CN111005712A - 一种定向井杆管偏磨自动判识方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种定向井杆管偏磨自动判识方法，包括：1)在井口悬绳器上及游梁下方分别安装载荷传感器和位移传感器，对抽油杆的载荷和位移进行测量；2)将测量到的抽油杆的载荷、位移信号传至井组控制箱内的控制终端RTU，控制终端RTU将载荷、位移信号通过井组天线以波的形式传至主站中心的接收天线；3)主站中心的无线服务器将接收天线接收到的载荷、位移信号转换为数字信号并传至站内计算机；4)通过站内计算机安装的杆管偏磨自动判识软件，判断杆管是否发生偏磨，对偏磨严重井进行提示报警。本发明方法简单易行，通过实时采集的油井示功图数据，能够准确判断井下杆管是否发生偏磨，并找到偏磨发生的原因；提高了油井精细化管理水平。
Description
技术领域
本发明属于油田采油技术领域，具体涉及一种定向井杆管偏磨自动判识方法。
背景技术
长庆油田采用丛式定向井组开发，井眼轨迹复杂、偏磨问题突出。修井作业频次及作业费用一直居高不下。其中，管杆偏磨导致的维护作业量占比达31.6％，近5年增长了6.5个百分点，问题日益突出，已成为影响丛式定向井组效益开发的关键。
目前判断井下油管与抽油杆之间是否发生偏磨最直接的方法，就是通过检泵作业，起出井下管柱后，观察抽油杆及油管表面，是否存在划痕、磨穿、断裂、变形等情况发生，由此判断杆管在井下是否存在偏磨，通过结果认定原因，这种方法费时费力，工程量大难以实施。
间接的方法可通过定向井优化设计软件，预测在已知井眼轨迹、油井动静态数据和杆柱组合等条件下运行，杆柱是否存在偏磨，属于根据已有条件对井下情况的预判，与实际情况有可能存在出入，而且，对于新投产井，应用优化设计软件，对井下杆管进行优化增加扶正防磨工具后，有的油井仍然发生偏磨现象，说明预测与实际情况不符，难以准确预测是否发生偏磨。
发明内容
本发明的目的在于提供一种定向井杆管偏磨自动判识方法以解决现有技术中，判断井下油管与抽油杆之间是否发生摩擦困难，判断结果不准确的问题。
一种定向井杆管偏磨自动判识方法，包括以下步骤：
1)在井口悬绳器上及游梁下方分别安装载荷传感器和位移传感器，对抽油杆的载荷和位移进行测量；
2)将测量到的抽油杆的载荷、位移信号传至井组控制箱内的控制终端RTU，控制终端RTU将载荷、位移信号通过井组天线以波的形式传至主站中心的接收天线；
3)主站中心的无线服务器将接收天线接收到的载荷、位移信号转换为数字信号并传至站内计算机；
4)通过站内计算机安装的杆管偏磨自动判识软件，判断杆管是否发生偏磨，对偏磨严重井进行提示报警。
进一步的，步骤4)中，自动判识软件判断方法为：
利用抽油杆的载荷、位移与时间的变化规律得到光杆示功图；建立上、下冲程杆管摩擦力计算数学模型，通过对上下冲程过程中杆柱受力分析，来对比计算杆管摩擦力大小；如果计算上下冲程中，杆管摩擦力为0，则抽油杆与油管无摩擦；如果杆管摩擦力大于0，则油井存在在“狗腿”或油管弯曲变形现象，抽油杆与油管有摩擦。
进一步的，如果下冲程杆管摩擦力大于0，上冲程杆管摩擦力为0，则偏磨是由于抽油杆发生失稳变形而引起。
进一步的，如果上、下冲程杆管摩擦力均大于0，则偏磨是由于“狗腿”或油管弯曲变形而引起的。
进一步的，杆管摩擦力计算模型如下：
上冲程时，悬点载荷P上为：
