CN102507059A - 测算抽油机井的井下损失功率的方法 - Google Patents

测算抽油机井的井下损失功率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及石油开采技术领域，具体是一种测算抽油机井的井下损失功率的方法。该方法主要解决现有测算方法不能客观反映井下损失功率的组成部分、不能妥善处理井斜轨迹的不规则性以及原油黏度随温度变化的问题。为此目的，本发明的方法包括下列步骤：测算抽油机井的井下滑动摩擦损失功率；测算抽油机井的井下黏滞摩擦损失功率；以及根据测算出的井下滑动摩擦损失功率和井下黏滞摩擦损失功率，计算抽油机井的井下损失功率。本发明的上述方法客观反映了井下损失功率的组成，并且有效避免了井斜轨迹的不规则性以及原油黏度随温度的变化对计算井下损失功率的影响，因此能够准确地计算出特定机采系统的井下损失功率，从而为系统输入功率和机采系统效率的计算和改进奠定良好的基础。

Description

测算抽油机井的井下损失功率的方法
技术领域
本发明涉及石油开采技术领域，具体是一种测算抽油机井的井下损失功率的方法。
背景技术
目前，各油田的大部分油井都采用有杆泵抽油机进行生产。为了提高抽油机井的机采系统效率，就需要了解有杆泵机采系统的能量消耗规律。在深井泵采油过程中，所消耗的能量包括用于提升所载液体的有效能量和举升过程中损失的能量。而损失的能量又包括地面损失功率和井下损失功率。因此，准确有效地测算井下损失功率对于计算和提高机采系统效率起着至关重要的作用。
现有的系统损失功率计算方法由于没有准确反映井下损失功率的组成部分、没有妥善处理井斜轨迹的不规则性以及原油黏度随温度变化等问题而不能准确地计算出特定机采系统的井下损失功率，从而无法为系统输入功率以及机采系统效率的计算和改进提供有效依据。
发明内容
本发明旨在解决上述问题。具体而言，通过开展能量分析，发明人认识到，井下损失功率主要包括黏滞阻力损失、滑动摩擦损失和水击能耗。其中，由于水击发生的时间非常短，其平均功率很低，因此在损失功率计算中可忽略不计，也就是说，井下损失功率主要包括黏滞摩擦损失功率和滑动摩擦损失功率。此外，如下文将更详细描述的，通过对各微分井段的功率进行积分求和，本发明的方法有效避免了每个微分井段的井斜角难于确定的问题。再者，在计算井下黏滞摩擦损失功率时，本发明的方法先假设各井段的黏度已知，在此基础上将各个微分井段的抽油杆长度与对应井段的黏度之积进行积分求和，并考虑抽油杆的运行速度是时间的函数，从而有效解决了原油黏度在油管内随深度及温度的不同而不断变化使得对黏滞摩擦功率损失的求解变得困难的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种测算抽油机井的井下损失功率的方法，该方法包括下列步骤：测算抽油机井的井下滑动摩擦损失功率；测算抽油机井的井下黏滞摩擦损失功率；以及根据测算出的井下滑动摩擦损失功率和井下黏滞摩擦损失功率，计算所述抽油机井的井下损失功率。
在优选实施方式中，测算抽油机井的井下滑动摩擦损失功率可进一步包括下列步骤：计算抽油杆和抽油泵柱塞在垂直于斜井管柱方向上的重力分量；计算抽油杆与油管之间的摩擦系数；获取抽油泵的柱塞直径；获取油井产液量；获取抽油泵的工作效率；以及根据所述重力分量、所述摩擦系数、所述柱塞直径、所述油井产液量以及所述油泵工作效率，计算所述抽油机井的井下滑动摩擦损失功率。具体地说，可通过下述公式来计算抽油机井的井下滑动摩擦损失功率：                                                ，其中，fk是抽油杆与油管之间的摩擦系数，Gv是抽油杆和抽油泵柱塞在垂直于斜井管柱方向上的重力分量，Q液是油井产液量，D泵是抽油泵的柱塞直径，η是抽油泵的工作效率。
