低滲透油藏水平井采油舉升方式優(yōu)選及配套工藝應(yīng)用

周冰欣，鄭玉倩，王登蓮，王少亭，海金龍，劉 叢

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750006）

水平井開采技術(shù)是20 世紀(jì)90 年代世界油氣田開發(fā)迅速發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，并且應(yīng)用于各種類型油田開發(fā)。隨著水平井鉆井技術(shù)的提高及鉆井成本的大幅度下降，水平井開采已成為低滲透油藏提高單井產(chǎn)量，保障油田持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)、高效開發(fā)的重要技術(shù)。根據(jù)采油三廠油田特點(diǎn)，從水平井舉升方式優(yōu)選、在用舉升方式評(píng)價(jià)及井筒配套工藝技術(shù)方面進(jìn)行研究分析，為后期水平井開發(fā)提供借鑒。

1 水平井采油舉升工藝現(xiàn)狀

1.1 常規(guī)有桿泵

目前大多數(shù)水平井采取有桿泵—抽油機(jī)方式在直井段生產(chǎn)。小排量深井采油是有桿泵采油的顯著優(yōu)點(diǎn)。由于井深較大，在采油過(guò)程中沖程損失較大，此外，受到井身結(jié)構(gòu)及原油物性影響，容易造成抽油桿斷脫及偏磨。在大斜度井中，由于井身斜度較大，使用有桿泵必須采取相應(yīng)扶正措施，以減輕桿管偏磨。在采油三廠水平井生產(chǎn)中也以有桿泵采油方式為主。

1.2 螺桿泵

螺桿泵是一種高效容積泵，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、耗電少、效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在稠油、含砂、含氣井舉升工藝中顯露出自身的優(yōu)勢(shì)，在大慶油田中應(yīng)用較為普遍。2008 年以來(lái)，在采油三廠進(jìn)行了小規(guī)模試驗(yàn)，但由于維護(hù)問(wèn)題，未得到廣泛應(yīng)用。

1.3 潛油電泵

早期都是將潛油電泵應(yīng)用于產(chǎn)量較大的油井，由于潛油電泵排量大，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便，適用于中、高含水期采油。隨著技術(shù)發(fā)展，小排量潛油電泵也在油田應(yīng)用越來(lái)越普遍。此外，電機(jī)變頻技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步提升了潛油電泵的使用效果，提升了系統(tǒng)效率，拓展了使用的范圍。2019 年，采油三廠在水平井生產(chǎn)中進(jìn)行了初步試驗(yàn)。

1.4 水力噴射泵

水力噴射泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、適應(yīng)性較強(qiáng)、使用維修較為方便，在一些特殊工況的油井中，使用效果較好。水力噴射泵的缺點(diǎn)是泵效較低，對(duì)油井的沉沒(méi)度有一定要求，且回壓會(huì)對(duì)泵效產(chǎn)生影響。

1.5 水力活塞泵

水力活塞泵采油技術(shù)廣泛應(yīng)用于水平井、叢式井及稠油或高凝油伴熱開采井中，其具有泵效高、排量適應(yīng)范圍大、泵掛深、調(diào)參方便等優(yōu)點(diǎn)。水力活塞泵的缺點(diǎn)是地面泵動(dòng)力端與井下泵的密封難度較大，且泵維護(hù)難度較大。

1.6 氣舉采油

氣舉采油技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是井口及井下設(shè)備較為簡(jiǎn)單，使用維護(hù)較為方便，在一些斜井、試油井、含砂、含氣、含腐蝕性成分的油井，以及不適合使用其他機(jī)械采油方式的油井，使用氣舉采油能夠起到較好的效果。氣舉采油的缺點(diǎn)是地面設(shè)備復(fù)雜，使用成本高、氣體能量利用率較低。氣舉采油對(duì)氣源要求較高，必須建立相應(yīng)的氣體壓縮機(jī)站，在高壓條件下連續(xù)氣舉，容易出現(xiàn)安全事故，井距較大的井網(wǎng)中不宜采用氣舉采油。氣舉采油在我國(guó)起步較晚，現(xiàn)階段在部分油田逐步開展應(yīng)用。