P上＝P静上+P惯上+P振+P摩上
其中：
振动载荷P振忽略不计；
静载荷P静上＝Wr+Wl，
抽油杆自重：
柱塞上部液柱载荷：
惯性载荷
摩擦载荷P摩上＝P杆管上+P泵塞上+P管液，
柱塞和泵筒间的摩擦力
油液和油管间的液体摩擦力
式中：
P静上——上冲程时的悬点静载荷，N；
ρs——抽油杆(钢)的密度，ρs＝7850kg/m3；
g——重力加速度，m/s2；
Ari——第i级抽油杆的截面积，m2；
Li——第i级抽油杆的长度，m；
qri——第i级抽油杆单位长度的重量，N/m；
P杆管上——上冲程时抽油杆与油管间的摩擦力，N；P惯上——上冲程时的惯性载荷，N；
P振——上冲程时的振动载荷，N；
P摩上——上冲程时的摩擦载荷，N；
dp——抽油泵柱塞直径，m；
δ——抽油泵柱塞与泵筒半径上的间隙，m；
下冲程时，悬点载荷P下＝P静下-(P惯下+P振)-P摩下；
其中：
振动载荷P振忽略不计；
静载荷P静下＝Wr-Wf；
惯性载荷
摩擦载荷P摩下＝P杆管下+P泵塞下+P杆液+P阀，
式中：
Wf——油井产出液对抽油杆柱的浮力，N；
AP——柱塞横截面积，m2；
n——抽油机冲刺，min-1；
ξ——由试验确定的流量系数；
A0——游动阀阀孔横截面积，m2；
S——抽油机冲程，m；
P杆管下——下冲程时抽油杆与油管间的摩擦力，N；P泵塞下——柱塞和泵筒间的半干摩擦力，N；
P杆液——抽油杆和油柱间的液体摩擦力，N；
P阀——液流流过游动阀所产生的液体摩擦力，N；
P静下——下冲程时的悬点静载荷，N；
P惯下——下冲程时的惯性载荷，N；
P摩下——下冲程时的摩擦载荷，N。
进一步的，上冲程时抽油杆与油管间的摩擦力P杆管上＝P摩上-P泵塞上-P管液；
下冲程时抽油杆与油管间的摩擦力P杆管下＝P摩下-P泵塞下-P杆液-P阀。
进一步的，如果P杆管上＝0，则在上冲程时抽油杆与油管无摩擦；
如果P杆管上>0，则在上冲程时抽油杆与油管之间存在摩擦。
进一步的，如果P杆管下＝0，则在下冲程时抽油杆与油管无摩擦；
如果P杆管下>0，则在上冲程时抽油杆与油管之间存在摩擦。
进一步的，如果P杆管下>0且P杆管上＝0，则偏磨是由于抽油杆发生失稳变形而引起的，只有下冲程有摩擦现象。
进一步的，如果P杆管上>0且P杆管下>0，则偏磨是由于“狗腿”或油管弯曲变形而引起的，上、下冲程都有摩擦现象。
本发明的有益效果如下：
1、本发明方法简单易行，通过实时采集的油井示功图数据，能够准确判断井下杆管是否发生偏磨，并找到偏磨发生的原因；
2、本发明方法进一步提高了油井精细化管理水平，避免油井因杆管偏磨发生检泵。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一种定向井杆管偏磨自动判识方法的光杆示功图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
(1)实施过程
①通过安装在井口悬绳器上的载荷传感器和游梁下方的位移传感器，对抽油机井抽油杆载荷和位移进行测量；
②载荷、位移信号通过电缆线传至井组控制箱内控制终端(RTU)(RemoteTerminal Unit)，再通过井组天线，将采集数据以波的形式传至主站中心接收天线进行数据接收；
③通过数据处理点(中心站)无线服务器将接收到的信号转换为数字信号传至站内计算机；
