CN107939352A - 基于电功图的油井变排量生产调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于电功图的油井变排量生产调控方法，该基于电功图的油井变排量生产调控方法包括：步骤1，获取抽油系统在冲程的上行程所消耗的电功数据，即为上行功；步骤2，根据一个冲程的电功率数据，计算柱塞运行的有效冲程；步骤3，根据上行功，计算油井当前动液面深度；步骤4，根据柱塞运行的有效冲程，计算抽油系统泵效；步骤5，以油井当前动液面深度和抽油系统泵效的变化趋势为依据，进行油井运行参数调节。该基于电功图的油井变排量生产调控方法可提高油井生产参数调节的灵活性、及时性和准确度，实现举升系统自适应储层供液能力调整运转参数，提高举升系统效率。
Description
技术领域
本发明涉及石油开采技术领域，特别是涉及到一种基于电功图的油井变排量生产调控方法。
背景技术
低渗透油田开发过程中由于油井供液能力不足，举升系统低效运转的现象十分普遍；某些油田区块由于注水控制不均，导致油井产量波动的情况也时有发生，甚至出现间歇出液的状况。
目前举升系统只能按照设定好的参数恒速运转，在遇到供液不足、间歇出液和产量波动时，举升效率会发生较大起伏。为了降低生产成本和节能，对低产油井实行间开生产已被油田普遍接受，目前的技术焦点在于如何确定间开制度。
传统的间开生产策略其开关井计划一般固定不变，对于液量波动的油井不能及时作出适宜调整；采用流量监测、功图解释等手段来进行间开制度调整的方法，其所采用的监控仪器的可靠性有待提高。为此我们发明了一种新的基于电功图的油井变排量生产调控方法，解决了以上技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可提高油井生产参数调节的灵活性、及时性和准确度的基于电功图的油井变排量生产调控方法。
本发明的目的可通过如下技术措施来实现：基于电功图的油井变排量生产调控方法，该基于电功图的油井变排量生产调控方法包括：步骤1，获取抽油系统在冲程的上行程所消耗的电功数据，即为上行功；步骤2，根据一个冲程的电功率数据，计算柱塞运行的有效冲程；步骤3，根据上行功，计算油井当前动液面深度；步骤4，根据柱塞运行的有效冲程，计算抽油系统泵效；步骤5，以油井当前动液面深度和抽油系统泵效的变化趋势为依据，进行油井运行参数调节。
本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：
在步骤1中，对电机输入端电压、电流进行连续高频采集，形成功率数据序列，对采集形成的电功率信号，进行降噪处理，将处理好的电功率信号，截取某个完整周期的数据段，将上冲程的功率对时间积分求得上行过程消耗的总功，即为上行功，上行功大小等于上行阶段功率曲线与时间轴所包围的面积。
在步骤2中，利用Mallat塔式分解算法对一个冲程的电功率数据进行频率解离，提取出与抽油杆自振频率接近的部分，获取该部分振动起始点，由该点位置计算得到柱塞运行的有效冲程。
在步骤2中，将原始信号S看做时间的函数S＝S(t)，Mallat分解可将S(t)分解为不同频率段分量之和S(t)＝An+Dn+Dn-1+…+D2+D1，其中D相对A为高频部分，将原始信号进行一次变换，分解为低频部分A1和高频部分D1，之后进行二次变换，将A1中的低频部分A2和高频部分D2再次解离，接着可以对A2再次进行变换解离，当解离至某步骤后，发现主频与杆柱固有频率接近，则此时高频部分可作为柱塞碰击液面引起杆柱自由振动的指示信号，从此时高频部分中获取起振点位置，起振点至下死点位移即为柱塞运行的有效冲程。
在步骤3中，计算油井当前动液面深度的公式为：
L1＝L×(Wup－A)/(A－B)
其中L1：动液面深度；
L：泵挂深度；
Wup：上行功；
A、B：辅助参数，通过实测两次动液面深度来确定。
在步骤3中，利用动液面测试装置测试对应时间点处油井实际动液面深度，共采集两个点La、Lb，对应两个上行功Wupa，Wupb，利用这四个数值计算动液面公式中的参数A、B：
利用参数A、B和某个周期的上行功Wup即可推算该时刻动液面深度。
在步骤4，计算抽油系统泵效的公式为
其中η：泵效
Spe：抽油泵柱塞有效冲程
S：光杆冲程，
σ：校正系数，通过实测液量数据来确定。
