CN112392461A - 一种快速计算油井井筒中混合液体含水率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种快速计算油井井筒中混合液体含水率的方法，本发明通过上冲程悬点静载荷、下冲程悬点静载荷、井口油压、井口套压、抽油泵柱塞截面积、井液中油的密度、重力加速度、动液面深度和井液中水的密度，根据含水率公式快速计算出油井井筒液体含水率。本发明具有成本低、速度快、更好地利用矿场数字化的特点，节约蒸馏法取样、测定含水率的时间和工作量。对于安装数字化载荷传感器的油井，还可以减少应用超声波等设备在线监测含水率成本。
Description
技术领域
本发明属于油田采油工程领域，涉及一种快速计算油井井筒中混合液体含水率的方法。
背景技术
有杆泵抽油是当前国内外应用最广泛的机械采油技术。目前世界上机械采油井数已超过总生产井数的90％以上，80％左右的机械采油井都采用有杆泵抽油模式；我国则有80％左右的生产井是采用有杆泵抽油模式。
抽油机在正常工作时，反映悬点载荷随其位移变化规律的图形称为光杆(地面)示功图，参照图1。悬点载荷根据其性质分为静载荷、动载荷以及各种摩擦载荷。静载荷是指在同向冲程中保持不变的力(抽油杆柱自重、液柱重量、油压、套压等)所产生的悬点载荷，动载荷是指大小和方向与悬点运动状态有关的惯性力产生的悬点载荷。在井液粘度不大的直井中，摩擦载荷不大，一般可以忽略。
抽油泵(有杆泵)是有杆抽油系统的井下关键设备，安装在油管柱的下部，沉没在井液中，通过抽油机、抽油杆传递的动力抽汲井内的液体。抽油泵主要由泵筒、柱塞、固定阀和游动阀四部分组成。泵筒内装有带游动阀的柱塞。柱塞与泵筒形成密封，用于从泵筒内排出液体。固定阀为泵的吸入阀，抽油过程中该阀位置固定。游动阀为泵的排出阀，它随柱塞运动。柱塞上下运动一次称一个冲程，其间完成泵进液和排液的过程，如图2所示。
含水率是指油井采出液体中水所占的质量分数或体积分数。现场一般是从采油井口取出原油样品，在化验室中采用蒸馏法测定样品的含水率。目前的含水率测定的周期较长，通常为5-10天，这样就导致了含水率突然变化不能及时了解。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种快速计算油井井筒中混合液体含水率的方法，本发明利用油井悬点载荷计算油井井筒液体含水率，适用于现场知道抽油机悬点载荷的油井，能够及时获得含水率，达到日常掌握油井含水变化趋势的目的。
本发明采用的技术方案如下：
一种快速计算油井井筒中混合液体含水率的方法，包括如下过程：
对于间歇抽油的油井，获取油井的上冲程悬点静载荷、下冲程悬点静载荷、井口油压、井口套压、抽油泵柱塞截面积、井液中油的密度、动液面深度以及井液中水的密度，利用上冲程悬点静载荷、下冲程悬点静载荷、井口油压、井口套压、抽油泵柱塞截面积、井液中油的密度、动液面深度以及井液中水的密度计算得到间歇抽油的油井中混合液体的含水率，含水率fw的计算公式如下：
式中，Wj1-上冲程悬点静载荷，Wj2-下冲程悬点静载荷，pt-井口油压，pc-井口套压，Ap-抽油泵柱塞截面积，ρo-井液中油的密度，g-重力加速度，Lf-动液面深度，ρw-井液中水的密度。
优选的：
上冲程悬点静载荷Wj1的计算过程如下：
Wj1＝W′r+W′L+(pt-pc)Ap-ptAr
式中，W′r-抽油杆柱在井液中的重力，W′r＝(ρr-ρL)gLpAr，W′L-动液面深度全柱塞面积上的液柱载荷，W′L＝ρLgLfAp，ρr-抽油杆密度，ρL-井液密度，Lp-抽油杆柱长度，Ar-抽油杆截面积。
优选的：
下冲程悬点静载荷Wj2，的计算过程如下：
Wj2＝W′r-ptAr
