第三篇 第四章 水平井采油技术

98 第四章 水平井采油技术在海洋油气开发中，水平井已经成为主要的完井方式。

通常，水平井是指井眼轨迹达到水平（90º左右）以后，再继续延伸一定长度的井（延伸的长度一般大于油层厚度的六倍）。

水平井有垂直段、弯曲段和水平段，根据井的曲率半径和造斜率的大小不同，水平井有不同的特点。

由于这种差别在采油方法的选择上各类水平井都有其自身的特点，必须根据这些特点优选最佳机械采油方法。

本章主要讨论大斜度水平井的机械采油方法和生产管理特征。

第一节 水平井采油特征由于水平井形成的油气渗流方式不同，其采油方法与设备的应用有其特点。

一、水平井渗流特性用直井或斜井钻穿层状油藏，它所钻开的油层井段只相当于或稍大于油层本身的厚度。

用水平井钻开油层，则水平井段可以在油层内延伸长达数百米，有更多的机会穿过裂缝并使之连通，泄油面积大，从而大大提高了油井的生产能力。

但是水平井的特点并不只是增加了泄油面积，而是改变了产层内流体的流动条件。

使流体由通常的径向流变成平面流。

戴维奥等一些专家分析研究了水平井采油的理论与实践，形象地指出，如果水平段的长度比油层的厚度大得多，那么它的采油就会完全象从垂直裂缝中采油一样。

这准确地描述了水平井采油的流动特性。

在水平井中常见的问题是出砂、出气、出水和产量的变化。

裸眼或割缝筛管井筒容易出现这些问题，而且修井困难。

尤其是在井筒横穿气顶油藏或者水层时，几百米的割缝筛管或裸眼的挤水泥作业是个很复杂的问题。

在这些井中有一个明显的特点是，水平井段本身实际上形成了一个长而细的卧式气体分离器。

当流压低于饱和压力时，水平井段的游离气体沿水平段汇集，并沿井筒上升直至地面，这简直就象自然间歇气举。

在1口1800m 深的井内，只需几分钟的时间就可以使井底流动压力在土0.67MPa 的范围内变化。

因此，在进行人工举升时必须考虑这个问题，特别是容积泵，所受影响较大，容易产生气锁，使举升效率降低。

图4-1 水平井裸眼预充填砾石绕丝筛管完井示意图二、水平井机械采油方法一般来讲，水平井大多具有自喷能力，并且自喷期较长，当然有些低压油气藏即使钻水平井也不能自喷。

不管自喷井还是非自喷井，终究需要采用人工举升方式采油。

根据每口井的具体情况和井眼曲率可选择不同的升举方式。

根据卢浮金工业有限公司经验，现将各类机械采油系统的优选顺序列于表4-1。

表4-1 机械采油方法的优选顺序1．选择水平井机械采油的基本原则（1）根据管理方便选择：偏远孤立油井和沙漠地区大井距油井应选择有杆泵抽油装置是最实际和最经济的。

因为在偏远地区，结构复杂的开采设备(如电潜泵和水力活塞泵)若出现故障不能得到及时维修而影响生产。

（2）根据系统总效率选择：从表4-5中可以看出，有杆泵系统总效率最高，而且最经济。

因此，只要其它条件满足，应首先选择有杆泵抽油设备（3）根据井油距离大小选择：在海上油田或陆上平台密集丛式井由于平台面积有限，井距很小，若选择有杆泵则需占较大空间。

一方面生产和维修相互干扰，甚至影响油井正常生产；另一方面设备运转中将会产生振动和受海洋腐蚀影响。

因此，采用有杆泵设备经济性差，采用电潜泵采油最适合。

（4）根据产液量大小选择：机械采油方法的选择与油井排量有关，对于高含水、大排量的油井，电潜泵釆油将是一种最佳选择。

特别是对于一些注水开采的老油井，在高含水阶段为了保持油田稳产就必须增大油井的排液量。

在这种情况下，电潜泵将会发挥出巨大作用。

若水平井开采稠油，采用气举、水力射流泵和螺杆泵将是最佳的举升方式。

影响机械采油方法选择的因素还有很多，这里就不细述了。

表4-2列出了机械采油方法优选情况，所列方法不但适用于直井也适用于斜井和设备下到直井段或弯曲段的水平。

2．曲率半径对采油方式的影响（1）短半径水平井机械采油的特点短半径水平井曲率半径为9～40m，造斜率4º～6º/m，采用机械方式采油时，只能将各类举升设备下在垂直井段。