1.7 低滲透油藏水平井采油舉升方式研究的重要性

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)石油的需求量越來(lái)越大。長(zhǎng)慶油田作為中國(guó)第二大陸上油田，持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)是發(fā)展的要求。水平井開發(fā)應(yīng)用越來(lái)越普遍，這類井型井身結(jié)構(gòu)不同于常規(guī)直井，有桿泵下入深度有限，不能發(fā)揮油井最大開發(fā)潛力。此外，從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況看，水平井生產(chǎn)時(shí)間短，含水上升速度快，投入產(chǎn)出比低，未能充分發(fā)揮水平井開發(fā)優(yōu)勢(shì)，因此需要加強(qiáng)人工舉升技術(shù)研究，優(yōu)選采油方式，優(yōu)化配套的工藝技術(shù)，從而合理控制生產(chǎn)壓差，延長(zhǎng)水平井生產(chǎn)壽命，達(dá)到降低投資、提升泵效目的，最終實(shí)現(xiàn)水平井開發(fā)效果的提升。

2 水平井采油舉升方式選擇研究

水平井采油舉升方式的選擇是解決石油生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)要素配置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。需要結(jié)合油藏及油井特點(diǎn)，確定用什么樣的方式及設(shè)備將石油從數(shù)千米深的油井中經(jīng)濟(jì)有效地舉升到地面。這不僅關(guān)系到油田建設(shè)的基本投資和生產(chǎn)費(fèi)用，還直接影響到原油產(chǎn)量和采收率。因此，在當(dāng)前市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的條件下，選擇合理的采油方式不能單純從技術(shù)角度考慮，還需要從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)考察。

2.1 采油舉升方式綜合評(píng)價(jià)基本模式

采油舉升方式綜合評(píng)價(jià)是采油工程方案的子系統(tǒng)，其組成（見圖1）[2]。

圖1 采油方式綜合評(píng)價(jià)基本模式

圖2 低滲透油藏水平井舉升方式層次分析因素

2.2 采油舉升方式綜合評(píng)價(jià)因素及模型

由于采油方式的選擇要綜合考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等方面的各種因素，評(píng)價(jià)過(guò)程中涉及到眾多不同層次的模糊因素。因此，采用模糊綜合評(píng)判法及AHP 層次分析法。

2.2.1 模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建 模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取是否適宜，將直接影響綜合評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。根據(jù)《采油工程方案設(shè)計(jì)》，并結(jié)合油田生產(chǎn)實(shí)際，確定影響因素有兩大類，其中技術(shù)類9 項(xiàng)：檢泵周期、檢泵作業(yè)時(shí)間、機(jī)械效率、產(chǎn)液量適應(yīng)能力、抗腐蝕性能、工藝配套程度、參數(shù)調(diào)節(jié)難易、檢泵工作量和維修難易；經(jīng)濟(jì)類4 項(xiàng)：檢泵成本、動(dòng)力費(fèi)用、人力成本和價(jià)格。

2.2.2 通過(guò)AHP 層次分析法構(gòu)建權(quán)重向量 層次分析法是一種將定性與定量相結(jié)合的權(quán)重決策分析方法，將問(wèn)題決策中繁多、復(fù)雜的因素按性質(zhì)特征分為若干層，對(duì)層內(nèi)因素兩兩進(jìn)行比較，通過(guò)主觀權(quán)重賦值描述其重要性，其權(quán)重應(yīng)根據(jù)實(shí)際經(jīng)濟(jì)形勢(shì)和技術(shù)狀況而定。該方法將決策者的主觀判斷與客觀推理緊密結(jié)合起來(lái)，適用于解決決策準(zhǔn)則多但不易量化的復(fù)雜決策問(wèn)題，在各個(gè)領(lǐng)域決策方案制定中發(fā)揮著重要作用。

2.2.2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型 根據(jù)前面確定的影響因素，構(gòu)建出結(jié)構(gòu)模型（見圖2）。

