低渗透油藏水平井采油举升方式优选及配套工艺应用

2020-08-08周冰欣郑玉倩王登莲王少亭海金龙

石油化工应用 2020年7期

周冰欣，郑玉倩，王登莲，王少亭，海金龙，刘丛

（中国石油长庆油田分公司第三采油厂，宁夏银川 750006）

水平井开采技术是20 世纪90 年代世界油气田开发迅速发展的一项新技术，并且应用于各种类型油田开发。随着水平井钻井技术的提高及钻井成本的大幅度下降，水平井开采已成为低渗透油藏提高单井产量，保障油田持续稳产、高效开发的重要技术。根据采油三厂油田特点，从水平井举升方式优选、在用举升方式评价及井筒配套工艺技术方面进行研究分析，为后期水平井开发提供借鉴。

1 水平井采油举升工艺现状

1.1 常规有杆泵

目前大多数水平井采取有杆泵—抽油机方式在直井段生产。小排量深井采油是有杆泵采油的显著优点。由于井深较大，在采油过程中冲程损失较大，此外，受到井身结构及原油物性影响，容易造成抽油杆断脱及偏磨。在大斜度井中，由于井身斜度较大，使用有杆泵必须采取相应扶正措施，以减轻杆管偏磨。在采油三厂水平井生产中也以有杆泵采油方式为主。

1.2 螺杆泵

螺杆泵是一种高效容积泵，具有结构简单、体积小、质量轻、耗电少、效率高等诸多优点，在稠油、含砂、含气井举升工艺中显露出自身的优势，在大庆油田中应用较为普遍。2008 年以来，在采油三厂进行了小规模试验，但由于维护问题，未得到广泛应用。

1.3 潜油电泵

早期都是将潜油电泵应用于产量较大的油井，由于潜油电泵排量大，设备结构简单、使用维护方便，适用于中、高含水期采油。随着技术发展，小排量潜油电泵也在油田应用越来越普遍。此外，电机变频技术的应用，进一步提升了潜油电泵的使用效果，提升了系统效率，拓展了使用的范围。2019 年，采油三厂在水平井生产中进行了初步试验。

1.4 水力喷射泵

水力喷射泵结构简单、无运动部件、适应性较强、使用维修较为方便，在一些特殊工况的油井中，使用效果较好。水力喷射泵的缺点是泵效较低，对油井的沉没度有一定要求，且回压会对泵效产生影响。

1.5 水力活塞泵

水力活塞泵采油技术广泛应用于水平井、丛式井及稠油或高凝油伴热开采井中，其具有泵效高、排量适应范围大、泵挂深、调参方便等优点。水力活塞泵的缺点是地面泵动力端与井下泵的密封难度较大，且泵维护难度较大。

1.6 气举采油

气举采油技术优点是井口及井下设备较为简单，使用维护较为方便，在一些斜井、试油井、含砂、含气、含腐蚀性成分的油井，以及不适合使用其他机械采油方式的油井，使用气举采油能够起到较好的效果。气举采油的缺点是地面设备复杂，使用成本高、气体能量利用率较低。气举采油对气源要求较高，必须建立相应的气体压缩机站，在高压条件下连续气举，容易出现安全事故，井距较大的井网中不宜采用气举采油。气举采油在我国起步较晚，现阶段在部分油田逐步开展应用。

1.7 低渗透油藏水平井采油举升方式研究的重要性

随着我国国民经济的快速发展，对石油的需求量越来越大。长庆油田作为中国第二大陆上油田，持续稳产是发展的要求。水平井开发应用越来越普遍，这类井型井身结构不同于常规直井，有杆泵下入深度有限，不能发挥油井最大开发潜力。此外，从现场应用情况看，水平井生产时间短，含水上升速度快，投入产出比低，未能充分发挥水平井开发优势，因此需要加强人工举升技术研究，优选采油方式，优化配套的工艺技术，从而合理控制生产压差，延长水平井生产寿命，达到降低投资、提升泵效目的，最终实现水平井开发效果的提升。

2 水平井采油举升方式选择研究

水平井采油举升方式的选择是解决石油生产过程中生产要素配置的技术经济问题。需要结合油藏及油井特点，确定用什么样的方式及设备将石油从数千米深的油井中经济有效地举升到地面。这不仅关系到油田建设的基本投资和生产费用，还直接影响到原油产量和采收率。因此，在当前市场经济的条件下，选择合理的采油方式不能单纯从技术角度考虑，还需要从经济观点考察。