步骤5包括：
①判断当前泵效η是否大于最小设定值ηm，是则进入步骤②，否则进入分支(a)；
②维持当前冲次继续生产，持续一预设时间T后进入步骤③；
③判断当前动液面深度L1是否较T时间前动液面深度L1b有所加深，是则进入步骤④，否则进入分支(b)；
④判断当前泵效η是否较T时间前泵效ηb小，是则进入步骤⑤，否则返回步骤②；
⑤减小运行冲次，新的冲次n为：
其中，nb为T时间前的冲次，A环指油套环空截面积，Dp为抽油泵等效泵径，时间T的单位为min，柱塞运行的有效冲程Spe，
执行完毕后进入步骤⑥；
⑥判断当前冲次n是否小于最小设定值nm，是则进入步骤⑦，否则进入步骤①；
⑦重置n为nm，进入步骤①，
(a)判断当前动液面深度L1是否大于最小设定值Lm，是则进入步骤(aY)，否则进入步骤(aN)；
(aY)停机，倒计时等待液面恢复，倒计时时长T停为：
其中d：油层套管内径；
ρ：井内液体密度；
Pr：目前油藏平均压力；
Ls：油井射孔段深度；
L1：停机时动液面深度；
Lk：期望的动液面恢复值；
J：油井当前采油指数；
g：重力加速度；
倒计时结束后启动抽油机并进入步骤⑦；
(aN)发出工况异常警告，然后进入步骤⑦；
(b)增大运行冲次，新的冲次n为：
执行完毕后进入步骤②。
本发明中的基于电功图的油井变排量生产调控方法，针对已经安装了电功率采集解释系统和抽油机变频运行控制系统的油井，包括运行参数调节策略和策略触发所需的判断依据的计算方法，协助控制系统根据油井供液情况自适应改变抽油系统运行参数，匹配地层供液能力，提高油井生产效率。该方法是对抽油机电机输入功率进行分析解释的油井监控技术，数据采集装置准确性、稳定性极高，安装维护方便，电功率数据分析解释方法丰富，对电功率数据应用方法进行挖掘，配合成熟的变频控制技术，可提高油井生产参数调节的灵活性、及时性和准确度，实现举升系统自适应储层供液能力调整运转参数，提高举升系统效率。本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：1、本发明技术只需测量抽油井驱动电机的电功率即可实时检测油井供液能力变化情况，所需的测量及控制装置成熟可靠，选择范围广，且可以集成于电动机控制柜内，无需外部引线及其他传感器，不易被盗或破坏，简单安全；2、本发明技术通过建立油井液面恢复过程中液面深度与时间之间的关系来预测低产井液面恢复时间，相比传统固定时间的间开计划，准确性提高，可操作性好，嵌入控制系统后可实现自动化调控。
附图说明
图1为本发明的基于电功图的油井变排量生产调控方法的一具体实施例的流程图；
图2为本发明的一具体实施例中利用单周期电功率数据计算上行功的方法示意图；
图3为本发明的一具体实施例中对采集得到的电功率数据进行Mallat分解从而得到不同频段数据序列的过程示意图；
图4为本发明的一具体实施例中对经Mallat分解得到的不同频段数据序列进行频谱分析以确认该段数据主频的方法示意图；
图5为本发明的一具体实施例中利用代表抽油杆振动信号的数据序列求解有效冲程的方法示意图；
图6为本发明的一具体实施例中控制策略的流程逻辑图。
具体实施方式
为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。
如图1所示，图1为本发明的基于电功图的油井变排量生产调控方法的流程图。
在步骤101，从电功率采集解释系统中获取抽油系统在冲程的上行程所消耗的电功数据Wup，简称为上行功。
在步骤102，利用Mallat塔式分解算法对一个冲程的电功率数据进行频率解离，提取出与抽油杆自振频率接近的部分，获取该部分振动起始点，由该点位置计算得到柱塞运行的有效冲程Spe。
在步骤103，利用以下公式计算油井当前动液面深度：
L1＝L×(Wup－A)/(A－B)
其中L1：动液面深度；
L：泵挂深度；
Wup：上行功；
A、B：辅助参数，通过实测两次动液面深度来确定。
在步骤104，利用以下公式计算抽油系统泵效：
其中η：泵效
Spe：抽油泵柱塞有效冲程
S：光杆冲程，
σ：校正系数，通过实测液量数据来确定。
在步骤105，油井运行参数调节策略为：
如图6所示，当油井在某个初始生产制度下运行时，以油井动液面深度L1和泵效η的变化趋势为依据，给出以下生产参数调节策略：