在更优选的实施方式中，测算抽油机井的井下黏滞摩擦损失功率可进一步包括下列步骤：计算抽油杆的接箍系数；计算油管与抽油杆的直径比；获取50℃脱气原油的黏度；获取地表温度；获取油层深度；测算地温梯度；获取原油析蜡温度；获取油井含水率；获取井口产出液温度；以及根据所述接箍系数、所述直径比、所述原油黏度、所述地表温度、所述油层深度、所述地温梯度、所述原油析蜡温度、所述油井含水率以及所述井口产出液温度，计算所述抽油机井的井下黏滞摩擦损失功率。具体地说，可通过下述公式来计算抽油机井的井下黏滞摩擦损失功率：
Figure 911613DEST_PATH_IMAGE002
，
其中，k1是抽油杆的接箍系数，k2、k3、k4分别是实测系数，m是油管与抽油杆的直径比，μ0是50℃脱气原油的黏度，H油是油层深度，G是地温梯度，fw是油井含水率，T地表是地表温度，T析是原油析蜡温度，T井口是井口产出液温度，而C是实测常数。
在更优选的实施方式中，可根据下列公式计算所述抽油机井的井下损失功率：
Figure 753667DEST_PATH_IMAGE003
其中，fk是抽油杆与油管之间的摩擦系数，Gv是抽油杆和抽油泵柱塞在垂直于斜井管柱方向上的重力分量，Q液是油井产液量，D泵是抽油泵的柱塞直径，η是抽油泵的工作效率，k1是抽油杆的接箍系数，k2、k3、k4分别是实测系数，m是油管与抽油杆的直径比，μ0是50℃脱气原油的黏度，H油是油层深度，G是地温梯度，fw是油井含水率，T地表是地表温度，T析是原油析蜡温度，T井口是井口产出液温度，而C是实测常数。
在进一步优选的实施方式中，根据油管材料、抽油杆材料以及原油特性的不同，所述摩擦系数可以取0.05与0.18之间的值。关于此点，应当指出的是，所述摩擦系数可通过本领域已知的任何合适的方法获得，例如通过经验数据以查询表的形式获得。
在进一步优选的实施方式中，所述接箍系数k1可以取值为1.5，所述实测系数k2、k3、k4可以分别取值为0.185、-0.0189、0.0762，而所述实测常数C可以取值为152。
附图说明
通过结合附图来描述本发明的优选实施方式，本领域技术人员将能更充分地理解本发明的上述以及其他特征和优点，附图中：
图1是根据本发明的测算方法的一个优选实施方式的流程图。
具体实施方式
下文对本发明的优选实施方式的描述本质上仅仅是示例性的，并非旨在限制本发明、其应用或用途。应当指出的是，尽管该优选实施方式披露了本发明的各种具体参数和细节，但是本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围不限于这些参数和细节，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域技术人员能够对这些参数和细节做出修改、调整或等同替换，例如可以不同顺序执行所述方法中的各个步骤。此外，为了节约篇幅，本申请并没有对所涉及的每个参数的推导和计算进行详细描述，因此，当本申请中没有对某个或某些参数的获得方式进行详细描述时，应当认为所述参数为本领域技术人员所熟知并且可通过本领域已知的方法来获取，例如油泵柱塞直径、油泵工作效率、各种温度、各种实测系数以及实测参数等。
如图1所示，本发明的测算抽油机井的井下损失功率的方法包括：测算抽油机井的井下滑动摩擦损失功率；测算抽油机井的井下黏滞摩擦损失功率；以及根据测算出的井下滑动摩擦和井下黏滞摩擦损失功率，计算抽油机井的井下损失功率。
具体地说，测算抽油机井的井下滑动摩擦损失功率进一步包括：计算抽油杆和抽油泵柱塞在垂直于斜井管柱方向上的重力分量；计算抽油杆与油管之间的摩擦系数；获取抽油泵的柱塞直径；获取油井产液量；获取抽油泵的工作效率；以及根据所述重力分量、所述摩擦系数、所述柱塞直径、所述油井产液量以及所述油泵工作效率，计算抽油机井井下滑动摩擦损失功率。并且，测算抽油机井的井下黏滞摩擦损失功率进一步包括：计算抽油杆的接箍系数；计算油管与抽油杆的直径比；获取50℃脱气原油的黏度；获取地表温度；获取油层深度；测算地温梯度；获取原油析蜡温度；获取油井含水率；获取井口产出液温度；以及根据所述接箍系数、所述直径比、所述原油黏度、所述地表温度、所述油层深度、所述地温梯度、所述原油析蜡温度、所述油井含水率以及所述井口产出液温度，计算所述抽油机井的井下黏滞摩擦损失功率。
