CN112392466A - 一种基于油井示功图的能量计算动液面方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于油田数字化及采油工艺技术领域，具体涉及一种基于油井示功图的能量计算动液面方法。本发明通过油井有杆抽油功图系统获取数据而得到油井示功图、计算得到油井泵功图、求取泵有效冲程、计算泵功图面积、计算得到油井动液面参数值及将得到的油井动液面参数值用于油田生产的指导六个步骤，在油井示功图的基础上得到了动液面参数值，达到了指导生产，降本增效的目的。

Description

一种基于油井示功图的能量计算动液面方法

技术领域

本发明属于油田数字化及采油工艺技术领域，具体涉及一种有杆抽油示功图获取系统及计算动液面方法。

背景技术

追求产量和综合效率最大化是油田开发的终极目标，而地层的供液能力将是制约实现这一目标的根本因素，所以了解掌握地层供液能力并加以科学地利用，就成为油田开发管理活动中不可回避的课题。而油井动液面是反应地层供液能力的重要指标，是进行机采井设计的重要依据。因此，及时准确地获得动液面将是非常重要和有意义的

长久以来，抽油机井环空动液面都是使用回声仪测试的，测试方法是人工定期进行操作，使用的设备比较危险、笨重，而且也很难长时间连续测试。目前所采用的动液面测试仪器由于受油井套管环空内死油环、井下狗腿等因素的影响，造成测试分析结果与实际液面情况不符，目前也有使用其他测量方法(诸如电动气枪、电动氮气瓶)，但因工艺结构复杂，成本较高，使用周期短，因此推广起来比较困难。所以有必要寻求新的动液面获取方法，以实现油田开发降本增效之目的。

发明内容

本发明提供了一种有杆抽油示功图获取系统及计算动液面方法，目的在于通过采集功图数据，结合已有分析结果，基于油井示功图的能量法计算动液面方法，以达到指导生产，降本增效的目的。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于油井示功图的能量计算动液面方法，包括如下步骤，

步骤一：通过油井有杆抽油功图系统获取数据，得到油井示功图；

步骤二：建立数学模型，并通过建立的数学模型及步骤一得到的油井示功图中参数，计算得到油井泵功图；

步骤三：利用步骤二得到的油井泵功图中参数数据，求取泵有效冲程；

步骤四：计算泵功图面积；

步骤五：通过步骤四计算得到的泵功图面积，计算得到油井动液面参数值；

步骤六：将得到的油井动液面参数值，用于油田生产的指导。

所述的步骤一中建立数学模型并通过建立的数学模型计算得到油井泵功图的方法如下：

第一步：建立有杆泵采油系统的故障诊断简化模型；

设抽油杆柱的位移s向下为正，向上为负；抽油杆柱的轴力F拉为正，压为负；把整个抽油杆柱分为M个单元，对每个单元做如下的等效处理：去掉单元的弯曲刚度，将单元的质量集中到单元一端的结点上，形成多个集中质量m_i，各个集中质量之间用拉压刚度为k_i的弹簧来代替，其影响等效成阻尼系数为c_i的阻尼器，设抽油杆和油管之间的摩擦系数为μ_i；

拉压刚度为k_i的弹簧两端的作用力都为F_i-1；集中质量m_i两端的位移都为s_i，于是有：

m_i＝q_riL_i (1)

式中：

q_ri为第i个单元的单长杆重，kg/m；

L_i为第i个单元的长度，m；

式中，

E_i，第i个单元材料的弹性模量Pa；

A_i，第i个单元的横截面面积，m²；

第二步：推导抽油杆柱各截面示功图的递推格式；

先考虑拉压刚度为k_i的弹簧，由胡克定律知：

F_i-1＝k_i(s_i-s_i-1) (3)

解出：

再考虑集中质量m_i，由牛顿第二定律知：

将式(4)代入式(5)并进行整理，得

将式(4)和式(6)统一记作：

此式即为求解抽油杆柱各截面示功图

的递推格式；

第三步：快速传递矩阵算法

式(7)中的s_i-1＝s_i-1(θ)、F_i-1＝F_i-1(θ)、s_i＝s_i(θ)和F_i＝F_i(θ)都是曲柄转角θ的函数，把它们展开为Fourier级数：

