CN108979602A - 一种采油机节能装置及油井动液面模型估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采油机节能装置及油井动液面模型估计方法，对恢复模型，当采油机停机等待液面恢复时，确定采油机关机后油井动液面恢复高度的动液面恢复模型；对于下降模型，当采油机工作时，确定采油机开机生产后动液面高度的动液面下降模型；根据停歇时间与工作时间建立动液面恢复与下降模型参数估计关系，根据拟牛顿法求解最优化问题得到动液面恢复与下降模型参数，进而完成油井动液面模型建模工作，计算得到动液面恢复和下降目标高度为稳定高度的95％后采油机的最优停歇时间与工作时间。本发明根据动液面高度变化规律，采用动液面模型估计方法，针对低渗透油田供液能力不足，能够实现智能间抽、流量检测、监测保护、界面显示、文件传输等功能。
Description
技术领域
本发明属于原油开采技术领域，具体涉及一种低产油井的间歇采油节能控制装置及动液面模型评估方法。
背景技术
我国大部分油田都属于低渗透油田，普遍存在油井供液能力不足的问题，其中30％以上采油机长期处于空抽状态，能量浪费严重，不仅损耗经济效益，而且长期空抽会产生泵空和液击的现象，对采油设备造成严重的损坏，影响系统安全运行。采油机间抽机制是一种应对油井供液能力不足问题的有效方案，对提高油井效率与实现企业节能降耗有着重大意义。合理地制定与设计间抽机制能保证油井供采协调，发挥油井产能，同时减少采油机工作时间，降低运行成本。
低产井间抽机制设计方法主要有示功图法，固定采油间隔法，动液面检测法等。其中，示功图法是通过在抽油杆上安装传感器来检测抽油杆的负载情况，根据负载随时间的变化绘制示功图，进而利用示功图中的图像特征估计井底供液情况并适时采取停机动作。该方法虽然可以监测到井底供液情况，但是由于示功图图形复杂，很难进行自动识别，造成工作量繁重，准确性不高，采油机启停的随机性大。
固定采油间隔法需要人工地设定采油机工作时间与停歇时间，虽然可以起到一定的节能效果，但是人为设定的工作时间与停歇时间经常无法与油井实际蓄液情况相匹配，很难达到最佳的节能效果，影响油井产能。
动液面检测法是诸多低产井间抽机制设计方法中较为准确的方法，该方法通过检测井下动液面高度随停机及采油行动变化的曲线，建立油井动液面高度恢复模型与下降模型。该模型也用于估计井下实时动液面实时高度，进而可优化采油机工作时间与停歇时间，实现最优间抽功能。然而由于动液面高度的检测需要特殊设备进行专门的动液面检测实现，不仅造成其获得成本高昂、操作复杂，而且该模型不能实时在线获得。另外，由于动液面模型会随气候、降水、温度、井下压力波动等因素影响发生变化，通过实验得到的动液面模型往往不能反映实时动液面模型的变化，预测出的动液面高度与实际有较大偏差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种采油机节能装置及油井动液面模型估计方法，方便地估计动液面模型，智能地设定最优间采间隔，提高采油机产能效率。
本发明采用以下技术方案：
一种油井动液面模型估计方法，对于恢复模型，当采油机停机等待液面恢复时，确定采油机关机后油井动液面恢复高度Hs(t)的动液面恢复模型；对于下降模型，当采油机工作时，确定采油机开机生产后动液面高度HL(t)的动液面下降模型；根据停歇时间t1与工作时间τ1建立动液面恢复与下降模型参数估计关系，根据拟牛顿法求解最优化问题得到动液面恢复与下降模型参数，进而完成油井动液面模型建模工作，计算得到动液面恢复和下降目标高度为稳定高度的95％后采油机的最优停歇时间top与工作时间τop。
具体的，恢复模型中，令根据井底流压的变化dPwf计算采油机关机后油井动液面恢复高度Hs(t)如下：
其中，HSb为采油机关机后油井动液面达到平衡后不再升高的高度，HLb为油机开机生产后动液面达到平衡后高度，DL为井筒条件下液体的平均密度，g为重力加速度，Jo为采油指数，A为管柱的环空截面，fo为关井前的含油率，t为关机时间。