式中，W′r-抽油杆柱在井液中的重力，W′r＝(ρr-ρL)gLpAr，ρr-抽油杆密度，ρL-井液密度，Lp-抽油杆柱长度，Ar-抽油杆截面积。
本发明还提供了一种快速计算油井井筒中混合液体含水率的方法，包括如下过程：
对于连续生产的油井，含水率fw通过下式计算：
式中，Wmax-悬点最大载荷，Wmin-悬点最大载荷，pt-井口油压，pc-井口套压，Ap-抽油泵柱塞截面积，Ir1上冲程中抽油杆柱引起的最大惯性载荷，Ir2-下冲程中抽油杆柱引起的最大惯性载荷，ρo-井液中油的密度，g-重力加速度，Lf-动液面深度，ρw-井液中水的密度。
优选的，悬点最大载荷Wmax的计算过程如下：
Wmax＝Wj1+I1+Pv1+Fu
式中，Wj1-上冲程悬点静载荷，I1-上冲程中的最大惯性载荷，Pv1-上冲程中的最大振动载荷，Fu-上冲程中的最大摩擦载荷。
优选的，悬点最小载荷Wmin的计算过程如下：
Wmin＝Wj2+I2-Pv2-Fd
式中，Wj2-下冲程悬点静载荷，I2-下冲程中的最大惯性载荷，Pv2-下冲程中的最大振动载荷，Fd-下冲程中的最大摩擦载荷。
优选的：
Wmax-Wmin＝Wj1-Wj2+Ir1+IL1-Ir2+Pv1+Pv2+F1+F2+F4-F1-F2-F3-F5
式中，Wj1-上冲程悬点静载荷，Wj2-下冲程悬点静载荷，Ir1上冲程中抽油杆柱引起的最大惯性载荷，IL1-上冲程中液柱引起的最大惯性载荷，Ir2-下冲程中抽油杆柱引起的最大惯性载荷，Pv1-上冲程中的最大振动载荷，Pv2-下冲程中的最大振动载荷，F1-抽油杆柱与油管之间的摩擦力，F2-抽油泵柱塞与泵筒之间的摩擦力，F3-抽油杆柱与液体之间的摩擦力，F4-液体与油管之间的摩擦力，F5-液体通过抽油泵游动阀的阻力。
本发明具有如下有益效果：
本发明快速计算油井井筒中混合液体含水率的方法，利用油井悬点载荷计算油井井筒液体含水率，通过测量上、下冲程的上冲程悬点静载荷、下冲程悬点静载荷、井口油压、井口套压等参数就能快速计算出油井井筒中混合液体含水率，因此本发明能够及时获得含水率，达到日常掌握油井含水变化趋势的目的，由的计算方式可以出，本发明适用于现场知道抽油机悬点载荷的油井。
附图说明
图1为悬点实测示功图；
图2(a)为抽油泵的工作过程示意图(上冲程，吸液进泵)；
图2(b)为抽油泵的工作过程示意图(下冲程，排液进泵)。
图中，1-泵筒，2-游动阀，3-柱塞，4-固定阀。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明做进一步的说明。
本发明快速计算油井井筒中混合液体含水率的方法，包括以下步骤：
1.参照图2(b)，当抽油机驴头运行到上死点，抽油泵游动阀2从关闭即将打开，固定阀4由打开即将关闭，抽油泵柱塞上下流体不连通，产生悬点载荷的力包括抽油杆柱重力和柱塞上、下流体压力。
游动阀受力平衡方程：
悬点载荷Wj1＝W′r+W′L+(pt-pc)Ap-ptAr (1)
Wj1-上冲程悬点静载荷，kN
W′r-抽油杆柱在井液中的重力，kN，W′r＝(ρr-ρL)gLpAr
W′L-动液面深度全柱塞面积上的液柱载荷，kN，W′L＝ρLgLfAp
pt-井口油压，kPa
pc-井口套压，kPa
Ap-抽油泵柱塞截面积，m2
Ar-抽油杆截面积，m2
ρr-抽油杆密度，钢杆为7.85×103kg/m3
ρL-井液密度，kg/m3，ρL＝fwρw+(1-fw)ρo
g-重力加速度(＝9.81m/s2)
Lp-抽油杆柱长度，m
Lf-动液面深度，m
ρw-井液中水的密度(＝103kg/m3)
ρo-井液中油的密度，kg/m3
fw-井液含水率
