水平井泵掛加深方法研究與應用

佘玉潔（大慶油田有限有責任公司第九采油廠）

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，影響產量。

凡爾球在井內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系曲線見圖1。

圖1 凡爾回落時間與井斜角關系曲線

1.2 不同泵徑凡爾球和井斜角對應的閉合時間

大井斜部位，閥球下落后繞A點轉動至關閉，常規泵閥球關閉時運動示意圖如圖2所示，根據動量矩定理得出角加速度。

圖2 常規泵閥球關閉時運動示意圖

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系曲線見圖3。

圖3 不同泵徑回落時間與井斜角關系曲線

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時應使用斜井導向泵。

1.3 狗腿度與抽油桿偏磨、泵變形關系

狗腿度大的井段，井內管柱處于復雜的屈曲狀態，導致管桿偏磨加劇、抽油泵間隙磨損加劇、作業施工時活塞進不了泵筒。為此，需優化扶正器設置，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。

根據以上計算方法，可以得出不同個狗腿度處的扶正器數，見表1。

表1 不同狗腿度的合理扶正器數

根據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 現場應用效果

結合實際水平井井眼軌跡數據，統計現有水平井目前泵深與合理泵深數據，平均需加深泵掛深度152 m，流壓可下降至4.3 MPa合理范圍，統計水平井應加深泵掛情況，見表3。

表3 水平井應加深泵掛情況

表4 導向抽油泵應用效果

表5 常規泵應用效果

2.1 開展導向泵試驗，提高油井產量

按照水平井加深泵掛理論，在古龍南和古693區塊應用6口導向泵，導向泵結構示意圖見圖4。導向抽油泵原理：通過改變固定閥、游動閥結構，在泵球設置導向機構，降低閥球偏置旁落，關閉滯后的弊端，可適應30°井斜角。

圖4 導向泵結構示意圖

實施導向泵加深泵掛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，產生經濟效益128.7萬元，統計導向抽油泵應用效果見表4。

2.2 開展常規泵加深試驗

實施常規泵加深泵掛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，可產生經濟效益89.1萬元，統計常規泵應用效果表見表5。

3 結論及認識

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抽油泵能夠應用在井斜角小于50°水平井中，直徑φ44 mm、φ57 mm大泵井需應用導向泵解決凡爾滯后關閉問題。

2）通過理論計算給出水平井抽油桿扶正器優化結果，為水平井防偏磨措施提供了理論支撐。

3）通過開展導向泵試驗和常規泵加深試驗，降低了井底流壓，有效提高了油井產量。