一种获取抽油机井井下系统特性曲线的方法及装置

暂无

一种获取抽油机井井下系统特性曲线的方法及装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及油田机械采油技术领域，特别涉及一种获取抽油机井井下系统特性曲线的方法及装置。\n背景技术\n[0002] 有杆抽油系统是最早使用的机械采油方式，目前仍然是国内外最主要的人工举升方式。有杆抽油泵是一种往复泵，它在深井条件下工作，具有超长的抽油杆，在井下工作时受抽油杆及油管弹性变形、泵充满程度等的影响很大，使包含抽油杆、油管和抽油泵的井下系统具有不同于普通地面往复泵的工作特性。\n[0003] 对于有杆抽油系统来说，一直缺乏类似电潜泵、螺杆泵系统所具有的设备特性曲线，这增加了有杆泵井在节点分析和优化设计时的复杂性。抽油机井在优化设计时往往采用试凑法，迭代次数多，运行时间长。由于没有抽油机井井下系统的特性曲线，使得抽油机井优化设计的流程非常复杂，而且不利于实现多种举升方式的优化设计与节点分析方法的统一。\n发明内容\n[0004] 为了解决现有技术的问题，本发明提出一种获取抽油机井井下系统特性曲线的方法及装置，建立了抽油机井井下系统特性曲线，有利于实现多种举升方式的优化设计与节点分析方法的统一。\n[0005] 为实现上述目的，本发明提供了一种获取抽油机井井下系统特性曲线的方法，所述方法包括：\n[0006] 将光杆以下的井下举升系统作为一个整体，给定抽油机井井下系统的参数；\n[0007] 利用所述抽油机井井下系统的参数，获得泵出入口压差对应泵的实际排量的特性曲线；其中，所述抽油机井井下系统的参数包括：余隙比K、泵内气液比R、进入泵筒内的排量Qpump_in、流体的体积系数B、冲次n、抽油杆柱总长L、钢的弹性模量E、每一级抽油杆长度Li、每一级抽油杆横截面积fri、生产油管壁横截面积fi、泵径D、柱塞的偏心率ε、泵间隙h、流体的运动粘度ν、流体的密度ρ、柱塞的长度l、柱塞的平均速度U、有效扬程H`、重力加速度g、流体流经阀球的阻力系数ζ、流体流经阀孔的流量Q1、泵阀阀座孔面积A和流体粘度μ。\n[0008] 可选的，在本发明一实施例中，所述获得泵出入口压差对应的泵实际排量的特性曲线的步骤包括：\n[0009] 利用柱塞的有效冲程Sp和地面冲程S获得冲程损失影响系统ηS；利用余隙比K、泵内气液比R获得泵充满程度系数ηC；利用进入泵筒内的排量Qpump_in、柱塞衬套之间的漏失量qloss获得泵漏失影响系数ηq；利用流体的体积系数B获得流体体积效应影响系数ηB；其中，所述柱塞的有效冲程Sp、所述柱塞衬套之间的漏失量qloss均为具有泵出入口压差ΔP的表达式；\n[0010] 利用冲程损失影响系数ηS、泵充满程度系数ηC、泵漏失影响系数ηq和流体体积效应影响系数ηB获得泵效ηV；\n[0011] 利用所述泵效ηV和所述泵理论排量Qt获得泵实际排量Q，得到泵出入口压差ΔP对应的泵实际排量的特性曲线。\n[0012] 可选的，在本发明一实施例中，所述方法进一步包括：获得泵出入口压差对应抽油机井下系统功率的特性曲线。\n[0013] 可选的，在本发明一实施例中，所述获得泵出入口压差对应抽油机井下系统功率的特性曲线的步骤：\n[0014] 利用泵实际排量Q、流体的密度ρ、重力加速度g、和有效扬程H`获得光杆的有效功率Ne；利用流体流经阀球的阻力系数ζ、流体的密度ρ、流体流经阀孔的流量Q1和泵阀阀座孔面积A获得水力损失功率NLoss-H；利用柱塞衬套之间的漏失量qloss和泵出入口压差ΔP获得体积损失功率NLoss-V；利用泵径D、地面冲程S、冲次n、泵间隙h、柱塞的长度l、柱塞的偏心率ε、泵出入口压差ΔP和流体粘度μ获得机械损失效率NLoss_M；\n[0015] 利用光杆的有效功率Ne、水力损失功率NLoss-H、体积损失功率NLoss-V和机械损失效率NLoss_M获得光杆功率NRP，得到泵出入口压差ΔP对应抽油机井下系统功率的特性曲线。\n[0016] 可选的，在本发明一实施例中，所述方法进一步包括：获得泵出入口压差对应抽油机井下系统效率的特性曲线。\n[0017] 可选的，在本发明一实施例中，所述获得泵出入口压差对应抽油机井下系统效率的特性曲线的步骤包括：\n[0018] 利用所述光杆的有效功率Ne和所述光杆功率NRP获得抽油机井下系统效率，得到泵出入口压差对应抽油机井下系统效率的特性曲线。\n[0019] 为实现上述目的，本发明还提供了一种获取抽油机井井下系统特性曲线的装置，所述装置包括：\n[0020] 系统参数给定单元，用于将光杆以下的井下举升系统作为一个整体，给定抽油机井井下系统的参数；其中，所述抽油机井井下系统的参数包括：余隙比K、泵内气液比R、进入泵筒内的排量Qpump_in、流体的体积系数B、冲次n、抽油杆柱总长L、钢的弹性模量E、每一级抽油杆长度Li、每一级抽油杆横截面积fri、生产油管壁横截面积fi、泵径D、柱塞的偏心率ε、泵间隙h、流体的运动粘度ν、流体的密度ρ、柱塞的长度l、柱塞的平均速度U、有效扬程H`、重力加速度g、流体流经阀球的阻力系数ζ、流体流经阀孔的流量Q1、泵阀阀座孔面积A和流体粘度μ；\n[0021] 第一特性曲线获得单元，用于利用所述抽油机井井下系统的参数，获得泵出入口压差对应泵的实际排量的特性曲线。