CN102072151A - 一种利用螺杆泵井动态控制图控制螺杆泵井运行的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用螺杆泵井动态控制图控制螺杆泵井运行的方法。解决现有技术中缺乏对螺杆泵井泵况进行合理控制方法的问题。其特征在于：依据螺杆泵井的容积效率与流压之间的对应关系，依据已知数据按照前述公式编制成螺杆泵井动态控制图程序，将控制图分为五个区域即待核实区、合理工作区、参数偏小区、参数偏大区以及断脱漏失区，将运行中的螺杆泵井的容积效率与井底流压值输入计算机后即可得出该螺杆泵井在动态控制图中的定位，按照其所处分区制定调参、检泵、换泵、压裂、酸化以及调整注入井的注入量等具体措施。本方法能够指导技术人员分析泵况，可按控制图上井点的分布有针对性的制定具体措施，改善螺杆泵井生产状况，提高螺杆泵井的工作效率。

Description

一种利用螺杆泵井动态控制图控制螺杆泵井运行的方法 

技术领域：

本发明涉及一种应用于采油领域中的控制方法，具体的说是涉及一种应用于油田螺杆泵采油领域中利用动态控制图实现对螺杆泵泵况进行合理控制的动态控制方法。 

背景技术：

螺杆泵采油是新发展起来的一种机械采油工艺技术，螺杆泵采油技术具有低成本、低能耗和适应介质能力强的特点，近几年随着配套工艺的日益成熟其工业化规模不断扩大，但是由于它应用的时间短，规模尚小，所以在技术管理及生产管理上都还没有形成一套完整的方法和体系，缺乏直观衡量螺杆泵井工作状况的有效手段。然而，螺杆泵在长时间的生产运行中，井、泵状况都会发生变化，有时甚至会出现事故。如何分析这些变化，如何进行油井生产管理、潜力预测，如何进行措施分类及处理，是螺杆泵油井生产管理中不可缺少的一个重要的环节。以前螺杆泵井日常管理的常规做法，只是简单地依据螺杆泵井容积效率、沉没度的高低，人为地制定调参、检泵、换泵等措施，藉以改善螺杆泵井生产状况。由于这种方式没有对螺杆泵井的工作特性作深入分析，措施的制定具有一定的盲目性，造成了维护成本上升、措施效果不理想的结果。利用井、泵动态控制图实现螺杆泵井生产管理应该是一种较理想的方法，近些年来，抽油机井控制图已在各油田得到了广泛使用，该图对衡量抽油机的管理水平，对地区管理水平的提高起到了积极作用，但是目前还没有一种可应用于螺杆泵井控制用的动态控制图。 

发明内容：

为了解决背景技术中提出的现有技术存在的技术问题，本发明提供一种利用螺杆泵井动态控制图控制螺杆泵井运行的方法，利用该方法进行螺杆泵井的动态控制，经过实验验证后，能够指导技术人员分析泵况，便于管理和挖潜；同时可按控制图上井点的分布及各区的比例有针对性的制定调参、检泵、换泵等措施，藉以改善螺杆泵井生产状况。 

本发明的技术方案是：该种利用螺杆泵井动态控制图控制螺杆泵井运行的方法，该方法由如下步骤构成： 

①将公式2-30作为反映螺杆泵的容积效率和井底流压关系的数学关系模型； 

${\mathrm{\η}}_v=\frac{1+\frac{f_w}{(1-f_w)}}{B_o+(R_p-R_{\mathrm{sp}})\frac{(273+T_h)P_0}{288\·(P_{\mathrm{wf}}-\mathrm{\ρgh})}\·Z+\frac{f_w}{(1-f_w)}}\·\{1-K_v\frac{\sqrt{\mathrm{\ΔP}}}{\sqrt{\mathrm{\ρ}}\mathrm{nT}}\sqrt{{[1+A\frac{\mathrm{\ΔP}}{E}{\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_o}{D}\right)}^{-\mathrm{\β}}]}^3{\left[{\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_o}{D}\right)}^{\mathrm{\β}}\right]}^3}\frac{D}{e}\sqrt{\frac{T}{L}}\}---2-30$

式中：η_v为螺杆泵的容积效率；f_w为含水率；B_o为原油的体积系数；R_p为生产油气比；R_sp为校正溶解气油比；T_h为泵所在地层温度；P₀为地面大气压力；P_wf为井底流压；Z为天然气压缩系数；K_v为容积损失系数；ΔP为泵工作压力；n为转子转速；T为定子导程；A为取决于单螺杆泵衬套橡胶层厚度的一个常数值；E为单螺杆泵衬套用橡胶的弹性模数；β为取决于橡胶的弹性模数的一个常数值；δ_o为初始过盈量；L为螺杆-衬套副长度；e为偏心距；D为转子截面直径；ρ为液体密度；g为重力加速度；h为泵入口到油层中部的距离； 

