熱采水平井分段采油工藝管柱設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙曉

摘要：水平井技術(shù)是目前國內(nèi)正在推廣的采油工藝技術(shù)。但在熱采水平井中，隨蒸汽的不斷注入油藏內(nèi)部溫度場(chǎng)在不斷發(fā)生變化，影響著油藏流體的滲流規(guī)律，且常規(guī)的抽油泵抽汲使得水平段存在一個(gè)壓力降匯場(chǎng)，加之稠油的高粘度及冷凝作用，容易造成趾端與跟端流動(dòng)阻力分布不平衡，從而致使油藏動(dòng)用不均，影響開發(fā)效果。為了提高水平井開采效果，緩解水平段開采不均衡的矛盾，需要設(shè)計(jì)適用于熱采水平井分段采油的采油泵。該泵作為提高稠油熱采程度的有效措施，結(jié)合均勻注汽，水平段軟封隔等工藝技術(shù)可為水平井采油提供有力的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：水平井;采油工藝;滲流規(guī)律;抽油泵;采油泵

稠油開采是自20世紀(jì)60 年代發(fā)展起來的， 到目前為止， 已工業(yè)化形成了成熟的蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、SAGD等為主要開采方式的稠油熱采技術(shù)[1-2]。勝利油田具有豐富的稠油資源，截止到2018年底，勝利油田稠油油藏探明儲(chǔ)量約7億噸，2018年稠油產(chǎn)量約為440萬噸，稠油在原油產(chǎn)量中所占的比例越來越大。

勝利稠油油藏90%以上的動(dòng)用儲(chǔ)量是靠蒸汽吞吐開發(fā)，而平均采收率不到20%，開發(fā)方式單一，且采收率低[3]。隨著新鉆井?dāng)?shù)及新增產(chǎn)能的降低，急需提高蒸汽吞吐效果采收率。由于油層的非均質(zhì)性可使注入蒸汽沿高滲透帶突進(jìn)，甚至形成蒸汽突破，降低采收率。蒸汽的密度較地層流體低，蒸汽易沿油層上部運(yùn)移，形成“蒸汽超覆”現(xiàn)象。老井經(jīng)過多輪次蒸汽吞吐后，平面及縱向上的剩余油飽和度仍很高。勝利油田從1992年開始利用水平井提高熱采效果，是目前稠油油藏?zé)岵赏跐摷爱a(chǎn)能建設(shè)的主要技術(shù)。為了解決水平井熱采過程中出現(xiàn)的注汽受熱不均衡的問題[4]，目前已經(jīng)形成稠油熱采水平井均勻注汽工藝技術(shù)，截至2018年累計(jì)推廣實(shí)施2600余井次。但在水平井熱采的過程中還存在這泵采效率低的問題[5]，針對(duì)這一問題開展了熱采水平井分段采油工藝管柱的設(shè)計(jì)與研究，提高油藏采收程度，合理有效開發(fā)稠油油藏具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1水平井分段采油理論分析

在注汽回采的過程中，由于水平段油流阻力分布不均，隨蒸汽的不斷注入油藏內(nèi)部溫度場(chǎng)在不斷發(fā)生變化，影響著油藏流體的滲流規(guī)律，并且常規(guī)的抽油泵抽汲使得水平段存在一個(gè)壓力降匯場(chǎng)，加之稠油的高粘度及冷凝作用，容易造成趾端與跟端流動(dòng)阻力分布不平衡，從而致使油藏動(dòng)用不均，影響開發(fā)效果。為了解決上述問題，首先要做好水平井水平段泵采流場(chǎng)的分析工作，研究通過對(duì)水平井采油過程中的流場(chǎng)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)合理的泵采工藝管柱[6]，改變水平段壓力分布，從而達(dá)到分段采油的目的，進(jìn)一步完善水平井熱采效果。在研究的過程中利用Dikken水平井壓力模型來計(jì)算水平井水平段的情況。