进一步的，井底流压的变化dPwf计算如下：
其中，dv为在dt时间内流入管柱中的流体体积，dHS为油井关井后液面升高的高度。
具体的，下降模型中，令采油机开机生产后动液面高度HL(t)的动液面下降模型如下：
其中，HSb为油机关机后油井动液面达到平衡后不再升高的高度，Bo为井筒条件下油的体积系数，Qu为地面平均产量，JL为采液指数，DL为井筒条件下液体的平均密度，g为重力加速度，t为开机时间，A为管柱的环空截面。
进一步的，设油井从开始生产到平衡时，其地面平均产量为Qu，地层平均产量为Qd，井筒条件下油的体积系数为Bo，整理得dt如下：
其中，dHL为油井关井后液面升高的高度。
具体的，在动液面高度处于临界出油液面H0、流量传感器无信号的情况下，首先使采油机停歇t1时间，根据简化后的动液面恢复模型动液面高度恢复至H1，然后开启采油机，工作直至流量传感器无信号，动液面高度再次下降至临界油液面，记工作时间为τ1，将停歇时间t1与工作时间τ1记录为一组数据，选取不同的停歇时间t2，…tn，记录对应工作时间τ2，…τn，建立停歇时间后的动液面恢复高度与采油机工作时初始动液面高度的等式，定义目标函数F(a1,a2,b1,b2,c1,c2)并求解最小化，完成油井动液面模型建模工作。
进一步的，定义目标函数F(a1,a2,b1,b2,c1,c2)如下：
求解目标函数F(a1,a2,b1,b2,c1,c2)最小化如下：
进一步的，停歇时间后的动液面恢复高度与采油机工作时初始动液面高度的等式如下：
其中，令DL为井筒条件下液体的平均密度，g为重力加速度，Jo为采油指数，A为管柱的环空截面，fo为关井前的含油率，JL为采液指数。
进一步的，动液面恢复和下降目标高度为稳定高度的95％后采油机最优停歇时间top与工作时间τop计算如下：
一种利用所述估计方法的采油机节能装置，包括处理器、流量传感器、电流传感器和继电器，流量传感器和电流传感器的一端分别与采油机连接，另一端分别与处理器连接，处理器接收流量传感器与电流传感器的信号，监测采油机工作状态，处理器通过继电器与采油机三相供电连接，根据所述动液面模型估计方法计算最优工作时间与停歇时间，控制继电器输出实现间抽或设备保护，处理器还分别与数据通讯接口和人机交互连接，数据通讯接口用于数据传输，人机交互用于通过触摸式液晶屏显示采油机当前工作状态、采油机历史运行数据、实时节能率以及控制处理器。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种油井动液面模型估计方法，对于恢复模型，当采油机停机等待液面恢复时，确定采油机关机后油井动液面恢复高度Hs(t)的动液面恢复模型；对于下降模型，当采油机工作时，确定采油机开机生产后动液面高度HL(t)的动液面下降模型；根据停歇时间t1与工作时间τ1建立动液面恢复与下降模型参数估计关系，根据拟牛顿法求解最优化问题得到动液面恢复与下降模型参数，进而完成油井动液面模型建模工作，计算得到动液面恢复和下降目标高度为稳定高度的95％后采油机的最优停歇时间top与工作时间τop，根据估计得到的动液面模型优化得到了最优采油机工作时间与停歇时间，实现油井产量提高、效率提升，在大幅度节能降耗的同时实现了安全高效生产，并且当采油机工作环境发生改变时，可以依据采油机的工作数据在线更新模型。
进一步的，建立动液面恢复模型能够准确估计采油机关机后动液面恢复高度随时间的变化趋势。
进一步的，建立动液面下降模型能够准确估计采油机开机后动液面的下降高度随时间的变化趋势。
进一步的，通过建立停歇时间后的动液面恢复高度与采油机工作时初始动液面高度的等式，可以估计得到动液面恢复与下降模型的参数。
进一步的，设定动液面恢复和下降目标高度为稳定高度的95％后计算出的最优停歇时间top，保证了采油机停歇时间最短，不减产，计算出最优工作时间τop，保证了采油效率最优，在低产状态下停止采油。