2.参照图2(a)，当抽油机驴头运行到下死点，抽油泵固定阀从关闭即将打开，游动阀由打开即将关闭，抽油泵柱塞上下流体连通，产生悬点载荷的力是抽油杆柱在液体中的重力。
Wj2＝W′r-ptAr (2)
Wj2-下冲程悬点静载荷，kN
3.为了尽量消除载荷测试仪器误差的影响，减少计算引入的参数，由(1)、(2)式可得
Wj1-Wj2＝W′r+W′L+(pt-pc)Ap-ptAr-(W′r-ptAr)
＝ρLgLfAp+(pt-pc)Ap (3)
将混合液密度计算公式ρL＝fwρw+(1-fw)ρo代入(3)式
Wj1-Wj2＝[fwρw+(1-fw)ρo]gLfAp+(pt-pc)Ap
可得含水率计算公式
4.公式(4)对于不同井况使用的注意事项
1)对于间歇抽油的油井，可用停井时的抽油机驴头最大、最小悬点载荷进行计算。
2)对于正常连续生产的油井，不能直接代入抽油机驴头最大、最小悬点载荷进行计算，因为此时悬点载荷包含有惯性载荷、摩擦载荷等，而惯性载荷、摩擦载荷等计算较复杂。
Wmax＝Wj1+I1+Pv1+Fu (5)
Wmin＝Wj2+I2-Pv2-Fd (6)
由(5)-(6)式得
Wmax-Wmin＝Wj1-Wj2+I1-I2+Pv1+Pv2+Fu+Fd
＝Wj1-Wj2+Ir1+IL1-Ir2+Pv1+Pv2+F1+F2+F4-F1-F2-F3-F5
＝[fwρw+(1-fw)ρo]gLfAp+(pt-pc)Ap+Ir1+IL1-Ir2+Pv1+Pv2+F4-F3-F5 (7)
Wmax、Wmin-悬点最大和最小载荷，kN
I1、I2-上、下冲程中的最大惯性载荷，kN
Pv1、Pv2-上、下冲程中的最大振动载荷，kN
Fu、Fd-上、下冲程中的最大摩擦载荷，kN
Ir1、Ir2-上、下冲程中抽油杆柱引起的最大惯性载荷，kN
IL1-上冲程中液柱引起的最大惯性载荷，kN
F1-抽油杆柱与油管之间的摩擦力，kN
F2-抽油泵柱塞与泵筒之间的摩擦力，kN
F3-抽油杆柱与液体之间的摩擦力，kN
F4-液体与油管之间的摩擦力，kN
F5-液体通过抽油泵游动阀的阻力，kN
在垂直井、稀油、冲次不是很高(如≤5次)的情况下，其摩擦力不大，一般可以忽略。在计算动载时仅考虑抽油杆的惯性载荷，忽略液体的惯性载荷和杆柱的振动载荷。
Wmax-Wmin＝[fwρw+(1-fw)ρo]gLfAp+(pt-pc)Ap+Ir1-Ir2 (8)
则含水率计算公式
某油田正在进行油气生产物联网建设，油水井的数字化配套建设覆盖率达到93％以上；目前实施间歇抽油的油井近万口，利用该方法，可以直接提取相应的参数计算油井液体含水率，达到日常掌握油井含水变化趋势的目的，避免因蒸馏法定期(5－10天)取样含水率突然变化不能及时了解的不足。本发明具有成本低、速度快、更好地利用矿场数字化的特点，节约蒸馏法取样、测定含水率的时间和工作量。对于安装数字化载荷传感器的油井，还可以减少应用超声波等设备在线监测含水率成本。
Claims (9)
1.一种快速计算油井井筒中混合液体含水率的方法，其特征在于，包括如下过程：
对于间歇抽油的油井，获取油井的上冲程悬点静载荷、下冲程悬点静载荷、井口油压、井口套压、抽油泵柱塞截面积、井液中油的密度、动液面深度以及井液中水的密度，利用上冲程悬点静载荷、下冲程悬点静载荷、井口油压、井口套压、抽油泵柱塞截面积、井液中油的密度、动液面深度以及井液中水的密度计算得到间歇抽油的油井中混合液体的含水率，含水率fw的计算公式如下：
式中，Wj1-上冲程悬点静载荷，Wj2-下冲程悬点静载荷，pt-井口油压，pc-井口套压，Ap-抽油泵柱塞截面积，ρo-井液中油的密度，g-重力加速度，Lf-动液面深度，ρw-井液中水的密度。
