集约化建井平台举升优化设计及配套技术

中国石油吉林油田公司油气工程研究院, 吉林 松原 138000

0 前言

当前低渗透剩余储量、难动用储量以及非常规油气储量已逐渐成为油气勘探开发的主体[1]。吉林油田已全面转入低渗透、低丰度、低产量开发阶段,传统的开发技术、模式及做法已经无法实现效益动用。与此同时,近年来随着低品位非常规油气资源的开发逐年增加,丛式井、工厂化作业在石油开采中已得到广泛应用,能够实现钻完井批量化和流水线施工,有效提高作业效率,大幅度降低成本[2-5]。吉林油田通过创新实践非常规开发理念和技术,在以新立Ⅲ区块为代表的常规低渗透油藏开展大井丛平台效益建产示范区先导试验,取得了提高单井产量与区块采收率、降低产能建设投资与运行成本的“双提、双降”显著效果[6]。然而,大井丛平台集中建井的模式必然导致大斜度油井数量增多,复杂的井身轨迹条件对采油举升提出了更为苛刻的要求。因此,通过针对平台大斜度油井实际井况特点开展举升工艺优化设计研究并形成了相关配套技术,有效解决了大斜度油井杆管磨损、降本提效等问题,实现了平台井延长系统生命周期、高效发挥生产能力目标,进而支撑了集约化大井丛产能建设模式的成功实践,为今后低油价条件下类似的难动用储量资源效益开发提供了借鉴。

1 大井丛平台试验区概况

1.1 试验区开发基本情况

a)平台井眼轨迹纵向剖面效果

b)平台井眼轨迹平面效果

1.2 大井丛平台井身轨迹情况

表1新立油田Ⅲ区块大井丛平台井身轨迹参数统计表

井斜角/(°)井数/口水平位移/m井数/口位垂比井数/口<2033<40036<0.33720～3032400～600320.3～0.42330～4031600～800320.4～0.524>40°11>8007>0.523最大井斜52.8最大位移1 000最大位垂比0.73

2 举升工艺设计及配套技术

由于集约化建产试验区新立Ⅲ区块受低产液现实条件制约与产能建设控制投资要求,只能采取常规抽油机有杆泵举升方式。同时面对平台油井完井后特殊井筒条件,机采举升方式下井下杆管的服役条件进一步苛刻,举升工艺设计必须保证投产后较长免修期的需要。近年来,国内很多油田针对油井管杆偏磨问题,开展了相关原因分析及治理对策研究,形成了适合本地区的防磨工艺技术和经验做法[7-14],但围绕大井丛平台大斜度油井举升系统优化方面的内容较少。由此,集约化平台油井举升优化仍需从磨损原因及影响因素分析入手,以尽可能降低磨损程度为重点,合理优化举升工艺设计及配套有效的防磨技术对策,延长油井检泵周期,进而保障大井丛平台井长期正常生产。

2.1 磨损原因及影响因素分析

从摩损产生的机理分析,若要发生磨损,必须存在两个先决条件:一是物体之间存在接触;二是两物体之间存在着相对位移[15]。经分析,影响有杆泵举升方式井下杆管磨损程度的主要因素有以下方面:

1)井斜的影响。由于大斜度井部分井段井筒出现扭曲现象,使井下杆管产生弯曲,随着井斜和弯曲度情况加大,油管内壁不仅与抽油杆接箍摩擦还会与抽油杆本体摩擦,并且井下杆管磨损范围相对集中将导致磨损趋于严重。因此扩大杆管间隙、实现有效间隔等防止杆管直接接触并降低接触压力的方式是减轻磨损的有效措施。

2)井下杆管材质的影响。杆管材质及表面涂层材料的强度和耐蚀性不同,杆管的服役周期寿命也会不同。以往采用的常规抽油杆尼龙扶正器措施,在大斜度井中将不可避免发生扶正位置偏移、磨损应力集中等问题,将会导致井下杆管直接接触从而发生钢类同性介质摩擦现象,由此在油管内壁整体加衬低摩擦系数材料,对井下杆管起到双向保护作用是有效降低磨损的途径之一。

