第三篇 第四章 水平井采油技术

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
图4-1 水平井裸眼预充填砾石绕丝筛管完井示意图
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。

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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
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下入水平段了。

②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，100
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。

图4-2 适用于中半径水平井的电潜泵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
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102 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。

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
图4-3 电潜泵的法兰连接
图4-4 电泵弯曲示意图
(用强度表示)。

计算方法如下：
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。

也就是说，在上述条件下(造斜率为8º/30m)，把标准屯泵下在水平段是可行的。

这种情况的中半径水平井与长半径水平井的条件类似，所以，对于长半径水平井来说，可以把标准电泵下在弯曲段和水平段。

但对于造斜率10º～20º/30m中半径水平井来说，标准电泵在不受损伤的条件下是无法顺利通过弯曲段下入水平段的。

这就是说，对于这样的中半径水平井要想使电泵机组顺利通过弯曲段下入水平段，必须采用专用电泵。

上述计算方法有以下局限性：
(1)由于该方法假定井眼弯曲度的曲率半径是很小的，当造斜率大于20º/30m时就不能被采用。

(2)该方法假定马达和泵的直径近似相等，若实际上直径不相等时则计算有误差。

综上所述，适用于中半径水平井的专用电潜泵是可实现的。

3.水平安放时对电泵机组性能的影响
（1）对泵的影响：泵本身不受方位变化的影响，一般情况下泵的径向作用力很小，但水平安装时由旋转体重量引起的径向载荷的增加是惊人的。

（2）对气体分离器的影响：气体分离器在某种程度上依靠气举力使游离气返上井口。

因此，水平安装会切弱或失去标准气体分离器的性能。

（3）密封室影响：迷宫式以及阻流式密封室不能用于水平位置。

因为它们是依靠液体界面来防止井液进入电机的。

而筒式密封室则在任何位置都是有效的。

（4）电机的影响：电机处于垂直位置时，电机轴和转子的全部重量是靠止推轴承来支承的。

如果电机的倾斜度大于90º，这个问题必须重新考虑。

此外，电潜泵的电机是靠井液冷却的。

水平位置时因靠近套管的一边缺少循环液而造成冷却困难，必须设计扶正器。

因此，用于水平井段的电机需要设计一种特殊的装置来支承上面的轴和转子。

一般来讲，要想充分发挥水平井的经济效益，在设计钻井和完井时就应当考虑到电潜泵的设计和使用。

在水平井段发挥电潜泵的潜力，很大程度上取决于开钻前的设计。

要尽可能地加大泵和套管的间隙，以减少泵通过弯曲段时的倾斜。

另外，钻出的水平段最好是个缓缓下斜的连续缓坡，以有利于气体上逸，这样可以最大程度地减少气锁现象。

此外，水力泵在水平井采油中也有广泛的应用，其类型分为水力活塞和水力射流泵两种，二者有许多相同之处，也各具特点。

一般而言，水力射流泵适用于大斜度井、高产井、深井、出砂井以及存在腐蚀、高温和高含气井。

而水力活塞泵系统效率(39％)高于水力射流泵(27％)。

因此，在应用过程中，往往优先选用水力活塞泵。

另外，水力泵的物理特性和作业
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特性为水平井采油提供了很多有利条件。

例如，水力泵下在油管中，起下水力泵时不会产生机械磨损，这一点对于中半径水平井采油来说是非常重要的。

第二节水平井生产管理
采用水平井能成功地对许多类型的地层进行经济开采，单独应用水平井或水平井与标准直井相结合已成为开采焦油砂地层和其它高粘油层的主要方法。

因为一些高粘油藏应用常规方法不能有效地开采，多数重质油藏和焦油砂油藏埋藏较深，采用普通开采技术不经济。

油井生产管理的主要目的是以最佳的水平井开采速度持续稳产。

最佳的采油速度是地层流体向水平井流动的速度，但应避免产生底水锥进并能获得最大产量。

对于水平井来说，控制流体的开采速
度是特别重要的。

通常，水平井射孔长度
都超过几百米，比普通直井射孔的长度要
长得多。

由于水平井生产井段增长，其未
加控制的流体产量比相同地层直井产量高
许多倍，因此可能在生产初期带来较大的
地层伤害。

水平井应钻在含油饱和度高的地区，
特别是对于高粘原油地层。

目前，水平井
可能和许多不同类型的提高采收率方法
(包括二氧化碳驱和表面活性剂驱)联合应
用，对于提高水平井产量具有重要作用。

图4-5 水平井设计预产阶段通过控制水平井流体开采速度可以获
得最佳采油速度，这样可使流入水平井的
流体速度保持低于临界速度。

如果水平井的采油速度太高，则可能使注入水或蒸汽过早突破到油井或发生底水（蒸汽）锥进。

因此，不发生底水（蒸汽）锥进的最佳流体开采速度Q需应用Joshi的水平井产量计算公式计算不同泄油面积、不同油井长度的水平井采油指数。

Joshi 计算水平井水平段距离油层中部的产能公式如下：
J w=(0.543kh o/μo B o)/L nαd[1+(1-(1/αd)2)0.5+ h d/2l n(h(h d+4σd)/2rw d)]+S h
其中：S d=βh o/L×S v
r e d=r e h/(L/2)
αd=(0.5+(0.25+r e d4)0.5)0.5
rw d=rw/(L/2)
h d=βho/（L/2）
σd=βσ2/（h o×（L/2））
S h、S v分别为水平井、直井表皮因子，
σ为水平到油层中部距离，
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油井生产压差：△P=Q o/J h
油井采油指数= J h/L。

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