岑學(xué)齊，吳曉東，羅　文，阿斯蘭，湯小偉

深井采油技術(shù)減載效果對(duì)比研究

岑學(xué)齊1*，吳曉東1，羅文1，阿斯蘭1，湯小偉2

1.中國石油大學(xué)“石油工程”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 昌平 102249 2.中國石油大慶油田大慶鉆探鉆井二公司，黑龍江 大慶 163000

針對(duì)深井有桿泵采油中存在如何降低懸點(diǎn)負(fù)荷的問題，開展了深井有桿泵減載技術(shù)研究，通過分析玻璃鋼混合桿和深抽減載裝置的減載原理，結(jié)合實(shí)例計(jì)算對(duì)比分析兩種減載技術(shù)的減載效果，并采用了懸點(diǎn)最大載荷與最小載荷之差計(jì)算扭矩的方法，研究了兩種減載技術(shù)的節(jié)能效果。結(jié)果表明：玻璃鋼混合桿減載技術(shù)能減小懸點(diǎn)最大載荷達(dá)40.6%，深抽減載裝置減載技術(shù)平均降低懸點(diǎn)最大載荷22.8%，兩種減載技術(shù)減載效果都比較明顯。玻璃鋼混合桿具有一定的節(jié)能效果，而認(rèn)為深抽減載裝置具有節(jié)能性的觀點(diǎn)值得商榷。這將為深井采油中深抽減載方法選擇提供一定的理論指導(dǎo)。

深井；玻璃鋼混合桿；深抽減載裝置；減載效果

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岑學(xué)齊，吳曉東，羅 文，等.深井采油技術(shù)減載效果對(duì)比研究［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，37（2）：173-177.

Cen Xueqi，Wu Xiaodong，Luo Wen，et al.Comparative Study of Application Effect of Load Reducing Technique in Deep Well Production［J］.Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2015，37（2）：173-177.

引言

勘探開發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得深部油氣藏的開發(fā)成為了可能。深部油藏的不斷發(fā)現(xiàn)，使得鉆井深度紀(jì)錄也不斷刷新。特別是中國西部，以庫車拗陷、塔西南拗陷為代表的塔里木盆地大量深部油藏投入勘探開發(fā)，大批超過5 000 m井深的油氣井鉆探成功。隨著中國西部油田的不斷開發(fā)，中國西部某油田的有桿泵平均下深在2 000～3 500 m，現(xiàn)在有些井下深已經(jīng)超過4 000 m，未來可能會(huì)出現(xiàn)5 000 m的井。隨著有桿泵下泵深度增加，抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷也越來越大，這造成抽油桿斷脫幾率也增加［1］。針對(duì)深井采油中懸點(diǎn)載荷偏大的問題，研究玻璃鋼混合桿和深抽減載裝置兩種減載技術(shù)的減載效果，對(duì)選擇減載方法有一定指導(dǎo)意義［2-4］。

1　玻璃鋼混合桿減載技術(shù)

1.1玻璃鋼深抽減載原理

玻璃鋼桿抽油桿密度很小，F(xiàn)iberflex公司生產(chǎn)的玻璃鋼桿密度為2.04 g/cm3，沙市鋼管廠生產(chǎn)的密度為2.90 g/cm3，國產(chǎn)25生產(chǎn)的玻璃鋼密度為1.92 g/cm3。而普通的抽油桿密度7.82 g/cm3。玻璃鋼混合抽油桿減載技術(shù)就是利用玻璃鋼密度低的特性大大降低作用在懸點(diǎn)上的抽油桿柱載荷［3］。

1.2玻璃鋼混合桿柱設(shè)計(jì)

考慮井身結(jié)構(gòu)、深井井筒高溫對(duì)玻璃鋼桿的限制，能確保玻璃鋼桿不會(huì)在彎曲井段工作，玻璃鋼桿工作溫度不超過其額定工作溫度。深井混合桿桿柱設(shè)計(jì)是以確保玻璃鋼桿不受壓、防止桿柱失穩(wěn)為基礎(chǔ)前提，以整體桿柱質(zhì)量最輕為第一目標(biāo)［3］。

2　深抽減載裝置減載技術(shù)

2.1減載裝置結(jié)構(gòu)

深抽減載裝置，是利用液壓反饋力降低抽油桿柱的負(fù)荷達(dá)到減小懸點(diǎn)最大載荷目的的一種裝置。主要零部件為兩個(gè)柱塞（截面積分別為Φ1、Φ2）、泵筒摩擦副、定位裝置、外管等。深抽減載裝置安裝在深井抽油泵的上端某一位置（如圖1所示），Φ1、Φ2柱塞與抽油桿柱連接。

圖1　減載裝置井下管柱示意圖Fig.1　The schematic diagram of underground pipe column of the load reducing device