為了便于比較判斷定量化，引入1～9 比率標(biāo)度方法（見表1）。

表1 比率標(biāo)度方法表

2.2.2.2 構(gòu)建成對(duì)比較矩陣

（1）成對(duì)比較技術(shù)指標(biāo)（檢泵周期、檢泵作業(yè)時(shí)間、機(jī)械效率、產(chǎn)液量適應(yīng)能力、抗腐蝕性能、工藝配套程度、參數(shù)調(diào)節(jié)難易、檢泵工作量和維修難易）影響因素，得到成對(duì)比較矩陣B1（見圖3）。

圖3 技術(shù)指標(biāo)比較矩陣圖

（2）成對(duì)比較經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（價(jià)格、檢泵成本、動(dòng)力費(fèi)用、人力成本）影響因素，得到成對(duì)比較矩陣B2（見圖4）。

圖4 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較矩陣圖

2.2.2.3 計(jì)算各判斷矩陣的特征值、特征向量及一致性檢驗(yàn)指標(biāo) 通過(guò)計(jì)算，技術(shù)指標(biāo)矩陣得到特征向量：W=（0.25，0.03，0.25，0.20，0.06，0.07，0.09，0.04，0.02）

經(jīng)濟(jì)指標(biāo)矩陣得到特征向量：

利用式（1）、（2）、（3）計(jì)算技術(shù)指標(biāo)矩陣與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)矩陣的最大特征根λmax，一致性指標(biāo)CI，CR。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI 取值參考表

其中，根據(jù)表2，查得平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI＝1.46。

通過(guò)計(jì)算得出技術(shù)指標(biāo)矩陣CR＝0.08<0.1，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)矩陣CR＝0.09<0.1。因此，判斷技術(shù)指標(biāo)矩陣與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)矩陣具有清單的一致性。

2.2.2.4 層次總排序 因?qū)蛹?jí)二準(zhǔn)則層只有兩個(gè)因素，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，將技術(shù)指標(biāo)權(quán)重設(shè)為0.6，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)權(quán)重設(shè)為0.4，通過(guò)對(duì)指標(biāo)層與準(zhǔn)則層權(quán)重相乘最終得出各技術(shù)指標(biāo)權(quán)重，其中檢泵周期、檢泵作業(yè)時(shí)間、機(jī)械效率、產(chǎn)液量適應(yīng)能力、抗腐蝕性能、工藝配套程度、參數(shù)調(diào)節(jié)難易、檢泵工作量和維修難易分別為0.15，0.02，0.15，0.12，0.03，0.04，0.05，0.02 和0.01；各經(jīng)濟(jì)指標(biāo)權(quán)重，其中價(jià)格、檢泵成本、動(dòng)力費(fèi)用、人力成本分別為0.24，0.10，0.04 和0.02。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證情況

以A1 井為例，該井完鉆井深3 914 m，完鉆層位長(zhǎng)81，入窗點(diǎn)2 668.5 m，造斜點(diǎn)350 m，無(wú)最大狗腿度、最大井斜角、最大方位角數(shù)據(jù)。原始地層壓力19.7 MPa，氣油比100.4 m3/t；試油未抽汲，日配產(chǎn)液量18 m3。

利用層次分析法進(jìn)行優(yōu)選，先對(duì)其原始評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)（見表3）進(jìn)行歸一化處理（見表4），將層次分析后的權(quán)重體系結(jié)果與歸一化后的舉升方式評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)相乘，得到有桿泵、電潛泵、螺桿泵各舉升方式適用性總權(quán)重分別為0.775、0.487、0.737。排除價(jià)格影響因素，有桿泵、電潛泵、螺桿泵各舉升方式適用性總權(quán)重分別為0.518、0.453、0.416。

層次分析結(jié)果表明，對(duì)于A1 井，有桿泵是其最佳舉升方式，其次為螺桿泵舉升；在不考慮價(jià)格的影響因素下，第二方案為潛油電泵。故該井投產(chǎn)初期選擇有桿泵舉升方式。該井投入生產(chǎn)后，由于動(dòng)液面長(zhǎng)期未抽下去，于2019 年9 月7 日改用潛油電泵生產(chǎn)試驗(yàn)。從運(yùn)行情況看，潛油電泵排液能力較強(qiáng)。

