development and application of electric submersible pumps for deviated wells
xi wenhou
(rodless pump company, shengli petroleum administration, dongying city, shandong province)
zhu shanzheng, li yongmei
in the light of damage of electric submersible pumps (esp) passing through the curve portion of a deviated hole, a special esp assembly for use in deviated holes is developed. the structure of the pedestal flange is modified and a disk spring washer for connecting bolts is designed to improve the resistance to bending and deformation. and a guide pad and guide protector are installed for protecting cables and the assembly. simulation test and field use show that the cable is protected effectively if the hole inclination is less than 10°/30m.
subject concept termsdeviated well electric submersible pump development test application
为了提高油井产量和油田的最终采收率，我国各大油田已钻成一大批定向井和斜井。由于受定向井和斜井井身结构的制约，普通潜油电泵机组用于这类油井采油首先必须解决机组通过油井弯曲段时电缆受挤压损坏和机组产生永久变形的问题，还要改进或重新设计相关防护装置。为了满足陆上和海上斜井原油开采的需要，1995年，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。
机理分析
为了使潜油电泵机组能在定向井或斜井中有效使用，在研究过程中，对工作机理做了分析。
1.电泵机组在弯曲状态下的受力及变形
电泵机组在斜井弯曲套管内的受力如图1所示。由图可知，机组受三个方向的力f1、f2和f3的作用，将产生弯曲变形，致使机组各部件承受弯曲、拉伸或挤压等载荷。
图1 电泵机组在弯曲套管内的受力示意图
1—油井套管；2—电泵机组
（1）机组连接螺钉的受力情况 当电泵机组通过斜井弯曲段，在套管内受力产生弯曲时，机组上端的螺钉受到一个极大的拉伸应力的作用。若螺钉强度不够， 该应力与螺钉在机组下井前已承受的预紧力共同作用， 有可能使螺钉在机组通过油井“狗腿”井段时发生局部塑性变形或断裂。
（2）机组联接法兰的受力情况 常规电泵机组各部件联接底座的法兰结构如图2所示。由材料力学得知， 在弯曲载荷作用下图中r处的应力最大［1］。因此在斜井条件下i-i截面为联接法兰最危险截面，易发生塑性变形或断裂。事实上，电泵机组在直井中此处也发生过断裂，造成机组落井。 |
图2 常规电泵机组各部件联接底座的法兰结构
（3）机组壳体联接螺纹的受力情况 机组壳体为薄壁圆筒，组装时受较大预紧力作用， 若叠加较大的弯曲应力，极易发生塑性变形。
2.电缆的损坏及失效
电缆分大扁电缆(动力电缆)和小扁电缆(引接电缆)两种。小扁电缆的保护主要采用电缆护罩和电缆卡子。在斜井中，常规电泵机组通过弯曲段时由于套管弯曲和机组挤压作用，电缆护罩易被压扁，造成电缆损坏和失效。
3.其它问题
当机组在斜井的斜直段时， 由于重力的作用，其一侧紧靠套管内壁。机组工作时， 紧靠套管内壁的地方得不到过流液体的冷却，会产生局部过热，缩短机组使用寿命。
对直井来说，安装扶正器是防止电泵机组紧靠套管内壁的好办法。而将扶正器应用于斜井会造成不良后果：不仅增加机组的投影直径和弯曲应力，还会影响电缆保护装置的效能 。
机组研制情况
1.性能参数
油井套管直径不小于177.8mm(7英寸)；套管允许的最大造斜度为9°/30m；油井最大井斜不大于85°；机组工作环境温度不高于120℃。
2.设计特点
斜井用潜油电泵机组的井下连接管柱如图3所示。机组设计主要包括如下几个方面。 |
图3 斜井用潜油电泵机组的井下连接管柱示意图
1—油管；2—电缆金属保护夹；3—上泵头导向
