CN103089246B - 一种有杆泵抽油井动态液位的测定方法 - Google Patents

Abstract

一种有杆泵抽油井动态液位的测定方法，测量抽油过程中电机输入功率、有杆泵抽油井日产液量、有杆泵抽油井井口油压、有杆泵抽油井井口套压、抽油机冲程、抽油机冲次、光杆在抽油机上冲程中的平均载荷和光杆在抽油机下冲程中的平均载荷；确定现场实际的油液举升高度与举升油液过程中的有效功率之间的关系、有杆泵抽油井动态液位与现场实际的油液举升高度之间的关系；计算地面损失功率、地下损失功率和溶解气体积膨胀功率，得到举升油液过程中的有效功率，进而得到现场实际的油液举升高度，得到有杆泵抽油井动态液位。本发明能实现在线连续测量，测量成本低，安全性高；不需要操作人员进行现场操作，即可完成测量。

Description

一种有杆泵抽油井动态液位的测定方法

技术领域

本发明涉及有杆泵抽油井参数测量技术领域，具体涉及一种有杆泵抽油井动态液位的测定方法。

背景技术

油田开发初期，利用地层的原始压力自喷开采，随着地层能量的逐渐消耗，自喷开采已经不能满足油田开采需要，人工举升应运而生，其目的是获得较大的井底生产压差，保证油井具有较高的产量。人工举升技术包括有杆泵、电潜泵、水力泵和气举等。有杆泵抽油工艺是应用最早也是最为广泛的人工举升方法，随着技术的不断发展，有杆泵抽油设备不断完善，在各种人工举升采油方法中，有杆泵仍居首要地位。我国约有90%的油井、全世界约80%的油井都采用有杆泵往复抽油方式进行生产。

当油井进入到非自喷阶段，由于井下供液不足等原因使得抽油泵不同程度地存在空抽或者充满度不足的现象，这不仅造成抽油设备的无效磨损，还降低了抽油机的运行效率，造成了电能的大量浪费，由此看来，准确预测地层供液的能力就变得非常重要，而通过对动态液位的监测就能够更好的实现对地层供液的能力的准确预测。因此动态液位信息对反应井下供液情况、指导生产具有重要意思。

目前实现动态液位测量的技术，大概有以下几种：

一、利用测井仪器、井下安装压力传感器并利用作业机会回收压力传感器再推算动态液位等等。这样的技术，测量的动态液位是比较准确的。但是，由于仪器和作业费用很高，不具备市场推广价值。

二、利用回声仪技术，由采油厂测量工定期测量动态液位。这是目前国内各个油田普遍采取的一种办法。这种技术的优点的是动态液位相对准确度高，缺点是无法得到实时的数据，由于发声介质使用无弹头火药子弹或氮气瓶声弹，工作有一定的危险性，并且每年的作业费用（人工、车辆、子弹）也是一个不小的数目。

三、油井现场安装电动气枪、电动氮气瓶，这样倒是实现了连续的在线测量，但是，一个油井几万元的设备费用，也使得这样的技术难以普遍使用，并且发声设备在现场容易出现问题，一个小时发声一次的计划有时无法实现。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种有杆泵抽油井动态液位的测定方法。

本发明的技术方案是：

一种有杆泵抽油井动态液位的测定方法，包括如下步骤：

步骤1：测量抽油过程中电机输入功率、有杆泵抽油井日产液量、有杆泵抽油井井口油压、有杆泵抽油井井口套压、抽油机冲程、抽油机冲次、光杆在抽油机上冲程中的平均载荷和光杆在抽油机下冲程中的平均载荷；

所述抽油过程中电机输入功率包括举升油液过程中的有效功率和举升过程中消耗的损失功率；举升油液过程中消耗的损失功率，包括地面损失功率、地下损失功率和有助于举升的含气原油的溶解气体积膨胀功率；