3)油井生产参数的影响。在油井生产参数中对井下杆管磨损起主要作用的就是冲次,在油井冲次较高时,易发生偏磨的位置杆管间发生接触次数越多,发生磨损的程度也就越高,磨损程度一般与冲次成正比关系。由此通过优化增大泵径、冲程等举升参数降低冲次,进而降低杆管间接触频率,是防控磨损发生的直接有效方法。

2.2 举升工艺设计及配套技术

2.2.1 提高接触面的光滑程度、降低摩擦

采取与钢质材料相比表面光滑的耐磨材料。目前在这方面主要采用玻璃衬里或内衬聚乙烯材料,它们与钢材相比都有表面光滑、摩擦系数小的优点。而超高分子量聚乙烯油管内衬,具有较高的耐磨性,不是靠硬度而是靠黏弹性和自润滑性来缓冲磨损,由此具有双向保护、不损伤合金耐磨接箍等优点;并且自身化学材料性能稳定,具有良好的抗腐蚀性和抗结垢性。在一些油田大斜度油井或杆管偏磨问题严重油井上应用,均起到延长油井检泵周期的显著效果[16-17]。因此新立试验区大井丛平台油井由造斜点以上50 m至抽油泵的斜井段油管全部应用内衬聚乙烯,提高接触面的光滑程度,有效降低了摩擦系数，见表2,对井下杆管起到有效防护作用,降低磨损程度。

表2内衬油管材料与钢表面性能对比表

材料摩擦系数材料粗糙度/m钢0.4～0.80.000 15聚乙烯0.16～0.230.000 005玻璃衬里0.2～0.350.000 015

2.2.2 建立井下杆管有效间隔、防止接触

首先避免采用常规尼龙材质抽油杆扶正器与油管内衬发生同类介质摩擦作用,增大杆管摩擦力及磨损程度。因此平台油井设计选择镍基合金防磨接箍应对抽油杆扶正问题,该接箍具有耐磨损、耐磨蚀、减磨阻三大功能,与内衬管材质不同,起到抗磨副的作用。同时国内有学者对抽油井常用杆管材料以及涂层内衬处理后的杆管材料与不同类型材质接箍进行耐磨蚀性能试验研究,试验结果表明应用涂层内衬油管条件下,采用合金接箍其磨蚀率低于常规接箍,耐磨性较好,与内衬油管配合可有效减缓抽油杆与油管的偏磨及腐蚀问题[18]。

2.2.3 增大油管尺寸、降低杆管接触压力

分析表明,随着井斜角及狗腿度的增大,井眼弯曲段挠曲率变大,作用在抽油杆柱上的压力越大,偏磨越严重[19]。新立试验区平台油井抽油杆普遍采用22 mm+19 mm 的H级高强度两级杆柱组合,常规情况下普遍采用27/8in(1 in=25.4 mm)油管可满足正常生产。而针对平台大斜度油井具有较浅的造斜点、较大井斜角和较长的斜井段以及井斜角变化程度高于普通定向井等问题,创新设计采用31/2in油管(油管内径76 mm、内衬聚乙烯后内径约67 mm)代替常规油井投产应用的27/8in油管(油管内径62 mm、内衬聚乙烯后内径约53 mm),以此增加杆管环空间隙。根据实际完钻井身轨迹情况,开展了针对大斜度、大狗腿度平台油井的接触压力量化分析,计算结果表明,在抽油杆柱不变前提下,通过增大油管尺寸可有效降低狗腿度较大的造斜井段杆管接触压力,见图2,并以此起到降低大斜度油井投产后长期服役的井下杆管磨损程度的作用。