②设立一个图形坐标系，横坐标为流压，纵坐标为容积效率，此图形坐标系即为螺杆泵井动态控制图，根据步骤①中的数学关系模型，在地层参数和螺杆泵的结构参数都一定的条件下，每给出一个流压值就能计算出一个容积效率值，这些点连在一起就形成了曲线，按照地层条件和螺杆泵结构参数条件取得最大、最小流压值后绘制出动态控制图中的两条曲线，为容积效率上、下边界曲线，即AB曲线和CD曲线；所述地层参数和螺杆泵的结构参数由已有的螺杆泵井数据库中选取； 

③选择容积效率范围的底限为30％，在所述螺杆泵井动态控制图上绘出容积效率的最低限定直线，即GH直线，此直线与所述容积效率上、下边界曲线相交于2点，即G点和D点； 

④将公式3-1作为反映井底流压和沉没度关系的数学关系模型 

P_wf＝P_c+ρg(h+h_c)                3-1 

式中P_c为套压；h为泵入口到油层中部的距离；h_c为沉没度；ρ为混合液的密度，此混合液的密度由公式3-2计算 

ρ＝f_wρ_w+(1-f_w)ρ_o              3-2 

式中ρ_w为水的密度；ρ_o为原油的密度；f_w为含水率；根据地层条件确定沉没度的最大合理值后代入公式3-1，计算出最大合理的井底流压值，在螺杆泵井动态控制图中确定出最大井底流压的边界线，即EF线，所述EF线分别与所述AB曲线和所述GH直线相交于E点和F点； 

⑤根据地层条件确定沉没度的最大值后代入公式3-1，计算出最大的井底流压值，在螺杆泵井动态控制图中确定出最大井底流压的边界线，即BK线，所述 BK线分别与所述AB曲线和所述GH直线相交于B点和H点； 

⑥在AB曲线的上端做一条切线与所述坐标系的纵轴交于I点，将所述坐标系的原点定义为I点； 

⑦前述步骤①～⑥将控制图分为五个区域，将这5个区域分别定义为待核实区IBAJ、合理工作区EFG、参数偏小区EBHF、参数偏大区AGDC以及断脱漏失区CDHK，所述合理工作区EFG由上边界曲线AB、合理流压EF、合理泵效GF三条曲线围成； 

⑧应用计算机编程语言编制计算机程序，按照以上①～⑦的步骤绘制出螺杆泵井动态控制图，将待检测井的井底流压和容积效率作为待输入的变量，所述计算机程序能够实现将此2变量在已经建立好的螺杆泵井动态控制图上的定位； 

⑨按照形成的定位点位于的不同区域，采取下列不同措施控制螺杆泵井，分别为： 

位于待核实区IBAJ区域中的井资料有误，需要技术人员核实产液量、流压、套压以及动液面； 

位于合理工作区EFG区域中的油井工作状况合理，只需保持工作状态； 

位于参数偏小区EBHF区域中的井，需增大螺杆泵容量或提高螺杆泵转速； 

位于参数偏大区AGDC区域中的井，需要减小螺杆泵容量或降低螺杆泵转速； 

位于断脱漏失区CDHK区域中的井，需要核实是否发生结蜡严重、泵漏以及油管漏失的情况； 

⑩按照步骤⑨对螺杆泵的泵况进行调整，直至形成的定位点位于合理工作区EFG区域中。 

本发明具有如下有益效果：本发明所述方案首先依据螺杆泵井的容积效率与流压之间的对应关系，绘制成螺杆泵井动态控制图，将运行中的螺杆泵井的对应参数代入该动态控制图中后，可以根据油井在动态控制图中的不同位置，直观的判断出该螺杆泵井的工作状况，及时反映出螺杆泵采出井采液与连通注入井供液之间是否协调、抽汲参数匹配是否合理，可以及时了解油水井动态变化情况，进一步制定出调参、检泵、换泵、压裂、酸化以及调整注入井的注入量等具体措施，进一步提高螺杆泵井的工作效率，动态控制图中井底流压从小到大，地层潜力越来越大，可以对地层能量较高的井有选择地采取技术措施，编制增产措施计划、编制增产措施计划、方案规划，实现螺杆泵井的计算机全面技术管理。本方法中所应用的动态控制图由螺杆泵的容积效率和井底流压的 数学关系模型绘制出，将螺杆泵单井的流压、容积效率值绘制到动态控制图中，直观地反映出螺杆泵井的工作状况，对于动态控制图不同区域内的螺杆泵井采取相应的措施，有针对性地进行科学管理，就达到了改善生产状况的目的，该方法填补了此领域的国内空白。 