其中：

i指的是第i个抽油杆单元，i＝{0、1……M}，M是抽油杆最大个数；

j指的是数据对个数，每个单元的位移与载荷是由j个数据对构成的， j＝{0、1……N}，N是最大个数；

式中：

k——2π周期内等分的份数，份数不少于144；

p——从0到k各点序号；

把上面(8)、(9)、(10)和(11)四个Fourier级数代入式(7)，并设曲柄匀速转动，

(n为冲次，min^-1)，

整理可得：

令

有

简写为

其中：

ω—曲柄角速度；

M—抽油杆柱第M个单元；

悬点位置的位移函数s₀＝s₀(θ)＝-s_PR(θ)与轴力函数由实测光杆示功图求得，为已知；把它们展开为Fourier级数，获得系数

和

然后通过式(19)、(20)和(21)获得泵处的系数

和

最后通过Fourier级数式(8)～(11) 的计算就可以求出泵处的位移函数s_pump(θ)＝-s_M(θ)＝-s_M和轴力函数 F_pump(θ)＝F_M(θ)＝F_M，即得到油井泵示功图。

所述的步骤二中的油井示功图中参数包括油井悬点载荷和位移。

所述的步骤三求取泵有效冲程具体过程如下：

第一步：将步骤二得到的油井泵功图与数据库中的常见故障泵功图进行比较；

第二步：通过第一步比较得出的结果，寻找出故障；

第三步：结合生产参数确定泵有效冲程。

所述的步骤四中计算泵功图面积是采用下述积分式得到的

其中：

S是泵功图面积；

X是拉杆与泵连接处位移；

F_u是上冲程泵筒所受载荷；

F_d是下冲程泵筒所受载荷。

所述的步骤五计算油井动液面参数值的方法如下：

液体据升到地面做的功w

其中，ρ_液—油井产液密度；

d—泵筒内径；

H—有效扬程，m；

s_e—为泵有效冲程；

g—为重力加速度；

其中，有效扬程由下式求得

式中，h——动液面深度，m，

p_c——油管压力，MPa；

p_t——套管压力，MPa。

液体密度由下式求得

ρ_液＝(1-f_w)ρ_o+f_wρ_w (25)

式中，f_w——含水率，

ρ_o——油的密度，t/m³，

ρ_w——水的密度，t/m³，

由式S＝W (26)

可得

所述步骤一中的油井有杆抽油功图系统包括数据采集点、数据处理点和服务器；所述的数据采集点与数据处理点之间电信号连接；所述的数据处理点和服务器之间电信号连接。

所述数据采集点包括抽油机、电参数传感器、位移传感器、载荷传感器、RTU和电机监测装置；所述的电参数传感器设置在抽油机的电控箱上，所述的位移传感器设置在抽油机的游梁中轴上方；所述的载荷传感器设置在抽油机的悬绳器与光杆卡子上；所述的电参数传感器、位移传感器和载荷传感器分别与RTU电信号连接，RTU与数据处理点电信号连接；所述的电机监测装置分别与抽油机和RTU电连接。

所述数据处理点包括数据接收器、数据发送器和数据处理器，所述的数据接收器与数据采集点电信号连接，数据处理器分别与数据接收器和数据发送器电信号连接，所述的数据发送器与服务器电信号连接。

有益效果：

本发明通过已采集功图数据，结合已有分析结果，基于油井示功图的能量法计算动液面方法，达到了指导生产、降本增效的目的。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例，详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明有杆泵采油系统的故障诊断简化模型示意图；

图2为本发明抽油机传感器安装示意图；

图3为本发明有杆抽油功图系统结构图；

图4为本发明的泵有效冲程识别流程图；

图5为本发明采集到的光杆示功图和据此分析得到的泵示功图；

图6为本发明抽油机井抽油井筒示意图；

图7为本发明工况分析与功图计产系统。

图中：1-电参数传感器；2-位移传感器；3-载荷传感器；4-数据采集点；5-数据处理点；6-服务器；7-抽油机。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例，详细说明如后。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