更具体地说，可根据下列公式计算抽油机井的井下损失功率：
其中，fk是抽油杆与油管之间的摩擦系数，Gv是抽油杆和抽油泵柱塞在垂直于斜井管柱方向上的重力分量，Q液是油井产液量，D泵是抽油泵的柱塞直径，η是抽油泵的工作效率，k1是抽油杆的接箍系数，k2、k3、k4分别是实测系数，m是油管与抽油杆的直径比，μ0是50℃脱气原油的黏度，H油是油层深度，G是地温梯度，fw是油井含水率，T地表是地表温度，T析是原油析蜡温度，T井口是井口产出液温度，而C是实测常数。
下面来具体描述本发明的方法和/或公式的推导过程。首先描述井下滑动摩擦损失功率的计算方法。
在深井泵生产中，存在着抽油杆与油管的滑动摩擦和活塞与泵筒之间的滑动摩擦。对于直井，由于产生摩擦阻力的正压力较小，故可忽略不计。然而在斜井中，由于有相当一部分杆柱的重量由管壁承受，运动时将产生较大的滑动摩擦功率损失。所以在斜井中，要考虑滑动能量损失。
在不考虑双向摆动的情况下，抽油杆与油管内壁的摩擦在上冲程和在下冲程中的平均功率损耗是相同的。现有测算方法不能定量地确定滑动摩擦功率损失的主要原因在于井斜轨迹的不规则性。为了确定滑动摩擦功率损失就必须确定各段井斜的正压力，由于确定每个微分井段的井斜角非常困难，因此确定每个井段的正压力也就不可行。
针对上述情形，本发明创新性地对各个微分井段的功率进行积分，由于功率的积分可转化为微分井段受力的积分和速度对时间的积分的乘积，从而可通过井斜轨迹的总水平投影长度取代各微分井段轨迹的水平投影长度，因此避免了确定各微分井段的井斜角的问题。具体地说，本发明的计算井下滑动摩擦损失功率的公式推导过程如下：
Figure 25566DEST_PATH_IMAGE004
  P 滑=f k·G v·V r     （未考虑双向摆动情形）
Figure 848028DEST_PATH_IMAGE005
因此：P 滑 ＝2f k Gv  sn
而：
Figure 177378DEST_PATH_IMAGE006
所以：
Figure 376278DEST_PATH_IMAGE007
其中：Gv= ∑ q杆·li·sinα= q杆·L水平
在上述公式中：
P 滑为井下平均滑动摩擦功率损失，简称井下滑动摩擦功率损失（Ｗ）；
f k为抽油杆与油管之间的摩擦系数，f k可取值0.05-0.18；
G v为抽油杆和抽油泵柱塞在垂直于斜井管柱方向上的重力分量（N）；
v r为抽油杆的运行速度（m/s）；
Q 液 为油井产液量（m3/s）；
D 泵为抽油泵的柱塞直径（mm）；
s为冲程（m）；
n为冲次（次/s）。
接下来描述井下黏滞摩擦损失功率的计算方法的推导过程。井下黏滞摩擦损失功率之所以产生是因为抽油杆、油管与液体间发生相对运动和被举升液体具有黏性，它的大小还要受油管直径、抽油杆直径以及运动杆柱的长度制约。
传统的计算井下黏滞摩擦损失功率的方法将井筒油管内的原油黏度看作一个恒定值，然而在原油举升过程中，它的温度是随着井筒周围的地层温度的降低而降低的，它的黏度也必然因温度的降低而升高。现场实践表明，大部分油井的原油在举升过程中会出现析蜡现象。根据原油黏温曲线可知，当原油温度降低到析蜡温度以后，其黏度会骤然升高，一般可达到地层黏度的数十倍。因此，传统的用恒定的井筒原油黏度来取代举升过程中油管内各个井段的原油黏度是不妥当的，即使在稀油井中，原油黏滞阻力都是一个不可忽略的量。传统设计忽略稀油黏滞阻力的影响的原因就在于忽略了原油黏度在举升过程中所发生的巨大变化。