附图说明：

图1是本发明中所涉及的螺杆泵井动态控制图示意图。 

图2是GLB500-14型泵在n＝210r/min下容积效率曲线。 

图3是GLB500-14型泵在n＝180r/min下容积效率曲线。 

图4是GLB500-14型泵在n＝150r/min下容积效率曲线。 

图5是GLB500-14型泵在n＝120r/min下容积效率曲线。 

图6是GLB500-14型泵在n＝90r/min下容积效率曲线。 

图7是GLB500-14型泵在n＝60r/min下容积效率曲线。 

图8是GLB120-27型泵在不同转速下容积效率曲线。 

图9是GLB200-25型泵在不同转速下容积效率曲线。 

图10是GLB300-21型泵在不同转速下容积效率曲线。 

图11是GLB400-18型泵在不同转速下容积效率曲线。 

图12是GLB500-14型泵在不同转速下容积效率曲线。 

图13是GLB500-20型泵在不同转速下容积效率曲线。 

图14是GLB800-18型泵在不同转速下容积效率曲线。 

图15是GLB1200-14型泵在不同转速下容积效率曲线。 

图16是螺杆泵工作特征曲线。 

图17是“螺杆泵井动态控制图”软件主界面。 

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明： 

首先对本发明中所述方法进行概述： 

本种利用螺杆泵井动态控制图控制螺杆泵井运行的方法，该方法由如下步骤构成： 

①将公式2-30作为反映螺杆泵的容积效率和井底流压关系的数学关系模 型； 

${\mathrm{\η}}_v=\frac{1+\frac{f_w}{(1-f_w)}}{B_o+(R_p-R_{\mathrm{sp}})\frac{(273+T_h)P_0}{288\·(P_{\mathrm{wf}}-\mathrm{\ρgh})}\·Z+\frac{f_w}{(1-f_w)}}\·\{1-K_v\frac{\sqrt{\mathrm{\ΔP}}}{\sqrt{\mathrm{\ρ}}\mathrm{nT}}\sqrt{{[1+A\frac{\mathrm{\ΔP}}{E}{\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_o}{D}\right)}^{-\mathrm{\β}}]}^3{\left[{\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_o}{D}\right)}^{\mathrm{\β}}\right]}^3}\frac{D}{e}\sqrt{\frac{T}{L}}\}---2-30$

式中：η_v为螺杆泵的容积效率；f_w为含水率；B_o为原油的体积系数；R_p为生产油气比；R_sp为校正溶解气油比；T_h为泵所在地层温度；P₀为地面大气压力；P_wf为井底流压；Z为天然气压缩系数；K_v为容积损失系数；ΔP为泵工作压力；n为转子转速；T为定子导程；A为取决于单螺杆泵衬套橡胶层厚度的一个常数值；E为单螺杆泵衬套用橡胶的弹性模数；β为取决于橡胶的弹性模数的一个常数值；δ_o为初始过盈量；L为螺杆-衬套副长度；e为偏心距；D为转子截面直径；ρ为液体密度；g为重力加速度；h为泵入口到油层中部的距离； 

②设立一个图形坐标系，横坐标为流压，纵坐标为容积效率，此图形坐标系即为螺杆泵井动态控制图，根据步骤①中的数学关系模型，在地层参数和螺杆泵的结构参数都一定的条件下，每给出一个流压值就能计算出一个容积效率值，这些点连在一起就形成了曲线，按照地层条件和螺杆泵结构参数条件取得最大、最小流压值后绘制出动态控制图中的两条曲线，为容积效率上、下边界曲线，即AB曲线和CD曲线；所述地层参数和螺杆泵的结构参数由已有的螺杆泵井数据库中选取； 

③选择容积效率范围的底限为30％，在所述螺杆泵井动态控制图上绘出容积效率的最低限定直线，即GH直线，此直线与所述容积效率上、下边界曲线相交于2点，即G点和D点； 

④将公式3-1作为反映井底流压和沉没度关系的数学关系模型 

P_wf＝P_c+ρg(h+h_c)                 3-1 

式中P_c为套压；h为泵入口到油层中部的距离；h_c为沉没度；ρ为混合液的密度，此混合液的密度由公式3-2计算 

ρ＝f_wρ_w+(1-f_w)ρ_o              3-2 

式中ρ_w为水的密度；ρ_o为原油的密度；f_w为含水率；根据地层条件确定沉没度的最大合理值后代入公式3-1，计算出最大合理的井底流压值，在螺杆泵井动态控制图中确定出最大井底流压的边界线，即EF线，所述EF线分别与所述AB 曲线和所述GH直线相交于E点和F点； 

⑤根据地层条件确定沉没度的最大值后代入公式3-1，计算出最大的井底流压值，在螺杆泵井动态控制图中确定出最大井底流压的边界线，即BK线，所述BK线分别与所述AB曲线和所述GH直线相交于B点和H点； 

⑥在AB曲线的上端做一条切线与所述坐标系的纵轴交于I点，将所述坐标系的原点定义为I点； 

⑦前述步骤①～⑥将控制图分为五个区域，将这5个区域分别定义为待核实区IBAJ、合理工作区EFG、参数偏小区EBHF、参数偏大区AGDC以及断脱漏失区CDHK，所述合理工作区EFG由上边界曲线AB、合理流压EF、合理泵效GF三条曲线围成； 