实施例一：

一种基于油井示功图的能量计算动液面方法，包括如下步骤，

步骤一：通过油井有杆抽油功图系统获取数据，得到油井示功图；

步骤二：建立数学模型，并通过建立的数学模型及步骤一得到的油井示功图中参数，计算得到油井泵功图；

步骤三：利用步骤二得到的油井泵功图中参数数据，求取泵有效冲程；

步骤四：计算泵功图面积；

步骤五：通过步骤四计算得到的泵功图面积，计算得到油井动液面参数值；

步骤六：将得到的油井动液面参数值，用于油田生产的指导。

在实际使用时，本发明通过六个步骤，将已采集功图数据，结合已有分析结果，基于油井示功图的能量法计算动液面方法，达到了指导生产、降本增效的目的。

本发明的方法简单易行，且不增加现有生产成本。

实施例二：

参照图1、图4-图7所示的一种基于油井示功图的能量计算动液面方法，在实施例一的基础上，所述的步骤一中建立数学模型并通过建立的数学模型计算得到油井泵功图的方法如下：

第一步：建立有杆泵采油系统的故障诊断简化模型；

设抽油杆柱的位移s向下为正，向上为负；抽油杆柱的轴力F拉为正，压为负；把整个抽油杆柱分为M个单元，对每个单元做如下的等效处理：去掉单元的弯曲刚度，将单元的质量集中到单元一端的结点上，形成多个集中质量m_i，各个集中质量之间用拉压刚度为k_i的弹簧来代替，其影响等效成阻尼系数为c_i的阻尼器，设抽油杆和油管之间的摩擦系数为μ_i；(如图 1)

拉压刚度为k_i的弹簧两端的作用力都为F_i-1；集中质量m_i两端的位移都为s_i，于是有：

m_i＝q_riL_i (1)

式中：

q_ri为第i个单元的单长杆重，kg/m；

L_i为第i个单元的长度，m；

式中，

E_i，第i个单元材料的弹性模量Pa；

A_i，第i个单元的横截面面积，m²；

第二步：推导抽油杆柱各截面示功图的递推格式；

先考虑拉压刚度为k_i的弹簧，由胡克定律知：

F_i-1＝k_i(s_i-s_i-1) (3)

解出：

再考虑集中质量m_i，由牛顿第二定律知：

将式(4)代入式(5)并进行整理，得

将式(4)和式(6)统一记作：

此式即为求解抽油杆柱各截面示功图

的递推格式；

第三步：快速传递矩阵算法

式(7)中的s_i-1＝s_i-1(θ)、F_i-1＝F_i-1(θ)、s_i＝s_i(θ)和F_i＝F_i(θ)都是曲柄转角θ的函数，把它们展开为Fourier级数：

其中：

i指的是第i个抽油杆单元，i＝{0、1……M}，M是抽油杆最大个数；

j指的是数据对个数，每个单元的位移与载荷是由j个数据对构成的， j＝{0、1……N}，N是最大个数；

式中：

k——2π周期内等分的份数，份数不少于144；

p——从0到k各点序号；

把上面(8)、(9)、(10)和(11)四个Fourier级数代入式(7)，并设曲柄匀速转动，

(n为冲次，min^-1)，

整理可得：

令

有

简写为

其中：

ω—曲柄角速度；

M—抽油杆柱第M个单元；

悬点位置的位移函数s₀＝s₀(θ)＝-s_PR(θ)与轴力函数由实测光杆示功图求得，为已知；把它们展开为Fourier级数，获得系数

和

然后通过式(19)、(20)和(21)获得泵处的系数

和

最后通过Fourier级数式(8)～(11) 的计算就可以求出泵处的位移函数s_pump(θ)＝-s_M(θ)＝-s_M和轴力函数 F_pump(θ)＝F_M(θ)＝F_M，即得到油井泵示功图。

进一步的，所述的步骤二中的油井示功图中参数包括油井悬点载荷和位移。

进一步的，所述的步骤三求取泵有效冲程具体过程如下(如图4)：

第一步：将步骤二得到的油井泵功图与数据库中的常见故障泵功图进行比较；

第二步：通过第一步比较得出的结果，寻找出故障；

第三步：结合生产参数确定泵有效冲程。

进一步的，所述的步骤四中计算泵功图面积是采用下述积分式得到的 (如图5)

其中：

S是泵功图面积；

X是拉杆与泵连接处位移；

F_u是上冲程泵筒所受载荷；

F_d是下冲程泵筒所受载荷。

进一步的，所述的步骤五计算油井动液面参数值的方法如下：

液体据升到地面做的功w(如图6)