本发明的方法考虑到了由于地层温度随油井深度的减小而逐渐降低从而导致原油黏度不断上升，并认识到了即使在稀油井中，井下黏滞摩擦损失功率都是不可忽略的量。具体而言，通过假设各井段的原油黏度为已知的，并且将各个微分井段的油杆长度与对应井段的黏度之积进行积分求和，并考虑抽油杆的运行速度作为时间的函数，从而推导出了井下黏滞摩擦损失功率的计算公式。具体推导过程请见下文的描述。
（1）深井泵生产中下冲程平均井下黏滞摩擦损失功率的计算公式推导：
Figure 107474DEST_PATH_IMAGE008
Figure 100838DEST_PATH_IMAGE009
Figure 855167DEST_PATH_IMAGE010
Figure 654496DEST_PATH_IMAGE011
Figure 177881DEST_PATH_IMAGE012
Figure 670042DEST_PATH_IMAGE013
Figure 911668DEST_PATH_IMAGE014
Figure 249108DEST_PATH_IMAGE015
Figure 892579DEST_PATH_IMAGE016
Figure 227746DEST_PATH_IMAGE017
Figure 18984DEST_PATH_IMAGE018
Figure 720410DEST_PATH_IMAGE020
Figure 492057DEST_PATH_IMAGE021
在上述公式中：
P 黏下为下冲程的井下黏滞摩擦损失功率（W）；
F 黏下为下冲程作用在抽油杆上的黏滞阻力（N）；
μ i 为第i段抽油杆所对应的油管内原油黏度（MPa·s）；
l  i 为第i段抽油杆的长度（m）；
m为油管与抽油杆的直径比；
v为抽油杆的运行速度（m/s）；
s为冲程（m）；
n为冲次（次/s）。
（2）深井泵生产中上冲程平均井下黏滞摩擦损失功率的计算公式推导：根据我国石油高校教材《采油工艺原理》的记载，并且根据高黏度抽油井现场资料（示功图）的分析，下冲程液柱与抽油杆杆柱间的摩擦力F黏下约为上冲程油管与液柱间摩擦力F黏上的1.3倍。由此得出上冲程平均井下黏滞摩擦损失功率的计算公式：
Figure 505012DEST_PATH_IMAGE022
在上述公式中：
P 黏上为上冲程的井下黏滞摩擦损失功率（W）；
P 黏下为下冲程的井下黏滞摩擦损失功率（W）。
（3）相应地，平均井下黏滞摩擦损失功率可按照如下公式计算：
Figure 387517DEST_PATH_IMAGE023
，
由于每根抽油杆上都有一个接箍，而上面导出的公式未考虑接箍的影响，通过实验可知，黏滞阻力因抽油杆接箍的影响将增加大约70%。故实际平均井下黏滞摩擦损失功率公式还需乘以系数1.7来修正。为此，引入接箍系数k 1并带入上面的计算公式以反应接箍的影响：
Figure 740001DEST_PATH_IMAGE024
其中：k 1为接箍系数，可取值为1.5。该接箍系数不仅直接反映了抽油杆接箍对井下黏滞摩擦损失功率的影响，而且还间接反映了平均井下黏滞摩擦损失功率与上冲程井下黏滞摩擦损失功率之间的关系。
此外，根据原油黏度曲线和油井含水率对原油黏度的影响，可确定各微分井段的油杆长度与对应井段的原油黏度之积的积分求和公式如下：
Figure 744866DEST_PATH_IMAGE025
，
而，所以：
Figure 665735DEST_PATH_IMAGE027
在上述公式中：
k 2为实测系数，可取值0.185；
k 3为实测系数，可取值-0.0189；
k 4为实测系数，可取值0.0762；
C为实测常数，可取值152；
μ 0 为50℃脱气原油的黏度（MPa·s）；
T 地层为地层油温（℃）；
T 地表为地表油温（℃）；
T 井口为井口产出液温度（℃）；
