腐管材优选根据文献[13]，利用高温高压动态反应釜、光学显微镜、SEM等仪器设备，模拟草舍油田地层水，设定CO2分压为2.5 MPa、流速为0.5 m/s，进行J55，N80，3Cr和13Cr等4种材料试片的腐蚀试验，得到4种材料试片的腐蚀速率分别为2.595 0，1.372 0，0.063 0和0.011 7 mm/a。其中，3Cr和13Cr材料试片的腐蚀速率均小于0.076 0 mm/a，满足标准《油田水处理用缓蚀阻垢剂技术要求》(Q/SY 126—2005) 的要求，综合考虑2种管材的价格 (13Cr管材约1.2万元/t，3Cr管材约0.6万元/t)，选用3Cr管材。
3.2 缓蚀剂优选按照石油天然气行业标准《油田采出水用缓蚀剂性能评价方法》(SY/T 5273—2000) 中的方法，在90 ℃温度下，设定CO2分压为2.5 MPa、流速为0.5 m/s，分别加入0.005%的HS-1，HS-17，HS-18和HS-20等4种缓蚀剂，测试J55和N80钢级管材的72 h腐蚀速率，得到J55钢级管材的腐蚀速率分别为0.062 0，0.072 4，0.190 2和0.033 8 mm/a，N80钢级管材的腐蚀速率分别为0.066 2，0.080 5，0.200 0和0.043 0 mm/a。可以看出，加入0.005%HS-20，J55和N80钢级管材腐蚀速率最低，且均小于0.076 mm/a，满足Q/SY 126—2005的要求。因此，草舍油田选用缓蚀剂HS-20。
4 现场试验2016年，草舍油田在3口生产井进行了CO2驱高气油比井举升新技术试验，成功率100%，平均泵效提高了10.5百分点，平均单井日增油2.0 t，截至2016年12月累计增油635 t。下面以CZ1-7B井为例介绍试验情况。
CZ1-7B井是草舍油田的一口生产井，该井2012年4月1日投产，产层为Ef3Ⅲ3-5层和Ef3Ⅳ1层，泵深2 100.00 m，泵径32.0 mm，冲程5.0 m，冲次3次/min。与之对应的注CO2井为CZ1-2井，由于吸气剖面显示该井的Ef3Ⅲ3-5层为主要吸气层，导致其日产气高达2 200 m3，采用常规防气举升技术无法满足生产需要，于是在该井进行CO2驱高气油比井举升新技术试验。
首先压井，起出原生产管柱，通井刮管; 然后组合防气举升管柱并下入井中，开井生产。防气举升管柱由采油插管+φ73.0 mm短节×1.00 m+φ73.0 mm加厚油管×10.00 m+下射流泵 (泵深3 078.00 m)+φ73.0 mm加厚油管+φ32.0 mm防气泵 (泵深2 610.00 m)+油管挂。
CZ1-7B井采用CO2驱高气油比井举升新技术后日产油量3.67 t，日产水量10.5 m3，日产气量小于100.0 m3。与采用新技术前相比，日增油2.00 t，截至2016年12月累计增油335.00 t。而邻井CZ1-6井与CZ1-7B井生产层位相同，由于未采用CO2驱高气油比井举升新技术，日产油量1.67 t，日产水量2.5 m3，日产气量高达1 600.0 m3。
5 结论及建议1) CO2驱高气油比井举升新技术具有二级防气功能，能将气油比控制在600 m3/t以下。
2) 现场试验表明，CO2驱高气油比井举升新技术能降低生产气油比，提高泵效。
3) 建议进一步优选射流泵喷嘴材质、优化射流泵喷嘴参数，以延长流泵喷嘴的使用寿命，提高射流泵的效率。
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