其中，ρ_液—油井产液密度；

d—泵筒内径；

H—有效扬程，m；

s_e—为泵有效冲程；

g—为重力加速度；

其中，有效扬程由下式求得

式中，h——动液面深度，m，

p_c——油管压力，MPa；

p_t——套管压力，MPa。

液体密度由下式求得

ρ_液＝(1-f_w)ρ_o+f_wρ_w (25)

式中，f_w——含水率，

ρ_o——油的密度，t/m³，

ρ_w——水的密度，t/m³，

由式S＝W (26)

可得

其中的s_e可由已有工况分析与功图计产系统获得(如图7)。

采用本发明的技术方案，在不增加现有生产成本的基础上，简单易行的得到了动液面参数值，达到了指导生产，降本增效的目的。

实施例三：

参照图2和图3所示的一种基于油井示功图的能量计算动液面方法，所述步骤一中的油井有杆抽油功图系统包括数据采集点4、数据处理点5和服务器6；所述的数据采集点4与数据处理点5之间电信号连接；所述的数据处理点5和服务器6之间电信号连接。

进一步的，所述数据采集点4包括抽油机7、电参数传感器1、位移传感器2、载荷传感器4、RTU和电机监测装置；所述的电参数传感器1设置在抽油机7的电控箱上，所述的位移传感器2设置在抽油机7的游梁中轴上方；所述的载荷传感器4设置在抽油机7的悬绳器与光杆卡子上；所述的电参数传感器1、位移传感器2和载荷传感器4分别与RTU电信号连接， RTU与数据处理点5电信号连接；所述的电机监测装置分别与抽油机7和 RTU电连接。

进一步的，所述数据处理点5包括数据接收器、数据发送器和数据处理器，所述的数据接收器与数据采集点4电信号连接，数据处理器分别与数据接收器和数据发送器电信号连接，所述的数据发送器与服务器6电信号连接。

在具体应用时，本发明通过安装在井口的载荷传感器4、位移传感器2，每10分钟获取一张油井示功图，然后建立数学模型计算得到油井泵功图，由泵功图求取泵有效冲程及其面积，又由于泵功图的面积就相当于把本次冲程泵筒内的液量由动液面处举升到地面所做的功，最后实现实时获取泵功图面积，进而可得到油井动液面，最后将得到的油井动液面参数值，用于油田生产的指导。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种基于油井示功图的能量计算动液面方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤一：通过油井有杆抽油功图系统获取数据，得到油井示功图；

步骤二：建立数学模型，并通过建立的数学模型及步骤一得到的油井示功图中参数，计算得到油井泵功图；

步骤三：利用步骤二得到的油井泵功图中参数数据，求取泵有效冲程；

步骤四：计算泵功图面积；

步骤五：通过步骤四计算得到的泵功图面积，计算得到油井动液面参数值；

步骤六：将得到的油井动液面参数值，用于油田生产的指导。

2.如权利要求1所述的一种基于油井示功图的能量计算动液面方法，其特征在于，所述的步骤二中建立数学模型并通过建立的数学模型计算得到油井泵功图的方法如下：

第一步：建立有杆泵采油系统的故障诊断简化模型；

设抽油杆柱的位移s向下为正，向上为负；抽油杆柱的轴力F拉为正，压为负；把整个抽油杆柱分为M个单元，对每个单元做如下的等效处理：去掉单元的弯曲刚度，将单元的质量集中到单元一端的结点上，形成多个集中质量m_i，各个集中质量之间用拉压刚度为k_i的弹簧来代替，其影响等效成阻尼系数为c_i的阻尼器，设抽油杆和油管之间的摩擦系数为μ_i；

拉压刚度为k_i的弹簧两端的作用力都为F_i-1；集中质量m_i两端的位移都为s_i，于是有：

m_i＝q_riL_i (1)

式中：

q_ri为第i个单元的单长杆重，kg/m；

L_i为第i个单元的长度，m；

式中，

E_i，第i个单元材料的弹性模量Pa；

A_i，第i个单元的横截面面积，m²；

第二步：推导抽油杆柱各截面示功图的递推格式；

先考虑拉压刚度为k_i的弹簧，由胡克定律知：

F_i-1＝k_i(s_i-s_i-1) (3)

解出：

再考虑集中质量m_i，由牛顿第二定律知：

将式(4)代入式(5)并进行整理，得

将式(4)和式(6)统一记作：

此式即为求解抽油杆柱各截面示功图

的递推格式；

第三步：快速传递矩阵算法

式(7)中的s_i-1＝s_i-1(θ)、F_i-1＝F_i-1(θ)、s_i＝s_i(θ)和F_i＝F_i(θ)都是曲柄转角θ的函数，把它们展开为Fourier级数：