①判断当前泵效η是否大于最小设定值ηm，是则进入步骤②，否则进入分支(a)；
②维持当前冲次继续生产，持续一预设时间T后进入步骤③；
③判断当前动液面深度L1是否较T时间前动液面深度L1b有所加深，是则进入步骤④，否则进入分支(b)；
④判断当前泵效η是否较T时间前泵效ηb小，是则进入步骤⑤，否则返回步骤②；
⑤减小运行冲次，新的冲次n为：
其中，nb为T时间前的冲次，A环指油套环空截面积，Dp为抽油泵等效泵径，时间T的单位为min。
执行完毕后进入步骤⑥。
⑥判断当前冲次n是否小于最小设定值nm，是则进入步骤⑦，否则进入步骤①；
⑦重置n为nm，进入步骤①，
(a)判断当前动液面深度L1是否大于最小设定值Lm，是则进入步骤(aY)，否则进入步骤(aN)；
(aY)停机，倒计时等待液面恢复，倒计时时长T停为：
其中d：油层套管内径；
ρ：井内液体密度；
Pr：目前油藏平均压力；
Ls：油井射孔段深度；
L1：停机时动液面深度；
Lk：期望的动液面恢复值；
J：油井当前采油指数；
g：重力加速度。
倒计时结束后启动抽油机并进入步骤⑦；
(aN)发出工况异常警告，然后进入步骤⑦；
(b)增大运行冲次，新的冲次n为：
执行完毕后进入步骤②。
以下为应用本发明的一具体实施例，将本方法应用于油井时，首先需要为油井安装电功率数据采集装置和电机变频控制系统，变频控制系统可接受外部指令对电机进行控制。
抽油系统启动运行后，电功率采集装置对电机输入端电压、电流进行连续高频采集，形成功率数据序列。对采集形成的电功率信号，利用信号处理技术进行降噪，这方面技术已经成熟且广泛应用，此处不作详述。
处理好的电功率信号，截取某个完整周期的数据段，将上冲程的功率对时间积分求得上行过程消耗的总功，即为上行功，上行功大小等于上行阶段功率曲线与时间轴所包围的面积，如图2所示；与此同时，利用动液面测试装置测试对应时间点处油井实际动液面深度，共采集两个点La、Lb，对应两个上行功Wupa，Wupb，利用这四个数值计算动液面公式中的参数A、B：
利用参数A、B和某个周期的上行功Wup即可推算该时刻动液面深度。该方法可实时获取当前动液面深度。
对于抽油泵柱塞的有效冲程Spe：截取某个完整周期的电功率数据段，利用Mallat塔式分解算法将其不断解离，逐步将高频信号从原始信号中分解出来，进而将电功率信号分解为不同频率段的叠加。依据抽油杆自由振动固有频率的范围，对分解得到的频率段进行组合，得到能反映抽油杆振动情况的新数据序列。当下行程柱塞碰击液面时会引起抽油杆较大幅度的振动，并且该振动会快速衰减，根据这些特征可以从能反映抽油杆振动的数据序列中找到柱塞碰击液面引起的振动的起始点，该起始点与下死点之间的位移距离即为抽油泵柱塞的有效冲程。
具体的分解过程如下：将原始信号S看做时间的函数S＝S(t)，Mallat分解可将S(t)分解为不同频率段分量之和S(t)＝An+Dn+Dn-1+…+D2+D1，其中D相对A为高频部分，分解过程用信号图形表示如图3。先将原始信号进行一次变换，分解为低频部分A1和高频部分D1，之后进行二次变换，将A1中的低频部分A2和高频部分D2再次解离，接着可以对A2再次进行变换解离。当解离至某步骤后，例如A2解离为A3与D3，对所得的高频部分D3进行频谱分析。表1为抽油系统中抽油杆运行时的固有振动频率范围，根据该数据结合图4的分析结果来确认代表抽油杆振动信号的数据序列。
表1 抽油系统中抽油杆振动固有频率分布范围
| 类型 | 频率(Hz)范围 |
| 抽油杆振动 | 0.3～1 |
如图4，发现主频与杆柱固有频率接近，则D3可作为柱塞碰击液面引起杆柱自由振动的指示信号。从D3中获取起振点位置，起振点至下死点位移即为柱塞有效冲程Spe，如图5所示。
获取有效冲程后即可方便的计算当前泵效。
通过以上方法获取连续的动液面深度和泵效数据后，按照前述流程对抽油系统进行调节，以尽量匹配地层产能，无法匹配时，进入间抽模式等待动液面恢复，恢复等待时间的根据地层供液速度与时间的解析关系进行计算，实施流程如图6所示。
Claims (8)
1.基于电功图的油井变排量生产调控方法，其特征在于，该基于电功图的油井变排量生产调控方法包括：
步骤1，获取抽油系统在冲程的上行程所消耗的电功数据，即为上行功；