2.根据权利要求1所述的一种快速计算油井井筒中混合液体含水率的方法，其特征在于：
上冲程悬点静载荷Wj1的计算过程如下：
Wj1＝W′r+W′L+(pt-pc)Ap-ptAr
式中，W′r-抽油杆柱在井液中的重力，W′r＝(ρr-ρL)gLpAr，W′L-动液面深度全柱塞面积上的液柱载荷，W′L＝ρLgLfAp，ρr-抽油杆密度，ρL-井液密度，Lp-抽油杆柱长度，Ar-抽油杆截面积。
3.根据权利要求1所述的一种快速计算油井井筒中混合液体含水率的方法，其特征在于：
下冲程悬点静载荷Wj2，的计算过程如下：
Wj2＝W′r-ptAr
式中，W′r-抽油杆柱在井液中的重力，W′r＝(ρr-ρL)gLpAr，ρr-抽油杆密度，ρL-井液密度，Lp-抽油杆柱长度，Ar-抽油杆截面积。
4.一种快速计算油井井筒中混合液体含水率的方法，其特征在于，包括如下过程：
对于连续生产的油井，含水率fw通过下式计算：
式中，Wmax-悬点最大载荷，Wmin-悬点最大载荷，pt-井口油压，pc-井口套压，Ap-抽油泵柱塞截面积，Ir1上冲程中抽油杆柱引起的最大惯性载荷，Ir2-下冲程中抽油杆柱引起的最大惯性载荷，ρo-井液中油的密度，g-重力加速度，Lf-动液面深度，ρw-井液中水的密度。
5.根据权利要求4所述的一种快速计算油井井筒中混合液体含水率的方法，其特征在于，悬点最大载荷Wmax的计算过程如下：
Wmax＝Wj1+I1+Pv1+Fu
式中，Wj1-上冲程悬点静载荷，I1-上冲程中的最大惯性载荷，Pv1-上冲程中的最大振动载荷，Fu-上冲程中的最大摩擦载荷。
6.根据权利要求5所述的一种快速计算油井井筒中混合液体含水率的方法，其特征在于，上冲程悬点静载荷Wj1的计算过程如下：
Wj1＝W′r+W′L+(pt-pc)Ap-ptAr
式中，W′r-抽油杆柱在井液中的重力，W′r＝(ρr-ρL)gLpAr，W′L-动液面深度全柱塞面积上的液柱载荷，W′L＝ρLgLfAp，ρr-抽油杆密度，ρL-井液密度，Lp-抽油杆柱长度，Ar-抽油杆截面积。
7.根据权利要求4所述的一种快速计算油井井筒中混合液体含水率的方法，其特征在于，悬点最小载荷Wmin的计算过程如下：
Wmin＝Wj2+I2-Pv2-Fd
式中，Wj2-下冲程悬点静载荷，I2-下冲程中的最大惯性载荷，Pv2-下冲程中的最大振动载荷，Fd-下冲程中的最大摩擦载荷。
8.根据权利要求7所述的一种快速计算油井井筒中混合液体含水率的方法，其特征在于，下冲程悬点静载荷Wj2，的计算过程如下：
Wj2＝W′r-ptAr
式中，W′r-抽油杆柱在井液中的重力，W′r＝(ρr-ρL)gLpAr，ρr-抽油杆密度，ρL-井液密度，Lp-抽油杆柱长度，Ar-抽油杆截面积。
9.根据权利要求4所述的一种快速计算油井井筒中混合液体含水率的方法，其特征在于：
Wmax-Wmin＝Wj1-Wj2+Ir1+IL1-Ir2+Pv1+Pv2+F1+F2+F4-F1-F2-F3-F5
式中，Wj1-上冲程悬点静载荷，Wj2-下冲程悬点静载荷，Ir1上冲程中抽油杆柱引起的最大惯性载荷，IL1-上冲程中液柱引起的最大惯性载荷，Ir2-下冲程中抽油杆柱引起的最大惯性载荷，Pv1-上冲程中的最大振动载荷，Pv2-下冲程中的最大振动载荷，F1-抽油杆柱与油管之间的摩擦力，F2-抽油泵柱塞与泵筒之间的摩擦力，F3-抽油杆柱与液体之间的摩擦力，F4-液体与油管之间的摩擦力，F5-液体通过抽油泵游动阀的阻力。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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