從圖1、圖2可知，在水平段起始端（A點(diǎn)）的生產(chǎn)壓差最大，而越靠近水平段末端（B點(diǎn)）生產(chǎn)壓差越小，因此越靠近末端的水平段對(duì)水平井產(chǎn)量的貢獻(xiàn)越小

從圖3中我們可以看出，理想情況下水平井的供油區(qū)為橢圓形，其流場(chǎng)圖水平段流動(dòng)均勻，而實(shí)際水平井的供油區(qū)為跟端大（如圖4），趾端小的錐形，跟端陰影區(qū)流體流動(dòng)密集，油流阻力較大。在水平段末端增加一個(gè)匯點(diǎn)后，水平段的流場(chǎng)得到了很大改善，供油區(qū)已經(jīng)近似為橢圓形。所以實(shí)現(xiàn)水平井分段采油，需改變水平段壓力分布，增加匯場(chǎng)。

通過以上分析得出：在水平井均衡采油中，如果不對(duì)水平井段的生產(chǎn)壓差進(jìn)行調(diào)控，很容易出現(xiàn)端部效應(yīng)，特別是對(duì)于高滲的邊底水來說，易造成邊底水錐進(jìn)和過早見水，降低水平井的開采效果。結(jié)合上述水平井水平段泵采流場(chǎng)的分析，進(jìn)行熱采水平井分段采油組合泵的設(shè)計(jì)，可有效地改變水平段壓力分布，從而達(dá)到分段采油的目的，解決實(shí)際生產(chǎn)中存在的問題。

2水平井分段采油工藝管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)

在稠油熱采過程中，經(jīng)常出現(xiàn)熱采周期短，泵采效率低的情況。結(jié)合勝利油田的實(shí)際生產(chǎn)情況與水平井水平段采油流場(chǎng)的分析結(jié)果來設(shè)計(jì)熱采水平井分段采油工藝管柱。

2.1分段采油工藝管柱設(shè)計(jì)

2.1.1分段采油工藝管柱的結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)水平井分段采油組合泵之前，結(jié)合勝利油田實(shí)際情況，對(duì)水平井采油工藝管柱進(jìn)行重新設(shè)計(jì)優(yōu)化，設(shè)計(jì)管柱以70泵-56泵組合，分別對(duì)水平段進(jìn)行抽汲。在水平段形成兩個(gè)匯場(chǎng)，減少稠油由于泵采不及時(shí)而重新凝結(jié)的程度，分段采油工藝管柱設(shè)計(jì)原理如圖5所示。

分段采油工藝管柱由分采泵、尾管、橡膠封隔器等組成。原理：通過水平段尾管安裝的橡膠封隔器將水平段封隔為A，B兩段，A點(diǎn)流體通過分采閥進(jìn)入泵筒，而B點(diǎn)流體通過尾管進(jìn)入泵筒，流體在泵筒內(nèi)混合，共同被舉升至地面。

2.1.2分采泵關(guān)鍵工具設(shè)計(jì)

分采泵是由上泵筒、上柱塞、上游動(dòng)閥、下進(jìn)油閥、分采閥、下泵筒、下柱塞、強(qiáng)制啟閉閥、固定閥等組成。上柱塞和下柱塞通過19寸抽油桿連接。當(dāng)柱塞上行時(shí)，上游動(dòng)閥關(guān)閉，同時(shí)由于泵筒內(nèi)壓力下降，在閥口壓差的作用下，分采閥和固定閥打開，流體進(jìn)入泵筒。柱塞下行時(shí)，分采閥和固定閥關(guān)閉，下游動(dòng)閥及強(qiáng)制啟閉在流體擠壓下打開，流體分別進(jìn)入上柱塞和下柱塞。同時(shí)上游動(dòng)閥打開，流體通過油管舉升至地面。從而完成一次抽汲過程。

2.2 分采組合泵技術(shù)指標(biāo)