⑧应用计算机编程语言编制计算机程序，按照以上①～⑦的步骤绘制出螺杆泵井动态控制图，将待检测井的井底流压和容积效率作为待输入的变量，所述计算机程序能够实现将此2变量在已经建立好的螺杆泵井动态控制图上的定位； 

⑨按照形成的定位点位于的不同区域，采取下列不同措施控制螺杆泵井，分别为： 

位于待核实区IBAJ区域中的井资料有误，需要技术人员核实产液量、流压、套压以及动液面； 

位于合理工作区EFG区域中的油井工作状况合理，只需保持工作状态； 

位于参数偏小区EBHF区域中的井，需增大螺杆泵容量或提高螺杆泵转速； 

位于参数偏大区AGDC区域中的井，需要减小螺杆泵容量或降低螺杆泵转速； 

位于断脱漏失区CDHK区域中的井，需要核实是否发生结蜡严重、泵漏以及油管漏失的情况； 

⑩按照步骤⑨对螺杆泵的泵况进行调整，直至形成的定位点位于合理工作区EFG区域中。 

其次，分别对构成本方法的各个步骤进行详细描述。 

对于步骤①，下面主要描述公式2-30的由来： 

油井的生产过程是油层的“供液”能力和抽汲设备“采液”能力相互影响和不断协调的过程。理想的螺杆泵井工作状况是在一定压力条件下，油层的供液能力和井下螺杆泵的抽汲能力相适应，达到一个供采平衡状态。螺杆泵井的 容积效率即泵效，是衡量“采液”状况的技术指标，其高低受采出液中游离气、溶解气及泵本身结构特点等因素的影响。这些影响因素都与井下螺杆泵的进出口压差密切相关，即进出口压差越小，沉没度越高，容积效率越高；进出口压差越大，沉没度越低，容积效率越低。流压是衡量油井生产状况合理的条件，其大小反映油层的供液能力。在泵挂深度一定的条件下，容积效率和流压存在一种依附关系。只有合理的容积效率与流压相对应，才能提高油井的系统效率，充分发挥油井的生产能力，达到油田长期高产稳产的目的。对螺杆泵井的工作特性作深入分析，找出流压与容积效率的合理对应关系，界定出螺杆泵井合理区与非合理区的分布区域，通过制作动态控制图的手段，就可以直观地衡量螺杆泵井的工作状况，有针对性地进行科学管理与上产挖潜，这对于工业化螺杆泵采油技术，发挥螺杆泵特有的举升优势有着重要的实际意义。下面将对如何找出容积效率和流压的数学关系进行描述。 

要得出螺杆泵井容积效率和流压的数学关系，必须确定螺杆泵井容积效率的影响因素。假设存在n个影响因素，那么螺杆泵井容积效率就是： 

η_v＝η₁·η₂……η_n    1-1 

如果只考虑采出液中气体含量影响下螺杆泵井的容积效率的数学关系模型如公式1-30所示： 

${\mathrm{\η}}_v=\frac{1+\frac{f_w}{(1-f_w)}}{B_o+(R_p-R_{\mathrm{sp}})\frac{(273+\mathrm{\α}\·L)P_0}{288\·(P_{\mathrm{wf}}-\mathrm{\ρgh})}\·Z+\frac{f_w}{(1-f_w)}}---1-30$

如果只考虑螺杆泵本身特有结构影响下容积效率的数学关系模型的取得。 

在室内模拟绘制了KGLB120-27、KGLB200-25、KGLB300-21、KGLB400-18、KGLB500-14、KGLB500-20、GLB800-18、GLB1200-14共计8种泵型的螺杆泵工作 特性曲线。可以看出在泵的结构参数、衬套材料、油液物性等参数不变的情况下，压力一定时，容积效率η_v与转速n成正比，容积效率随着转速的增大而增大；转速一定的条件下，容积效率随着工作压力的增大而减小。螺杆泵容积效率的降低，即容积损失。是由于高压液体沿螺杆衬套副密封线的窜流和向泵外漏失引起的，它取决于腔室间的压力降和螺杆衬套副间的间隙或过盈值。用容积效率η_v来考虑容积损失的影响，可以用下式表示： 