步骤2：根据现场的油液密度值及测量的有杆泵抽油井日产液量，确定现场实际的油液举升高度与举升油液过程中的有效功率之间的关系；

步骤3：根据测量得到的有杆泵抽油井井口油压和有杆泵抽油井井口套压，确定有杆泵抽油井动态液位与现场实际的油液举升高度之间的关系；

步骤4：根据测量得到的光杆在抽油机上冲程中的平均载荷、光杆在抽油机下冲程中的平均载荷、抽油机冲程和抽油机冲次，得到地面损失功率；

步骤5：根据现场的油液粘度、油管长度、油管管径、抽油杆径、每米抽油杆的质量和井斜的水平轨迹长度，得到地下损失功率；

步骤6：通过有杆泵抽油井日产液量、有杆泵抽油井井口油压、原油饱和压力和沉没压力，得到溶解气体积膨胀功率；

步骤7：根据得到的地面损失功率、地下损失功率和溶解气体积膨胀功率，得到举升油液过程中的有效功率；

步骤8：根据步骤2确定的现场实际的油液举升高度与举升油液过程中的有效功率之间的关系，得到现场实际的油液举升高度；

步骤9：根据步骤3确定的有杆泵抽油井动态液位与现场实际的油液举升高度之间的关系，得到有杆泵抽油井动态液位，完成有杆泵抽油井动态液位的测定。

所述的地下损失功率包括粘滞摩阻损失功率和滑动摩阻损失功率。

所述的溶解气体积膨胀功率包括两部分，一部分是溶解气因所受压力的降低而不断从原油中析出，从液态转化为气态而导致内能降低的功率，另一部分是转化成体积膨胀能而作用于举升油液过程的功率。

所述的粘滞摩阻损失功率是被举升的油液因与油管、抽油杆发生磨擦而损耗的功率。

所述的滑动摩擦损失功率是因有杆泵抽油井井斜造成的抽油杆与油管发生磨擦以及泵柱塞与泵筒间发生磨擦而损失的功率。

所述的有杆泵抽油井动态液位的测定方法所采用的测定系统，包括多功能电力仪表、无线油压变送器、套压变送器、示功图采集仪、翻斗计量器、以太网工控机和动态液位计算机；

多功能电力仪表用于测量抽油过程中电机输入功率，无线油压变送器用于测量有杆泵抽油井井口油压，套压变送器用于测量有杆泵抽油井井口套压，翻斗计量器用于测量有杆泵抽油井日产液量，示功图采集仪用于测量抽油机冲程、抽油机冲次、光杆在抽油机上冲程中的平均载荷和光杆在抽油机下冲程中的平均载荷，以太网工控机用于接收多功能电力仪表、无线油压变送器、套压变送器、示功图采集仪和翻斗计量器测量的数据，动态液位计算机用于接收以太网工控机发送的数据并进行动态液位计算。

有益效果：

结合历史数据、生产现场调研及采油过程理论分析，从采油过程中能量转换的角度建立有杆泵抽油井井下动态液位机理模型，从而得到有杆泵抽油井井下动态液位计算表达式。电机输入功率、上冲程过程平均载荷、下冲程过程平均载荷、抽油机冲程、抽油机冲次、有杆泵抽油井井口套压、有杆泵抽油井井口油压、有杆泵抽油井日产液量为有杆泵抽油井井下动态液位计算表达式中的主要变量，均可通过相应传感器实现实时检测。本发明的有杆泵抽油井井下动态液位计算方法，能实现在线连续测量，测量成本低，安全性高；不需要操作人员进行现场操作，即可完成测量；现场数据自动保存，不需要人工记录，降低数据丢失、记录错误几率。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式采用的有杆泵抽油井动态液位的测定系统示意图；

图2是本发明的具体实施方式有杆泵抽油井动态液位的测定方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

本实施方式是将有杆泵抽油井动态液位的测定方法应用到某油田，采用的有杆泵抽油井动态液位的测定系统，如图1所示，包括多功能电力仪表、无线油压变送器、套压变送器、示功图采集仪、翻斗计量器、以太网工控机和动态液位计算机；

多功能电力仪表用于测量抽油过程中电机输入功率，无线油压变送器用于测量有杆泵抽油井井口油压，套压变送器用于测量有杆泵抽油井井口套压，翻斗计量器用于测量有杆泵抽油井日产液量，示功图采集仪用于测量抽油机冲程、抽油机冲次、光杆在抽油机上冲程中的平均载荷和光杆在抽油机下冲程中的平均载荷，以太网工控机用于接收多功能电力仪表、无线油压变送器、套压变送器、示功图采集仪和翻斗计量器测量的数据，动态液位计算机用于接收以太网工控机发送的数据并进行动态液位计算。

