賈俊敏

（中國石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院，遼寧盤錦 124010）

遼河油田以稠油為主，開發(fā)后期油層埋藏深，井況復(fù)雜，舉升難度大，檢泵作業(yè)頻次高，系統(tǒng)效率低，人工舉升存在核心問題包括：（1）稠油井泵效低；（2）潛山油層埋藏較深，泵掛較深，漏失量大，泵效低，檢泵周期短；（3）桿管偏磨嚴(yán)重，以曙光二區(qū)為例，存在偏磨問題井61口，偏磨較為嚴(yán)重井有48口，雖然采取的防偏磨技術(shù)取得了一些效果，但由于井深及斜度大，管桿偏磨井段不能有效覆蓋，桿管偏磨斷脫仍是油井倒井的主要原因。

現(xiàn)場實(shí)踐和理論研究表明，桿柱受力是井眼軌跡、流體性質(zhì)、工作參數(shù)等因素綜合作用的結(jié)果，桿柱受力根據(jù)不同油井類型分兩種情況：（1）在直井中抽油桿上行程時(shí)候整體處于受拉應(yīng)力狀態(tài)，下沖程時(shí)中和點(diǎn)之上是受拉情況，中和點(diǎn)之下抽油桿處于受壓狀態(tài)，呈正弦屈曲或螺旋屈曲狀態(tài)；（2）對于定向井或大斜度井等，需要根據(jù)三維井眼軌跡進(jìn)行受力分析和計(jì)算。目前，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法[1，2]基于直井模型，不能準(zhǔn)確表述定向井井下抽油桿的受力狀態(tài)。

基于這種分析，本文提出解決方案包括：（1）對于定向井，建立桿柱軸向力和側(cè)向力耦合計(jì)算模型；（2）對于直井，中和點(diǎn)以下考慮桿柱屈曲應(yīng)力，中和點(diǎn)以上考慮井眼橫向偏移導(dǎo)致的側(cè)向力，建立相應(yīng)模型；（3）對于稠油井，泵充滿程度主要取決于工作參數(shù)和流體黏度，設(shè)計(jì)相適應(yīng)的液力反饋抽油泵；（4）通過系統(tǒng)分析、定量化設(shè)計(jì)保證油井舉升系統(tǒng)完整性。

1 旁通閥液力反饋泵的設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在采油生產(chǎn)過程中，通過進(jìn)、出油閥的交替關(guān)閉，使得泵上液柱壓力產(chǎn)生液壓反饋力，增大泵下行動(dòng)力，進(jìn)而克服下行阻力[3-5]，這是常規(guī)液力反饋泵的基本設(shè)計(jì)原理。本文設(shè)計(jì)了一種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的旁通閥液力反饋泵，進(jìn)油閥采用旁通閥設(shè)計(jì)，同時(shí)泵閥采用彈簧復(fù)位球閥，柱塞兩端設(shè)計(jì)刮砂結(jié)構(gòu)，異徑泵筒采用上下兩個(gè)內(nèi)徑不同的常規(guī)泵筒，通過中間接箍連接而成，泵筒兩端帶有上下兩個(gè)接頭和護(hù)帽，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理（見圖1），適用于定向井、稠油井。

圖1 旁通閥液力反饋泵原理圖

1.2 工作原理

上沖程時(shí)，抽油桿帶動(dòng)上、下柱塞一起上行，出油閥組關(guān)閉，旁通固定閥開啟，井液在沉沒壓力作用下進(jìn)入環(huán)形泵腔，完成進(jìn)液過程。下行程時(shí)，環(huán)形泵腔體積減小，壓力升高，旁通固定閥關(guān)閉，出油閥開啟，完成排液過程。此時(shí)，管柱內(nèi)液體載荷作用在下柱塞截面上，形成向下的液壓反饋力，幫助桿柱下行，該泵通過損失排量的要求達(dá)到增加柱塞下行力的目的。采用公式（1）進(jìn)行理論排量計(jì)算：

式中：Q-理論排量，m3/d；Du-上柱塞直徑，m；Dd-下柱塞直徑，m；S-沖程，m；N-沖次，min-1。

反饋力的大小采用公式（2）計(jì)算：

式中：F-液壓反饋力，N；H動(dòng)-動(dòng)液面深度，m；P回-井口壓力，N。

1.3 技術(shù)參數(shù)

旁通閥液力反饋泵根據(jù)排量和反饋力大小的不同共設(shè)計(jì)5種技術(shù)規(guī)格參數(shù)（見表1）。

2 舉升系統(tǒng)仿真優(yōu)化模型建立和求解方法

2.1 計(jì)算理論模型

常規(guī)油井舉升設(shè)計(jì)的理論模型都是基于直井模型，定向井桿柱受力規(guī)律不同于常規(guī)直井，在非直井條件下桿柱受力要結(jié)合三維井眼軌跡來分析[6-9]，本文采用三維仿真模型，抽油桿微元處井斜角和方位角采用公式（3），公式（4）進(jìn)行插值計(jì)算。

式中：θ-井斜角，度；φ-方位角，度；θi、θi+1、φi、φi+1-i和 i+1 位置處井斜角和方位角，度；s、si、si+1-計(jì)算深度、i和i+1位置處深度，m。

人工進(jìn)行培料。攤鋪機(jī)就位后應(yīng)預(yù)熱30～60min，使熨平板溫度大于100℃，攤鋪速度控制為2m/min。攤鋪3～4車混合料后，應(yīng)翻混合料斗兩側(cè)邊板，清理殘余混合料，推入送料器與熱料一起攤鋪，以減少混合料離析。