${\mathrm{\η}}_v=\frac{Q_{\mathrm{th}}-q}{Q_{\mathrm{th}}}---1-44$

式中Q_th——螺杆泵的理论排量，m³； 

q——螺杆泵的漏失量，m³。 

由公式1-44得出： 

q＝(1-η_v)Q_th                  1-45 

换项得 

$1-{\mathrm{\η}}_v=\frac{q}{Q_{\mathrm{th}}}---1-46$

引入螺杆泵结构参数和工况参数，可将式(3-46)变换为下列形式： 

${\mathrm{\η}}_v=1-K_v\frac{\sqrt{\mathrm{\ΔP}}}{\sqrt{\mathrm{\ρ}}\mathrm{nT}}\sqrt{{[1+A\frac{\mathrm{\ΔP}}{E}{\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_o}{D}\right)}^{-\mathrm{\β}}]}^3{\left[{\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_o}{D}\right)}^{\mathrm{\β}}\right]}^3}\frac{D}{e}\sqrt{\frac{T}{L}}---1-47$

式中K_v——容积损失系数； 

ΔP——泵进出口压差，MPa； 

A——对一定的单螺杆泵为常数值，主要取决于衬套橡胶层厚度； 

E——衬套用橡胶的弹性模数； 

β——常数值，主要取决于橡胶的弹性模数； 

δ_o——初始过盈量，m； 

L——螺杆-衬套副长度，m。 

公式1-47为只考虑螺杆泵本身特有结构影响下容积效率的数学关系模型。 

综合考虑螺杆泵井容积效率的主要影响因素，即采出液中气体含量的影响和螺杆泵本身特有结构的影响，可知 

η_v＝η_气体影响·η_结构影响1-48 

将公式1-30和1-47结合起来，得到如下公式 

${\mathrm{\η}}_v=\frac{1+\frac{f_w}{(1-f_w)}}{B_o+(R_p-R_{\mathrm{sp}})\frac{(273+T_h)P_0}{288\·(P_{\mathrm{wf}}-\mathrm{\ρgh})}\·Z+\frac{f_w}{(1-f_w)}}\·\{1-K_v\frac{\sqrt{\mathrm{\ΔP}}}{\sqrt{\mathrm{\ρ}}\mathrm{nT}}\sqrt{{[1+A\frac{\mathrm{\ΔP}}{E}{\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_o}{D}\right)}^{-\mathrm{\β}}]}^3{\left[{\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_o}{D}\right)}^{\mathrm{\β}}\right]}^3}\frac{D}{e}\sqrt{\frac{T}{L}}\}---2-30$

公式2-30即为采油用井下螺杆泵的容积效率和井底流压的数学关系模型。 

乘积的左边是采出液中气体的含量对容积效率的影响：分子项代表螺杆泵抽汲到地面液体的相对体积，分母项代表井下进入螺杆泵的油、气、水三项的相对体积之和。乘积的右边是螺杆泵特有结构对容积效率的影响：体现了随着泵进出口压差的改变、转速的不同螺杆泵漏失量的变化规律。 

对于公式1-47的正确性，有下面的实验进行验证： 

GLB500-14型螺杆泵实测泵效和利用公式2-30计算泵效的比较。GLB500-14型螺杆泵的结构参数见表2-1。其中容积损失系数K_v根据实际计算做出了修正，取值为1.5×10^-5。 

表2-1 

现将GLB500-14型螺杆泵的结构参数带入公式2-30中，分别计算出转速为210r/min、180r/min、150r/min、120r/min、90r/min、60r/min时相应工作压力下的容积效率，绘制成图并与实测的容积效率效进行比较。如图3～图7所示，分别为GLB500-14型螺杆泵不同转速下的实测和计算容积效率图，图3到图7分别为GLB500-14型泵在n＝210r/min下容积效率曲线，GLB500-14型泵在n＝180r/min下容积效率曲线GLB500-14型泵在n＝150r/min下容积效率曲线，GLB500-14型泵在n＝120r/min下容积效率曲线GLB500-14型泵在n＝90r/min下容积效率曲线，GLB500-14型泵在n＝60r/min下容积效率曲线。由以上图可以看出，计算泵效和实测泵效相比存在较小误差。一般来说，由此公式计算出的泵效一般要比实测泵效小，实测泵效是由室内实验测得，而实际井底工况比较复杂，油井的介质是油气水的混合物，由于实际井粘度、密度及气影响，螺杆泵在井下的容积效率要比室内实验测得的值低，由公式1-47计算出的泵效值比较接近真实值。 

对于步骤②的实现，给出关于地层参数和螺杆泵的结构参数的选取方面的举例说明。公式2-30为螺杆泵的容积效率和井底流压的数学关系模型，根据此模型可绘制螺杆泵井动态控制图中的容积效率上下边界曲线。在地层参数和螺杆泵的结构参数都一定的条件下，每给出一个流压值就能计算出一个泵效值，这些点连在一起就形成了曲线。表2-4给出了地层参数的取值范围，表2-5给出了螺杆泵的结构参数取值范围。将这些数据带入公式2-30，就可以绘制出螺杆泵井动态控制图中的容积效率上下边界曲线。 