3 在用水平井舉升方式適應(yīng)性評(píng)價(jià)

2019 年10 月底前，采油三廠累計(jì)投產(chǎn)水平井36口，其中舉升方式為：有桿泵32 口（其中：2 口初期為有桿泵，后改為潛油電泵，再改為有桿泵），螺桿泵4 口。

3.1 有桿泵

有桿泵是水平井采油的主要舉升方式。2019 年長(zhǎng)慶油田鉆采方案對(duì)水平井的采油方式推薦為有桿泵采油，基本上適應(yīng)于采油三廠水平井生產(chǎn)。但從現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況看，單井設(shè)計(jì)還需進(jìn)行采油方式優(yōu)選擬合以及生產(chǎn)參數(shù)的優(yōu)化。特別是對(duì)于C1 區(qū)塊，A2、A3、A4、A5、A6 等5 口井沉沒(méi)度高（>1 000 m），抽油泵效在70 %以上，且動(dòng)液面長(zhǎng)期保持較高水平。泵徑38 mm、沖程2.0～2.5、沖次1.5～5 次/分鐘的生產(chǎn)參數(shù)不能很好地適應(yīng)該區(qū)塊。此外，有桿泵舉升方式目前只能下到直井段，泵效較低，且桿管偏磨問(wèn)題較為突出。需要加強(qiáng)相應(yīng)的配套工藝應(yīng)用。

表3 A1 井舉升方式原始評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)

表4 A1 井舉升方式原始評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)歸一化處理結(jié)果

3.2 潛油電泵

潛油電泵采油技術(shù)由于其特殊的構(gòu)造和工作方式，在水平井技術(shù)的應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)有：

（1）可以降低井底流壓，減小層間干擾，而且可以在一定程度上改善近井地帶的滲流條件，有效提高采液速度，達(dá)到提液增油的目的[3]。

（2）有效提升油井的產(chǎn)液速度，提高油井的產(chǎn)油量。

（3）由于沒(méi)有桿柱入井，可有效減少桿管偏磨的影響。根據(jù)前期的調(diào)研，目前潛油電泵的安全運(yùn)行時(shí)間為500 d，有的潛油電泵的檢泵周期達(dá)到700 d，避免了頻繁的修井檢泵，減少了油井的停產(chǎn)次數(shù)保證了油井的產(chǎn)液量。

不足之處在于潛油電泵價(jià)格較高，對(duì)采油三廠各區(qū)塊的適應(yīng)性還需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.3 螺桿泵

目前，采油三廠螺桿泵主要用于試油排液。對(duì)探井而言，由于配套不是很完善，對(duì)井下流體性質(zhì)及儲(chǔ)層產(chǎn)能情況都不是十分清楚，產(chǎn)量波動(dòng)較大的情況普遍存在。因此，對(duì)試油排液工藝的適應(yīng)性有一定要求，螺桿泵在試油井中具有泵效高，對(duì)出砂井適應(yīng)性更強(qiáng)的特點(diǎn)[4]。但螺桿泵由于受其最大下深和最大井斜度的限制，難以準(zhǔn)確求取儲(chǔ)層產(chǎn)能，只能減低排量來(lái)適應(yīng)儲(chǔ)層的供液能力，否則可能出現(xiàn)燒泵，最終需要更換舉升方式。

4 水平井采油工藝配套技術(shù)

4.1 防偏磨工藝

水平井由于井眼軌跡的特殊性，需加強(qiáng)對(duì)防磨工藝的應(yīng)用，目前主要采用泵上應(yīng)用內(nèi)襯油管500 m；在狗腿度較大位置設(shè)計(jì)抽油桿扶正器和油管尼龍扶正防磨器，具體如下。