T 析为原油析蜡温度（℃）；
H 油为油层深度（m）；
G为地温梯度（
Figure 138305DEST_PATH_IMAGE028
）；
Q 液为油井产液量（m3/s）；
f w为油井含水率（％）。
接下来，将∑μ i L i 的计算公式代入上面的P黏公式，可得最终的井下黏滞摩擦损失功率计算公式：
Figure 314071DEST_PATH_IMAGE029
最后，可通过对井下滑动摩擦损失功率P滑和井下黏滞摩擦损失功率P黏求和，来得出井下损失功率的计算公式：
P 损 =P 滑+P 黏
尽管已参照优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围并不局限于这些优选实施方式，在不偏离本发明的基本原理的情况下，可以对所述实施方式以及其中的具体技术特征－例如各个计算/测算步骤进行拆分、组合或改变，拆分、组合或改变后的技术方案仍将落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种测算抽油机井的井下损失功率的方法，其特征在于包括下列步骤：
测算抽油机井的井下滑动摩擦损失功率；
测算抽油机井的井下黏滞摩擦损失功率；以及
根据测算出的井下滑动摩擦损失功率和井下黏滞摩擦损失功率，计算所述抽油机井的井下损失功率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测算抽油机井的井下滑动摩擦损失功率进一步包括下列步骤：
计算抽油杆和抽油泵柱塞在垂直于斜井管柱方向上的重力分量；
计算抽油杆与油管之间的摩擦系数；
获取抽油泵的柱塞直径；
获取油井产液量；
获取抽油泵的工作效率；以及
根据所述重力分量、所述摩擦系数、所述柱塞直径、所述油井产液量以及所述油泵工作效率，计算所述抽油机井的井下滑动摩擦损失功率。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，测算抽油机井的井下黏滞摩擦损失功率进一步包括下列步骤：
计算抽油杆的接箍系数；
计算油管与抽油杆的直径比；
获取50℃脱气原油的黏度；
获取地表温度；
获取油层深度；
测算地温梯度；
获取原油析蜡温度；
获取油井含水率；
获取井口产出液温度；以及
根据所述接箍系数、所述直径比、所述原油黏度、所述地表温度、所述油层深度、所述地温梯度、所述原油析蜡温度、所述油井含水率以及所述井口产出液温度，计算所述抽油机井的井下黏滞摩擦损失功率。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，根据下列公式计算所述抽油机井的井下损失功率：
Figure 593984DEST_PATH_IMAGE001
其中，fk是抽油杆与油管之间的摩擦系数，Gv是抽油杆和抽油泵柱塞在垂直于斜井管柱方向上的重力分量，Q液是油井产液量，D泵是抽油泵的柱塞直径，η是抽油泵的工作效率，k1是抽油杆的接箍系数，k2、k3、k4分别是实测系数，m是油管与抽油杆的直径比，μ0是50℃脱气原油的黏度，H油是油层深度，G是地温梯度，fw是油井含水率，T地表是地表温度，T析是原油析蜡温度，T井口是井口产出液温度，而C是实测常数。
5.如权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，根据油管材料、抽油杆材料以及原油特性的不同，所述摩擦系数取0.05与0.18之间的值。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述接箍系数k1取值1.5，所述实测系数k2、k3、k4分别取值0.185、-0.0189、0.0762，而所述实测常数C取值152。
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