表2-4 

表2-5 

公式2-30中涉及到螺杆泵的工作压力ΔP的取值范围，图8～图15为8种泵型的螺杆泵容积效率曲线。通过分析这些螺杆泵的容积效率曲线，从而确定螺杆泵的工作压力范围。通过分析以上8种泵型的螺杆泵容积效率曲线，表2-3 列出了各种泵型螺杆泵的合理工作压力范围，经过综合分析确定出螺杆泵的合理工作压力范围为1～8MPa。工作压力在1～8MPa之间时，由8种螺杆泵不同转速下容积效率曲线图8～图15可以看出，以上螺杆泵的容积效率能保持在一个较高的水平。 

表2-3 

对于步骤③中，选择容积效率范围的界限说明如下： 

螺杆泵工作特征曲线是反映螺杆泵举升性能的曲线，也可称作螺杆泵的外特性曲线，它可以通过在室内检测试验装置上，模拟井下工况而得到。螺杆泵工作特征曲线有三条曲线组成：曲线①——容积效率η_v与工作压力ΔP的关系曲线；曲线②——转子扭矩M与工作压力ΔP的关系曲线；曲线③——系统效率η与工作压力ΔP的关系曲线。螺杆泵的工作特性曲线如图16所示，泵的容积效率随压力升高而降低，机械效率随压力升高而升高。因为在压力较低时，橡胶密封性能较好，液体漏失量很小，转子和定子橡胶几乎直接接触摩擦，由于橡胶的摩擦系数较大，摩擦损失也较大，机械效率低；当压力升高到有一些液体漏失时，容积效率缓慢降低，干摩擦变为有润油的摩擦，机械效率升高；当压力继续升高，有大量液体漏失时，容积效率开始大幅度下降，转子、定子间的摩擦变为液体之间的摩擦，摩擦损失很小，机械效率很高，螺杆泵系统效率的高效区变宽，它的最高点大约在容积效率曲线的拐弯处附近。在这一区域，泵开始被“击穿”，容积效率急剧下降，但还不是大量下降，机械效率已接近达到最大值，所以系统效率最高。有文献认为容积效率为50％以上为合理范围，也有文献认为合理容积效率为60％以上。也有文献给出的合理泵效范围为40％以上。还有文献指出，当泵效小于30％时，必须停机，否则容易烧泵。因此，该界限的选取还需要根据具体地层条件和螺杆泵条件选定。例如大庆油田采油一厂2009年 3～6月的螺杆泵井平均容积效率见下表2-6。 

表2-6 

根据采油一厂的实际情况，如表2-6所示，采油一厂螺杆泵井的平均泵效在49％左右。经过综合考虑，确定合理的容积效率范围为30％以上。如图16所示，当容积效率为30％时，螺杆泵的工作压力范围也是比较大的。 

对于步骤④和⑤中确定螺杆泵井动态控制图合理流压界限的过程描述如下：沉没度是螺杆泵抽油系统的一个重要参数。如果沉没度过高，供大于求会影响油井产量；若控制的过低，影响泵的吸入状况，使泵效降低，甚至“烧泵”。在螺杆泵实际管理中，如果片面强调高泵效是不合理的，容易造成参数偏小，不能充分发挥油层能力。而一味地降低流压也是不恰当的，容易造成参数偏大，造成泵效偏低。因此，只有确定合理的沉没度范围，才能使机采井系统效率较高，充分发挥油井生产能力。有文献认为螺杆泵井合理沉没度一般低于400m；也有文献认为合理沉没度应控制在200m-300m；也有文献认为沉没度应控制在200m-500m；还有文献认为沉没度应控制在200m～400m。综合以上文献的研究成果，结合具体油层条件可以在大庆油田采油一厂地区将螺杆泵井沉没度限定在200m～500m之间。 

沉没度越高，地层能量越大，井底流压越高；相反沉没度越低，流压也就越低，所以沉没度与流压之间存在着一定的数学关系。但井底流压不只受沉没度一个因素的影响，还受到套压、含水率、泵深、油藏中深等因素的影响。所以沉没度的高低不能全面的反映流压的大小。 

现给出井底流压和沉没度的数学关系模型 

P_wf＝P_c+ρg(h+h_c)                    3-1 

式中P_c——套压，MPa； 

h——泵入口到油层中部的距离，m； 

ρ——混合液的密度，kg/m³； 

h_c——沉没度，m。 

混合液的密度由公式3-2计算 

ρ＝f_wρ_w+(1-f_w)ρ_o    3-2 

式中ρ_w——水的密度，kg/m³； 

ρ_o——原油的密度，kg/m³。 

表3-1给出计算最大合理井底流压所需要的相关数据。 

表3-1 

螺杆泵井沉没度在200m～500m是较为合理的，现给出计算合理井底流压所需的数据，见表3-1。通过公式3-1可以计算出最大合理的井底流压值。当沉没度为500m时，计算得出井底流压为7.13MPa。综合分析给出的最大合理井底流压为7.0MPa。对于某些螺杆泵井，分析其工况时，不能只看井底流压是否在合理范围内，还要结合其沉没度的实际大小，具体情况具体分析。大庆采油一厂螺杆泵井的具体情况是，在实际生产过程中对沉没度的要求比较低，更注重泵效，当沉没度较低时，如果容积效率达到合理要求，还是可以继续生产的，视其为合理工作状态，因此这里没有给出合理流压的下限。 

