延長油田水平井生產(chǎn)管柱配套技術(shù)研究及應(yīng)用

趙亞杰，高慶華

（延長石油（集團）有限責(zé)任公司研究院，陜西西安710075）

延長油田水平井生產(chǎn)管柱配套技術(shù)研究及應(yīng)用

趙亞杰，高慶華

（延長石油（集團）有限責(zé)任公司研究院，陜西西安710075）

近年來延長油田水平井開發(fā)技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用，水平井復(fù)雜的井身軌跡對泵掛深度參數(shù)的要求也逐漸加大，常規(guī)的采油工藝及配套設(shè)備已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需求，為使其能夠順利投產(chǎn)和正常生產(chǎn)，需要解決舉升、防偏磨、脫桿等方面難題。通過對抽油桿柱在水平井筒中的運動狀態(tài)進行受力分析，對防脫器的安放位置以及扶正器的安裝間距進行優(yōu)化。對適應(yīng)于大斜度井段的水平井特種泵以及抽油桿扶正器進行優(yōu)選，解決了普通整筒泵泵掛井斜小、泵效低以及常規(guī)扶正器在大斜度水平井中很容易磨損和破碎的問題?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，優(yōu)化后的抽油桿柱系統(tǒng)，泵效提高13%～15%，桿柱斷脫率減少80%，檢泵周期延長8個月。

泵掛深度；斜井泵；扶正器；偏磨；防脫

自2009年，薛平1井成功應(yīng)用以來，延長油田水平井開發(fā)經(jīng)歷了三個階段，2009-2010年為試驗階段，該階段實施水平井2口，分別在延長組和延安組試驗取得成功，驗證了水平井在延長油田的適應(yīng)性；2011-2012年為試驗推廣階段；2013年規(guī)模應(yīng)用階段，全年計劃實施水平井60口。由于水平井具有產(chǎn)量高，井身軌跡復(fù)雜等特征，要在延長油田進一步推廣應(yīng)用水平井開發(fā)技術(shù)，必然要進行水平井生產(chǎn)管柱優(yōu)化技術(shù)的研究。因此，研究高效安全的水平井舉升工藝技術(shù)、扶正器的優(yōu)化配置、低摩阻耐磨扶正器及水平井采油泵研制等生產(chǎn)管柱優(yōu)化技術(shù)已成為水平井開發(fā)技術(shù)的重要部分。

1　水平井生產(chǎn)過程存在問題

1.1井眼軌跡對桿柱偏磨的影響

通過對延長油田抽油井桿柱磨損情況進行分析統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)桿柱偏磨與井眼軌跡變化密切相關(guān)［1］。井斜角越大、井斜變化率越大的地方越容易發(fā)生偏磨；增斜段、降斜段容易引起桿柱偏磨。在上下沖程，中性點以下抽油桿的運動均受到定向井井斜角變化的影響，致使抽油桿與油管發(fā)生偏磨［2］（見表1）。

表1　不同井眼軌跡油井偏磨數(shù)據(jù)統(tǒng)計

1.2現(xiàn)有舉升工藝不能滿足生產(chǎn)需求

水平井完井設(shè)計時要求下泵位置處井眼軌跡局部最大增斜率應(yīng)以控制在不大于20°/100m?，F(xiàn)已投產(chǎn)的水平井有桿泵泵掛處斜度小于45°，泵掛位置距離油層頂界斜深200 m～300 m，垂直距離100 m～250 m。統(tǒng)計表明，隨著油井開采的深入，液面高度逐年降低，對于能量不足的儲層，井斜較小的泵掛位置已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)要求（見表2）。

表2　延長各區(qū)塊生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2　水平井抽油桿柱優(yōu)化設(shè)計

通過對抽油桿柱在水平井筒中運動過程中的受力狀態(tài)進行分析，從而對桿柱的設(shè)計和配套防偏磨的工藝進行優(yōu)化。

2.1水平井抽油桿柱受力分析

（1）水平段抽油桿軸向力分析（見圖1，圖2）。

圖1　水平段抽油桿上沖程受力分析

圖2　水平段抽油桿下沖程受力分析

（2）增斜段抽油桿軸向力分析（見圖3，圖4）。

圖3　增斜段抽油桿上沖程受力分析

圖4　增斜段抽油桿下沖程受力分析

（3）穩(wěn)斜段抽油桿軸向力分析（見圖5，圖6）。

圖5　穩(wěn)斜段抽油桿上沖程受力分析

圖6　穩(wěn)斜段抽油桿下沖程受力分析

2.2扶正防脫器位置優(yōu)化

由抽油桿上下沖程井深-節(jié)點載荷曲線可知（見圖7）：抽油桿受力為0的點即為中和點，既不受拉也不受壓，在該點安裝一個扶正防脫器可以有效的防止桿柱脫落［3］；上沖程抽油桿受軸向力為正，載荷隨井深小呈非線性增加；下沖程抽油桿受軸向力開始為負(fù)，載荷隨井深減小呈非線性增加。

圖7　抽油桿上下沖程井深-節(jié)點載荷曲線

2.3扶正器間距優(yōu)化

在桿柱上安裝一定數(shù)量的扶正器是預(yù)防抽油桿與油管發(fā)生偏磨的有效措施。防偏磨效果的好壞與扶正器質(zhì)量、扶正器間距及安裝位置是否合理密切相關(guān)［4］。間距太大，起不到扶正作用，間距太小，造成液體舉升阻力增大和扶正器浪費。因此，合理的確定扶正器間距及位置十分重要。

