CN112412439A - 一种通过油井地面示功图获得泵示功图的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于油井技术领域，涉及一种通过油井地面示功图获得泵示功图的方法，包括以下步骤：在抽油杆悬点位置采集有杆泵抽油机在一个运行周期内各个时刻的n组载荷值与对应的位移值，将其按照先后顺序排列，形成有序排列的集合作为地面示功图，获取从抽油杆悬点到抽油泵处的抽油杆柱的长度数据h,并将h离散化为m个单元，然后从地面示功图递推m次，求取每一个单元的示功图，直至递推到泵挂处，获得泵示功图，将泵示功图用于油井工况诊断和功图计产。本发明操作简单、计算准确且效率高，方便实现批量化处理，最终显著的提升了油井工况诊断和功图计产的效率，实用性强，值得推广。

Description

一种通过油井地面示功图获得泵示功图的方法
技术领域
本发明属于油井技术领域，具体涉及一种通过油井地面示功图获得泵示功图的方法。
背景技术
油井产量的计量是油田生产管理中的一项重要工作，对油井产量进行准确、及时的计量，对掌握油藏状况，制定生产方案，具有重要的指导意义。“功图法”计量技术是长庆油田油井主要计量方式，是长庆油田实现数字化管理的主体技术之一，利用现有成熟的传感器和通讯技术，获取现场采集的油井地面示功图，并以此为基础，推导计算泵示功图，而如何计算泵示功图，是该技术的核心之一。
目前，国内获取泵示功图的方法主要有：1、一种确定泵功图的系统(专利号：ZL201720255810.0)；2、一种确定抽油机井泵功图的方法及系统(201710204704.4)；3、一种泵功图的识别和判断方法(ZL201110126451.6)，方法大体归类为：1、通过设备直接测取，但是该方法所需要的装置要求比较高，且测量时受井筒条件限制；2、通过测取地面示功图，根据波动方程进行计算，但是该方法比较麻烦，计算效率低；上述缺点影响了油井工况诊断和功图计产的效率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种通过油井地面示功图获得泵示功图的方法，以提升油井工况诊断和功图计产的效率。
本发明的技术方案是：
一种通过油井地面示功图获得泵示功图的方法，包括以下步骤：
在抽油杆悬点位置采集有杆泵抽油机在一个运行周期内各个时刻的n组载荷值与对应的位移值，将其按照先后顺序排列，形成有序排列的集合
Figure BDA0002802953230000021
作为地面示功图，其中，1≤i≤n，n≥200；
获取从抽油杆悬点到抽油泵处的抽油杆柱的长度数据h，并将按式(1)将h进行离散化：
m＝h/L (1)
其中，h为抽油杆柱的长度，m为划分的单元数，L为划分的单元的长度，且L趋近于0；
将抽油杆悬点位置记为零点，将集合
Figure BDA0002802953230000022
记为
Figure BDA0002802953230000023
其中，1≤i≤n，1≤j≤m；
利用下式(2)对U0集合中的每一组数据进行逐次递推，依次求取每个单元的示功图，直至获得泵示功图
Figure BDA0002802953230000024
Figure BDA0002802953230000025
(2)
其中，mj＝qrjLj；
Figure BDA0002802953230000026
cj＝CjLjμlj
Fj-1＝kj(sj-sj-1)
Figure BDA0002802953230000031
Figure BDA0002802953230000032
mj-第j个单元的等效杆柱质量，1≤j≤m，kg；
qrj-第j个单元的单长杆重，kg/m；
Lj-第j个单元的长度，m；
kj-第j个单元的等效弹性系数，N/m；
Ej-第j个单元材料的弹性模量，Pa；
Aj-第j个单元的横截面面积，m2；
cj-第j个单元的等效阻尼系数，kg/s；
Cj-第j个单元处和该处杆管环形空间横截面形状尺寸有关的系数；
μlj-第j个单元处液体的动力黏度，Pa·s；
Fj-1-第j-1个单元的载荷力，N；
sj-第j个单元的位移，m；
αj-井身结构的斜角；
μk-杆管间库仑动摩擦系数；
Nj-杆管间侧压力；
Figure BDA0002802953230000033
-第j个单元运行速度；
Figure BDA0002802953230000034
-第j个单元运行加速度；
将该泵示功图用于油井工况诊断和功图计产。
优选的，所述载荷值与对应的位移值通过载荷传感器和位移传感器分别获取。