本发明还公开了一种利用所述估计方法进行控制的采油机节能装置，处理器分别接收流量传感器和电流传感器采集的信号，通过继电器与采油机三相供电连接，根据所述动液面模型估计方法计算最优工作时间与停歇时间，控制继电器输出实现间抽或设备保护，整个装置结构简单，成本较低，不需要昂贵复杂的传感器设备实际测量动液面高度，而仅依靠采油机工作时间与停歇时间数据，就可以估计出油井动液面恢复与下降模型参数。
综上所述，本发明根据动液面高度变化规律，采用动液面模型估计方法，针对低渗透油田供液能力不足，能够实现智能间抽、流量检测、监测保护、界面显示、文件传输等功能。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明连接示意图；
图2为本发明井筒液面示意图，其中，(a)为关机恢复时，(b)为开机生产时；
图3为本发明油井动液面模型估计方法示意图，其中，(a)为恢复曲线，(b)为下降曲线。
其中：1.处理器；2.继电器；3.数据通讯接口；4.人机交互；5.流量传感器；6.电流传感器。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种采油机节能装置，通过记录一系列采油机工作时间与停歇时间数据，估计动液面恢复与下降模型，并据此预测动液面实时高度，进而设计最优的采油机工作时间与停歇时间，在油井不减产的情况下，实现效率提升。不仅操作简单成本较低，而且可以适应油井动液面模型的参数变化，能在线更新动液面模型。
请参阅图1，本发明一种采油机节能装置，包括处理器1、流量传感器5、电流传感器6、继电器2、人机交互4和数据通讯接口3；流量传感器5和电流传感器6的一端分别与采油机连接，分别用于检测出油和电流情况，另一端分别与处理器1连接，处理器1接收流量传感器5与电流传感器6的信号，监测采油机工作状态，处理器1通过继电器2与采油机三相供电连接，根据动液面模型估计方法计算最优工作时间与停歇时间，控制继电器2输出实现间抽或设备保护，数据通讯接口3和人机交互4分别与处理器1连接，用于控制和数据传输。
流量传感器5用于实时检测采油机当前出油状态，一般分为数字型与模拟型，数字型流量传感器通过输出高低电平反映采油机出油情况，而模拟型流量传感器通过输出电流或电压值大小反映采油机出油量大小。
电流传感器6用于测量采油机供电电流，通过A/D转换器采样传给处理器1，如果出现断相或过载的现象，节能装置将控制采油机停机，保护电机避免损坏。
继电器2接收处理器1的指令，接通或切断采油机三相供电电流来实现间抽或设备保护。
人机交互4通过触摸式液晶屏显示采油机当前工作状态、采油机历史运行数据、实时节能率，也可根据用户操作修改系统工作参数，采油机的工作数据保存至存储器文件系统中，并且可以通过数据通讯接口3将工作文件传输至接收用户。
一种油井动液面模型估计方法，具体步骤如下：
S1、油井动液面模型
油井动液面模型分为恢复模型与下降模型，其中，恢复模型是指采油机停抽等待液面恢复时，动液面恢复高度与时间的关系；下降模型是指采油机工作时，动液面下降高度与时间的关系。
S101、恢复模型
假设采油机关机后油井动液面恢复高度为Hs(t)，达到平衡后不再升高的高度为HSb，如图2所示，管柱的环空截面为A，管柱的总高度为H，在dt时间内流入管柱中的流体体积为dv，油井关井后液面升高的高度为dHS，井底流压的变化dPwf计算如下：
其中，DL为井筒条件下液体的平均密度，g为重力加速度，对井底流压的变化dPwf求导后结合达西定律可得
式中，Pr为动液面稳定时的井底流压，令两边积分得到井底流压Pwf(t)如下：
Pwf(t)＝Pr-(Pr-Pwf0)e-Ct (3)
式中，Pwf0为油井正常生产时的流压。
由于井底流压Pwf(t)＝Pwf0+[HLb-HS(t)]DLg，因此，联立上两式可得，
Pr-(Pr-Pwf0)e-Ct＝Pwf0+[HLb-HS(t)]DLg (4)
当t→∞时，Pr＝Pwf0+[HLb-HSb]DLg，代入式(4)可得
Hs(t)＝HSb+(HLb-HSb)e-Ct (5)
S102、下降模型
假设采油机开机生产后动液面高度为HL(t)，达到平衡后高度为HLb，设在经过时间dt后，液面下降了dHL，油井刚开始生产时其产量的变化是逐渐减小，而地层的产量是逐渐增大，两者直至平衡，动液面不再变化为止。
