水平井泵挂加深方法研究与应用

2021-04-28 15:14:38佘玉洁大庆油田有限有责任公司第九采油厂

佘玉洁（大庆油田有限有责任公司第九采油厂）

为避免油井杆管偏磨和井斜对泵效影响，水平井抽油泵主要下在直井段，若泵挂深度超过造斜点后，井斜增大，杆管摩擦力增加，泵凡尔球关闭滞后，泵效下降。因此，研究抽油泵在井斜角大的造斜段的适应性和防偏磨措施非常必要。

1 水平井泵挂加深方法

为了探究井斜角、狗腿度对抽油泵凡尔开闭、油井杆管偏磨问题影响，开展以下研究。

加深泵挂，井斜角增大，抽汲过程中凡尔球在上、下行过程中，会在径向上形成加速度，使其开闭滞后或不严，使泵效降低，影响产量。

凡尔球在井内主要受重力和浮力的作用，其密度大小直接影响重力在轴向的分力大小，进而影响凡尔球回落时间。回落时间计算公式：

式中：t为回落时间，h；φ为y轴与铅垂线的夹角，°；h为阀球的导轨高度，m；g为重力加速度，取值9.8；ρv为过阀流体密度，kg/m3；ρq为阀球的密度，kg/m3。

随井斜角增加，凡尔球回落时间增加，随凡尔球密度增加，回落时间缩短，但时间差很小，在条件允许时尽可能选用重球泵，凡尔回落时间和井斜角关系曲线见图1。

图1 凡尔回落时间与井斜角关系曲线

大井斜部位，阀球下落后绕A点转动至关闭，常规泵阀球关闭时运动示意图如图2所示，根据动量矩定理得出角加速度。

图2 常规泵阀球关闭时运动示意图

角加速度公式如下：式中：ω为角加速度，rad/s2；g为重力加速度，取值9.8；ρv为过阀流体密度，kg/m3；ρq为为阀球的密度，kg/m3；α取值为63.47°；φ为y轴与铅垂线的夹角，°；rq取值为0.019。

回落时间：

式中：ω′为角加速度，rad/s2。

由式（2）、式（3）计算得到不同泵径，凡尔球回落时间与井斜角关系曲线见图3。

图3 不同泵径回落时间与井斜角关系曲线

随着抽油泵泵径和井斜角的增加，凡尔球的闭合时间增加，当井斜角增大到一定角度时，球回落时间急剧增加，泵径大于38 mm时应使用斜井导向泵。

狗腿度大的井段，井内管柱处于复杂的屈曲状态，导致管杆偏磨加剧、抽油泵间隙磨损加剧、作业施工时活塞进不了泵筒。为此，需优化扶正器设置，严格控制泵深处狗腿度。

取任意两个扶正器之间抽油杆长度为一微元，不考虑自重，两扶正器之间抽油杆可视为简支梁，利用式（4）、式（5）、式（6）得出不同狗腿度的合理扶正器间距。

式中：y为挠度，cm；W为正压力，N；Df为油管内径，mm；Df0为扶正器外径，mm；Df1为扶正器孔径，mm；Dr为抽油杆直径，mm；Lr为微元以下杆长度，m；qr为单位长度杆重，N/m；Ir为抽油杆截面惯性矩，cm3；Lf为扶正器间距，cm；E为抽油杆弹性模量。

根据以上计算方法，可以得出不同个狗腿度处的扶正器数，见表1。

表1 不同狗腿度的合理扶正器数

根据抽油泵保持不变形的条件，迭代计算出不同泵径最大允许狗腿度，见表2。

表2 不同泵径最大允许狗腿度

结合实际水平井井眼轨迹数据，统计现有水平井目前泵深与合理泵深数据，平均需加深泵挂深度152 m，流压可下降至4.3 MPa合理范围，统计水平井应加深泵挂情况，见表3。

表3 水平井应加深泵挂情况

表4 导向抽油泵应用效果

表5 常规泵应用效果

按照水平井加深泵挂理论，在古龙南和古693区块应用6口导向泵，导向泵结构示意图见图4。导向抽油泵原理：通过改变固定阀、游动阀结构，在泵球设置导向机构，降低阀球偏置旁落，关闭滞后的弊端，可适应30°井斜角。

图4 导向泵结构示意图

实施导向泵加深泵挂6口井，平均泵深加深139 m，井斜角从7.9°加深至26.6°，单井流压降低1.2 MPa，泵效提高17.5个百分点，日增油1.3 t/d，累计增油468 t，产生经济效益128.7万元，统计导向抽油泵应用效果见表4。

实施常规泵加深泵挂4口井，平均泵深加深139 m，井斜角从0.8°加深至25.5°，单井流压降低1.6 MPa，泵效提高21.8个百分点，日增油0.9 t/d，全年累计增油324 t，按每吨油2 750元，可产生经济效益89.1万元，统计常规泵应用效果表见表5。

1）通过建立在斜井下阀球的运动模型，计算出抽油泵的启闭时间，进行不同井斜角度下凡尔球启闭时间的对比分析，得到直径φ32 mm、φ38 mm抽油泵能够应用在井斜角小于50°水平井中，直径φ44 mm、φ57 mm大泵井需应用导向泵解决凡尔滞后关闭问题。

2）通过理论计算给出水平井抽油杆扶正器优化结果，为水平井防偏磨措施提供了理论支撑。

3）通过开展导向泵试验和常规泵加深试验，降低了井底流压，有效提高了油井产量。