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1、20062006年年5 5月月国内外机采新工艺、新技术的应用与发展介绍徐文庆采油工艺研究院目录一、复杂结构井机械采油技术1、定向井机械采油技术2、水平井机械采油技术3、分支井机械采油技术4、小井眼井机械采油技术二、机械采油设备的应用现状及发展方向1、抽油泵开发及应用2、潜油泵采油技术3、螺杆泵采油技术4、气举采油技术三、复杂工艺井机械采油生产状况1、稠油井筒降粘技术2、携砂采油工艺3、接替举生工艺一、复杂结构井机械采油技术 杂结构井，是指在井眼轨迹或尺寸上与常规直井不同的井。一般包括定向井、斜直井、侧钻井、水平井、多分支井和小井眼井。 国外早在20世纪20年代就进行了利用钻复杂结构井来提高油气
2、田采收率的尝试，70年代开采技术有了较大的突破，特别是80年代开发出了用于定向钻井的井下涡轮弯接头组合和套管开窗技术，随后发展了导向钻井技术和分支井完井技术，引发了当今的复杂结构井开采技术革命，产生了一场巨大的石油工业技术变革。目前世界上每年钻成的复杂结构井占其总井数的一半以上。1.1 有杆泵采油定向井有杆泵防偏磨技术 扶正器技术杆管旋转技术杆柱下部加重技术 油管锚定技术扶正器安放间距的确定大庆石油学院董世民 清华大学覃成锦 河南油田佘梅卿 江汉石油学院汪伟英 定向井抽油杆柱设计技术 定向井抽油杆载荷与常规垂直井有很大不同，一是实际井眼轨迹为三维空间曲线，抽油杆柱必然受到弯曲应力作用；二是为保
3、证井下杆柱正常工作，防止杆柱与油管内壁接触，杆柱上通常装有若干个导向扶正器，这使抽油杆柱设计由静定问题变成了变刚度的静不定问题，为此常规抽油杆柱设计方法必须经过调整才能适应定向井有杆泵采油工况。定向井有杆抽油系统的诊断及预测模型 在定向井有杆泵抽油系统中，存在着杆、管和液注三个振动系统，同时定向井井身是空间三维曲线，因而有杆抽油系统的振动是三个振动系统的空间三维振动，垂直于井身轴线的横向振动和抽油杆与油管之间、油管与套管之间的接触摩擦力对系统的轴向振动还有一定的影响。因此抽油系统的参数诊断、预测模型远较垂直井复杂。目前，国内外对定向井有杆抽油系统也开展了一定的力学分析研究，大致可分为两类：或分
4、析三个系统的空间一维振动，或分析抽油杆一个系统的空间三维振动。 石油大学的张宏首次建立了定向井和水平井中杆管液三个系统的三维空间振动力学模型，克服了以前一些分析中或只考虑三个系统的一维振动，或只考虑抽油杆一个系统的三维振动的不足。在模型的求解中，他们将有限元和有限差分法相结合，采用有限元有限差分递推迭代法进行了计算，计算结果与实际符合率达90%以上，完全可以应用于我国各油田的定向井和水平井有杆抽油系统的故障诊断。 用于定向井的抽油泵 前苏联定向井中使用的深井泵是常规管式泵，但对使用限度有比较细致的研究，即以42为限度，若大于此值，泵效明显降低。实验表明：随着井斜角的增大，泵阀的漏失量增加，阀座
5、过早磨损；当井斜角小于30时，球阀对泵效有影响，但不明显；当井斜角40左右时，泵效只有2030；当超过45时，球阀关闭滞后较严重，甚至造成失效。当倾斜角分别为15、45、60时，泵排量将分别降低10%、25%、40%。由此可见，带球阀的抽油泵难以适应大斜度油井的抽汲。 大庆石油学院研究了深井泵在一定倾斜角度下的工作特性及球阀的运动规律，并设计出适应定向井抽油的深井泵泵阀结构。研究表明：标准型深井泵固定阀存在使泵失效的临界角度约在45左右。 在胜利油区的乐安油田稠油热采的60口水平井上实现有杆泵抽油的技术与实践。在井斜60以上井段应用大斜度抽油泵， 斜直井抽油机 机架倾角可调式斜井抽油机 游梁式