本实施方式中，无线油压变送器（CSY-3GD）和套压变送器（CSY-3GD）安装在有杆泵抽油井的井口处，示功图采集仪(NEU-COL)安装在有杆泵抽油机的驴头处，通过无线方式将数据传输到连接在以太网工控机2(NEU-TCPIP)的无线通讯接收RTU(NEU-RTU)上；通过Zigbee的无线传输方式，将检测到的采油井交流电机电流、电压数据传输到以太网工控机1上；通过无线Zigbee传输模块(SZ02-232)，将有杆泵抽油井的日产液量数据传输到以太网工控机1(NEU-TCPIP)上；以太网工控机1(NEU-TCPIP)、以太网工控机2(NEU-TCPIP通过交换机将数据传送到无线AP(从站1)上，利用无线方式将数据传送到无线AP(主站) (RSM5)，最终传输到动态液位计算机上，进行动态液位的计算。

本实施方式的有杆泵抽油井动态液位的测定方法，如图2所示，包括如下步骤：

步骤1：测量抽油过程中电机输入功率、有杆泵抽油井日产液量、有杆泵抽油井井口油压、有杆泵抽油井井口套压、抽油机冲程、抽油机冲次、光杆在抽油机上冲程中的平均载荷和光杆在抽油机下冲程中的平均载荷；

抽油过程中电机输入功率包括举升油液过程中的有效功率和举升过程中消耗的损失功率，公式如下：

$P=P_{\mathrm{ef}}+P_O---\left(1\right)$

式中，P为抽油过程中电机输入功率，P_ef为举升油液过程中的有效功率，P_O为举升油液过程中消耗的损失功率，包括地面损失功率、地下损失功率和有助于举升的含气原油的溶解气体积膨胀功率；

步骤2：根据现场的油液密度值及测量的有杆泵抽油井日产液量，确定现场实际的油液举升高度与举升油液过程中的有效功率之间的关系，公式如下：

$P_{\mathrm{ef}}=\frac{1}{86400}\mathrm{Q\ρgh}---\left(2\right)$

其中，Q为有杆泵抽油井日产液量，ρ为现场的油液密度值，g是重力加速度，h是现场实际的油液举升高度；

步骤3：根据测量得到的有杆泵抽油井井口油压和有杆泵抽油井井口套压，确定有杆泵抽油井动态液位与现场实际的油液举升高度之间的关系，公式如下：

$h=h_d+1000\frac{(p_w-p_c)}{\mathrm{\ρmg}}---\left(3\right)$

其中，h_d为有杆泵抽油井动态液位，p_w为有杆泵抽油井井口油压，p_c为有杆泵抽油井井口套压；

步骤4：根据测量得到的光杆在抽油机上冲程中的平均载荷、光杆在抽油机下冲程中的平均载荷、抽油机冲程和抽油机冲次，得到地面损失功率，

地面损失功率P_u公式如下：

$P_u=P_d+k_1(F_u-F_d)\mathrm{sn}+k_2(F_u+F_d)\mathrm{sn}---\left(4\right)$

其中，P_u为地面损失功率；P_d为电机空载功率；F_u为光杆在抽油机上冲程中的平均载荷，F_d为光杆在抽油机下冲程中的平均载荷；k₁为传输功率的传导系数；k₂为光杆功率；s为冲程，n为冲次；

传输功率的传导系数k₁按如下公式获得：

其中，η_毛为抽油机毛辫子同抽油机驴头联接的机械效率；η_中为抽油机中轴承的机械效率；η_尾为抽油机尾轴承的机械效率；η_梁为抽油机横梁与连杆联接的机械效率；η_曲为抽油机曲柄销子的机械效率；η_速抽油机变速箱联接的机械效率；η_皮为皮带效率；η_机电机的机械效率；