如图2所示，设油井从开始生产到平衡时，其地面平均产量为Qu，地层平均产量为Qd，井筒条件下油的体积系数为Bo，则在dt内：
(BoQu-Qd)dt＝AdHL (6)
其中，Qd＝JL(Pe-Pwf)＝JLDLg[HL(t)-HSb]
式中，JL为采液指数，Pe为动液面稳定时井底压力，Pwf为井底流压。
对式(6)整理得
令对两边同时积分得到下式：
整理得则
S103、动液面模型一般形式
根据式(5)结论，当采油机停机等待液面恢复时，动液面恢复高度与时间的关系可以简化为式(10)：
根据式(9)结论，当采油机工作时，动液面下降高度与时间的关系可以简化为式(11)：
S2、间抽机制设计
临界出油液面是指采油机持续工作，直至无法出油、流量传感器无信号时动液面的高度，可以用H0表示。
在动液面高度处于临界出油液面H0、流量传感器无信号的情况下，首先使采油机停歇t1时间，根据式(10)动液面恢复模型，动液面高度恢复至H1，然后开启采油机，工作直至流量传感器无信号，动液面高度再次下降至临界油液面，记这段工作时间为τ1，将停歇时间t1与工作时间τ1记录为一组数据，因为停歇t1时间后的动液面恢复高度与采油机工作时初始动液面高度一致，所以可以建立等式(12)，
重复以上操作，选取不同的停歇时间t2，…tn，记录对应工作时间τ2，…τn，可以建立等式组(13)。
定义目标函数F(a1,a2,b1,b2,c1,c2)如式(14)所示：
则动液面恢复与下降模型参数估计问题可以转化为求解目标函数F(a1,a2,b1,b2,c1,c2)最小化问题(15)如下：
由于待求解的最优化问题为二次型问题，所以根据拟牛顿法可以求解最优化问题得到动液面恢复与下降模型参数进而完成油井动液面模型建模工作。
通过动液面恢复与下降模型可以看出，当动液面恢复到一定高度后，液面增长会变得十分缓慢。同理，当动液面降低到一定高度后，液面下降也会变得十分缓慢。所以，如果等待动液面恢复至稳定高度再开机，或是等待动液面下降至稳定高度再停机，会降低采油机效率，影响油井的经济效益。
因此，设定动液面恢复和下降目标高度为稳定高度的95％以提高采油效率，通过式(10)与式(11)，可简单计算得到动液面恢复的稳定高度动液面下降的稳定高度则设定动液面恢复和下降目标高度为稳定高度的95％后采油机最优停歇时间top与工作时间τop可以通过式(16)获得。
由于动液面处于地表以下，因此，用负数表示如下：
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明采油机节能装置在油井现场的工作步骤如下：
(1)启动装置电源开关，启动装置；
(2)电流传感器测量采油机供电电流，实时监测采油机电机三相电流值，进行断相或过载保护；
(3)开启电机采油，采油机持续工作直至无流量，动液面下降至临界采油液面；
(4)如图3所示，先使采油机停歇1h，然后采油机工作直至流量传感器无信号时，记录工作时间τ1。之后依此使采油机停歇1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h，重复以上操作记录工作时间τ2、τ3、τ4、τ5、τ6、τ7、τ8，得到八组采油和停机时长数据；根据以上数据构建最优化问题如下：
利用拟牛顿法求解该最小化问题可以得到动液面恢复与下降模型参数
(5)设定动液面恢复和下降目标高度与稳定高度的百分比为95％，则采油机最优停歇时间top与工作时间τop可以通过下式获得；
(6)保存最优停歇时间top与工作时间τop，使继电器输出控制采油机停歇top时间与工作τop时间，并在交互界面显示工作区间与当前工作状态；
