CN111963147A - 通过抽油机悬点静载荷监测动液面及动液面确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过抽油机悬点静载荷监测动液面及动液面确定方法，通过抽油机悬点静载荷监测动液面的方法，具体步骤为：步骤一，通过安装在井口悬绳器上的载荷传感器，对抽油机井抽油杆载荷进行测量，采集载荷与时间曲线；步骤二，在井口安装压力计测取油井实时的套压值；步骤三，将测得的套压、载荷信号通过电缆线传至井口采集器，各油井数据通过井口采集器上传至井场主RTU，再通过井组天线，将采集到的数据以波的形式传至主站中心接收天线进行数据接收；本发明达到了实时、连续获取动液面和协调供排关系，提高了油井生产效率。

Description

通过抽油机悬点静载荷监测动液面及动液面确定方法

技术领域

本发明涉及油田开发中采油技术领域，特别涉及一种通过抽油机悬点静载荷监测动液面及动液面确定方法。

背景技术

在开井过程中，有一种利用采集的光杆示功图实时计算油井动液面的系统和方法，可实现动液面的连续监测，改变人工到现场进行机采井动液面测试的工作方式，解决现场操作周期长，劳动强度大，瞬时测试值代表性不强的问题。该方法已获授权发明专利，专利号ZL2012103425733。但不能解决停井过程中，动液面的监测问题。

在停井过程中，测量油井液面恢复的方法，一是用压力测量法，测量时需要停井，提出抽油泵或用其他载体承载压力测量仪器从井口逐渐向下测量不同深度的压力值，直至井底；原理是利用液面处油井内压力突变点的位置进行动液面高度的推算，通常这种方法适用范围广，而且测量精度也比较准确，测量成本也较大，操作难度较高，需要专业人员操作，一般可用来校准其他方法。二是动液面连续监测仪，在井口安装一套动液面测试装置，该装置收集套管气作为声波脉冲发射源，利用声波反射曲线确定动液面位置，不适用于套气不足的井，且单井价格相对较高。三是光纤井下测试，是一种最直接测量油井动液面的方法，目前仍处于试验阶段，且设备昂贵。

发明内容

为了克服目前在停井期间动液面监测成本高、操作难度大的问题，本发明提供一种通过抽油机悬点静载荷监测动液面及动液面确定方法，本发明达到了实时、连续获取动液面和协调供排关系、提高了油井生产效率。

本发明采用的技术方案为：

抽油机悬点静载荷监测动液面的方法，具体步骤为：

步骤一，通过安装在井口悬绳器上的载荷传感器，对抽油机井抽油杆载荷进行测量，采集载荷与时间曲线；

步骤二，在井口安装压力计测取油井实时的套压值；

步骤三，将测得的套压、载荷信号通过电缆线传至井口采集器，各油井数据通过井口采集器上传至井场主RTU，再通过井组天线，将采集到的数据以波的形式传至主站中心接收天线进行数据接收；

步骤四，接收后的数据通过数据处理单元的中心控制器将接收到的信号转换为数字信号传至站内计算机，在站内计算机安装动液面连续监测软件，动液面连续监测软件通过实时采集的悬点静载荷数据和油井实时的套压值得到油井动液面及油井动液面恢复程度；

步骤五，最后通过结果发布单元对所有数据进行存储和网页信息发布，完成对油井动液面的实时连续检测。

所述的步骤五中，结果发布单元设置在各采油厂。

所述的步骤五中，结果发布单元由数据库服务器、应用程序服务器和Web服务器组成，接收来自数据处理单元上传的动液面的恢复程度结果和油井基础数据，以采油厂为单元对所有数据进行存储、网页信息发布。

一种抽油机悬点静载荷确定动液面方法，具体步骤为：首先通过抽油杆载荷相对于时间的变化规律得到油井停井时的静载与时间关系的曲线，然后建立油井动液面数学模型，得到沉没压力，再然后通过油套环空确定沉没压力，两次得到的沉没压力相等，最后得到油井动液面。

所述的建立油井动液面数学模型是：以沉没压力作为节点，建立停井在上冲程段固定阀开启作用在柱塞上的平衡模型，确定沉没压力。

所述的平衡模型的建立具体方法为：对抽油机悬点所受静载荷进行分析，建立悬点处于上冲程所受载荷的平衡方程：

抽油杆柱载荷：W_r＝f_rρ_sgL (1)

作用在柱塞上的液柱载荷：W_l＝(f_p-f_r)ρ_lgL (2)

井口回压对悬点载荷的影响：P_h＝p_h(f_p-f_r) (3)

沉没压力(泵口压力)对悬点载荷的影响：

P_i＝p_if_p＝(p_n-Δp_i)f_p (4)

即：F静＝W_r+W_l+P_h-P_i (5)

将(1)(2)(3)(4)式带入(5)中，整理得到沉没压力：

式中：

W_r——抽油杆柱在空气中的重力，N；f_p、f_r——柱塞、抽油杆截面积，m²；ρ_s——抽油杆材料的密度，ρ_s＝7850kg/m³；g——重力加速度，m/s²；L——抽油杆柱长度，m；W_l——作用在柱塞上的液柱载荷，N；ρ_l——抽汲液体的密度，kg/m³；P_h——井口回压在上冲程中增加的悬点载荷，N；p_h——井口回压，Pa；P_i——吸入压力p_i作用在活塞上产生的载荷，N；p_i——吸入压力，Pa；p_n——沉没压力，Pa；Δp_i——液流通过泵的固定阀产生的压力降，Pa。

所述的通过油套环空确定沉没压力，具体方法为：

油套环空方向由井口回压、环空内气柱压力和动液面下液柱压力三部分组成即：

式中：

p_n——沉没压力，Pa；p_h——井口套压，Pa；P_g——环空内气柱压力，Pa；P_o——动液面下液柱压力，Pa；T_avg——气柱平均温度，℃；Z——气柱平均压力和平均温度下的压缩因子；ρ_g——天然气相对密度,kg/m3；ρ_o——原油的密度,kg/m3；g——重力加速度，m/s²；L_p——泵挂深度，m；L_f——动液面，m。

所述的确定油井动液面为：通过油套环空得到的沉没压力为：

采用平衡方程得到沉没压力：

两次得到的沉没压力相等，将式(6)代入式(7)中，可得到油井动液面：

本发明的有益效果为：

本发明解决了现场操作周期长，劳动强度大，测量受客观条件限制和瞬时测试值代表性不强的问题，本发明提供的抽油机悬点静载荷监测动液面的方法及动液面确定方法，可达到实时、连续获取动液面和协调供排关系，同时提高了油井生产效率。

以下将结合附图进行进一步的说明。

附图说明

图1为油井动液面数学模型建立的思路图。

图2为井筒内抽油泵受力示意图。

图3为标准型阀的流量系数。

具体实施方式

实施例1：

为了克服目前在停井期间动液面监测成本高、操作难度大的问题，本发明提供一种如图1-3所示的通过抽油机悬点静载荷监测动液面及动液面确定方法，本发明达到实时、连续获取动液面、协调供排关系、提高油井生产效率的目的。

抽油机悬点静载荷监测动液面的方法及动液面确定方法，具体步骤为：

步骤一，通过安装在井口悬绳器上的载荷传感器，对抽油机井抽油杆载荷进行测量，采集载荷与时间曲线；

步骤二，在井口安装压力计测取油井实时的套压值；

步骤三，将测得的套压、载荷信号通过电缆线传至井口采集器，各油井数据通过井口采集器上传至井场主RTU，再通过井组天线，将采集到的数据以波的形式传至主站中心接收天线进行数据接收；

步骤四，接收后的数据通过数据处理单元的中心控制器将接收到的信号转换为数字信号传至站内计算机，在站内计算机安装动液面连续监测软件，动液面连续监测软件通过实时采集的悬点静载荷数据和油井实时的套压值得到油井动液面及油井动液面恢复程度；

步骤五，最后通过结果发布单元对所有数据进行存储和网页信息发布，完成对油井动液面的实时连续检测。

本发明在不增加任何采集仪器设备的情况下，实现了利用抽油机悬点静载荷实时计算连续动液面，根据静载荷变化反推动液面恢复规律，取消了人工测试动液面，以较低成本实现有效的动液面实时、连续监测，改变了人工到现场进行机采井动液面测试的工作方式。

本发明的实施过程为：

一、首先将抽油机驴头停在上冲程过程中，确保井下抽油泵处于固定凡尔打开、游动阀关闭状态，泵筒与井筒环形空间联通，从而建立油井动液面数学模型，悬点静载荷会随着动液面的变化而变化，因此，根据井口悬绳器上的载荷传感器测试数据，推算井下动液面的变化，实现动液面的恢复监测。

二、通过井口安装在井口悬绳器上的载荷传感器，全天候采集悬点所受静载荷，数据信号通过电缆和无线传输设备发送至站点，站点安装了液面连续监测软件，液面连续监测软件首先将相同间隔时间采集的静载荷值与时间相关绘制曲线，全天共计多个数据点，通过悬点所受静载荷计算动液面数学模型，进而求解出油井动液面；利用液面连续监测软件也可以绘制单井全天的计算动液面曲线，并通过加权平均得到一个油井动液面。本发明中的动液面连续监测软件为现有技术，本发明中将不再进行进一步的说明。本发明为利用悬点静载荷进行实时的连续确定液面恢复程度的方法，采油井动液面数据直接反应了地层能量的供液情况及井筒供排关系，是开展采油工艺适应性评价和优化的重要依据。

实施例2：

基于实施例1的基础上，本实施例中，优选地，所述的步骤五中，结果发布单元设置在各采油厂。

优选地，所述的步骤五中，结果发布单元由数据库服务器、应用程序服务器和Web服务器组成，接收来自数据处理单元上传的动液面的恢复程度结果和油井基础数据，以采油厂为单元对所有数据进行存储、网页信息发布。通过安装在井口悬绳器上的载荷传感器，对抽油机井抽油杆载荷进行测量，采集载荷与时间曲线。

本发明中利用抽油机悬点静载荷监测动液面的方法具体过程为：

在井口安装压力计测取油井实时的套压值，套压、载荷信号通过电缆线传至井口采集器，各油井数据再通过井口采集器上传至井场主RTU，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。通过数据处理单元的中心控制器将接收到的信号转换为数字信号传至站内计算机。建立以客户机/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，站内计算机安装动液面连续监测软件，通过实时采集的悬点静载荷数据计算动液面的恢复程度。结果发布单元设置在各采油厂，由数据库服务器、应用程序服务器、Web服务器组成。接收来自数据处理单元上传的计算结果和油井基础数据，以采油厂为单元对所有数据进行存储、网页信息发布。

实施例3：

基于实施例1或2的基础上，本实施例中提供一种抽油机悬点静载荷确定动液面方法，具体步骤为：首先通过抽油杆载荷相对于时间的变化规律得到油井停井时的静载与时间关系的曲线，然后建立油井动液面数学模型，得到沉没压力，再然后通过油套环空确定沉没压力，两次得到的沉没压力相等，最后得到油井动液面。

建立油井动液面数学模型：以沉没压力作为节点，建立停井在上冲程段固定阀开启作用在柱塞上的平衡模型。泵沉没度对应的沉没压力与上冲程时泵的吸入出沉没压力,然后与由油套环空压力分布得到的沉没压力进行比较,推算动液面的深度。实时计算动液面数学模型是以抽油机停止处于上冲程时悬点所受静载荷中的沉没压力为节点，确定油井动液面。

本发明中一种抽油机悬点静载荷确定动液面方法的具体过程为：

第一步：

对抽油机悬点所受静载荷进行分析，建立悬点处于上冲程所受载荷的平衡方程：

抽油杆柱载荷：W_r＝f_rρ_sgL (1)

作用在柱塞上的液柱载荷：W_l＝(f_p-f_r)ρ_lgL (2)

井口回压对悬点载荷的影响：P_h＝p_h(f_p-f_r) (3)

沉没压力(泵口压力)对悬点载荷的影响：P_i＝p_if_p＝(p_n-Δp_i)f_p (4)

即：F静＝W_r+W_l+P_h-P_i (5)

将(1)(2)(3)(4)式带入(5)中，整理得到沉没压力：

式中：

W_r——抽油杆柱在空气中的重力，N；f_p、f_r——柱塞、抽油杆截面积，m²；ρ_s——抽油杆材料(钢)的密度，ρ_s＝7850kg/m³；g——重力加速度，m/s²；L——抽油杆柱长度，m；W_l——作用在柱塞上的液柱载荷，N；ρ_l——抽汲液体的密度，kg/m³；P_h——井口回压在上冲程中增加的悬点载荷，N；p_h——井口回压，Pa；P_i——吸入压力p_i作用在活塞上产生的载荷，N；p_i——吸入压力，Pa；p_n——沉没压力，Pa；Δp_i——液流通过泵的固定阀产生的压力降，Pa。

第二步：

如图2所示，通过利用油套环空计算沉没压力：

油套环空方向由井口回压、环空内气柱压力和动液面下液柱压力三部分组成即：

式中：

p_n——沉没压力，Pa；p_h——井口套压，Pa；P_g——环空内气柱压力，Pa；P_o——动液面下液柱压力，Pa；T_avg——气柱平均温度，℃；Z——气柱平均压力和平均温度下的压缩因子；ρ_g——天然气相对密度,kg/m3；ρ_o——原油的密度,kg/m3；g——重力加速度，m/s²；L_p——泵挂深度，m；L_f——动液面，m。

第三步：

将(6)式带入(5)中，整理可得到油井动液面：

其中，油管内液体密度确定，采用悬点载荷反推密度法：悬点载荷包含油管内液体密度信息，可利用悬点载荷反演计算液体密度。

考虑定向井摩阻、井筒结蜡等因素，根据抽油机最大、最小载荷的计算公式：

其中，P_max——抽油机最大载荷,N；P_min——抽油机最小载荷,N；p_杆——抽油杆在空气中重力，N；p_液——液柱在柱塞面积上的重力，N，s——冲程，m；n——冲次，1/min。

求解液流通过泵的固定阀产生的压力降的值

其中，f_o——固定阀阀孔面积，m²；μ——阀流量系数，无因次，对于常用标准阀可查图3求得，其值为

N_Re——雷诺数；d_o——固定阀孔直径，m；v_f——液流速度，m/s；ν——液体运动粘度，m/s²。

实施例4：

基于实施例1的基础上，本发明通过井口安装在井口悬绳器上的载荷传感器，全天候采集悬点所受静载荷，数据信号通过电缆和无线传输设备发送至站点，站点安装了液面连续监测软件，首先将每10分钟采集的静载荷值与时间相关绘制曲线，全天共计144个数据点，通过悬点所受静载荷计算动液面数学模型，进而求解出油井动液面；利用该软件也可以绘制单井全天的计算动液面曲线，并通过加权平均得到一个油井动液面。

示例：陇东某侏罗系油藏

以上举例仅是对本发明的说明，并不构成保护范围限制，凡是与本发明相同或似的设计均属于发明保护范围之内。实施例中没有详细叙述的装置结构及其方法步骤均属于本行业公知常用或手段，这里将不再一一叙述。

Claims (8)

1.通过抽油机悬点静载荷监测动液面的方法，其特征在于：具体步骤为：

步骤一，通过安装在井口悬绳器上的载荷传感器，对抽油机井抽油杆载荷进行测量，采集载荷与时间曲线；

步骤二，在井口安装压力计测取油井实时的套压值；

步骤三，将测得的套压、载荷信号通过电缆线传至井口采集器，各油井数据通过井口采集器上传至井场主RTU，再通过井组天线，将采集到的数据以波的形式传至主站中心接收天线进行数据接收；

步骤四，接收后的数据通过数据处理单元的中心控制器将接收到的信号转换为数字信号传至站内计算机，在站内计算机安装动液面连续监测软件，动液面连续监测软件通过实时采集的悬点静载荷数据和油井实时的套压值得到油井动液面及油井动液面恢复程度；

步骤五，最后通过结果发布单元对所有数据进行存储和网页信息发布，完成对油井动液面的实时连续检测。

2.根据权利要求1所述的通过抽油机悬点静载荷监测动液面的方法，其特征在于：所述的步骤五中，结果发布单元设置在各采油厂。

3.根据权利要求1或2所述的通过抽油机悬点静载荷监测动液面的方法，其特征在于：所述的步骤五中，结果发布单元由数据库服务器、应用程序服务器和Web服务器组成，接收来自数据处理单元上传的动液面的恢复程度结果和油井基础数据，以采油厂为单元对所有数据进行存储、网页信息发布。

4.一种抽油机悬点静载荷确定动液面方法，其特征在于：具体步骤为：首先通过抽油杆载荷相对于时间的变化规律得到油井停井时的静载与时间关系的曲线，然后建立油井动液面数学模型，得到沉没压力，再然后通过油套环空确定沉没压力，两次得到的沉没压力相等，最后得到油井动液面。

5.根据权利要求4所述的一种抽油机悬点静载荷确定动液面方法，其特征在于：所述的建立油井动液面数学模型是：以沉没压力作为节点，建立停井在上冲程段固定阀开启作用在柱塞上的平衡模型，确定沉没压力。

6.根据权利要求4所述的一种抽油机悬点静载荷确定动液面方法，其特征在于：具体步骤为：所述的平衡模型的建立具体方法为：对抽油机悬点所受静载荷进行分析，建立悬点处于上冲程所受载荷的平衡方程：

抽油杆柱载荷：W_r＝f_rρ_sgL (1)

作用在柱塞上的液柱载荷：W_l＝(f_p-f_r)ρ_lgL (2)

井口回压对悬点载荷的影响：P_h＝p_h(f_p-f_r) (3)

沉没压力(泵口压力)对悬点载荷的影响：

P_i＝p_if_p＝(p_n-Δp_i)f_p (4)

即：F静＝W_r+W_l+P_h-P_i (5)

将(1)(2)(3)(4)式带入(5)中，整理得到沉没压力：

式中：

W_r——抽油杆柱在空气中的重力，N；f_p、f_r——柱塞、抽油杆截面积，m²；ρ_s——抽油杆材料的密度，ρ_s＝7850kg/m³；g——重力加速度，m/s²；L——抽油杆柱长度，m；W_l——作用在柱塞上的液柱载荷，N；ρ_l——抽汲液体的密度，kg/m³；P_h——井口回压在上冲程中增加的悬点载荷，N；p_h——井口回压，Pa；P_i——吸入压力p_i作用在活塞上产生的载荷，N；p_i——吸入压力，Pa；p_n——沉没压力，Pa；Δp_i——液流通过泵的固定阀产生的压力降，Pa。

7.根据权利要求4所述的一种抽油机悬点静载荷确定动液面方法，其特征在于：所述的通过油套环空确定沉没压力，具体方法为：油套环空方向由井口回压、环空内气柱压力和动液面下液柱压力三部分组成即：

式中：

p_n——沉没压力，Pa；p_h——井口套压，Pa；P_g——环空内气柱压力，Pa；P_o——动液面下液柱压力，Pa；T_avg——气柱平均温度，℃；Z——气柱平均压力和平均温度下的压缩因子；ρ_g——天然气相对密度,kg/m3；ρ_o——原油的密度,kg/m3；g——重力加速度，m/s²；L_p——泵挂深度，m；L_f——动液面，m。

8.根据权利要求4所述的一种抽油机悬点静载荷确定动液面方法，其特征在于：所述的确定油井动液面为：通过油套环空得到的沉没压力为：

采用平衡方程得到沉没压力：

两次得到的沉没压力相等，将式(6)代入式(7)中，可得到油井动液面：

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