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泵效影響，水平井抽油泵主要下在直井段，若泵掛深度超過造斜點后，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、狗腿度對抽油泵凡爾開閉、油井桿管偏磨問題影響，開展以下研究。

1.1 井斜角與凡爾球開閉時間關(guān)系

加深泵掛，井斜角增大，抽汲過程中凡爾球在上、下行過程中，會在徑向上形成加速度，使其開閉滯后或不嚴，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，進而影響凡爾球回落時間。回落時間計算公式：

式中：t為回落時間，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，凡爾球回落時間增加，隨凡爾球密度增加，回落時間縮短，但時間差很小，在條件允許時盡可能選用重球泵，凡爾回落時間和井斜角關(guān)系曲線見圖1。

圖1 凡爾回落時間與井斜角關(guān)系曲線

1.2 不同泵徑凡爾球和井斜角對應(yīng)的閉合時間

大井斜部位，閥球下落后繞A點轉(zhuǎn)動至關(guān)閉，常規(guī)泵閥球關(guān)閉時運動示意圖如圖2所示，根據(jù)動量矩定理得出角加速度。

圖2 常規(guī)泵閥球關(guān)閉時運動示意圖

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。

回落時間：

式中：ω′為角加速度，rad/s2。

由式（2）、式（3）計算得到不同泵徑，凡爾球回落時間與井斜角關(guān)系曲線見圖3。

圖3 不同泵徑回落時間與井斜角關(guān)系曲線

隨著抽油泵泵徑和井斜角的增加，凡爾球的閉合時間增加，當井斜角增大到一定角度時，球回落時間急劇增加，泵徑大于38 mm時應(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)施工時活塞進不了泵筒。為此，需優(yōu)化扶正器設(shè)置，嚴格控制泵深處狗腿度。

取任意兩個扶正器之間抽油桿長度為一微元，不考慮自重，兩扶正器之間抽油桿可視為簡支梁，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為微元以下桿長度，m；qr為單位長度桿重，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)以上計算方法，可以得出不同個狗腿度處的扶正器數(shù)，見表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，迭代計算出不同泵徑最大允許狗腿度，見表2。

表2 不同泵徑最大允許狗腿度

2 現(xiàn)場應(yīng)用效果

結(jié)合實際水平井井眼軌跡數(shù)據(jù)，統(tǒng)計現(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)計水平井應(yīng)加深泵掛情況，見表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 開展導(dǎo)向泵試驗，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)示意圖見圖4。導(dǎo)向抽油泵原理：通過改變固定閥、游動閥結(jié)構(gòu)，在泵球設(shè)置導(dǎo)向機構(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個百分點，日增油1.3 t/d，累計增油468 t，產(chǎn)生經(jīng)濟效益128.7萬元，統(tǒng)計導(dǎo)向抽油泵應(yīng)用效果見表4。

2.2 開展常規(guī)泵加深試驗

實施常規(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個百分點，日增油0.9 t/d，全年累計增油324 t，按每噸油2 750元，可產(chǎn)生經(jīng)濟效益89.1萬元，統(tǒng)計常規(guī)泵應(yīng)用效果表見表5。

3 結(jié)論及認識

1）通過建立在斜井下閥球的運動模型，計算出抽油泵的啟閉時間，進行不同井斜角度下凡爾球啟閉時間的對比分析，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)閉問題。

2）通過理論計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）通過開展導(dǎo)向泵試驗和常規(guī)泵加深試驗，降低了井底流壓，有效提高了油井產(chǎn)量。