本发明涉及单井生产工况及计产技术等领域，其目的是提供一种通过油井地面示功图获得泵示功图的方法，来实现油井工况诊断和功图计产，通过载荷传感器和位移传感器分别获取到有杆泵抽油机在抽油杆悬点位置的一个运行周期内各个时刻的n组载荷值与对应的位移值，用此作为原始数据形成有序排列，作为油井生产时的地面示功图，再获取从抽油杆悬点到抽油泵处的抽油杆柱的长度数据h，然后将抽油杆柱的长度数据h离散化为m个单元，然后结合抽油杆柱组合、井身结构、井筒液体对杆柱的影响等因素，从地面示功图递推m次，求取每一个单元的示功图，直至递推到泵挂处，获得泵示功图，从而得到油井生产时泵的真实运行情况，实现油井工况诊断和功图计产。该方法操作简单、计算准确且效率高，方便实现批量化处理，最终显著的提升了油井工况诊断和功图计产的效率，实用性强，值得推广。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明的等效图。
具体实施方式
下面结合附图1和图2对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例1
本发明提供一种通过油井地面示功图获得泵示功图的方法，该方法主要利用地面示功图，通过应用数学、力学及计算机技术，建立抽油杆柱离散模型，推导获取井底泵示功图，实现油井工况诊断和功图计产。
本发明采用的技术方案是：
在抽油杆悬点位置采集有杆泵抽油机在一个运行周期内各个时刻的n组载荷值与对应的位移值，将其按照先后顺序排列，形成有序排列的集合
Figure BDA0002802953230000051
作为地面示功图，其中，1≤i≤n，n≥200。
获取从抽油杆悬点到抽油泵处的抽油杆柱的长度数据h，并将按式(1)将h进行离散化：
m＝h/L (1)
其中，h为抽油杆柱的长度，m为划分的单元数，L为划分的单元的长度，且L趋近于0。
将抽油杆悬点位置记为零点，将集合
Figure BDA0002802953230000052
记为
Figure BDA0002802953230000053
其中，1≤i≤n，1≤j≤m。
利用下式(2)对U0集合中的每一组数据进行逐次递推，依次求取每个单元的示功图，直至获得泵示功图
Figure BDA0002802953230000054
Figure BDA0002802953230000055
(2)
然后将该泵示功图用于油井工况诊断和功图计产。
具体的，如图2所示，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，将抽油杆柱的长度h离散化，分为m个单元(m趋近于无穷大且最长单元的长度趋近于0时，最后的解答趋近于问题的精确解)，然后对每个单元做如下的等效处理：
去掉单元的弯曲刚度，将单元的质量分配到单元下端结点，形成一些集中质量(Mass)mj，而各个集中质量之间用拉压刚度为kj的弹簧(Spring)代替，杆管侧压力Nj就作用在集中质量mj上，把杆液之间的粘性摩阻等效成阻尼系数为cj阻尼器(Damping)。
由于弹簧没有质量，所以它两端的作用力相同，而集中质量可认为是一个质点，所以它两端的位移可看作是相同的。这就把一个具有无限个自由度的弹性体振动化为多自由度振动，该振动系统称为抽油杆柱质量(Mass)-弹簧(Spring)-阻尼(Damping)离散系统，简称MSD系统。
这里
mj＝qrjLj (3)
式中，mj-第j个单元的等效杆柱质量，j＝{1：m}，实际处理j为从上往下抽油杆柱的根数，后面涉及到的j为相同意义，kg；
qrj-第j个单元的单长杆重，kg/m；
Lj-第j个单元的长度，m。
Figure BDA0002802953230000061
式中，kj-第j个单元的等效弹性系数，N/m·
Ej-第j个单元材料的弹性模量，Pa；
Aj-第j个单元的横截面面积，m2；
Lj-第j个单元的长度，m。
cj＝CjLjμlj (5)
式中，cj-第j个单元的等效阻尼系数，kg/s；
Cj-第j个单元处和该处杆管环形空间横截面形状尺寸有关的系数；
μlj-第j个单元处液体的动力黏度，Pa·s；
Lj-第j个单元的长度，m。
先考虑弹簧kj，由胡克定律知：
Fj-1＝kj(sj-sj-1) (6)
解出：
Figure BDA0002802953230000071
式中：
Fj-1-第j-1个单元的载荷力，N；
sj-第j个单元的位移，m；
再考虑等效杆柱质量mj，由牛顿第二定律知：
Figure BDA0002802953230000072
式中：
αj-井身结构的斜角；
Figure BDA0002802953230000073
-速度
Figure BDA0002802953230000074
的正负号；
μk-杆管间库仑动摩擦系数；
Nj-杆管间侧压力；
Figure BDA0002802953230000075
-第j个单元运行速度，即位移的一阶导数；
Figure BDA0002802953230000076
-第j个单元运行加速度，即位移的二阶导数。
结合式(7)代入式(8)，解出
Figure BDA0002802953230000077
将式(7)和式(9)统一记作：
Figure BDA0002802953230000078
此式即为求解抽油杆柱各截面示功图