表1 旁通閥液力反饋泵技術(shù)規(guī)格參數(shù)

抽油桿自重產(chǎn)生的軸向載荷為抽油桿微元段的重力在油井軌跡方向的分力，用公式（5）計(jì)算，其作用的方向朝下。

式中：Fg-抽油桿自重產(chǎn)生的軸向載荷，N；q-單位長度抽油桿質(zhì)量，N/m；Ls-計(jì)算段長度，m。

扶正器或抽油桿與油管間的摩擦力是側(cè)向力和摩擦系數(shù)之積，其方向與抽油桿的運(yùn)動(dòng)方向相反，上沖程時(shí)候方向向下，下沖程時(shí)方向向上，用公式（6）計(jì)算。

式中：μ-摩擦系數(shù)；Fn-桿柱側(cè)向力，N。

其中，當(dāng)考慮井斜角和方位角共同作用后，抽油桿微元段所受側(cè)向力用公式（7）～公式（10）計(jì)算[10]。

式中：Fndp-狗腿平面內(nèi)側(cè)向力，N；Fnp-垂直于狗腿平面內(nèi)側(cè)向力，N；F-抽油桿總軸向力，N。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)模型求解方法

（1）首先錄取單井的所有參數(shù)，包括原油密度、黏度、含水率，油井井斜數(shù)據(jù)、動(dòng)液面、井底流壓，抽油泵下泵深度、沖程、沖次、泵徑。

（2）將抽油桿總長度分為n個(gè)等長度的微元段，進(jìn)行迭代計(jì)算，i=0-n，i=0時(shí)代表泵柱塞受力，包括常規(guī)的液柱載荷、柱塞重力及柱塞和泵筒摩擦力。

（3）把泵柱塞受力（i=0）作為邊界條件，泵出口處的抽油桿微元作為第一個(gè)微元段，即i=1，先計(jì)算出微元段對應(yīng)的油井深度并利用公式（3），公式（4）計(jì)算出對應(yīng)的井斜角和方位角，根據(jù)抽油桿軸向力的連續(xù)性，利用公式（5）～公式（10）依次計(jì)算該段的軸向力F、側(cè)向力Fn和摩擦力Ff。

（4）同樣i=2時(shí)，將i=1作為邊界條件進(jìn)行計(jì)算，以此類推直到i=n，計(jì)算出抽油桿全井筒受力狀態(tài)。

3 優(yōu)化計(jì)算實(shí)例及效果分析

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文以遼河某井為例進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，該井為一口大斜度井，正常生產(chǎn)周期4～5個(gè)月，最短檢泵周期只有15 d，因桿柱斷脫檢泵進(jìn)行了舉升系統(tǒng)優(yōu)化；桿柱組合優(yōu)化采用等應(yīng)力方法，充分考慮到了桿管摩擦力和側(cè)向力，設(shè)計(jì)結(jié)果更接近真實(shí)井況，設(shè)計(jì)桿柱組合為 25.4 mm×600 m+22.225 mm×824 m+19.05 mm×1 600 m。

桿柱受力計(jì)算包括上、下沖程軸向力、側(cè)向力、摩擦力、屈曲應(yīng)力（見圖2），通過計(jì)算結(jié)果，該井在400 m～600 m井段側(cè)向力和桿管摩擦力較大，側(cè)向力超過500 N/8 m，1 200 m～1 400 m井段側(cè)向力也達(dá)到500 N/8 m，存在較大偏磨風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)中和點(diǎn)在2 570 m，中和點(diǎn)以下井段下沖程時(shí)存在屈曲應(yīng)力，依據(jù)桿柱受力計(jì)算結(jié)果為防偏磨設(shè)計(jì)提供依據(jù)，針對性地設(shè)計(jì)防偏磨措施，在側(cè)向力較大井段相應(yīng)地設(shè)置較多數(shù)量的防磨扶正器。

3.2 效果分析

該井通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，油井免修期得到了明顯提高，生產(chǎn)情況（見圖3），檢泵周期由不到6個(gè)月提高到了30個(gè)月，目前仍然在正常生產(chǎn)，說明定向井優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)對于高含水老油田穩(wěn)產(chǎn)、低產(chǎn)井長期持續(xù)生產(chǎn)具有較好效果。

圖2 桿柱軸向力、側(cè)向力、摩擦力和屈曲應(yīng)力計(jì)算

圖3 生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線

4 結(jié)論及認(rèn)識

（1）通過本文研究，解決了大斜度定向井、稠油井檢泵周期短、系統(tǒng)效率低的問題，該工藝技術(shù)為油田開發(fā)后期井況較復(fù)雜的低產(chǎn)井采油提供了新的思路。

（2）對于大斜度井、稠油井等復(fù)雜井況，通過桿柱軸向力和側(cè)向力耦合計(jì)算能夠定量化計(jì)算桿柱受力，對于直井，通過計(jì)算井眼軌跡橫向偏移產(chǎn)生的側(cè)向力能夠確定偏磨位置，通過設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)用驗(yàn)證，符合率良好。

（3）旁通閥液力反饋泵通過損失排量達(dá)到為管柱下行提供動(dòng)力的目的，提高泵充滿程度，同時(shí)減小桿柱交變載荷，對復(fù)雜井況適應(yīng)性較強(qiáng)。

（4）通過工藝技術(shù)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)配套措施的全面性和完整性是保證舉升系統(tǒng)安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵。