CN111364973B - 一种适于掺稀抽油机井的系统效率测算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适于掺稀抽油机井的系统效率测算方法，尤其适用于高含气井的系统效率测算，包括：计算有效功率N_e；计算粘滞功率N_μ；所述系统效率η，其等于所述有效功率N_e与所述粘滞功率N_μ之和与所述输入功率的比值；所述输入功率还包括溶解气膨胀功率N_g，所述溶解气膨胀功率N_g与沉没压力、饱和压力和油管压力三者的大小关系相关。而本发明综合考虑了粘滞功率、气体膨胀功率和掺稀功率提出了适合掺稀抽油机井的系统效率计算公式。

Description

一种适于掺稀抽油机井的系统效率测算方法

技术领域

本发明涉及油气田开发技术领域，尤其涉及一种适于掺稀抽油机井的系统效率测算方法。

背景技术

非常规油气资源作为能源的重要组成部分，是我国保障能源安全、调整能源结构、推进能源转型的重要基础，未来将成为我国常规油气资源的重要战略接替。稠油是一种重要的非常规石油资源，在我国分布广泛，例如最有代表性的是稠油资源丰富的塔河油田。但是由于具有特殊的高粘度和高凝固点特性，在开发和应用的各个方面都遇到一些技术难题，就开采技术而言，胶质、沥青质和长链石蜡造成原油在储层和井筒中的流动性变差。掺稀油工艺是一种开采稠油的重要工艺。掺稀油抽油机系统的工作实质上是能量不断传递和转化的过程，在每一次传递和转化过程中均具有能耗。从地面供入系统提供的能量扣除各种损耗，就是系统给井筒流体的有效能量，其与系统输入能量相比即为系统效率。

现阶段各油田的系统效率计算大多参考SY/T5264—2012行业标准，而不同的原油特性、开采方式和工作制度、抽油井系统效率也各有差异，行业标准计算方法不能很好的反映掺稀抽油机井的生产情况。以塔河油田为例，目前塔河油田的稠油井大多采用环空掺稀降粘方式开采，且掺稀抽油机井系统效率计算方法主要参考SY/T5264—2012《油田生产系统能耗测试和计算方法》，抽油井系统效率测试计算方法存在较大误差，不能真实反映塔河油田掺稀机采井生产情况，因而难以根据系统效率来对评估其节能降耗的方案。

为了能够进一步提升系统效率的准确性，诸多改进系统效率评估算法得以提出。例如，公开号为CN107358042A的中国专利公开的一种用于稠油掺稀油油井系统效率的计算方法。该方法包括：根据油管压力、油管内混合流体密度、泵挂深度和流体在油管内的磨阻，计算得到抽油泵出口压力；根据套管压力、油套环空内稀油密度、泵挂深度和动液面深度，计算得到抽油泵吸入口压力；根据抽油泵出口压力和抽泵吸入口压力，计算得到抽油泵出入口压差；利用抽油泵出入口压差和油管内混合流体密度，计算得到稠油掺稀油油机井的有效扬程。

基于以上现有技术可知：行业标准SY/T5264—2012《油田生产系统能耗测试和计算方法》不能用于稠油掺稀油开采工艺；而且，已经公开的专利现行的系统效率计算方法中，均未综合考虑有效功率、产量以及流体性质、生产井类型等因素，对于大量的掺稀稠油井、稠油井、高含气井适应性较差。因此，现有抽油井系统效率测算方法只适用于流动阻力很小、含气较低且无掺稀生产工艺的稀油井，而不适用于普通稠油井与掺稀稠油井，不利于稠油井、高含气井系统效率的客观评价。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明根据掺稀抽油机井的生产特性，分析了系统效率计算结果不能真实反映油井真实工作状况的原因，对行业标准系统效率计算方法进行优化，建立了一套适合掺稀抽油机井的系统效率计算方法，对于指导掺稀抽油机井生产、系统效率提升和节能降耗具有重要意义。

本发明公开一种适于掺稀抽油机井的系统效率测算方法，尤其适用于高含气井的系统效率测算，计算有效功率N_e；计算粘滞功率N_μ；计算输入功率N：包括抽油机输入效率N_cy和掺稀泵输入效率N_cx；和计算所述系统效率η，其等于所述有效功率N_e与所述粘滞功率N_μ之和与所述输入功率的比值；所述输入功率还包括溶解气膨胀功率N_g，所述溶解气膨胀功率N_g与沉没压力、饱和压力和油管压力三者的大小关系相关；其中，所述溶解气膨胀功率N_g按照如下方式确定：

在沉没压力大于或等于饱和压力且油管压力小于饱和压力的情况下，溶解气膨胀功率N_g是根据溶解系数、油井产业量、饱和压力、油管压力确定的；

在沉没压力小于饱和压力且有油管压力大于或等于饱和压力的情况下，溶解气膨胀功率N_g等于0；

在沉没压力小于饱和压力且沉没压力大于或等于油管压力的情况下，溶解气膨胀功率N_g是根据溶解系数、油井产业量、饱和压力、沉没压力确定的；

在沉没压力小于饱和压力且油管压力大于沉没压力的情况下，溶解气膨胀功率N_g等于0。

根据一种优选的实施方式，所述粘滞功率按照如下方式计算：计算下冲程粘滞功率：

计算上冲程粘滞功率：

计算粘滞功率

式中，T为一个抽油周期，单位s；F_r(t)为粘滞阻力N；V_r(t)为抽油机悬点运动速度；μ_i为第i段抽油杆所对应的油管内原油粘度，mPa·s；l_i为第i段抽油杆长度，m；m为管杆径之比，无因次；s为冲程，m；n为冲次，1/min。

根据一种优选的实施方式，所述沉没压力P_沉按照如下方式计算：

P_沉＝P_t+ρgh

式中，P_t为套管压力，MPa；ρ为油井液体密度，t/m³；g为重力加速度，取9.8m/s²；h为有效扬程，m。

根据一种优选的实施方式，所述掺稀泵输入效率N_cx按照如下方式计算：

式中，P_wh为掺入稀油的压力，Mpa；f_w为含水率；R_m为掺稀比；N_cx为地面掺稀泵的功率，kW；η_CXB为掺稀泵的效率。

根据一种优选的实施方式，所述输入功率N_cy按照如下方式计算：

式中，n_p为有功电能表所转的圈数；K为电流互感器变化；K₁为电压互感器变化；N_p为有功能表耗电为1Kwh时所转的圈数，r/(Kwh)；t_p为有功电能表转圈所用时间，s。

根据一种优选的实施方式，所述有效功率按照如下计算：

式中，Q为油井产业量，m³/d；H为有效扬程，m；ρ为油井液体密度，t/m³；g为重力加速度，取9.8m/s²；

式中，有效扬程按照如下方式计算：

式中，H_d为油井动液面深度，m；p₀为油管压力，Mpa；p₁为套管压力，Mpa；ρ为油井液体密度，t/m³；g为重力加速度，取9.8m/s²。

根据一种优选的实施方式，所述有效功率按照如下计算：

N_e＝Q(p_pump2-p_pump1)/86.4

式中，Q为油井液体密度，m³/d；P_pump1为抽油泵入口压力，Mpa；P_pump2为抽油泵出口压力，Mpa；

其中，所述入口压力P_pump1按照如下方式计算：

P_pump1＝P_c+10^-6ρ_xg(H_p-H_d)

式中，P_C为套压，Mpa；ρ_x掺入稀油的密度，kg/m³；g为重力加速度，9.8m/s²；H_p为泵挂深度，m；H_d为油井动液面深度，m；

其中，所述出口压力P_pump2按照如下方式计算：

P_pump2＝P_t+10^-6ρ_lgH_p+P_f

式中，P_t为油压，Mpa；ρ_l掺入稀油的密度，kg/m³；g为重力加速度，9.8m/s²；H_p为泵挂深度，m；P_f为抽油泵出口以上油管中的流动阻力，Mpa。

根据一种优选的实施方式，所述流动阻力按照如下方式计算：

式中，Q为油井液体密度，m³/d；D_oi为第i段油管的内径；D_ri为第i段油管对应抽油杆直径，mm；

其中，

为第i段油管内流体粘度，mPa·s，其计算公式为：

式中，T_i为第i段油管内的平均温度，℃；a和n为稠油粘温参数，其具体取值可以通过实测粘温数据拟合法确定。

根据一种优选的实施方式，所述掺稀泵输入效率N_cx按照如下方式计算：

式中，I_cx为掺稀泵电机电流，A；U_cx为掺稀泵电机电压，V；cosΦ_cx为掺稀泵电机功率因数

根据一种优选的实施方式，本发明的测算方法还能够应用于掺稀抽油机井、稠油井和普通稀油井。

本发明提供一种适于掺稀抽油机井的系统效率测算方法，现阶段各油田以掺稀降粘方式开采的稠油井系统效率测算大多参考SY/T5264—2012《油田生产系统能耗测试和计算方法》，计算公式不适合掺稀抽油机井的原因，而本发明综合考虑了粘滞功率、气体膨胀功率和掺稀功率提出了适合掺稀抽油机井的系统效率计算公式。通过对塔河油田抽油机井的实例计算表明，优化后的系统效率计算方法的普及范围更广、不仅适合高含气的掺稀抽油机井、稠油井、普通稀油井，同样适用于低含气油井，对于科学评价掺稀抽油机井和普通稀、稠油井系统效率具有重要意义。

具体实施方式

行业标准SY/T5264—2012《油田生产系统能耗测试和计算方法》的系统效率算法为：

S1：采用指针式三相电能表测量时，用下式计算输入功率N_cy：

式中，n_p为有功电能表所转的圈数；K为电流互感器变化；K₁为电压互感器变化；N_p为有功能表耗电为1Kwh时所转的圈数，r/(Kwh)；t_p为有功电能表转圈所用时间，s；

S2：计算有效功率N_e：

式中，Q为油井产业量，m³/d；H为有效扬程，m；ρ为油井液体密度，t/m³；g为重力加速度，取9.8m/s²。

S3：系统效率η定义为，有效功率N_e与输入功率N的比值：

其中，有效扬程可以按照如下公式进行计算：

式中，H_d为油井动液面深度，m；p₀为油管压力，Mpa；p₁为套管压力，Mpa；ρ为油井液体密度，t/m³；g为重力加速度，取9.8m/s²。其中，油井动液面深度H_d可由回声仪法或示功图法测定。

实施例1

现行的系统效率计算方法中，均未综合考虑有效功率、产量以及流体性质、生产井类型等因素，对于大量的掺稀稠油井、稠油井、高含气井适应性较差。因此，现有抽油井系统效率测算方法只适用于流动阻力很小、含气较低且无掺稀生产工艺的稀油井，而不适用于普通稠油井与掺稀稠油井，不利于稠油井、高含气井系统效率的客观评价。

分析其原因，有效功率中未考虑抽油泵克服泵出口至井口的流动摩阻做功即粘滞损失功率，导致稠油井有效功率被低估，系统效率偏低，易出现“高泵效，低系统效率”的典型特征、没有考虑随着举升过程中压力降低，原油中析出的溶解气发生气体膨胀，并作用给举升系统，即也应该作为输入功率的一部分的溶解气膨胀功率，从而易导致系统效率结果虚高、没有考虑地面掺稀泵对输入功率和有功功率的影响。因此，本发明综合考虑粘滞损失功率、溶解气膨胀功率、掺稀系统三个因素，结合掺稀稠油井工况及生产特点，在现有的行业标准系统效率计算公式基础上做出改进，建立了新型系统效率计算公式：

式中，η为系统效率，无因次。N_e为有效功率，单位为W或kW。N_μ为粘滞功率，单位为W或kW。N为抽油机输入功率，单位为W或kW。N_g为溶解气膨胀功率，单位为W或kW。N_cx为掺稀泵输入功率，单位为W或kW。

其中，有效功率按照如下公式获取：

式中，Q为油井产液量，m³/d；H为有效扬程，m；ρ为油井液体密度，t/m³；g为重力加速度，取9.8m/s²。

其中，抽油电机输入功率按照如下方式获取：

式中，n_p为有功电能表所转的圈数；K为电流互感器变化；K₁为电压互感器变化；N_p为有功能表耗电为1Kwh时所转的圈数，r/(Kwh)；t_p为有功电能表转圈所用时间，s；

其中，粘滞功率N_μ(N_r)可以按照如下方式获取：在深井泵生产过程中，被举升的液体因与油管、抽杆发生摩擦而损耗的功率称作粘滞损失功率。在深井泵生产的上冲程中，粘滞损失功率发生在液柱与油管壁之间；在下冲程中，粘滞损失功率发生在液柱与抽杆壁之间。产生这一能量消耗的原因是抽油杆、油管与液体间发生相对运动和被举升液体具有粘性，它的大小还要受管径、杆径以及运动杆柱的长度制约。由于功率是单位时间内所做的功，它还可被看成作用力与其方向上的速度之积。因此，能够求出粘滞阻力和抽油杆的运动速度，便可以求出瞬时粘滞功率。

式中，T为一个抽油周期，单位s。

F_r(t)为粘滞阻力N。

V_r(t)为抽油机悬点运动速度。

μ_i为为第i段抽油杆所对应的油管内原油粘度，mPa·s。

l_i为第i段抽油杆长度，m。

m为管杆径之比，无因次。

s为冲程，m。

n为冲次，1/min。

同理，可推导出上冲程中平均粘滞损失功率：

平均粘滞损失功率为：

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，经室内实验知，粘滞阻力因抽油杆接箍的影响将增加大约70％。故真实的平均粘滞损失功率公式还需乘以系数1.7来修正。即：

从瞬时粘滞损失功率公式中可以看出，瞬时粘滞损失功率的大小，取决于管径、杆径、液体粘度、杆速及杆长这五个因素。从平均粘滞损失功率公式中可以看出，平均粘滞损失功率的大小，取决于管径、杆径、液体粘度、冲程、冲次及扬程这六个因素。

溶解气膨胀功率N_g按照如下方式计算：原油在举升过程中，溶解气因所受压力的降低而不断从原油中析出，这部分组份由于从液态转化为气态，一方面导致物质本身的能量降低，即温度降低，另一方面这部分能量转化成体积膨胀能作用给举升系统。把这一功率称作溶解气膨胀功率。此时由于原油中轻质馏分的逸出导致粘度升高。

利用玻意耳—马略特定律，采用微积分的办法，得出了膨胀功率同其影响因素的函数关系式。其中，所述溶解气膨胀功率N_g按照如下方式确定：

在沉没压力大于或等于饱和压力且油管压力小于饱和压力的情况下，溶解气膨胀功率N_g是根据溶解系数、油井产业量、饱和压力、油管压力确定的；

当P_沉≥P_b且P_o<P_b时

在沉没压力小于饱和压力且有油管压力大于或等于饱和压力的情况下，溶解气膨胀功率N_g等于0：

当P_沉≥P_b且P_o≥P_b时，N_g＝0

在沉没压力小于饱和压力且沉没压力大于或等于油管压力的情况下，溶解气膨胀功率N_g是根据溶解系数、油井产业量、饱和压力、沉没压力确定的：

当P_沉＜P_b且P_沉＞P_o时，

在沉没压力小于饱和压力且油管压力大于沉没压力的情况下，溶解气膨胀功率N_g等于0。

当P_沉＜P_b且P_o＞P_沉时，N_g＝0

式中，P_沉为沉没压力，MPa。P_b为饱和压力，MPa。P₀为油管压力，Mpa；α为α为溶解系数，m³/(m³·MPa)。Q为油井产液量，m³/d。

以上可以看出溶解气膨胀功率的主要影响因素包括原油产量、原油饱和压力、溶解气的溶解系数、沉没压力、井口油压这五个因素。

掺稀泵输入功率N_cx(P_cx)的计算方式为：

行业标准SY/T5264—2012《油田生产系统能耗测试和计算方法》中并未考虑掺稀系统对系统效率的影响，从而低估了整个抽油系统的输入功率。

若采用掺稀泵掺稀，则掺稀系统的输入功率可采用如下公式计算：

式中，P_wh为掺入稀油的压力，Mpa；f_w为含水率；R_m为掺稀比；N_cx为地面掺稀泵的功率，kW；η_CXB为掺稀泵的效率。

若为掺稀站掺稀，一个掺稀系统同时对多个掺稀井进行掺稀，此时每口井的掺稀输入功率可以根据掺稀总量进行比例分配。如某掺稀站输入功率为N₁、总排量为Q_cx，A井掺稀量为Q_A，则A井掺稀系统的输入功率为：

P_cx1＝N₁×Q_A/Q_cx

针对塔河油田某井，油管内径76mm，抽油杆外径19mm，电流互感器变化K＝13.3，N_P＝500r/(kw·h)；电压互感器变比K₁＝1，测量n_P＝10r；tP＝85.57s，冲程S＝5m、冲次n＝3次/min、油压p_o＝0.75Mpa、套压p_t＝4.74Mpa，混合产液量为8.7t/d，动液面H_d＝1947m，原油密度0.9408t/m³，地面掺稀压力P_wh＝10Mpa，含水率f_w＝38％，掺稀比R_m＝2.3，掺稀泵的效率η_CXB＝0.9，原油粘度568.1mpa·s，泵挂深度2617.94m，饱和压力为6.3MPa。

(1)抽油机井输入功率：

(2)掺稀输入功率的计算：

(3)有效扬程：

(4)有效功率

(5)粘滞损失功率N_μ

(6)溶解气膨胀功率

P_沉＝P_t+ρ_ogh＝4.74+0.9408·0.00981·(2617.94－1947)＝10.93MPa

此时P_沉≥P_b且P_o<P_b，因此，膨胀功率N_g为：

(7)掺稀抽油机井的系统效率：

实施例2

应用前述方法与现有的考虑流动摩擦阻力以及国家标准的计算方法进行比较，如下表所示：

掺稀抽油机井系统效率计算结果对比

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种适于掺稀抽油机井的系统效率测算方法，适用于高含气井的系统效率测算，包括：

计算有效功率N_e；

计算粘滞功率

计算输入功率N：包括抽油机输入效率N_cy和掺稀泵输入效率N_cx；和

计算所述系统效率η，其等于所述有效功率N_e与所述粘滞功率

之和与所述输入功率的比值；

其特征在于，

所述输入功率还包括溶解气膨胀功率N_g，所述溶解气膨胀功率N_g与沉没压力、饱和压力和油管压力三者的大小关系相关；其中，所述溶解气膨胀功率N_g按照如下方式确定：

在沉没压力大于或等于饱和压力且油管压力小于饱和压力的情况下，溶解气膨胀功率N_g是根据溶解系数、油井产业量、饱和压力、油管压力确定的；

在沉没压力小于饱和压力且有油管压力大于或等于饱和压力的情况下，溶解气膨胀功率N_g等于0；

在沉没压力小于饱和压力且沉没压力大于或等于油管压力的情况下，溶解气膨胀功率N_g是根据溶解系数、油井产业量、饱和压力、沉没压力确定的；

在沉没压力小于饱和压力且油管压力大于沉没压力的情况下，溶解气膨胀功率N_g等于0。

2.根据权利要求1所述的测算方法，其特征在于，所述粘滞功率按照如下方式计算：

计算下冲程粘滞功率：

计算上冲程粘滞功率：

计算粘滞功率

式中，T为一个抽油周期，单位s；F_r(t)为粘滞阻力N；V_r(t)为抽油机悬点运动速度；μ_i为第i段抽油杆所对应的油管内原油粘度，mPa·s；l_i为第i段抽油杆长度，m；m为管杆径之比，无因次；s为冲程，m；n为冲次，1/min。

3.根据权利要求1或2所述的测算方法，其特征在于，所述沉没压力P_沉按照如下方式计算：

P_沉＝P_t+ρgh

式中，P_t为套管压力，MPa；ρ为油井液体密度，t/m³；g为重力加速度，取9.8m/s²；h为有效扬程。

4.根据前述权利要求3所述的测算方法，其特征在于，所述掺稀泵输入效率N_cx按照如下方式计算：

式中，P_wh为掺入稀油的压力，Mpa；f_w为含水率；R_m为掺稀比；N_cx为地面掺稀泵的功率，kW；η_CXB为掺稀泵的效率。

5.根据前述权利要求4所述的测算方法，其特征在于，所述输入功率N_cy按照如下方式计算：

式中，n_p为有功电能表所转的圈数；K为电流互感器变化；K₁为电压互感器变化；N_p为有功能表耗电为1Kwh时所转的圈数，r/(Kwh)；t_p为有功电能表转圈所用时间，s。

6.根据权利要求5所述的测算方法，其特征在于，所述有效功率按照如下计算：

式中，Q为油井产业量，m³/d；H为有效扬程，m；式中，有效扬程按照如下方式计算：

式中，H_d为油井动液面深度，m；p₀为油管压力，Mpa；p₁为套管压力，Mpa；ρ为油井液体密度，t/m³；g为重力加速度，取9.8m/s²。

7.根据权利要求6所述的测算方法，其特征在于，所述有效功率按照如下计算：

N_e＝Q(p_pump2-p_pump1)/86.4

式中，Q为油井液体密度，m³/d；P_pump1为抽油泵入口压力，Mpa；P_pump2为抽油泵出口压力，Mpa；

其中，所述入口压力P_pump1按照如下方式计算：

P_pump1＝P_c+10^-6ρ_xg(H_p-H_d)

式中，P_C为套压，Mpa；ρ_x掺入稀油的密度，kg/m³；H_d为油井动液面深度，m；

其中，所述出口压力P_pump2按照如下方式计算：

P_pump2＝P_t+10^-6ρ_lgH_p+P_f

式中，P_t为油压，Mpa；ρ_l掺入稀油的密度，kg/m³；g为重力加速度，9.8m/s²；H_p为泵挂深度，m；P_f为抽油泵出口以上油管中的流动阻力，Mpa。

8.根据前述权利要求7所述的测算方法，其特征在于，所述流动阻力按照如下方式计算：

式中，Q为油井液体密度，m³/d；D_oi为第i段油管的内径；D_ri为第i段油管对应抽油杆直径，mm；

其中，

为第i段油管内流体粘度，mPa·s，其计算公式为：

式中，T_i为第i段油管内的平均温度，℃；a和n为稠油粘温参数，其具体取值通过实测粘温数据拟合法确定。

9.根据前述权利要求8所述的测算方法，其特征在于，所述掺稀泵输入效率N_cx按照如下方式计算：

式中，I_cx为掺稀泵电机电流，A；U_cx为掺稀泵电机电压，V；cosΦ_cx为掺稀泵电机功率因数。