6、斜井抽油机 滑轮导向式斜井抽油机 液压斜井抽油机链条斜井抽油机 常规游梁抽油机 斜井游梁式抽油机 滑轮游梁式斜井抽油机无游梁轮式斜井抽油机 1.2 潜油离心泵北海蒙特罗斯油田电潜泵结构：一个电机、一个保护器、 一个旋转分离器和两节泵、 一个旋转分离器、电机护罩适用条件:气油比124.7178.1m3m3(地面值）实测深度：3200.4m(垂直深度2133.6m)井斜：60 胜利石油管理局无杆采油泵公司开展了潜油电泵在定向井的应用工艺研究，研制出斜井用潜油电泵机组。他们通过改进机组底座联接法兰结构，设计联接螺钉用碟形弹簧垫圈，设置由导向块和导向保护块构成的小扁电缆保护装置及三腔胶囊式保护器等，增
7、强了机组抗弯曲变形能力。模拟试验和现场使用证明，在井套管直径不小于177.8 mm(7英寸)、套管最大造斜度为9/30 m、油井最大井斜不大于85、机组工作环境温度不高于120的条件下，斜井用潜油电泵机组能非常有效地工作，1.3 潜油螺杆泵 电动潜油螺杆泵属于无杆采抽系统，动力部分采用井下电动机，井下泵为螺杆泵，它综合了电动潜油离心泵和螺杆泵的优点。应用条件为：地层温度下的粘度5000mPa.s；含砂量10；砂粒直径0.4 mm；气液比100 m3/m3；含水量0100；井液温度120；沉没度200 m；排量范围15200 m3/d；扬程9001200m； 河南新庄油田应用电动潜油螺杆泵于稠油
8、大斜度井开采取得了较好效果的实践。1.4 水力活塞泵 水力活塞泵是一种液压传动的无杆抽油设备，其井下部分主要由液马达、抽油泵和滑阀控制机构组成。动力液由地面加压后，经油管或专用动力液管传至井下，通过滑阀控制机构不断改变供给液马达的液体流向来驱动液马达做往复运动，从而带动抽油泵进行抽油。世界上制造和应用水力活塞泵最成熟的国家是美国，采用的水力活塞泵几乎都是自由式，采用水作动力液。 美国科贝公司的E型水力活塞泵机组在西西伯利亚油田进行矿场试验。油井条件：采用单管式开式循环系统套管 ：146.8 mm 现场试验证明：在井斜70的情况下，泵能可靠地工作，起下容易。定向井不影响水力活塞泵的采油效率，也不
9、会造成对油管柱的磨损。 我国从60年代开始研究水力活塞泵采油工艺，到1990年初全国水力活塞泵井累计1000余口，占机采井的2%。油井多为带封隔器的单管柱开式循环系统，泵型为单动力活塞结构的往复容积式SHB系列和部分进口泵，SHB系列泵相当于美国科贝公司的E型泵。但我国目前在用的较少，主要原因是由于用油作动力液，在油井进入高含水期后，系统的产出液量很大，处理量也较大，在经济上很不合算。1.5 水力喷射泵 第一代喷射泵于1970年在美国加利福尼亚和德克萨斯州等地投入使用。在北达科他州Baakin油田用于定向井、水平井采油。典型油井，一般在3048m处开始造斜，有一个或两个切线段，在3200.43
10、3505.2m垂直深处达到水平段。油井采用139.7套管完井，在底部水平段采用套管射孔，油井中下73.0mm油管，喷射泵座到泵挂深度处的封隔器上。一般情况下，泵坐在第二切线段。结果表明，当“狗腿”严重度不超过2030.48m时，喷射泵通过73.0mm油管起下没有发生过任何问题。 1.6 气举采油 据文献报道，在美国凡有天然气资源的情况下，特别是海上丛式井开发的油田，优先选用气举采油法。在Clagmore油田用于斜井，在244.475 mm套管之中下入139.7mm的油管以及气举阀短节，井斜分别为20、40、60，1980年5月气举19口，原油产量由8744m3/d，上升到14768m3/d，后
11、来超过15899m3/d。 我国气举采油用于斜井的例子还未见报道。 一、复杂结构井机械采油技术2、水平井机械采油技术 水平井是通过扩大油层泄油面积来提高油井产量、开发效益的一项技术。最早出现于美国(上世纪2030年代)，80年代才开始大规模应用，到2000年全世界共完钻水平井23385口，主要分布于美国、加拿大、前苏联等国家。中上世纪60年代在四川打成了磨3井和巴24井两口水平井，但限于当时的技术，未取得应有的效益。 胜利油区是我国水平井技术发展最快、应用规模最大的油区，数量占全国的80.5%，已形成了一套比较成熟的水平井地质及油藏工程设计技术。 2.1 水平井机采方法的选择水平井按照其曲率半
