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一種創新型氣體處理器將多項技術集成于單一裝置，旨在提高非常規井中潛油電泵（ESP）的氣體處理效率。

采用人工舉升技術開采多相流體頗具挑戰性，而泵的設計通常適用于高含液工況。然而，高氣液比（GLR）為人工舉升創造了嚴苛環境，導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式氣體分離器和氣體處理泵
 
非常規井在高氣液比作業中面臨額外復雜性。陡峭的產量遞減曲線及各類水平井井筒形態，導致生產模式呈瞬態變化。非常規井的井底壓力在投產6至18個月內迅速降至泡點壓力（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構）使生產在高液比與高氣比之間波動。
 
在非常規井的潛油電泵應用中，氣體干擾是最昂貴且耗時的挑戰之一。氣體干擾問題的根源在于許多非常規井的固有特性——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分離和處理設備的負荷。這種氣體主導狀態會阻礙作業者降低泵入口壓力（PIP），而該參數是優化人工舉升系統和最大化產量的關鍵指標。
 
為應對這些挑戰并在油藏壓力下降和氣液比上升的情況下，利用潛油電泵實現非常規井的產量最大化，需要人工舉升技術的范式轉變。目前已開發出一種新型氣體處理系統，以增強傳統潛油電泵的氣體處理能力，從而提高設備運行時間、產量和生產壓差。

氣體處理技術的演進

潛油電泵（ESP）氣體處理技術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備。這些技術有助于油井持續產液，并防止因氣體干擾導致的ESP停機。其原理是在氣體進入主生產泵前對其進行分離和壓縮。
 
非常規井中典型的離心式ESP裝置從上至下包括：生產泵、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
 
傳統離心式 ESP 泵級由旋轉葉輪和固定擴散器組成，通過堆疊實現壓力逐級提升。當離心葉輪旋轉時，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。這種分離可能導致氣體在泵內滯留或 “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致運行停機，還會因機械磨損和電機潛在過熱而威脅設備完整性。
 

強化氣體處理能力

國民油井華高人工舉升系統部門開發了集成式氣體處理器（IGP），旨在改善潛油電泵（ESP）系統的氣體管理并最大限度減少生產停機時間。這種多模塊氣體處理系統取代了傳統氣體處理泵和氣體分離器，通過將多項技術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，將三個模塊連接成一個整體單元，這種無法蘭連接設計減少了可能限制流體流動并導致系統內壓降的夾點。
 
IGP的運行機制與傳統氣體處理設備不同：流體進入大流量入口后進入下部模塊，模塊內的專有反向螺旋泵（CHP）級對氣液混合物進行壓縮和均質化處理。與傳統離心泵不同，CHP提供兩條流道，允許氣體同時進入轉子和定子——主通道為螺旋流，次通道為轉子與定子葉片間產生的流體渦流。因此，CHP在泵送過程中能吸入并處理更多氣體，而對氣體的均質化處理還能為產出流體提供浮力，提升整體舉升效率。
 
經均質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并增強分離效率。誘導輪高速旋轉流體，使高密度液體移向外徑，低密度氣體則向內徑集中。跨接組件將游離氣體導入出口并排入IGP與套管壁之間的環空，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進行，進一步降低氣含率（GVF）并將流體導入上部模塊。
 

氣體分離優化設計

傳統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至系統的可能性。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設計用于在氣體進入ESP主生產泵前完成分離預處理
 
最后，流體進入上部模塊進行進一步壓縮和調質處理，隨后進入主生產泵。上部模塊可選用CHP或離心式泵級。

案例研究

IGP的現場研究已取得令人矚目的成果，證明其在各種挑戰性嚴苛環境中性能優于傳統ESP氣體處理系統和氣舉方法。在整個二疊紀盆地，IGP持續展現出處理高含氣量、減少停機時間、增大生產壓差和提升運行效率的能力，顯著改善了產量和運營現金流。
 
德拉瓦盆地某油井因氣體干擾導致泵入口壓力（PIP）無法降低，原油產量停滯。針對這一高氣液比工況，作業者需要提高原油產量并降低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備，促使流體產量迅速提升：原油產量從136桶/日增至344桶/日，增幅153%；天然氣產量從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）。
 

氣體再循環抑制效果

更低的氣體再循環率促使液體產量顯著提升且氣液比（GLR）下降，進而使主生產泵運行效率提高，通過延長設備運行時間全面增強系統性能。
 
圖4 安裝IGP后，二疊紀盆地作業者觀察到產量立即提升，同時GLR 和PIP下降
 
另一位德拉瓦盆地作業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地層的已知產氣量大，該作業者此前只能依賴氣舉系統。國民油井華高人工舉升系統將IGP集成至ESP系統，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性能超出作業者初始生產目標10%，使其在六個月內獲得超過50 萬美元的額外原油產量。此外，相較于鄰井氣舉系統的類比數據，IGP 性能優勢達35%。在該地層中，多數作業者已放棄使用ESP采油而默認采用氣舉作為主要人工舉升方法，但該作業者通過IGP技術多獲得了67.5萬美元的原油產量。
 
新墨西哥州德拉瓦盆地 Bone Spring 地層的某油井全年多次發生ESP故障，因氣體問題導致的停機造成高昂成本。受限于基礎設施和改造費用，氣舉方案不可行。搭載IGP的ESP再次證明，其性能超越了常規井中用于低排量高氣液比工況的標準氣體處理設備。
 
該新型氣體處理系統高效處理大量氣體，顯著提升油井運行效率并增加現金流：除將停機時間縮短32% 外，系統還將平均產量提升50%至600桶/日，每月新增45萬美元原油收益，并使油井生產壓差進一步擴大20%。
 
與此同時，米德蘭盆地某作業者需為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氣體處理系統失效的水平。
 
研究中，3口高含氣井配備IGP，6口井采用傳統ESP設備（如串聯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口井平均產液量較6口傳統井高出50%，且入口壓力更低。該系統因此延長了ESP泵設備壽命，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，實現非常規油藏的產量最大化需要強大先進的ESP技術，以耐受更嚴苛環境和持續升高的氣液比。
 
全美非常規井中已安裝超120臺IGP，應對氣體干擾這一長期挑戰。通過將關鍵氣體處理功能集成于單一模塊化優化系統，經實踐驗證的IGP有望開啟增產新紀元，并從操作安全、效率和可靠性方面實現大幅提升。