其中：

i指的是第i个抽油杆单元，i＝{0、1……M}，M是抽油杆最大个数；

j指的是数据对个数，每个单元的位移与载荷是由j个数据对构成的，j＝{0、1……N}，N是最大个数；

式中：

k——2π周期内等分的份数，份数不少于144；

p——从0到k各点序号；

把上面(8)、(9)、(10)和(11)四个Fourier级数代入式(7)，并设曲柄匀速转动，

(n为冲次，min^-1)，

整理可得：

令

有

简写为

其中：

ω—曲柄角速度；

M—抽油杆柱第M个单元；

悬点位置的位移函数s₀＝s₀(θ)＝-s_PR(θ)与轴力函数由实测光杆示功图求得，为已知；把它们展开为Fourier级数，获得系数

和

然后通过式(19)、(20)和(21)获得泵处的系数

和

最后通过Fourier级数式(8)～(11)的计算就可以求出泵处的位移函数s_pump(θ)＝-s_M(θ)＝-s_M和轴力函数F_pump(θ)＝F_M(θ)＝F_M，即得到油井泵示功图。

3.如权利要求1所述的一种基于油井示功图的能量计算动液面方法，其特征在于：所述的步骤二中的油井示功图中参数包括油井悬点载荷和位移。

4.如权利要求1所述的一种基于油井示功图的能量计算动液面方法，其特征在于，所述的步骤三求取泵有效冲程的具体过程如下：

第一步：将步骤二得到的油井泵功图与数据库中的常见故障泵功图进行比较；

第二步：通过第一步比较得出的结果，寻找出故障；

第三步：结合生产参数确定泵有效冲程。

5.如权利要求1所述的一种基于油井示功图的能量计算动液面方法，其特征在于：所述的步骤四中计算泵功图面积是采用下述积分式得到的

其中：

S是泵功图面积；

X是拉杆与泵连接处位移；

F_u是上冲程泵筒所受载荷；

F_d是下冲程泵筒所受载荷。

6.如权利要求1所述的一种基于油井示功图的能量计算动液面方法，其特征在于，所述的步骤五计算油井动液面参数值的方法如下：

液体据升到地面做的功w

其中，ρ_液—油井产液密度；

d—泵筒内径；

H—有效扬程，m；

s_e—为泵有效冲程；

g—为重力加速度；

其中，有效扬程由下式求得

式中，h——动液面深度，m，

p_c——油管压力，MPa；

p_t——套管压力，MPa。

液体密度由下式求得

ρ_液＝(1-f_w)ρ_o+f_wρ_w (25)

式中，f_w——含水率，

ρ_o——油的密度，t/m³，

ρ_w——水的密度，t/m³，

由式S＝W (26)

可得

7.如权利要求1所述的一种基于油井示功图的能量计算动液面方法，其特征在于：所述步骤一中的油井有杆抽油功图系统包括数据采集点(4)、数据处理点(5)和服务器(6)；所述的数据采集点(4)与数据处理点(5)之间电信号连接；所述的数据处理点(5)和服务器(6)之间电信号连接。

8.如权利要求7所述的一种基于油井示功图的能量计算动液面方法，其特征在于：所述数据采集点(4)包括抽油机(7)、电参数传感器(1)、位移传感器(2)、载荷传感器(4)、RTU和电机监测装置；所述的电参数传感器(1)设置在抽油机(7)的电控箱上，所述的位移传感器(2)设置在抽油机(7)的游梁中轴上方；所述的载荷传感器(4)设置在抽油机(7)的悬绳器与光杆卡子上；所述的电参数传感器(1)、位移传感器(2)和载荷传感器(4)分别与RTU电信号连接，RTU与数据处理点(5)电信号连接；所述的电机监测装置分别与抽油机(7)和RTU电连接。

9.如权利要求7所述的一种基于油井示功图的能量计算动液面方法，其特征在于：所述数据处理点(5)包括数据接收器、数据发送器和数据处理器，所述的数据接收器与数据采集点(4)电信号连接，数据处理器分别与数据接收器和数据发送器电信号连接，所述的数据发送器与服务器(6)电信号连接。

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