④以客户机/服务器结构为主、浏览器/服务器结构为辅设计了系统网络结构，站内计算机安装杆管偏磨自动判识软件，用来判断杆管是否发生偏磨，对偏磨严重井进行提示报警。
(2)示功图判断杆管发生偏磨方法
①利用所述抽油杆载荷和位移与时间的变化规律得到光杆示功图；
②建立上下冲程杆管摩擦力计算数学模型，通过对上下冲程过程中杆柱受力分析，来对比计算摩擦力大小。如果计算上下冲程中，杆管摩擦力为0，则抽油杆与油管无摩擦，如果杆管摩擦力大于0，说明油井可能存在在“狗腿”现象或是油管弯曲变形等现象，造成抽油杆与油管接触产生摩擦；
③进一步判断摩擦类型，失稳偏磨或“狗腿”偏磨；
如果偏磨是由于抽油杆发生失稳变形而引起的，则只有下冲程杆管摩擦力大于0，上冲程杆管摩擦力为0；
如果偏磨是由于“狗腿”或油管弯曲变形而引起的，则上、下冲程杆管摩擦力均大于0。
(3)杆管摩擦力计算模型
悬点载荷可以反映井下作用在抽油杆上的所有载荷，包括各种摩擦力，都可以通过地面功图表现出来，悬点载荷中的摩擦力由两个部分组成，一是抽油杆和油管、柱塞与泵筒之间的摩擦力，二是抽油杆柱与油柱、油柱与油管、油流通过泵阀组的摩擦力。由于摩擦力的作用方向和抽油杆的运动方向相反，因此，上下冲程运动过程中，摩擦力对悬点载荷的影响也是不同的。
上冲程时，抽油机带着抽油杆向上运行，摩擦力向下，摩擦力增大了悬点载荷，所以，这时的悬点载荷为：
P上＝P静上+P惯上+P振+P摩上 (1)
其中：(1)静载荷
静载荷＝抽油杆自重+柱塞上部液柱载荷
P静上＝Wr+Wl (2)
抽油杆自重：
柱塞上部液柱载荷：
(2)惯性载荷
振动载荷
振动载荷的最大值发生在上冲程抽油杆拉伸变形结束时以及下冲程变形完全恢复时的瞬间。即上死点位置，在行程的中间位置振动载荷相对较小，且大小与下冲程近似相等，在这里忽略不计。
(4)摩擦载荷
P摩上由三部分组成，抽油杆和油管间的摩擦力，柱塞和泵筒间的摩擦力，油液和油管间的液体摩擦力，单位N。
P摩上＝P杆管上+P泵塞上+P管液 (6)
式中：
式中：
P静上——上冲程时的悬点静载荷，N；
ρs——抽油杆(钢)的密度，ρs＝7850kg/m3；
g——重力加速度，m/s2；
Ari——第i级抽油杆的截面积，m2；
Li——第i级抽油杆的长度，m；
qri——第i级抽油杆单位长度的重量，N/m；
P惯上——上冲程时的惯性载荷，N；
P振——上冲程时的振动载荷，N；
P摩上——上冲程时的摩擦载荷，N。
dp——抽油泵柱塞直径，m；
δ——抽油泵柱塞与泵筒半径上的间隙，m。
下冲程时，抽油杆向下运动，摩擦力的方向向上，摩擦力减少了悬点载荷，所以，这时悬点载荷
P下＝P静下-(P惯下+P振)-P摩下 (11)
静载荷
下冲程，悬点静载荷等于杆柱自重减去井液对抽油杆柱的浮力。
P静下＝Wr-Wf (12)
惯性载荷
在下冲程时，与上冲程相反，前半冲程加速度为负，即加速度向下，则惯性力向上，从而减少悬点载荷，后半冲程加速度为正，即加速度向上，则惯性力向下，从而增大悬点载荷。
振动载荷
振动载荷的最大值发生在上冲程抽油杆拉伸变形结束时以及下冲程变形完全恢复时的瞬间，即下死点位置，在行程的中间位置振动载荷相对较小，且大小与上冲程近似相等，在这里忽略不计。
摩擦载荷
根据油井的实际工作情况，P摩下由四部分组成：抽油杆与油管间的摩擦力；柱塞和泵筒间的半干摩擦力；抽油杆和油柱间的液体摩擦力；液流流过游动阀所产生的液体摩擦力。
P摩下＝P杆管下+P泵塞下+P杆液+P阀 (14)