抽油桿扶正器：采用高強(qiáng)度尼龍旋轉(zhuǎn)扶正器或多功能扶正器（材質(zhì)及工藝要求見SY/T5832-2009《抽油桿扶正器》），在全角變化率≥3°/25m 的井段前后抽油桿上各安裝2 個(gè)，在造斜點(diǎn)處接2 個(gè)以上，在拉桿以上的抽油桿上依次安裝2 個(gè)，在距井口25 m 和45 m 附近抽油桿上各安裝1 個(gè)，全井共計(jì)安裝10 個(gè)以上。抽油桿桿體扶正采用熱塑成型固定式，每根扶正抽油桿體至少有3 個(gè)扶正塊，（扶正塊間距見圖5），要求距造斜點(diǎn)前50 m 的下部桿柱全部使用。

圖5 9.14 m 扶正桿（一桿四扶）注塑間距示意圖

油管扶正器：對(duì)于長(zhǎng)2 及以上配套內(nèi)涂層防腐套管的采油井，要求配套非金屬堵頭和油管扶正器，非金屬堵頭至內(nèi)涂層防腐套管上端之間井段的油管必須每根配套一個(gè)油管扶正器。對(duì)于長(zhǎng)3 及以下的采油井，在全角變化率≥3°/25m 的井段前后各安裝1 個(gè)油管扶正器。

內(nèi)襯油管：在鋼制普通油管內(nèi)襯一層高密度聚乙烯管，采用專用技術(shù)使襯管與油管緊貼在一起，形成“管中管”結(jié)構(gòu)。這種內(nèi)襯油管不僅可以解決油管偏磨與腐蝕難題。通過(guò)2015-2018 年不斷試驗(yàn)與改進(jìn)，已在采油三廠定向中推廣應(yīng)用。針對(duì)水平井，在泵上0 m～500 m 配套應(yīng)用。

4.2 防落井工藝

水平井采油管柱斷脫后會(huì)沿井筒滑入水平段，打撈作業(yè)難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。因此需要配套水平井采油管柱防落物工具，該工具在采油管柱斷脫后短距離制動(dòng)防止落入水平段。2019 年，在水平井全部應(yīng)用KFL-114-III 型管柱防落裝置（見圖6）。

圖6 水平井防落井裝置圖

4.3 防蠟工藝

2019 年，在水平井中試驗(yàn)內(nèi)涂層防蠟技術(shù)，該工藝在油管內(nèi)壁使用納米改性特種高分子涂層，該涂層將最薄納米片層材料（石墨烯）及金屬氧化物與特種高分子材料結(jié)合，使涂層油管具有抗?jié)B透能力強(qiáng)、附著力高、雙疏性（疏水性和疏油性）、耐磨耗性能好的特點(diǎn)。在C1 區(qū)塊水平井應(yīng)用9 口。目前由于入井時(shí)間短，效果還需要時(shí)間驗(yàn)證。

5 結(jié)論

（1）關(guān)于對(duì)水平井采油舉升方式的選擇，要以減少采油成本以及提升采油效率作為前提，建議利用模型對(duì)水平井采油方式進(jìn)行優(yōu)選，從模型中看，設(shè)備價(jià)格對(duì)舉升方式優(yōu)選影響較重；在不考慮價(jià)格因素的前提下，僅從采油運(yùn)行成本及技術(shù)角度進(jìn)行模擬，可較好地選擇出適當(dāng)?shù)呐e升方式。

（2）對(duì)于C1 區(qū)塊的水平井，泵徑38 mm、沖程2.0～2.5、沖次1.5～5 次/分鐘的生產(chǎn)參數(shù)不能很好地適應(yīng)該區(qū)塊。建議下步在鉆采工程方案中進(jìn)行更進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（3）從模型分析，潛油電泵在水平井舉升中具有一定的可選性，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證；同時(shí)，在物資采購(gòu)方面需進(jìn)一步降低價(jià)格。

（4）目前采油三廠水平井舉升方式改變以經(jīng)驗(yàn)為主，缺乏科學(xué)的計(jì)算及研究，建議下步在改變舉升方式前，對(duì)必要性、可行性、經(jīng)濟(jì)效益等方面進(jìn)行深入分析研究。