对于步骤⑧中编制计算机程序时的开发应用环境的要求为：硬件环境包括主机：Pentium 5、内存：512MB以上、硬盘：80GB以上、网卡：一块以及打印机：一台CR-3240或AR-3240等即可。软件环境应用平台：WINDOWXP、Microsoft Visual Basic 6.0中文版、Microsoft Office2003，开发环境：采用Visual Basic语言编制。图17为一个编制好程序后显示的螺杆泵井动态控制图主界面。 

下面给出应用本发明所述方法后的螺杆泵井动态控制图的现场验证试验及数据。采油一厂2009年20口螺杆泵井载入动态控制图中如图18所示，根据螺杆泵井在图中的位置判断出井的工作状况，采取相应的技术措施，见表4-1、表 4-2、表4-3、表4-4。表4-1为2009年采油一厂螺杆泵井动态控制图调参井数据对比，表4-22009年采油一厂螺杆泵井动态控制图调参井数据对比。 

下表给出了6口落在参数偏小区EBHF的螺杆泵井调参前后的数据对比。 

表4-1 

如表4-1所示，井B1-63-P264、G135-52、B1-362-S631、C3-SE35、B1-1-20、G107-31落在了参数偏小区，对以上6口井采取上调转数的措施，提高螺杆泵的排液能力。经过上调转速，井B1-63-P264、G135-52、B1-362-S631、C3-SE35、B1-1-20的日产液量分别增加了15吨、16吨、25吨、6吨、9吨。其中井B1-63-P264、G135-52、B1-362-S631、B1-1-20经过调参落在了合理工作区。井G107-31经过调参泵效下降了20.6％，日产液下降了7吨。 

下表4-2给出了6口落在参数偏大区AGDC的螺杆泵井调参前后的数据对比。 

如表4-2所示，井B1-D3-471、C822-S315、CD2-SE37、B1-D6-E42、Z31-P29、B1-61-S27落在了参数偏大区，对以上6口井采取下调转速的措施。经过下调转速，井B1-D3-471、C822-S315、CD2-SE37、B1-D6-E42、Z31-P29、B1-61-S27的沉没度分别增加了449m、30.4m、78.7m、178.2m、396.6m、128.4m，泵效分别提高了4.9％、17％、3.8％、4.4％、13.6％、7.3％。其中井C822-S315、Z31-P29、B1-61-S27经过调参落在了合理工作区。井B1-63-P246落在的参数偏大区，流压为1.07MPa，泵效为27.5％。 

下表4-3给出了3口落在待核实区IBAJ的螺杆泵井核实资料前后的数据对比，2009年采油一厂螺杆泵井动态控制图待核实区井的数据。 

表4-3 

如表4-3所示，井Z1-P241、Z361-S21、Z200-P33落在了控制图外，经过重新核实生产数据，井Z1-P241、Z361-S21、Z200-P33的实际泵效分别为97.6％、99.7％、97.2％。经过核实，井Z1-P241、Z200-P33落在了合理工作区。 

下表4-4给出了4口落在断脱漏失区CDHK的螺杆泵井数据，表4-4为2009年采油一厂螺杆泵井动态控制图断脱漏失区井的数据。 

表4-4 

如表4-4所示，井C921-S316、B1-2-137、B1-320-56、G115-41落在了断脱漏失区，经过检泵，落在了合理工作区。 

通过以上过程可知，将采油一厂2009年20口螺杆泵井载入动态控制图中， 根据其所在区域，提出了相应技术措施，对12口螺杆泵井进行了调参。井B1-63-P264、G135-52、B1-362-S631、C3-SE35、B1-1-20经过上调转速日产液量分别增加了15吨、16吨、25吨、6吨、9吨，井G107-31经过上调转速泵效下降了20.6％，日产液下降了7吨；井B1-D3-471、C822-S315、CD2-SE37、B1-D6-E42、Z31-P29、B1-61-S27经过下调转速，沉没度分别增加了449m、30.4m、78.7m、178.2m、396.6m、128.4m。井Z1-P241、Z361-S21、Z200-P33经过重新核实数据，实际泵效分别为97.6％、99.7％、97.2％。经过核实，井Z1-P241、Z200-P33落在了合理工作区。井C921-S316、B1-2-137、B1-320-56、G115-41落在了断脱漏失区，经过检泵落在了合理工作区。准确率达到了90％。 

Claims (1)