光杆功率k₂按如下公式获得：

k₂=(1-η_皮)(2-η_机)+1-η_机   （6）

步骤5：根据现场的油液粘度、油管长度、油管管径、抽油杆径、每米抽油杆的质量和井斜的水平轨迹长度，得到地下损失功率，地下损失功率包括粘滞摩阻损失功率和滑动摩阻损失功率；

粘滞摩阻损失功率是被举升的油液因与油管、抽油杆发生磨擦而损耗的功率。

粘滞摩阻损失功率P_r的公式如下：

$P_r=1.5{\mathrm{\π}}^3{s}^2{n}^2\mathrm{ul}\frac{m^2-l}{(m^2+l)\ln m-(m^2-l)}---\left(7\right)$

其中，P_r为粘滞摩阻损失功率；u为油液粘度，l为油管长度，由现场提供的技术资料获得；m的值等于油管管径除以油杆径；s为冲程，n为冲次，由示功图采集仪读出。

滑动摩擦损失功率是因有杆泵抽油井井斜造成的抽油杆与油管发生磨擦以及泵柱塞与泵筒间发生磨擦而损失的功率。

滑动摩阻损失功率P_k的公式如下：

$P_k=2f_k\mathrm{qgLsn}---\left(8\right)$

其中，P_k为滑动摩阻损失功率；f_k为油杆与油管的摩擦系数；q为每米油杆的质量；L为井斜的水平轨迹长度。

步骤6：通过有杆泵抽油井日产液量、有杆泵抽油井井口油压、原油饱和压力和沉没压力，得到溶解气体积膨胀功率；

所述的溶解气体积膨胀功率包括两部分，一部分是溶解气因所受压力的降低而不断从原油中析出，从液态转化为气态而导致内能降低的功率，另一部分是转化成体积膨胀能而作用于举升油液过程的功率。

溶解气体积膨胀功率P_e公式如下：

$P_e=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{10}^5\mathrm{\&alpha;}{Q}_0{p}_b}{86400}\ln \frac{10p_b+1}{10p_w+1}& (p_s\&GreaterEqual;p_b,p_w<p_b)\\ 0& (p_s\&GreaterEqual;p_b,p_w\&GreaterEqual;p_b)\\ \frac{{10}^5\mathrm{\&alpha;}{Q}_0{p}_b}{86400}\ln \frac{10p_b+1}{10p_{w+1}}& (p_s<p_b,p_w>p_b)\\ 0& (p_s<p_b,p_w\&GreaterEqual;p_b)\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中，P_e为溶解气体积膨胀功率；α为溶解系数；Q₀为产油量；p_b为原油饱和压力；p_w为井口油压；p_s为沉没压力。

步骤7：根据得到的地面损失功率、地下损失功率和溶解气体积膨胀功率，得到举升油液过程中的有效功率；

步骤8：根据步骤2确定的现场实际的油液举升高度与举升油液过程中的有效功率之间的关系，得到现场实际的油液举升高度；

步骤9：根据步骤3确定的有杆泵抽油井动态液位与现场实际的油液举升高度之间的关系，得到有杆泵抽油井动态液位，完成有杆泵抽油井动态液位的测定。

现场实际使用中，本实施方式的有杆泵抽油井动态液位的测定方法测定的动态液位与现有技术中的回声法测定的动态液位数据如表1所示：

计算方法	回声法	误差率
			1792	1776	0.9%
1789	1789.4	-0.02%
			1774.6	1772	0.15%
1766	1766	0%
			1777.9	1782.8	-0.27%
1754.9	1754	0.05%
			1760	1760	0%
1773.8	1751	1.29%
			1746.9	1745	0.07%

本实施方式的有杆泵抽油井动态液位的测定方法与现有技术中的回声法相比较具有以下的优点：在线连续测量，测量成本低，安全性高；一次安装后，不需要操作人员进行现场操作，即可完成测量；现场数据自动保存，不需要人工记录，降低数据丢失、记录错误几率。

Claims (2)

1.一种有杆泵抽油井动态液位的测定方法，包括如下步骤：

步骤1：测量抽油过程中电机输入功率、有杆泵抽油井日产液量、有杆泵抽油井井口油压、有杆泵抽油井井口套压、抽油机冲程、抽油机冲次、光杆在抽油机上冲程中的平均载荷和光杆在抽油机下冲程中的平均载荷；