a)23/8 in光油管

b)27/8 in光油管

c)27/8 in聚乙烯内衬油管

d)31/2 in光油管

e)31/2 in聚乙烯内衬油管

2.2.4 降低工作制度,减缓杆管接触频率

为保障大平台油井投产后免修期需要,该试验区举升设计上本着“长冲程、慢冲次、适当泵径”的基本原则,适当降低抽油工作制度。综合该地区以往投产老井产液实际情况并考虑发挥平台整体压裂效果预测新井产液范围,设计平台油井单井日产液量需满足初期10 m3/d以上排液能力,稳产阶段5～10 m3/d。若采取32 mm泵径,则需初期阶段达到6次以至更高冲次才能基本满足排液需求,稳产阶段也需要4次左右的工作制度;因此设计选取排量更大一级的泵,来达到以较低工作制度满足正常产液量的需求。即采用38 mm泵,投产初期采用4次冲次、稳产阶段采用2次左右冲次即能满足不同生产阶段产液需求,见表3。由此可以使杆管的磨损速度大幅度降低,从而大幅度延长平台油井较长的检泵周期。同时针对大斜度油井抽油泵下到较高井斜段情况,尤其是部分油井泵挂处井斜将达到40°～50°,选择斜井专用抽油泵,该抽油泵进油阀和出油阀都设置有导向机构,能够有效辅助阀球回位座封,并可强制启闭,有效消除井斜度对阀球复位座封的影响,保障平台大斜度油井较高泵效生产。

2.3 大井丛平台非常规举升设备

在低油价形势下,以抽油机井为主要开采方式的油田,都在研究应用不同的优化技术以节能降耗、降低成本[20]。吉林油田在新立Ⅲ区块试验区举升设备方面,采取非常规创新技术,围绕大平台建井地面井位集中且油井间距小的特点,地面井距一般控制在6.5～7.5 m,创新研究并现场推广应用双驴头抽油机及一机多井液压抽油机,有效降低产能建设采油投资及运行成本。其中双驴头抽油机是两口井共用一台抽油设备,见图3。把一台抽油机下冲程的无用功变成另一台抽油机的有用功,工作时利用两口油井互相平衡,提高了设备和能源的利用率。双驴头抽油机技术通过现场推广应用及改进完善目前已基本成熟,可满足3～10型不同规格抽油机配套需求。

表3不同泵径、不同工作制度油井的排量范围

编号泵径/mm排量系数冲程/m冲数/(次·min-1)日理论排量/m340 泵效排量/m360 泵效排量/m380 泵效排量/m3备注1321.162.5617.366.9510.4213.892321.162.5411.584.636.959.263321.162.525.792.323.474.636型主体最大冲程4321.163620.848.3312.516.675321.163413.895.568.3311.116321.16326.952.784.175.568型主体最大冲程7381.632.5624.459.7814.6719.568381.632.5416.306.529.7813.049381.632.528.153.264.896.526型主体最大冲程10381.633629.3411.7417.6023.4711381.633419.567.8211.7415.6512381.63329.783.915.877.828型主体最大冲程

图3 双驴头抽油机现场图

图4 液压抽油机现场图

3 现场应用效果

一方面新立油田Ⅲ区块集约化建产试验区于2015年6～7月先期投产的1#、2#井丛平台,投产截至目前历时近3.4 a,通过机采举升防磨优化设计及配套技术的有效实施,平台油井对比以往传统建产模式下的常规油井,在斜度更大、井眼轨迹更复杂、下泵深度更深的情况下,折算免修期近1 600 d,大幅高于同区块以往常规新投井当年免修期1 000 d左右的水平,并且未出现因井下杆管磨损导致大量修井现象,由此有效解决了大井丛平台油井采用常规有杆泵举升方式因井斜较大导致检泵周期短的问题。

4 结论与认识

1)吉林油田在新立Ⅲ区块开展集约化大井丛效益建产示范区现场试验,平台大斜度油井数量多、井身轨迹复杂,并且具有井斜角及狗腿度大、造斜点浅、斜井段长等特点,减缓井下杆管磨损程度是采油举升优化设计的核心内容。

2)通过分析平台大斜度油井井下杆管磨损的原因和影响因素,针对性地提出以防磨为重点的采油举升优化设计和配套技术,包括降低摩擦系数、接触面建立隔离、降低接触压力、降低接触频率等,通过现场实施,有效地延长了平台大斜度油井的检泵周期,实现了复杂井况条件下长效举升。

3)针对集约化平台建井井位集中的有利条件,创新设计并现场试验了一机多井的非常规举升方式,包括双驴头抽油机及液压抽油机,显著降低了采油设备投资及生产运行能耗,为今后低油价下类似难采储量的低成本高效开发提供了技术保障。