其原因是：①短半径水平井的造斜率太大，各种采油设备都无法顺利通过弯曲段，当然也就不可能下入水平段了。

99②短半径水平井的造斜点距水平段(或产层)较近，来自水平井筒中的流体很容易进入垂直井筒之中。

因此，将举升设备下在直井段完全可以满足举升要求。

由此可以看出，与直井类似，直井所能有效使用的机械采油方法在短半径水平井中也可成功地应用。

表4-2 机械采油方法的优选（2）中半径水平井机械采油的特点中半径水平井曲率半径90～300m，造斜率6º～20º/30m。

这一特点决定了机械采油设备一般既可以下在直井段，又可下入弯曲井段，甚至水平段。

当把采油设备下在直井段或弯曲井段时其机械采油方法的选择与定向井类似，大多数直井采油设备都可应用。

对于中半径水平井而言，最关键的问题是如何将设备下入水平段。

这点与短半径水平井是不同的。

在水平段中使用的采油设备主要有：①电潜泵；②水力泵；③涡轮泵几种类型。

（3）长半径水平井机械采油的特点长半径水平井的曲率半径较大，一般为300～900m，造斜率2º～6º/30m。

这一特点决定了既可把机械采油设备下在直井段，又可顺利地下入弯曲井段和水平井段。

采油设备下入位置可根据液面高度来确定。

若将设备下在直井段则机械采油方法的选择与直井相同或类似。

若把设备下在弯曲段则与斜井采油情况类似。

对于长半径水平井来说，往往需要把机械采油设备下在弯曲段。

在这种情况下，适用于斜井采油的各种方法均能适用。

相比之下，对于长半径水平井来说，电潜泵、气举和水力泵更适合于下在弯曲段。

若把有杆泵下在弯曲段，则危险性较大，这主要是由于抽油杆接箍和油管均易磨损。

但在某些油田，利用尼龙或塑料抽油杆导向器，以减少接箍或油管的磨损，泵的工作周期延长，因而可以抵消材料或装配上的附加费用。

目前，有杆泵抽油已成功的用100101于长半径水平井的弯曲段。

若把举升设备下在水平段，则最好采用电潜泵、水力射流泵和涡轮泵。

海洋油田开发的经验表明，这几种采油设备均可以顺利地通过弯曲段下入水平段。

因为气体在水平井筒中产生重力分离，起不到举升作用，所以气举采油无法用于水平段，只能用于大斜度井段。

综上所述，由于水平井的曲率半径不同，所以在机械采油方式的选择方面也不尽相同，而且各具特点。

三、水平井电潜泵采油技术由于电潜泵能下入水平井的水平段中，因此在中半径水平井中应用广泛。

当然，中半径水平井的曲率半径较小，因此对电潜泵还有一些特殊要求。

1.中半径水平井水平段中的电潜泵在斜井中，使用潜油电泵采油已经有很多年了，这为了解潜油电泵的弯曲极限提供丫经验。

一般来说，标准电泵在不产生永久变形的条件下，允许通过3°／30m 的弯曲井段。

在大多数情况下，由于套管内径与机组外径之间存在一定的间隙，电泵的实际弯曲变形小于油井的造斜率(或狗腿严重度)。

所以，经适当设计，标准电泵一般可以顺利地通过斜井和长半径水平井的弯曲段。

但对于中半径的水平井来说，标准电泵在不产生永久变形的条件下，无法通过弯曲段下入水平段。

在这种情况下，要想使潜油电泵顺利地通过弯曲段下入水平段就需要一些特殊设备，如特殊的导向器等。

为了将电潜泵下在中半径水平井的水平段中，美国ODI(Oil Dinamics lns.)公司制造出了一套专用机组，该机组可以顺利通过造斜率为18º／30m 的中半径水平井的弯曲段进入水平段，这套机组如图4-2示。