式中：
式中：
Wf——油井产出液对抽油杆柱的浮力，N；
AP——柱塞横截面积，m2；
n——抽油机冲刺，min-1；
ξ——由试验确定的流量系数，可通过查表获得；
A0——游动阀阀孔横截面积，m2；
S——抽油机冲程，m；
P杆管下——抽油杆与油管间的摩擦力，N；
P泵塞下——柱塞和泵筒间的半干摩擦力，N；
P杆液——抽油杆和油柱间的液体摩擦力，N；
P阀——液流流过游动阀所产生的液体摩擦力，N。
P静下——下冲程时的悬点静载荷，N；
P惯下——下冲程时的惯性载荷，N；P惯下＝P杆惯
P摩下——下冲程时的摩擦载荷，N。
根据光杆示功图，可以得到上下冲程悬点载荷，考虑振动载荷和惯性载荷最小值的位置应该在上下死点中间，公式可变形为：
公式1和公式11可分别变形如下：
P摩上＝P上-P静上 (17)
P摩下＝P静下-P下 (18)
将公式17和公式18分别带入公式6和14，得到如下公式：
P杆管上＝P摩上-P泵塞上-P管液 (19)
P杆管下＝P摩下-P泵塞下-P杆液-P阀 (20)
上冲程时抽油杆与油管产生摩擦的判断依据：
如果P杆管上＝0，表示在上冲程时抽油杆与油管无摩擦
P杆管上>0，表示在上冲程时抽油杆与油管之间存在摩擦，说明油井可能存在“狗腿”现象或是油管弯曲变形等现象，造成抽油杆与油管接触产生摩擦，其摩擦载荷等于P杆管下；
下冲程时抽油杆与油管产生摩擦的判断依据：
如果P杆管下＝0，表示在下冲程时抽油杆与油管无摩擦
P杆管下>0，表示在上冲程时抽油杆与油管之间存在摩擦，说明油井可能存在“狗腿”现象或是油管弯曲变形等现象，造成抽油杆与油管接触产生摩擦，其摩擦载荷等于P杆管下；
失稳偏磨和“狗腿”偏磨的判断依据：
如果偏磨是由于抽油杆发生失稳变形而引起的，则只有下冲程采油摩擦现象发生，上冲程没有，即P杆管下>0且P杆管上＝0；
如果偏磨是由于“狗腿”或油管弯曲变形而引起的，则上、下冲程都有摩擦现象发生，即P杆管上>0且P杆管下>0。
所述“狗腿”现象为：井眼全角变化率引起的管杆弯曲。全角变化率(又称狗腿度或者井眼曲率，用K表示)是钻井单位井的专有名词，
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (10)
1.一种定向井杆管偏磨自动判识方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在井口悬绳器上及游梁下方分别安装载荷传感器和位移传感器，对抽油杆的载荷和位移进行测量；
2)将测量到的抽油杆的载荷、位移信号传至井组控制箱内的控制终端RTU，控制终端RTU将载荷、位移信号通过井组天线以波的形式传至主站中心的接收天线；
3)主站中心的无线服务器将接收天线接收到的载荷、位移信号转换为数字信号并传至站内计算机；
4)通过站内计算机安装的杆管偏磨自动判识软件，判断杆管是否发生偏磨，对偏磨严重井进行提示报警。
2.根据权利要求1所述的一种定向井杆管偏磨自动判识方法，其特征在于，步骤4)中，自动判识软件判断方法为：
利用抽油杆的载荷、位移与时间的变化规律得到光杆示功图；建立上、下冲程杆管摩擦力计算数学模型，通过对上下冲程过程中杆柱受力分析，来对比计算杆管摩擦力大小；如果计算上下冲程中，杆管摩擦力为0，则抽油杆与油管无摩擦；如果杆管摩擦力大于0，则油井存在在“狗腿”或油管弯曲变形现象，抽油杆与油管有摩擦，所述“狗腿”现象为：井眼全角变化率引起的管杆弯曲。