所述抽油过程中电机输入功率包括举升油液过程中的有效功率和举升过程中消耗的损失功率；举升油液过程中消耗的损失功率，包括地面损失功率、地下损失功率和有助于举升的含气原油的溶解气体积膨胀功率；

步骤2：根据现场的油液密度值及测量的有杆泵抽油井日产液量，确定现场实际的油液举升高度与举升油液过程中的有效功率之间的关系；

步骤3：根据测量得到的有杆泵抽油井井口油压和有杆泵抽油井井口套压，确定有杆泵抽油井动态液位与现场实际的油液举升高度之间的关系；

步骤4：计算地面损失功率；

步骤5：根据现场的油液粘度、油管长度、油管管径、抽油杆径、每米抽油杆的质量和井斜的水平轨迹长度，得到地下损失功率；

步骤6：通过有杆泵抽油井日产液量、有杆泵抽油井井口油压、原油饱和压力和沉没压力，得到溶解气体积膨胀功率；

步骤7：根据得到的地面损失功率、地下损失功率和溶解气体积膨胀功率，得到举升油液过程中的有效功率；

步骤8：根据步骤2确定的现场实际的油液举升高度与举升油液过程中的有效功率之间的关系，得到现场实际的油液举升高度；

步骤9：根据步骤3确定的有杆泵抽油井动态液位与现场实际的油液举升高度之间的关系，得到有杆泵抽油井动态液位，完成有杆泵抽油井动态液位的测定；

其特征在于：所述步骤4是根据测量得到的光杆在抽油机上冲程中的平均载荷、光杆在抽油机下冲程中的平均载荷、抽油机冲程和抽油机冲次，计算地面损失功率；

地面损失功率P_u公式如下：

P_u＝P_d+k₁(F_u-F_d)sn+k₂(F_u+F_d)sn   (4)

其中，P_u为地面损失功率；P_d为电机空载功率；F_u为光杆在抽油机上冲程中的平均载荷，F_d为光杆在抽油机下冲程中的平均载荷；k₁为传输功率的传导系数；k₂为光杆功率的传导系数；s为冲程，n为冲次；

传输功率的传导系数k₁按如下公式获得：

其中，η_毛为抽油机毛辫子同抽油机驴头联接的机械效率；η_中为抽油机中轴承的机械效率；η_尾为抽油机尾轴承的机械效率；η_梁为抽油机横梁与连杆联接的机械效率；η_曲为抽油机曲柄销子的机械效率；η_速抽油机变速箱联接的机械效率；η_皮为皮带效率；η_机电机的机械效率；

光杆功率的传导系数k₂按如下公式获得：

k₂＝(1-η_皮)(2-η_机)+1-η_机   (6)。

2.如权利要求1所述的有杆泵抽油井动态液位的测定方法所采用的远程实时在线测定系统，包括多功能电力仪表、无线油压变送器、套压变送器、示功图采集仪、翻斗计量器、以太网工控机和动态液位计算机、无线AP；

多功能电力仪表用于测量抽油过程中电机输入功率，无线油压变送器用于测量有杆泵抽油井井口油压，套压变送器用于测量有杆泵抽油井井口套压，翻斗计量器用于测量有杆泵抽油井日产液量，示功图采集仪用于测量抽油机冲程、抽油机冲次、光杆在抽油机上冲程中的平均载荷和光杆在抽油机下冲程中的平均载荷，以太网工控机用于接收多功能电力仪表、无线油压变送器、套压变送器、示功图采集仪和翻斗计量器测量的数据，动态液位计算机用于接收以太网工控机发送的数据并进行动态液位计算；

其特征在于：示功图采集仪安装在有杆泵抽油机的驴头处，示功图采集仪、无线套压变送器、无线油压变送器通过无线通讯接收RTU与以太网工控机进行数据通讯，多功能电力仪表通过无线zigbee传输模块与以太网工控机进行数据通讯，翻斗计量器通过无线zigbee传输模块与以太网工控机进行数据通讯，通过无线AP远程传输至作业区动态液位计算机实时在线计算有杆泵抽油井动态液位。