（1）电潜泵在水平井中安装位置的选择电潜泵安装位置主要由井内液面确定，如果电潜泵安装位置不当，则不能充分发挥电潜泵和油井的效益。

如果生产时的井底流压使液面高于造斜点，并且泵有足够的吸入压力以防气锁，则可把电潜泵下在直井段。

在这种情况下，可以选用标准电泵以及常规程序下泵作业。

如果泵吸入口压力太低而不能防止连续气锁，或者需要较大的生产压差时，则必须加深泵挂。

对水平井来说，加深泵挂有两种途径：把电泵斜下在切线段或水平段。

在这两种情况下，必须考虑采用特殊的导向器以防止机组损坏并保证安全操作。

（2）将电泵下在切线段或水平段时需要考虑的问题电泵能在倾斜到水平状态之前的任何角度上进行正常操作，并使设备保持直线状态。

若将设备下到切线段或水平段，则必须考虑设备通过弯曲段时的弯曲变形。

图4-2 适用于中半径水平井的电潜泵102 电泵能在倾斜到水平状态之前的任何角度上进行正常操作，并使设备保持直线状态。

若将设备下在切线段或水平段，则必须考虑设备通过弯曲段时的弯曲变形。

在某些情况下，也可把电泵看成是柔性的，这一点与钻杆相似。

但是，电泵又不同钻杆，电泵的各部件是通过法兰连接在一起的。

法兰连接需要一凹槽以安放螺栓。

从法兰的几何形状来看(图4-3)，法兰的抗弯能力比设备的其它部分要弱。

由于机组通过狗腿时会产生弯曲变形，因此，若要避免永久变形，法兰上的弯曲应力一定不能超过材料的屈服强度。

很明显，弯曲的法兰会在邻近的曲轴轴承上造成相当高的径向载荷而导致轴承过早失效。

因此，要想使机组顺利通过弯曲段，必须考虑采用特殊的导向器。

2.潜油电泵用于水平段的设计与计算下面举例说明潜油电泵应用于水平井段中的设计与计算。

假设备在水平井的水平段中下一台潜油电泵，其已知参数如下： 水平段倾角：88°水平段的完井套管尺寸51/2英寸(139.7mm)弯曲段的狗腿严重度最大值为：8º/100英尺 (8º /30m) 弯曲段的套管直径：95/8英寸(244.5mm) 弯曲段的套管重量；36磅／英尺(53．57kg ／m) 电泵机组的总长度：60英尺(18.29m) 电机外径：4.5英寸(114.3mm) 泵的外径：4.0英寸(101.6mm)电机组平均外径= (电机外径+泵外径)／2=4.5+4=4.25英寸套管间隙=套管内径-电泵机组平均外径=8.921-4.250=4.671英寸(118.64mm)当电泵机组的外径与套管内径之间的间隙较大时，这将抵消狗腿严重度的大部分影响。

因此，电泵机组的弯曲程度不但取决于井筒套管的弯曲程度，而且还取决于套管间隙的大小。

也就是说，由于存在套管间隙，使得电泵机组的实际弯曲程度要小于井内套管的弯曲程度。

所以，在电泵设备过程中，不但要考虑井内套管的弯曲程度(或狗腿严重度)，而且还要考虑套管内径和电泵机组外径大小和电泵机组的长度。

图4—4是电泵弯曲示意图。

根据已知参数可以近似地计算出套管的弯曲量或管子挠度(用强度表示)。

计算方法如下：图4-3 电潜泵的法兰连接图4-4 电泵弯曲示意图d=2.6(L／100)2DLS式中：d—套管挠度，英寸；L—机组长度，英寸；DLS—狗腿严重度，º／100英尺。

将已知参数代入上式可得；d=2.6(L／100)2DLS=2.6(60／100)2·8=7.488英寸(190.2mm) 电潜泵偏斜=套管偏斜-间隙=7.488-4.671=2.817英寸(71.55mm)电潜泵的偏斜角=2.817/2.6(60/100)2 =3º/100英尺根据经验，标准电泵机组可以在产生3º/30m的弯曲变形条件下，毫无损伤地穿过弯曲段。