水平井泵掛加深方法研究與應(yīng)用

佘玉潔（大慶油田有限有責(zé)任公司第九采油廠）

為避免油井桿管偏磨和井斜對(duì)泵效影響，水平井抽油泵主要下在直井段，若泵掛深度超過(guò)造斜點(diǎn)后，井斜增大，桿管摩擦力增加，泵凡爾球關(guān)閉滯后，泵效下降。因此，研究抽油泵在井斜角大的造斜段的適應(yīng)性和防偏磨措施非常必要。

1 水平井泵掛加深方法

為了探究井斜角、狗腿度對(duì)抽油泵凡爾開(kāi)閉、油井桿管偏磨問(wèn)題影響，開(kāi)展以下研究。

1.1 井斜角與凡爾球開(kāi)閉時(shí)間關(guān)系

加深泵掛，井斜角增大，抽汲過(guò)程中凡爾球在上、下行過(guò)程中，會(huì)在徑向上形成加速度，使其開(kāi)閉滯后或不嚴(yán)，使泵效降低，影響產(chǎn)量。

凡爾球在井內(nèi)主要受重力和浮力的作用，其密度大小直接影響重力在軸向的分力大小，進(jìn)而影響凡爾球回落時(shí)間?；芈鋾r(shí)間計(jì)算公式：

式中：t為回落時(shí)間，h；φ為y軸與鉛垂線的夾角，°；h為閥球的導(dǎo)軌高度，m；g為重力加速度，取值9.8；ρv為過(guò)閥流體密度，kg/m3；ρq為閥球的密度，kg/m3。

隨井斜角增加，凡爾球回落時(shí)間增加，隨凡爾球密度增加，回落時(shí)間縮短，但時(shí)間差很小，在條件允許時(shí)盡可能選用重球泵，凡爾回落時(shí)間和井斜角關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。

圖1 凡爾回落時(shí)間與井斜角關(guān)系曲線

1.2 不同泵徑凡爾球和井斜角對(duì)應(yīng)的閉合時(shí)間

大井斜部位，閥球下落后繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)至關(guān)閉，常規(guī)泵閥球關(guān)閉時(shí)運(yùn)動(dòng)示意圖如圖2所示，根據(jù)動(dòng)量矩定理得出角加速度。

圖2 常規(guī)泵閥球關(guān)閉時(shí)運(yùn)動(dòng)示意圖

角加速度公式如下：式中：ω為角加速度，rad/s2；g為重力加速度，取值9.8；ρv為過(guò)閥流體密度，kg/m3；ρq為為閥球的密度，kg/m3；α取值為63.47°；φ為y軸與鉛垂線的夾角，°；rq取值為0.019。

回落時(shí)間：

式中：ω′為角加速度，rad/s2。

由式（2）、式（3）計(jì)算得到不同泵徑，凡爾球回落時(shí)間與井斜角關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。

圖3 不同泵徑回落時(shí)間與井斜角關(guān)系曲線

隨著抽油泵泵徑和井斜角的增加，凡爾球的閉合時(shí)間增加，當(dāng)井斜角增大到一定角度時(shí)，球回落時(shí)間急劇增加，泵徑大于38 mm時(shí)應(yīng)使用斜井導(dǎo)向泵。

1.3 狗腿度與抽油桿偏磨、泵變形關(guān)系

狗腿度大的井段，井內(nèi)管柱處于復(fù)雜的屈曲狀態(tài)，導(dǎo)致管桿偏磨加劇、抽油泵間隙磨損加劇、作業(yè)施工時(shí)活塞進(jìn)不了泵筒。為此，需優(yōu)化扶正器設(shè)置，嚴(yán)格控制泵深處狗腿度。

取任意兩個(gè)扶正器之間抽油桿長(zhǎng)度為一微元，不考慮自重，兩扶正器之間抽油桿可視為簡(jiǎn)支梁，利用式（4）、式（5）、式（6）得出不同狗腿度的合理扶正器間距。

式中：y為撓度，cm；W為正壓力，N；Df為油管內(nèi)徑，mm；Df0為扶正器外徑，mm；Df1為扶正器孔徑，mm；Dr為抽油桿直徑，mm；Lr為微元以下桿長(zhǎng)度，m；qr為單位長(zhǎng)度桿重，N/m；Ir為抽油桿截面慣性矩，cm3；Lf為扶正器間距，cm；E為抽油桿彈性模量。

根據(jù)以上計(jì)算方法，可以得出不同個(gè)狗腿度處的扶正器數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 不同狗腿度的合理扶正器數(shù)

根據(jù)抽油泵保持不變形的條件，迭代計(jì)算出不同泵徑最大允許狗腿度，見(jiàn)表2。

表2 不同泵徑最大允許狗腿度

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

結(jié)合實(shí)際水平井井眼軌跡數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)現(xiàn)有水平井目前泵深與合理泵深數(shù)據(jù)，平均需加深泵掛深度152 m，流壓可下降至4.3 MPa合理范圍，統(tǒng)計(jì)水平井應(yīng)加深泵掛情況，見(jiàn)表3。

表3 水平井應(yīng)加深泵掛情況

表4 導(dǎo)向抽油泵應(yīng)用效果

表5 常規(guī)泵應(yīng)用效果

2.1 開(kāi)展導(dǎo)向泵試驗(yàn)，提高油井產(chǎn)量

按照水平井加深泵掛理論，在古龍南和古693區(qū)塊應(yīng)用6口導(dǎo)向泵，導(dǎo)向泵結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖4。導(dǎo)向抽油泵原理：通過(guò)改變固定閥、游動(dòng)閥結(jié)構(gòu)，在泵球設(shè)置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，降低閥球偏置旁落，關(guān)閉滯后的弊端，可適應(yīng)30°井斜角。

圖4 導(dǎo)向泵結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)施導(dǎo)向泵加深泵掛6口井，平均泵深加深139 m，井斜角從7.9°加深至26.6°，單井流壓降低1.2 MPa，泵效提高17.5個(gè)百分點(diǎn)，日增油1.3 t/d，累計(jì)增油468 t，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益128.7萬(wàn)元，統(tǒng)計(jì)導(dǎo)向抽油泵應(yīng)用效果見(jiàn)表4。

2.2 開(kāi)展常規(guī)泵加深試驗(yàn)

實(shí)施常規(guī)泵加深泵掛4口井，平均泵深加深139 m，井斜角從0.8°加深至25.5°，單井流壓降低1.6 MPa，泵效提高21.8個(gè)百分點(diǎn)，日增油0.9 t/d，全年累計(jì)增油324 t，按每噸油2 750元，可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益89.1萬(wàn)元，統(tǒng)計(jì)常規(guī)泵應(yīng)用效果表見(jiàn)表5。

3 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）通過(guò)建立在斜井下閥球的運(yùn)動(dòng)模型，計(jì)算出抽油泵的啟閉時(shí)間，進(jìn)行不同井斜角度下凡爾球啟閉時(shí)間的對(duì)比分析，得到直徑φ32 mm、φ38 mm抽油泵能夠應(yīng)用在井斜角小于50°水平井中，直徑φ44 mm、φ57 mm大泵井需應(yīng)用導(dǎo)向泵解決凡爾滯后關(guān)閉問(wèn)題。

2）通過(guò)理論計(jì)算給出水平井抽油桿扶正器優(yōu)化結(jié)果，為水平井防偏磨措施提供了理論支撐。

3）通過(guò)開(kāi)展導(dǎo)向泵試驗(yàn)和常規(guī)泵加深試驗(yàn)，降低了井底流壓，有效提高了油井產(chǎn)量。