3.根据权利要求2所述的一种定向井杆管偏磨自动判识方法，其特征在于，如果下冲程杆管摩擦力大于0，上冲程杆管摩擦力为0，则偏磨是由于抽油杆发生失稳变形而引起。
4.根据权利要求2所述的一种定向井杆管偏磨自动判识方法，其特征在于，如果上、下冲程杆管摩擦力均大于0，则偏磨是由于“狗腿”或油管弯曲变形而引起的。
5.根据权利要求2所述的一种定向井杆管偏磨自动判识方法，其特征在于，杆管摩擦力计算模型如下：
上冲程时，悬点载荷P上为：
P上＝P静上+P惯上+P振+P摩上
其中：
振动载荷P振忽略不计；
静载荷P静上＝Wr+Wl，
抽油杆自重：
柱塞上部液柱载荷：
惯性载荷
摩擦载荷P摩上＝P杆管上+P泵塞上+P管液，
柱塞和泵筒间的摩擦力
油液和油管间的液体摩擦力
式中：
P静上——上冲程时的悬点静载荷，N；
ρs——抽油杆(钢)的密度，ρs＝7850kg/m3；
g——重力加速度，m/s2；
Ari——第i级抽油杆的截面积，m2；
Li——第i级抽油杆的长度，m；
qri——第i级抽油杆单位长度的重量，N/m；
P杆管上——上冲程时抽油杆与油管间的摩擦力，N；
P惯上——上冲程时的惯性载荷，N；
P振——上冲程时的振动载荷，N；
P摩上——上冲程时的摩擦载荷，N；
dp——抽油泵柱塞直径，m；
δ——抽油泵柱塞与泵筒半径上的间隙，m；
下冲程时，悬点载荷P下＝P静下-(P惯下+P振)-P摩下；
其中：振动载荷P振忽略不计；
静载荷P静下＝Wr-Wf；
惯性载荷
摩擦载荷P摩下＝P杆管下+P泵塞下+P杆液+P阀，
式中：
Wf——油井产出液对抽油杆柱的浮力，N；
AP——柱塞横截面积，m2；
n——抽油机冲刺，min-1；
ξ——由试验确定的流量系数；
A0——游动阀阀孔横截面积，m2；
S——抽油机冲程，m；
P杆管下——下冲程时抽油杆与油管间的摩擦力，N；
P泵塞下——柱塞和泵筒间的半干摩擦力，N；
P杆液——抽油杆和油柱间的液体摩擦力，N；
P阀——液流流过游动阀所产生的液体摩擦力，N；
P静下——下冲程时的悬点静载荷，N；
P惯下——下冲程时的惯性载荷，N；
P摩下——下冲程时的摩擦载荷，N。
6.根据权利要求5所述的一种定向井杆管偏磨自动判识方法，其特征在于，
上冲程时抽油杆与油管间的摩擦力P杆管上＝P摩上-P泵塞上-P管液；
下冲程时抽油杆与油管间的摩擦力P杆管下＝P摩下-P泵塞下-P杆液-P阀。
7.根据权利要求6所述的一种定向井杆管偏磨自动判识方法，其特征在于，
如果P杆管上＝0，则在上冲程时抽油杆与油管无摩擦；
如果P杆管上>0，则在上冲程时抽油杆与油管之间存在摩擦。
8.根据权利要求6所述的一种定向井杆管偏磨自动判识方法，其特征在于，
如果P杆管下＝0，则在下冲程时抽油杆与油管无摩擦；
如果P杆管下>0，则在上冲程时抽油杆与油管之间存在摩擦。
9.根据权利要求6所述的一种定向井杆管偏磨自动判识方法，其特征在于，
如果P杆管下>0且P杆管上＝0，则偏磨是由于抽油杆发生失稳变形而引起的，只有下冲程有摩擦现象。
10.根据权利要求6所述的一种定向井杆管偏磨自动判识方法，其特征在于，
如果P杆管上>0且P杆管下>0，则偏磨是由于“狗腿”或油管弯曲变形而引起的，上、下冲程都有摩擦现象。
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