Figure BDA0002802953230000079
的递推格式。
若忽略井眼轴线曲率和杆管或杆液之间的摩阻，式(2)变为
Figure BDA0002802953230000081
(10)
以上方法主要实现了从地面示功图转换泵示功图的过程，将该方法通过计算机编程，还可以形成对油井地面示功图推导计算的可行性软件，该软件融入油井工况与计产管理平台，通过应用软件实现油井的工况诊断和功图计产。
以下对本发明进一步详细说明。
如图1所示，油井的抽油杆悬点位置设置有载荷传感器和位移传感器，通过载荷传感器和位移传感器实时采集有杆泵抽油机在一个运行周期内各个时刻的至少200组载荷值与对应的位移值，将其按照先后顺序排列，形成有序排列的集合作为地面示功图。
将采集到的地面示功图作为原始数据存储于设在井口的RTU中，通过光缆与中心服务器相连，最终将数据传输回中心服务器数据库中。地面示功图作为原始的采集数据，利用式(2)的算法将地面示功图、油井井身结构、抽油杆柱组合等基础数据相结合，通过将抽油杆悬点到抽油泵处的抽油杆柱的长度进行离散化为多个单元，然后从地面示功图逐个单元的递推，求取每个单元上的示功图，得到井筒不同位置抽油杆柱的位移与载荷关系，直至井底抽油泵处，即泵挂处，获得真实的泵示功图，根据泵示功图就可实现对油井的工况诊断和计产。
本发明涉及单井生产工况及计产技术等领域，其目的是提供一种通过油井地面示功图获得泵示功图的方法并将该泵示功图用于油井工况诊断和功图计产，通过载荷传感器和位移传感器分别获取到有杆泵抽油机在抽油杆悬点位置的一个运行周期内各个时刻的n组载荷值与对应的位移值，用此作为原始数据形成有序排列，作为油井生产时的地面示功图，获取从抽油杆悬点到抽油泵处的抽油杆柱的长度数据h，然后将抽油杆柱的长度数据h离散化为m个单元，然后结合抽油杆柱组合、井身结构、井筒液体对杆柱的影响等因素，从地面示功图递推m次，求取每一个单元的示功图，直至递推到泵挂处，获得泵示功图，从而得到油井生产时泵的真实运行情况，实现油井工况诊断和功图计产。该方法操作简单、计算准确且效率高，方便实现批量化处理，最终显著的提升了油井工况诊断和功图计产的效率，实用性强，值得推广。
以上公开的仅为本发明的较佳的具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种通过油井地面示功图获得泵示功图的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在抽油杆悬点位置采集有杆泵抽油机在一个运行周期内各个时刻的n组载荷值与对应的位移值，将其按照先后顺序排列，形成有序排列的集合
Figure FDA0002802953220000011
作为地面示功图，其中，1≤i≤n，n≥200；
获取从抽油杆悬点到抽油泵处的抽油杆柱的长度数据h,并将按式(1)将h进行离散化：
m＝h/L (1)
其中，h为抽油杆柱的长度，m为划分的单元数，L为划分的单元的长度，且L趋近于0；
将抽油杆悬点位置记为零点，将集合
Figure FDA0002802953220000012
记为
Figure FDA0002802953220000013
其中，1≤i≤n，1≤j≤m；
利用下式(2)对U0集合中的每一组数据进行逐次递推，依次求取每个单元的示功图，直至获得泵示功图
Figure FDA0002802953220000014
Figure FDA0002802953220000015
其中，mj=qrjLj；
Figure FDA0002802953220000016
cj＝CjLjμlj
Fj-1＝kj(sj-sj-1)
Figure FDA0002802953220000021
Figure FDA0002802953220000022
mj-第j个单元的等效杆柱质量，1≤j≤m，kg；
qrj-第j个单元的单长杆重，kg/m；
Lj-第j个单元的长度，m；
kj-第j个单元的等效弹性系数，N/m；
Ej-第j个单元材料的弹性模量，Pa；
Aj-第j个单元的横截面面积，m2；
cj-第j个单元的等效阻尼系数，kg/s；
Cj-第j个单元处和该处杆管环形空间横截面形状尺寸有关的系数；
μlj-第j个单元处液体的动力黏度，Pa·s；
Fj-1-第j-1个单元的载荷力，N；
sj-第j个单元的位移，m；
αj-井身结构的斜角；
μk-杆管间库仑动摩擦系数；
Nj-杆管间侧压力；
Figure FDA0002802953220000023
-第j个单元运行速度；
Figure FDA0002802953220000024
-第j个单元运行加速度；
将所述泵示功图用于油井工况诊断和功图计产。
2.根据权利要求1所述的一种通过油井地面示功图获得泵示功图的方法，其特征在于，所述载荷值与对应的位移值通过载荷传感器和位移传感器分别获取。
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