步骤2，根据一个冲程的电功率数据，计算柱塞运行的有效冲程；
步骤3，根据上行功，计算油井当前动液面深度；
步骤4，根据柱塞运行的有效冲程，计算抽油系统泵效；
步骤5，以油井当前动液面深度和抽油系统泵效的变化趋势为依据，进行油井运行参数调节。
2.根据权利要求1所述的基于电功图的油井变排量生产调控方法，其特征在于，在步骤1中，对电机输入端电压、电流进行连续高频采集，形成功率数据序列，对采集形成的电功率信号，进行降噪处理，将处理好的电功率信号，截取某个完整周期的数据段，将上冲程的功率对时间积分求得上行过程消耗的总功，即为上行功，上行功大小等于上行阶段功率曲线与时间轴所包围的面积。
3.根据权利要求1所述的基于电功图的油井变排量生产调控方法，其特征在于，在步骤2中，利用Mallat塔式分解算法对一个冲程的电功率数据进行频率解离，提取出与抽油杆自振频率接近的部分，获取该部分振动起始点，由该点位置计算得到柱塞运行的有效冲程。
4.根据权利要求3所述的基于电功图的油井变排量生产调控方法，其特征在于，在步骤2中，将原始信号S看做时间的函数S＝S(t)，Mallat分解可将S(t)分解为不同频率段分量之和S(t)＝An+Dn+Dn-1+…+D2+D1，其中D相对A为高频部分，将原始信号进行一次变换，分解为低频部分A1和高频部分D1，之后进行二次变换，将A1中的低频部分A2和高频部分D2再次解离，接着可以对A2再次进行变换解离，当解离至某步骤后，发现主频与杆柱固有频率接近，则此时高频部分可作为柱塞碰击液面引起杆柱自由振动的指示信号，从此时高频部分中获取起振点位置，起振点至下死点位移即为柱塞运行的有效冲程。
5.根据权利要求1所述的基于电功图的油井变排量生产调控方法，其特征在于，在步骤3中，计算油井当前动液面深度的公式为：
L1＝L×(Wup－A)/(A－B)
其中L1：动液面深度；
L：泵挂深度；
Wup：上行功；
A、B：辅助参数，通过实测两次动液面深度来确定。
6.根据权利要求5述的基于电功图的油井变排量生产调控方法，其特征在于，在步骤3中，利用动液面测试装置测试对应时间点处油井实际动液面深度，共采集两个点La、Lb，对应两个上行功Wupa，Wupb，利用这四个数值计算动液面公式中的参数A、B：
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利用参数A、B和某个周期的上行功Wup即可推算该时刻动液面深度。
7.根据权利要求1所述的基于电功图的油井变排量生产调控方法，其特征在于，在步骤4，计算抽油系统泵效的公式为
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其中η：泵效
Spe：抽油泵柱塞有效冲程
S：光杆冲程，
σ：校正系数，通过实测液量数据来确定。
8.根据权利要求1所述的基于电功图的油井变排量生产调控方法，其特征在于，步骤5包括：
①判断当前泵效η是否大于最小设定值ηm，是则进入步骤②，否则进入分支(a)；
②维持当前冲次继续生产，持续一预设时间T后进入步骤③；
③判断当前动液面深度L1是否较T时间前动液面深度L1b有所加深，是则进入步骤④，否则进入分支(b)；
④判断当前泵效η是否较T时间前泵效ηb小，是则进入步骤⑤，否则返回步骤②；
⑤减小运行冲次，新的冲次n为：
其中，nb为T时间前的冲次，A环指油套环空截面积，Dp为抽油泵等效泵径，时间T的单位为min，柱塞运行的有效冲程Spe，
执行完毕后进入步骤⑥；
⑥判断当前冲次n是否小于最小设定值nm，是则进入步骤⑦，否则进入步骤①；
⑦重置n为nm，进入步骤①，
(a)判断当前动液面深度L1是否大于最小设定值Lm，是则进入步骤(aY)，否则进入步骤(aN)；
(aY)停机，倒计时等待液面恢复，倒计时时长T停为：
其中d：油层套管内径；
ρ：井内液体密度；
Pr：目前油藏平均压力；
Ls：油井射孔段深度；
L1：停机时动液面深度；
Lk：期望的动液面恢复值；
J：油井当前采油指数；
g：重力加速度；
倒计时结束后启动抽油机并进入步骤⑦；
(aN)发出工况异常警告，然后进入步骤⑦；
(b)增大运行冲次，新的冲次n为：
执行完毕后进入步骤②。
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