1.一种利用螺杆泵井动态控制图控制螺杆泵井运行的方法，该方法由如下步骤构成：

①将公式2-30作为反映螺杆泵的容积效率和井底流压关系的数学关系模型；

${\mathrm{\η}}_v=\frac{1+\frac{f_w}{(1-f_w)}}{B_o+(R_p-R_{\mathrm{sp}})\frac{(273+T_h)P_0}{288\·(P_{\mathrm{wf}}-\mathrm{\ρgh})}\·Z+\frac{f_w}{(1-f_w)}}\·\{1-K_v\frac{\sqrt{\mathrm{\ΔP}}}{\sqrt{\mathrm{\ρ}}\mathrm{nT}}\sqrt{{[1+A\frac{\mathrm{\ΔP}}{E}{\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_o}{D}\right)}^{-\mathrm{\β}}]}^3{\left[{\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_o}{D}\right)}^{\mathrm{\β}}\right]}^3}\frac{D}{e}\sqrt{\frac{T}{L}}\}---2-30$

式中：η_v为螺杆泵的容积效率；f_w为含水率；B_o为原油的体积系数；R_p为生产油气比；R_sp为校正溶解气油比；T_h为泵所在地层温度；P₀为地面大气压力；P_wf为井底流压；Z为天然气压缩系数；K_v为容积损失系数；ΔP为泵工作压力；n为转子转速；T为定子导程；A为取决于单螺杆泵衬套橡胶层厚度的一个常数值；E为单螺杆泵衬套用橡胶的弹性模数；β为取决于橡胶的弹性模数的一个常数值；δ_o为初始过盈量；L为螺杆-衬套副长度；e为偏心距；D为转子截面直径；ρ为液体密度；g为重力加速度；h为泵入口到油层中部的距离；

②设立一个图形坐标系，横坐标为流压，纵坐标为容积效率，此图形坐标系即为螺杆泵井动态控制图，根据步骤①中的数学关系模型，在地层参数和螺杆泵的结构参数都一定的条件下，每给出一个流压值就能计算出一个容积效率值，这些点连在一起就形成了曲线，按照地层条件和螺杆泵结构参数条件取得最大、最小流压值后绘制出动态控制图中的两条曲线，为容积效率上、下边界曲线，即AB曲线和CD曲线；所述地层参数和螺杆泵的结构参数由已有的螺杆泵井数据库中选取；

③选择容积效率范围的底限为30％，在所述螺杆泵井动态控制图上绘出容积效率的最低限定直线，即GH直线，此直线与所述容积效率上、下边界曲线相交于2点，即G点和D点；

④将公式3-1作为反映井底流压和沉没度关系的数学关系模型

P_wf＝P_c+ρg(h+h_c)    3-1

式中P_c为套压；h为泵入口到油层中部的距离；h_c为沉没度；ρ为混合液的密度，此混合液的密度由公式3-2计算

ρ＝f_wρ_w+(1-f_w)ρ_o    3-2

式中ρ_w为水的密度；ρ_o为原油的密度；f_w为含水率；根据地层条件确定沉没度的最大合理值后代入公式3-1，计算出最大合理的井底流压值，在螺杆泵井动态控制图中确定出最大井底流压的边界线，即EF线，所述EF线分别与所述AB曲线和所述GH直线相交于E点和F点；

⑤根据地层条件确定沉没度的最大值后代入公式3-1，计算出最大的井底流压值，在螺杆泵井动态控制图中确定出最大井底流压的边界线，即BK线，所述BK线分别与所述AB曲线和所述GH直线相交于B点和H点；

⑥在AB曲线的上端做一条切线与所述坐标系的纵轴交于I点，将所述坐标系的原点定义为I点；

⑦前述步骤①～⑥将控制图分为五个区域，将这5个区域分别定义为待核实区IBAJ、合理工作区EFG、参数偏小区EBHF、参数偏大区AGDC以及断脱漏失区CDHK，所述合理工作区EFG由上边界曲线AB、合理流压EF、合理泵效GF三条曲线围成；

⑧应用计算机编程语言编制计算机程序，按照以上①～⑦的步骤绘制出螺杆泵井动态控制图，将待检测井的井底流压和容积效率作为待输入的变量，所述计算机程序能够实现将此2变量在已经建立好的螺杆泵井动态控制图上的定位；

⑨按照形成的定位点位于的不同区域，采取下列不同措施控制螺杆泵井，分别为：

位于待核实区IBAJ区域中的井资料有误，需要技术人员核实产液量、流压、套压以及动液面；

位于合理工作区EFG区域中的油井工作状况合理，只需保持工作状态；

位于参数偏小区EBHF区域中的井，需增大螺杆泵容量或提高螺杆泵转速；

位于参数偏大区AGDC区域中的井，需要减小螺杆泵容量或降低螺杆泵转速；

位于断脱漏失区CDHK区域中的井，需要核实是否发生结蜡严重、泵漏以及油管漏失的情况；

⑩按照步骤⑨对螺杆泵的泵况进行调整，直至形成的定位点位于合理工作区EFG区域中。

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