2.1 采油举升方式综合评价基本模式

采油举升方式综合评价是采油工程方案的子系统，其组成（见图1）[2]。

图1 采油方式综合评价基本模式

图2 低渗透油藏水平井举升方式层次分析因素

2.2 采油举升方式综合评价因素及模型

由于采油方式的选择要综合考虑经济、技术等方面的各种因素，评价过程中涉及到众多不同层次的模糊因素。因此，采用模糊综合评判法及AHP 层次分析法。

2.2.1 模糊综合评价指标的构建模糊综合评价指标体系是进行综合评价的基础，评价指标的选取是否适宜，将直接影响综合评价的准确性。根据《采油工程方案设计》，并结合油田生产实际，确定影响因素有两大类，其中技术类9 项：检泵周期、检泵作业时间、机械效率、产液量适应能力、抗腐蚀性能、工艺配套程度、参数调节难易、检泵工作量和维修难易；经济类4 项：检泵成本、动力费用、人力成本和价格。

2.2.2 通过AHP 层次分析法构建权重向量层次分析法是一种将定性与定量相结合的权重决策分析方法，将问题决策中繁多、复杂的因素按性质特征分为若干层，对层内因素两两进行比较，通过主观权重赋值描述其重要性，其权重应根据实际经济形势和技术状况而定。该方法将决策者的主观判断与客观推理紧密结合起来，适用于解决决策准则多但不易量化的复杂决策问题，在各个领域决策方案制定中发挥着重要作用。

2.2.2.1 建立层次结构模型根据前面确定的影响因素，构建出结构模型（见图2）。

为了便于比较判断定量化，引入1～9 比率标度方法（见表1）。

表1 比率标度方法表

2.2.2.2 构建成对比较矩阵

（1）成对比较技术指标（检泵周期、检泵作业时间、机械效率、产液量适应能力、抗腐蚀性能、工艺配套程度、参数调节难易、检泵工作量和维修难易）影响因素，得到成对比较矩阵B1（见图3）。

图3 技术指标比较矩阵图

（2）成对比较经济指标（价格、检泵成本、动力费用、人力成本）影响因素，得到成对比较矩阵B2（见图4）。

图4 经济指标比较矩阵图

2.2.2.3 计算各判断矩阵的特征值、特征向量及一致性检验指标通过计算，技术指标矩阵得到特征向量：W=（0.25，0.03，0.25，0.20，0.06，0.07，0.09，0.04，0.02）

经济指标矩阵得到特征向量：

利用式（1）、（2）、（3）计算技术指标矩阵与经济指标矩阵的最大特征根λmax，一致性指标CI，CR。

表2 平均随机一致性指标RI 取值参考表

其中，根据表2，查得平均随机一致性指标RI＝1.46。

通过计算得出技术指标矩阵CR＝0.08<0.1，经济指标矩阵CR＝0.09<0.1。因此，判断技术指标矩阵与经济指标矩阵具有清单的一致性。

2.2.2.4 层次总排序因层级二准则层只有两个因素，根据经验，将技术指标权重设为0.6，经济指标权重设为0.4，通过对指标层与准则层权重相乘最终得出各技术指标权重，其中检泵周期、检泵作业时间、机械效率、产液量适应能力、抗腐蚀性能、工艺配套程度、参数调节难易、检泵工作量和维修难易分别为0.15，0.02，0.15，0.12，0.03，0.04，0.05，0.02 和0.01；各经济指标权重，其中价格、检泵成本、动力费用、人力成本分别为0.24，0.10，0.04 和0.02。

2.3 现场验证情况

以A1 井为例，该井完钻井深3 914 m，完钻层位长81，入窗点2 668.5 m，造斜点350 m，无最大狗腿度、最大井斜角、最大方位角数据。原始地层压力19.7 MPa，气油比100.4 m3/t；试油未抽汲，日配产液量18 m3。

利用层次分析法进行优选，先对其原始评价数据（见表3）进行归一化处理（见表4），将层次分析后的权重体系结果与归一化后的举升方式评价指标数据相乘，得到有杆泵、电潜泵、螺杆泵各举升方式适用性总权重分别为0.775、0.487、0.737。排除价格影响因素，有杆泵、电潜泵、螺杆泵各举升方式适用性总权重分别为0.518、0.453、0.416。

层次分析结果表明，对于A1 井，有杆泵是其最佳举升方式，其次为螺杆泵举升；在不考虑价格的影响因素下，第二方案为潜油电泵。故该井投产初期选择有杆泵举升方式。该井投入生产后，由于动液面长期未抽下去，于2019 年9 月7 日改用潜油电泵生产试验。从运行情况看，潜油电泵排液能力较强。