2.2減載裝置減載原理［5-7］

上沖程時(shí)，Φ1、Φ2柱塞及深井抽油泵柱塞隨抽油桿柱一起向上運(yùn)動(dòng)（如圖2所示）。此時(shí)，油管內(nèi)產(chǎn)出液的壓強(qiáng)p1，作用在Φ2的下端面上，產(chǎn)生一個(gè)向上的力F1

圖2　減載裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　The structural diagram of the load reducing device

式中：Φ1，Φ2—兩個(gè)柱塞的截面積，m2；

Φr—抽油桿截面積，m2；

F1—上沖程時(shí)作用在截面積為Φ2柱塞下端面的力，N；

p1—上沖程時(shí)油管內(nèi)產(chǎn)出液的壓強(qiáng)，Pa。

而油套管環(huán)空內(nèi)井液的壓強(qiáng)p2，則作用在Φ2的上端面上，產(chǎn)生一個(gè)向下的力F2

式中：F2—上沖程時(shí)作用在截面積為Φ2柱塞上端面的力，N；

p2—上沖程時(shí)油套管環(huán)空內(nèi)的井液的壓強(qiáng)，Pa。

設(shè)計(jì)時(shí)，要將深抽、減載裝置安裝在一個(gè)合適的位置并使F1＞F2，從而起到減載作用。其中上沖程時(shí)井內(nèi)液體經(jīng)深抽裝置進(jìn)入上部油管內(nèi)完成進(jìn)液過程［8-9］。

由于通過自身結(jié)構(gòu)在上下沖程期間產(chǎn)生一個(gè)向上的液壓力，減輕了抽油機(jī)驢頭的懸點(diǎn)載荷，相對(duì)減少了井內(nèi)管、桿柱變形及沖程損失，因此就相對(duì)提高了油井產(chǎn)量［10］。

3　減載效果對(duì)比研究

3.1玻璃鋼混合桿減載效果分析

利用最輕桿柱設(shè)計(jì)原則，對(duì)某油田實(shí)際生產(chǎn)井A井進(jìn)行桿柱設(shè)計(jì)。A井的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　A井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)表Tab.1　Basic data and actual production data of Well A

3.1.1玻璃鋼混合桿減載效果

從表2可以看出，全鋼桿桿柱設(shè)計(jì)時(shí)懸點(diǎn)最大載荷110.10 kN，其中桿柱重力載荷為63.50 kN占懸點(diǎn)最大載荷的57.7%。通過混合桿柱設(shè)計(jì)時(shí)，懸點(diǎn)最大載荷減小到65.40 kN，懸點(diǎn)最大載荷減小40.6%，而桿柱重力載荷減小到35.18 kN，桿柱重力載荷減小44.6%。

通過使用Φ22玻璃鋼桿減少了使用Φ22和Φ25鋼桿的長度，大大減小整體桿柱的平均線密度［11］。減載效果明顯。

表2　玻璃鋼混合桿設(shè)計(jì)結(jié)果和全鋼桿設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比表Tab.2　The results of different design using fiberglass steel composite and full steel

3.1.2玻璃鋼混合桿減載節(jié)能效果計(jì)算最大扭矩的近似公式［1］

式中：Mmax—最大扭矩，kN·m；

Pmax—懸點(diǎn)最大載荷，kN；

PmiH—懸點(diǎn)最小載荷，kN；

s—沖程，m。

鋼桿設(shè)計(jì)最大扭矩：Mmax1=50.75 kN·m，玻璃鋼混合桿最大扭矩：Mmax2=45.90 kN·m?？梢姴Ａт摶旌蠗U有一定的節(jié)能效果。在這種桿柱組合和抽汲參數(shù)下，玻璃鋼混合桿柱還可能實(shí)現(xiàn)超沖程［12］。

3.1.3玻璃鋼混合桿減載技術(shù)適用性

由于玻璃鋼桿價(jià)格貴，不能承受軸向壓縮載荷、不能承受彎曲應(yīng)力，不耐高溫，所以稠油、高凝油、斜井、定向井不適合采用。

3.2減載裝置減載效果

表3是某油田已安裝減載裝置的3口抽油機(jī)井的懸點(diǎn)載荷數(shù)據(jù)。

表3　減載裝置應(yīng)用情況對(duì)比表Tab.3　The comparison of the load reducing device application

3.2.1深抽減載裝置減載效果

3口試驗(yàn)井平均下泵深度在3 000 m左右。從3口試驗(yàn)井?dāng)?shù)據(jù)可以看出：深抽減載裝置減載技術(shù)平均降低最大載荷22.8%，最高降低負(fù)荷達(dá)到27.0%。減載效果比較明顯。