(7)采油机的工作数据保存至存储器文件系统中，并且可以通过数据通讯接口将工作文件传输至接收用户。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种油井动液面模型估计方法，其特征在于，对于恢复模型，当采油机停机等待液面恢复时，确定采油机关机后油井动液面恢复高度Hs(t)的动液面恢复模型；对于下降模型，当采油机工作时，确定采油机开机生产后动液面高度HL(t)的动液面下降模型；根据停歇时间t1与工作时间τ1建立动液面恢复与下降模型参数估计关系，根据拟牛顿法求解最优化问题得到动液面恢复与下降模型参数，进而完成油井动液面模型建模工作，计算得到动液面恢复和下降目标高度为稳定高度的95％后采油机的最优停歇时间top与工作时间τop。
2.根据权利要求1所述的一种油井动液面模型估计方法，其特征在于，恢复模型中，令根据井底流压的变化dPwf计算采油机关机后油井动液面恢复高度Hs(t)如下：
其中，HSb为采油机关机后油井动液面达到平衡后不再升高的高度，HLb为油机开机生产后动液面达到平衡后高度，DL为井筒条件下液体的平均密度，g为重力加速度，Jo为采油指数，A为管柱的环空截面，fo为关井前的含油率，t为关机时间。
3.根据权利要求2所述的一种油井动液面模型估计方法，其特征在于，井底流压的变化dPwf计算如下：
其中，dv为在dt时间内流入管柱中的流体体积，dHS为油井关井后液面升高的高度。
4.根据权利要求1所述的一种油井动液面模型估计方法，其特征在于，下降模型中，令采油机开机生产后动液面高度HL(t)的动液面下降模型如下：
其中，HSb为油机关机后油井动液面达到平衡后不再升高的高度，Bo为井筒条件下油的体积系数，Qu为地面平均产量，JL为采液指数，DL为井筒条件下液体的平均密度，g为重力加速度，t为开机时间，A为管柱的环空截面。
5.根据权利要求4所述的一种油井动液面模型估计方法，其特征在于，设油井从开始生产到平衡时，其地面平均产量为Qu，地层平均产量为Qd，井筒条件下油的体积系数为Bo，整理得dt如下：
其中，dHL为油井关井后液面升高的高度。
6.根据权利要求1所述的一种油井动液面模型估计方法，其特征在于，在动液面高度处于临界出油液面H0、流量传感器无信号的情况下，首先使采油机停歇t1时间，根据简化后的动液面恢复模型动液面高度恢复至H1，然后开启采油机，工作直至流量传感器无信号，动液面高度再次下降至临界油液面，记工作时间为τ1，将停歇时间t1与工作时间τ1记录为一组数据，选取不同的停歇时间t2，…tn，记录对应工作时间τ2，…τn，建立停歇时间后的动液面恢复高度与采油机工作时初始动液面高度的等式，定义目标函数F(a1,a2,b1,b2,c1,c2)并求解最小化，完成油井动液面模型建模工作。
7.根据权利要求6所述的一种油井动液面模型估计方法，其特征在于，定义目标函数F(a1,a2,b1,b2,c1,c2)如下：
求解目标函数F(a1,a2,b1,b2,c1,c2)最小化如下：
8.根据权利要求6所述的一种油井动液面模型估计方法，其特征在于，停歇时间后的动液面恢复高度与采油机工作时初始动液面高度的等式如下：
其中，令DL为井筒条件下液体的平均密度，g为重力加速度，Jo为采油指数，A为管柱的环空截面，fo为关井前的含油率，JL为采液指数。
9.根据权利要求6所述的一种油井动液面模型估计方法，其特征在于，动液面恢复和下降目标高度为稳定高度的95％后采油机最优停歇时间top与工作时间τop计算如下：
10.一种利用权利要求1至9中任一项所述估计方法的采油机节能装置，其特征在于，包括处理器(1)、流量传感器(5)、电流传感器(6)和继电器(2)，流量传感器(5)和电流传感器(6)的一端分别与采油机连接，另一端分别与处理器(1)连接，处理器(1)接收流量传感器(5)与电流传感器(6)的信号，监测采油机工作状态，处理器(1)通过继电器(2)与采油机三相供电连接，根据所述动液面模型估计方法计算最优工作时间与停歇时间，控制继电器(2)输出实现间抽或设备保护，处理器(1)还分别与数据通讯接口(3)和人机交互(4)连接，数据通讯接口(3)用于数据传输，人机交互(4)用于通过触摸式液晶屏显示采油机当前工作状态、采油机历史运行数据、实时节能率以及控制处理器(1)。
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