12、径分为长、中、短半径三种类型。 短曲率半径为940m，造斜率46/m，采用机械方式采油时，举升设备只能下在垂直井段。 中曲率半径90300m，造斜率620/30m。机采设备既可直井段，又可在弯曲井段，甚至水平段。在弯曲井段时机采方法与定向井类似，大多数直井采油设备都可应用。关键的问题是如何将设备下入水平段。在水平段中使用的采油设备主要有：电潜泵；水力泵；涡轮泵几种类型。 长曲率半径为300900m，造斜率2630m。机采设备可在直井段，又可顺利地下入弯曲井段或水平井段。采油设备下入位置可根据液面高度来确定。 2.2 水平井电潜泵采油 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
13、段。无法通过弯曲段下入水平段。通过加装导向器等，美国公司制造出了一套专用机组，可以顺利通过造斜率为18/30m的中半径水平井的弯曲段，进入水平段。 美国西得克萨斯Oryx能源公司在L. W. Sweet 1号和3号井应用ODI专用泵 ，并加了串联保护器和气体分离器，泵挂下至水平段中，运转较以往产液量明显增加。造斜度：12/30.48m，完井套管为177mm 。 国内目前采用有杆泵或电泵，通常下在直井段。2.3 水平井有杆泵采油 前苏联阿尔兰油气开采局曾选择了150口井采用有杆泵进行开采，井的最大倾角由0到50。这些井的泵径为3268mm，含水由0到25。通过现场实验和理论研究，分析了泵的安装位
14、置、井筒倾角对泵排量和设备工作可靠性的影响，建立了有杆泵免修期与井斜和造斜率之间的关系图版。 国内西南石油学院的钟功祥等人建立了水平井抽油泵室内试验装置，进行了水平井抽油泵泵阀实验研究。在不同井液粘度(12000mPas)和不同井斜角(090)条件下对不同的泵阀进行了对比试验，作出了四种泵阀组合分别在三种不同粘度试验介质下，泵排液量和泵效与泵筒倾斜角(井斜角)的变化关系曲线。试验表明，在井斜角不太大和介质粘度较低时，机械启闭阀锥阀效果较好。但对高粘度介质大井斜角度条件下，特别是在水平井条件下，机械启闭阀拉杆带动阀效果更佳。水平井有杆泵采油 胜利现河采油厂研制了新型大斜度抽稠泵。该泵技术关键在于
15、启闭阀的设计和扶正器附件的添加，有以下特点：阀球为带有上下扶正杆体的半球阀结构，可克服球阀在40以上大斜度井段的非直线滚动运动所造成的启闭滞后。在启闭阀上安装强闭弹簧，柱塞换向时，可依靠弹簧力作用迫使游动凡尔关闭，固定凡尔复位，解决了因油稠造成的关闭滞后和气锁；配置了抽油杆扶正器附件系统，避免了抽油杆偏磨。应用表明：该泵泵挂井斜可达6070。一、复杂结构井机械采油技术3、分支井机械采油技术 多分支井技术是在定向井、大斜度井和水平井技术基础上迅速发展起来的一项新的石油开采技术，它是指在一口主井眼中钻出两口或多口进入油气藏的分支井眼或二级井眼分支井，它可以大大提高采收率，降低开采成本，应用前景十分
16、广泛，是21世纪油气田开发的主体工艺技术之一。 多分支井技术起源于20世纪50年代，第一批开始于前苏联的俄罗斯和乌克兰地区，第二批多分支井于1968年开钻于前苏联的东西伯利亚地区。直到1995年以后，随着水平井完井技术的发展和三维地震技术的普及，多分支井技术得到了迅速的发展。虽然目前在国外现场应用多分支井技术己经较为普遍，但是多分支井技术仍不十分完善，国外各大公司仍然把多分支井技术作为前沿课题进行攻关，并且把多分支井技术作为公司的标志性技术。 分支井的井筒结构、管内流动及地层渗流的复杂性使得分支井产能的预测模型建立起来非常困难，目前分支井产能预测模型可分为解析解和半解析解两大类。 分支井完井技术是决定分支井技术水平的关键因素。国际分级标准将分支井完井水平区分为六个等级，目前胜利油田已掌握了第四等级完井方式的相关工艺技术。 2000年10月完全依靠自己的力量胜利油田完成了我国第一口双分支水平井桩1-支平1井，填补了我国在分支水平井领域的空白。2001年3月完成了我国第二口双分支水平井梁46-支平1井。桩1支平1井防砂管柱示意图 一、复杂结构井机械采油技术4、小井眼井机械采油技术 小井眼定