3.2.2深抽減載裝置減載節(jié)能效果

根據(jù)式（3）可知，最大扭矩大小跟懸點(diǎn)最大載荷和懸點(diǎn)最小載荷之差成正比。

安裝深抽減載裝置后，最大載荷和最小載荷之差變大（如圖3所示）。由扭矩計(jì)算公式可知，安裝深抽減載裝置以后，能耗增加。分析原因，該裝置如果位置設(shè)計(jì)不合理，會(huì)使得桿柱受壓情況惡化，導(dǎo)致偏磨加重不利于正常生產(chǎn)。同時(shí)在該裝置上有兩個(gè)柱塞，如果工作狀況惡化，會(huì)增加柱塞的漏失，增加能耗降低舉升效率［13-14］。同時(shí)該裝置需要在某一深度定位然后固定，如果固定產(chǎn)生松動(dòng)也會(huì)給生產(chǎn)帶來不好的影響。

圖3　載荷之差對(duì)比圖Fig.3　The load difference after using the reducing device

而在文獻(xiàn)［7］中提出，深抽減載裝置是一種節(jié)能、增產(chǎn)的新工藝，油井應(yīng)用深抽減載裝置后，降低了抽油機(jī)井懸點(diǎn)載荷，節(jié)能降耗。通過以上分析，該裝置的節(jié)能性值得疑問，相反有可能增加能耗。

3.2.3深抽減載裝置減載技術(shù)適用性

該裝置在不動(dòng)原桿柱的情況下能減小懸點(diǎn)載荷，減載效果明顯。適用于中小型抽油機(jī)、且油井因供液不足而需加深泵掛的老油井，以達(dá)到不更換抽油機(jī)就能深抽的目的［15］。

3.3兩種減載效果對(duì)比分析

兩種減載技術(shù)都有明顯減載效果，從例子中看，玻璃鋼混合桿減載效果稍好。玻璃鋼桿具有節(jié)能效果，而深抽減載裝置節(jié)能效果有待商榷。但玻璃鋼混合桿價(jià)格貴，而且不能承受軸向壓縮載荷不能承受彎曲應(yīng)力，不耐高溫，稠油、高凝油、斜井、定向井不適合采用。而深抽減載裝置具有不更換抽油機(jī)就能深抽的優(yōu)點(diǎn)，適用于中小型抽油機(jī)、且油井因供液不足而需加深泵掛的老油井。

4　結(jié)　論

（1）玻璃鋼混合桿和深抽減載兩種減載技術(shù)減載效果都比較明顯，玻璃鋼混合桿減載效果更好。

（2）玻璃鋼混合桿具有減載效果的同時(shí)還具有一定的節(jié)能效果，而以前認(rèn)為深抽減載裝置具有節(jié)能性的觀點(diǎn)值得商榷。

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岑學(xué)齊，1985年生，男，漢族，湖北黃岡人，博士研究生，主要從事采油工程理論與技術(shù)方面的研究。E-mail：cenxueqi2005@163.com吳曉東，1958年生，男，漢族，吉林四平人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油氣田開發(fā)工程方面的研究。E-mail：wuxd308@263.net

羅 文，1988年生，男，漢族，四川樂至人，碩士研究生，主要從事油氣田開發(fā)方面的研究。E-mail：403520813@qq.com

阿斯蘭，1989年生，男，哈薩克斯坦國留學(xué)生，碩士研究生，主要從事油氣田開發(fā)方面的研究。E-mail：aslan5030@hotmail.com

湯小偉，1985年生，漢族，湖北襄陽人，助理工程師，主要從事提高油氣井固井質(zhì)量方面的研究。E-mail：2008txw@163.com

編輯：牛靜靜

編輯部網(wǎng)址：http：//zk.swpuxb.com

Comparative Study of Application Effect of Load Reducing Technique in Deep Well Production

Cen Xueqi1*，Wu Xiaodong1，Luo Wen1，Aslan Zhanzakov1，Tang Xiaowei2
1.MOE Key Laboratory for Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Changping，Beijing 102249，China 2.The Second Daqing Drilling Company，Daqing OilField，CNPC，Daqing，Heilongjiang 163000，China

Aimingatreducingpolishedrodloadofsucker-rodpumpinoilproductionofdeepwell，theresearchofloadreduction techniques for sucker-rod pump in deep well is carried out，in which the load reduction principles of fiberglass combined rod and rod load reducer are analyzed.The load reduction effect of these two techniques is analyzed by practical calculation，and by the difference between maximum and minimum polished rod load in calculating the torque，the energy-saving effect of the two techniques is also studied.The results show that load reduction technique of fiberglass combined rod can reduce maximum polished rod load by 40.6%，and the load reduction technique of rod load reducer can reduce maximum polished rod load by 22.8%on average，which means the two techniques have obvious load reduction effect.Fiberglass combined rod has certain energy-saving effect，the energy-saving effect of rod load reducer is questionable.This paper can provide certain theoretical guidance for the selection of load reduction methods for oil production in deep well.

deep wells；fiberglass-steel composite；load reducing devices；load reducing effects

10.11885/j.issn.1674-5086.2013.09.22.02

1674-5086（2015）02-0173-05

TE312

A

2013-09-22網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015-03-30

岑學(xué)齊，E-mail：cenxueqi2005@163.com

國家重大專項(xiàng)（2011ZX05009-005）。