3 在用水平井举升方式适应性评价

2019 年10 月底前，采油三厂累计投产水平井36口，其中举升方式为：有杆泵32 口（其中：2 口初期为有杆泵，后改为潜油电泵，再改为有杆泵），螺杆泵4 口。

3.1 有杆泵

有杆泵是水平井采油的主要举升方式。2019 年长庆油田钻采方案对水平井的采油方式推荐为有杆泵采油，基本上适应于采油三厂水平井生产。但从现场生产情况看，单井设计还需进行采油方式优选拟合以及生产参数的优化。特别是对于C1 区块，A2、A3、A4、A5、A6 等5 口井沉没度高（>1 000 m），抽油泵效在70 %以上，且动液面长期保持较高水平。泵径38 mm、冲程2.0～2.5、冲次1.5～5 次/分钟的生产参数不能很好地适应该区块。此外，有杆泵举升方式目前只能下到直井段，泵效较低，且杆管偏磨问题较为突出。需要加强相应的配套工艺应用。

表3 A1 井举升方式原始评价数据

表4 A1 井举升方式原始评价数据归一化处理结果

3.2 潜油电泵

潜油电泵采油技术由于其特殊的构造和工作方式，在水平井技术的应用中的优势有：

（1）可以降低井底流压，减小层间干扰，而且可以在一定程度上改善近井地带的渗流条件，有效提高采液速度，达到提液增油的目的[3]。

（2）有效提升油井的产液速度，提高油井的产油量。

（3）由于没有杆柱入井，可有效减少杆管偏磨的影响。根据前期的调研，目前潜油电泵的安全运行时间为500 d，有的潜油电泵的检泵周期达到700 d，避免了频繁的修井检泵，减少了油井的停产次数保证了油井的产液量。

不足之处在于潜油电泵价格较高，对采油三厂各区块的适应性还需进行试验验证。

3.3 螺杆泵

目前，采油三厂螺杆泵主要用于试油排液。对探井而言，由于配套不是很完善，对井下流体性质及储层产能情况都不是十分清楚，产量波动较大的情况普遍存在。因此，对试油排液工艺的适应性有一定要求，螺杆泵在试油井中具有泵效高，对出砂井适应性更强的特点[4]。但螺杆泵由于受其最大下深和最大井斜度的限制，难以准确求取储层产能，只能减低排量来适应储层的供液能力，否则可能出现烧泵，最终需要更换举升方式。

4 水平井采油工艺配套技术

4.1 防偏磨工艺

水平井由于井眼轨迹的特殊性，需加强对防磨工艺的应用，目前主要采用泵上应用内衬油管500 m；在狗腿度较大位置设计抽油杆扶正器和油管尼龙扶正防磨器，具体如下。

抽油杆扶正器：采用高强度尼龙旋转扶正器或多功能扶正器（材质及工艺要求见SY/T5832-2009《抽油杆扶正器》），在全角变化率≥3°/25m 的井段前后抽油杆上各安装2 个，在造斜点处接2 个以上，在拉杆以上的抽油杆上依次安装2 个，在距井口25 m 和45 m 附近抽油杆上各安装1 个，全井共计安装10 个以上。抽油杆杆体扶正采用热塑成型固定式，每根扶正抽油杆体至少有3 个扶正块，（扶正块间距见图5），要求距造斜点前50 m 的下部杆柱全部使用。

图5 9.14 m 扶正杆（一杆四扶）注塑间距示意图

油管扶正器：对于长2 及以上配套内涂层防腐套管的采油井，要求配套非金属堵头和油管扶正器，非金属堵头至内涂层防腐套管上端之间井段的油管必须每根配套一个油管扶正器。对于长3 及以下的采油井，在全角变化率≥3°/25m 的井段前后各安装1 个油管扶正器。

内衬油管：在钢制普通油管内衬一层高密度聚乙烯管，采用专用技术使衬管与油管紧贴在一起，形成“管中管”结构。这种内衬油管不仅可以解决油管偏磨与腐蚀难题。通过2015-2018 年不断试验与改进，已在采油三厂定向中推广应用。针对水平井，在泵上0 m～500 m 配套应用。

4.2 防落井工艺

水平井采油管柱断脱后会沿井筒滑入水平段，打捞作业难度大、风险高。因此需要配套水平井采油管柱防落物工具，该工具在采油管柱断脱后短距离制动防止落入水平段。2019 年，在水平井全部应用KFL-114-III 型管柱防落装置（见图6）。

图6 水平井防落井装置图

4.3 防蜡工艺

2019 年，在水平井中试验内涂层防蜡技术，该工艺在油管内壁使用纳米改性特种高分子涂层，该涂层将最薄纳米片层材料（石墨烯）及金属氧化物与特种高分子材料结合，使涂层油管具有抗渗透能力强、附着力高、双疏性（疏水性和疏油性）、耐磨耗性能好的特点。在C1 区块水平井应用9 口。目前由于入井时间短，效果还需要时间验证。