由側(cè)向載荷引起的2個扶正器之間的桿柱變形量最大值可用下式計算：

為了保證抽油桿和油管之間不發(fā)生接觸，兩扶正器之間的抽油桿的彎曲變形應(yīng)小于抽油桿與油管壁之間的徑向間隙，即：

圖8　抽油桿扶正器安放井深-間距曲線

由圖8可知，隨井深增加，扶正器安放間距變小，直井段不需布置扶正器［5］。水平井抽油桿柱磨損主要發(fā)生在桿柱底部和狗腿度較大的位置。扶正器安放位置和間距設(shè)計值與井眼軌跡的狗腿度變化相對應(yīng)，狗腿度大則扶正器間距小而數(shù)量多［6］。

根據(jù)延長油田各區(qū)塊井身結(jié)構(gòu)特點，通過上述桿柱受力分析模型，以及扶正器間距計算公式，計算得出各區(qū)塊中和點位置以及扶正器安裝參數(shù)（見表3）。

表3　延長油田各區(qū)塊抽油桿柱中和點位置及扶正器安裝參數(shù)表

3　生產(chǎn)管柱配套工具優(yōu)選

3.1水平井特種泵設(shè)計

3.1.1改進柱塞泵結(jié)構(gòu)，提高泵工作的可靠性采用相互完全獨立的多級密封單元結(jié)構(gòu)柱塞，各級之間相互獨立，并強開強閉，具有防氣功能。柱塞密封單元與中心桿及桿柱之間處于游離狀態(tài)，用于大斜度井及水平井采油時，桿柱的偏心力作用于導(dǎo)向塊，由導(dǎo)向塊承受偏磨，有效消除井下泵密封總成的偏磨［7］（見圖9）。

圖9　水平井特種泵結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.2改進密封方式，減少卡泵現(xiàn)象單級密封總成采用非接觸式彈性間隙密封，具有不易砂卡的特點。當(dāng)砂粒進入柱塞與泵筒之間形成卡泵趨勢時，柱塞可以產(chǎn)生一定的彈性變形，這樣就避免卡泵和砂粒對泵筒及柱塞外表面的損傷，延長檢泵周期［8］。

3.2雙向保護接箍設(shè)計

現(xiàn)場統(tǒng)計表明，在有桿泵的桿管偏磨中，90%都發(fā)生在接箍上。這是由于接箍直徑大于抽油桿，接箍最先與油管接觸，發(fā)生磨損。因此，預(yù)防接箍磨損是降低桿管偏磨的有效途徑。

一種雙向保護接箍（見圖10），表面噴涂有AOC-160合金涂層，具有耐磨損、防腐蝕、減緩油管磨損的作用。它的結(jié)構(gòu)與普通接箍相同，不影響其他施工作業(yè)。涂層中特別添加有減摩材料，在接箍與油管摩擦過程中，圖層以片狀形式均勻附著在油管表面，形成固體潤滑劑，降低了接箍和油管之間的摩擦系數(shù)［9］，起到了一定的減摩作用。

圖10　雙向保護接箍

4　現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

2015年以來，先后在延長油田各區(qū)塊進行了應(yīng)用。目前共部署水平井50口，其中新鉆水平井40口，老井水平井10口?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，平均泵效提高了13%～15%，檢泵周期延長了10個月以上，管柱優(yōu)化效果明顯。

WP11井2011年投產(chǎn)，初期采用的是常規(guī)整筒泵投產(chǎn)，泵掛井斜22°，投產(chǎn)參數(shù)：沖程1.8 m×沖次6次/分鐘，初期產(chǎn)液量為12 m3/d，泵效31%，由于泵掛位于斜井段存在桿柱偏磨現(xiàn)象，平均每4個月需要修井檢泵一次，后期產(chǎn)液量下降至5 m3/d，經(jīng)常出現(xiàn)無液現(xiàn)象。2015年4月采用該管柱優(yōu)化系統(tǒng)后，泵掛深度加深200 m，泵掛井斜至55°，產(chǎn)量穩(wěn)定在8.3 m3/d左右，泵效超過60%，截止至2016年5月，中間尚未出現(xiàn)斷脫、無液、卡泵現(xiàn)象，實現(xiàn)了有桿泵在水平井的高效舉升，有效地減緩了全廠產(chǎn)量的遞減。

5　結(jié)論與認(rèn)識

（1）水平井抽油桿柱磨損主要發(fā)生在桿柱底部和狗腿度較大的位置。扶正器安放位置和間距設(shè)計值與井眼軌跡的狗腿度變化相對應(yīng)，狗腿度大則扶正器間距小且數(shù)量多。

（2）柔性柱塞斜井泵和雙向保護接箍的研制，有效的解決了斜井泵在水平井中的泵效偏低以及桿柱偏磨的問題，同時有效的降低了斷桿及砂卡現(xiàn)象的發(fā)生。

（3）由于水平井井身軌跡的特殊性，抽油桿柱在井筒內(nèi)受力非常復(fù)雜，需要在防磨、防脫方面加大力度攻關(guān)研究，才能不斷提高檢泵周期。雖然作了一些工作，取得一些成績，但仍有較多問題需要繼續(xù)攻關(guān)解決。

（4）現(xiàn)場應(yīng)用表明，優(yōu)化后的抽油桿柱系統(tǒng)，水平井泵掛深度可以達(dá)到60°～70°，平均泵效提高了13%～15%，桿柱斷脫率減少80%，檢泵周期延長了10個月以上，管柱優(yōu)化效果明顯。

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TE933.3

A

1673-5285（2016）10-0019-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.10.005

2016-08-23