2.3 分采組合泵的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.3.1理論排量計(jì)算

依據(jù)表1中分采組合泵技術(shù)規(guī)范可以算出，理論排量Q=106.3 t/d

2.3.2強(qiáng)度校核計(jì)算

①泵筒抗內(nèi)壓能力校核

以70泵為例計(jì)算，其泵筒材料為45鋼，，外徑D=89mm，內(nèi)徑d=70mm，外內(nèi)徑之比D/d=89/70=1.27，該泵筒為厚壁圓筒，內(nèi)壁上應(yīng)力最大。其應(yīng)力計(jì)算按以下公式進(jìn)行：

②泵筒在外壓作用下徑向變形量校核

以70泵為例，器泵筒外徑D=89mm，內(nèi)徑d=70mm，外內(nèi)徑之比D/d=89/70=1.27，該泵筒為厚壁圓筒，試驗(yàn)過程中泵筒內(nèi)外均有壓力，現(xiàn)以最惡劣的條件只承受外壓進(jìn)行計(jì)算，兩端開口。

3室內(nèi)試驗(yàn)

開展熱采水平井分段采油組合泵室內(nèi)試驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簷z驗(yàn)閥球與座的密封性，檢驗(yàn)泵筒與柱塞的漏失性，檢驗(yàn)泵整體的密封性。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：電動(dòng)試壓泵、真空泵、真空實(shí)驗(yàn)臺(tái)等

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

3.1.1 分采閥球與座的密封性能試驗(yàn)

由于分采泵關(guān)鍵部件是分采閥，因?yàn)榉植砷y起到連接上下分采泵、分采油混合通道、控制分采量等這些作用，所以分采閥球與座的密封性能直接關(guān)系到熱采水平井分段采油組合泵的使用效果。

分采球閥與座的密封性能試驗(yàn)主要是將分采閥球與配套的閥座置于真空泵吸入口處，裝配好 打開吸氣閥，真空泵壓力逐漸上升，當(dāng)真空度達(dá)到85-100KPa時(shí)關(guān)泵，穩(wěn)壓1min，測(cè)量真空泵中的壓力是否有變化。

3.1.2 間隙漏失矢量實(shí)驗(yàn)

測(cè)試在規(guī)定的壓力下，柱塞與泵筒的漏失量是否在理論計(jì)算允許的范圍內(nèi)，以保證抽油泵在下井工作后漏失量達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)又不會(huì)因漏失量過小而不滿足稠油井的工作需要。本抽油泵的密封間隙等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

將泵筒內(nèi)放入柱塞。上端接上試壓接頭，使用10號(hào)柴油，試驗(yàn)壓力為10MPa。待下部進(jìn)油孔處漏失穩(wěn)定后計(jì)量1min的漏失量。漏失量與間隙等級(jí)的關(guān)系值見表4。

3.1.3 泵整體密封性能試驗(yàn)

組裝好熱采水平井分段采油組合泵，下部接好絲堵，上部接試壓接頭，與高壓泵相連，用10號(hào)柴油試壓，壓力為18MPa，穩(wěn)壓5min，檢驗(yàn)各連接螺紋的密封性。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

經(jīng)過多次試驗(yàn)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：分采閥的閥球與閥座在抽空到90KPa關(guān)泵，穩(wěn)壓正常，密封性能良好;實(shí)驗(yàn)壓力10MPa，Ⅲ級(jí)間隙泵的漏失量為4010ml/min，漏失量很小，達(dá)到了初期的設(shè)計(jì)目標(biāo);螺紋連接及泵整體無刺漏現(xiàn)象。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

（1）對(duì)稠油熱采水平井水平段得泵采流場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的抽油泵抽汲使得水平段只存在一個(gè)壓力降匯場(chǎng)，加之稠油的高粘度及冷凝作用，容易造成趾端與跟端流動(dòng)阻力分布不平衡，從而致使油藏動(dòng)用不均，影響開發(fā)效果。

（2）結(jié)合水平井水平段泵采流場(chǎng)的分析結(jié)果來進(jìn)行熱采水平井分段采油組合泵的設(shè)計(jì)，可以有效地改變水平段壓力分布，從而達(dá)到分段采油的目的，解決實(shí)際生產(chǎn)中存在的問題。

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