块；4—上泵；5—中泵；6—下泵；7—油气分离
器； 8—保护器；9—导向保护块；10—电动机
(1)机组抗弯曲变形部件设计 ①改进机组底座联接法兰结构，增强其抗弯曲变形能力。图4所示为改进的电泵机组底座联接法兰结构示意图。②设计连接螺钉用碟形弹簧垫圈。连接螺钉采用碟形弹簧垫圈，能使机组通过油井弯曲段后在斜直段恢复直线状态，保证正常工作。
图4 改进的电泵机组底座联接法兰结构
(2)小扁电缆保护装置设计 ①在潜油电动机的底座与电动机头的电缆头插座孔相反的位置设置一导向块，使潜油电动机底部产生隆起部位。②在保护器底座小扁电缆穿过的位置设置导向保护块。③在下泵底座与电缆同一方向的位置设置导向保护块。④如有中泵，其底座导向保护块的位置与下泵同。⑤在上泵底座与电缆方向相同的位置设置导向保护块。在泵头与电缆方向相反的位置设置导向块。
通过自上而下设置若干个导向块和导向保护块，可形成装在机组上的小扁电缆保护装置。
(3)大扁电缆金属保护夹设计 油管柱部分的大扁电缆采用特制金属保护夹予以保护。此金属保护夹通过螺栓与电缆一起固定在油管接箍上，能有效地保护大扁电缆。
(4)三控气囊式保护器设计 常规潜油电动机保护器在斜井中易失效，而常用的胶囊式保护器性能不可靠，为此设计了三腔胶囊式保护器。
要用耐高温潜油电泵机组的设计原理设计机组各部件，防止机组工作时紧靠套管的地方得不到过流液体的冷却，导致局部过热。
模拟试验与现场应用
1.模拟试验
潜油电泵机组结构复杂，难以直接通过理论计算来验证或判断机组通过斜井弯曲段时的变形程度及电缆损坏程度。为此，制作了一套模拟试验装置，用常规电泵机组和斜井用潜油电泵机组分别做了对比试验，试验方法如下。
(1)将3根 177.8mm套管联接起来，长度30m。通过加热等手段在地面上造成一个斜度为10°/30m的弯曲段。
(2)将常规机组和斜井机组各部件按正规联接方式联接起来，同时联接好小扁电缆。
(3)将卷扬机、钢丝绳和电泵机组联接起来。
(4)开动卷扬机，模拟电泵机组在油井弯曲段中的起下，共操作4次。
从模拟试验结果可看出，斜井电泵机组的抗弯曲变形能力明显高于常规电泵机组；在套管造斜度小于10°/30m的条件下，斜井用潜油电泵机组对电缆的保护非常有效；考虑到地面模拟试验与油井实际的差异，建议电泵机组用于斜井的条件为： 177.8mm套管，套管最大允许造斜度小于9°/30m。
2. 现场应用
自1996年12月至1998年5月，已有新研制的40套斜井电泵机组在渤海湾埕岛油田相继投入现场应用，均正常运转，时间最长者将近一年半。现将较典型的正常运转的10套机组现场应用情况列于表1。
表1 10套电泵机组的现场应用情况
| 井 号 | 井深
(m) | 造斜点深
度(m) | 最大井斜
(°/m) | 泵排量
(m3/d) | 泵扬程
(m) | | cb25c—5 | 1800 | 599.6 | 45/1366 | 150 | 1800 | | cb251c—2 | 1693 | 625 | 41 | 100 | 1500 | | cb251c—6 | 1645 | 665 | 42/1401 | 150 | 1500 | | cb251c—7 | 1787 | 598 | 43 | 100 | 1500 | | cb22c—2 | 1743 | 630 | 27 | 100 | 1500 | | cb22c—5 | 1784.3 | 700 | 48/1512 | 150 | 1500 | | cb11b—3 | 1650 | 967 | 39/1377 | 150 | 1500 | | cb22c—4 | 1897.6 | 600 | 43 | 150 | 1800 | | cb11e—5 | 1724.7 | 510 | 44 | 100 | 1800 | | cb22d—2 | 1500 | 650 | 39 | 100 | 1500 |
结论
(1)理论分析与实践证明，笔者对常规电泵机组在斜井中的失效机理分析是合理且可靠的。
(2)与常规电泵机组相比，斜井用潜油电泵机组的联接法兰和弹簧垫圈等有了较大改进，机组抗弯曲变形能力显著提高。
(3)斜井用潜油电泵机组的小扁电缆保护装置在机组通过油井弯曲段时，能有效保护小扁电缆不受挤压和损坏。
(4)斜井用潜油电泵机组设计合理，性能可靠，有望成为我国陆上和海上油田斜井开采的重要设备。
席文厚,助理工程师,生于1966年,1987年毕业于重庆石油学校矿机专业,1996年毕业于石油大学矿机专业,现从事电潜泵研究工作.
席文厚（胜利石油管理局无杆采油泵公司）
朱善正（胜利石油管理局无杆采油泵公司）
李勇梅（胜利石油管理局无杆采油泵公司）
参 考 文 献
［1］ 刘鸿文.材料力学(下).第3版，北京：高等教育出版社，1992：119 |