\n[0022] 可选的，在本发明一实施例中，所述装置进一步包括：第二特性曲线获得单元；\n[0023] 所述第二特性曲线获得单元，用于获得泵出入口压差对应抽油机井下系统功率的特性曲线。\n[0024] 可选的，在本发明一实施例中，所述装置进一步包括：第三特性曲线获得单元；\n[0025] 所述第三特性曲线获得单元，用于获得泵出入口压差对应抽油机井下系统效率的特性曲线。\n[0026] 上述技术方案具有如下有益效果：通过本技术方案获得获取抽油机井井下系统特性曲线，便于对有杆抽油系统进行节点分析和优化设计。并且，将有杆泵井下系统的工作特性综合到三条特性曲线中去，它能够有效地整合和辅助现有的一些理论和方法，有利于实现多种举升方式的优化设计与节点分析方法的统一。\n附图说明\n[0027] 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，下面将对实施例或现有技术描述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。\n[0028] 图1为本发明提供的一种获取抽油机井井下系统特性曲线的方法流程图之一；\n[0029] 图2为本发明提供的一种获取抽油机井井下系统特性曲线的方法流程图之二；\n[0030] 图3为本发明提供的一种获取抽油机井井下系统特性曲线的方法流程图之三；\n[0031] 图4为本发明提供的一种获取抽油机井井下系统特性曲线的装置框图之一；\n[0032] 图5为本发明提供的一种获取抽油机井井下系统特性曲线的装置框图之二；\n[0033] 图6为本发明提供的一种获取抽油机井井下系统特性曲线的装置框图之三；\n[0034] 图7为本实施例中排量组成示意图；\n[0035] 图8为本实施例中功率组成示意图；\n[0036] 图9为本实施例中抽油机井井下系统特性曲线图；\n[0037] 图10为本实施例中不同泵吸入口压力对应的Q～ΔP曲线图；\n[0038] 图11为本实施例中不同抽汲参数组合对应的Q～△P曲线图；\n[0039] 图12为本实施例中不同抽汲参数组合对应的泵入口节点的流入流出曲线图。\n具体实施方式\n[0040] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。\n[0041] 本发明的技术方案综合考虑了油管、抽油杆、抽油泵和井筒流体在生产时的相互影响，把光杆以下的井下举升系统作为一个整体，为了预测抽油机井井下系统特性曲线，首先要给定有杆泵井下系统的参数，然后通过改变泵出入口压差的办法，计算不同泵压差对应的实际排量以及井下系统功率和效率，最终得到排量～泵压差、功率～泵压差、效率～泵压差三条特性曲线。\n[0042] 如图1所示，为本发明提供的一种获取抽油机井井下系统特性曲线的方法流程图。\n所述方法包括：\n[0043] 步骤101)：将光杆以下的井下举升系统作为一个整体，给定抽油机井井下系统的参数；\n[0044] 步骤102)：利用所述抽油机井井下系统的参数，获得泵出入口压差对应泵的实际排量的特性曲线；其中，所述抽油机井井下系统的参数包括：余隙比K、泵内气液比R、进入泵筒内的排量Qpump_in、流体的体积系数B、冲次n、抽油杆柱总长L、钢的弹性模量E、每一级抽油杆长度Li、每一级抽油杆横截面积fri、生产油管壁横截面积fi、泵径D、柱塞的偏心率ε、泵间隙h、流体的运动粘度ν、流体的密度ρ、柱塞的长度l、柱塞的平均速度U、有效扬程H`、重力加速度g、流体流经阀球的阻力系数ζ、流体流经阀孔的流量Q1、泵阀阀座孔面积A和流体粘度μ。\n[0045] 可选的，在本发明一实施例中，所述获得泵出入口压差对应的泵实际排量的特性曲线的步骤包括：\n[0046] 利用柱塞的有效冲程Sp、地面冲程S获得冲程损失影响系统ηS；利用余隙比K、泵内气液比R获得泵充满程度系数ηC；利用进入泵筒内的排量Qpump_in、柱塞衬套之间的漏失量qloss获得泵漏失影响系数ηq；利用流体的体积系数B获得流体体积效应影响系数ηB；其中，所述柱塞的有效冲程Sp、所述柱塞衬套之间的漏失量qloss均为具有泵出入口压差ΔP的表达式；\n[0047] 利用冲程损失影响系数ηS、泵充满程度系数ηC、泵漏失影响系数ηq和流体体积效应影响系数ηB获得泵效ηV；\n[0048] 利用所述泵效ηV和所述泵理论排量Qt获得泵实际排量Q，得到泵出入口压差ΔP对应的泵实际排量的特性曲线。\n[0049] 如图2所示，为本发明提供的一种获取抽油机井井下系统特性曲线的方法流程图之二。在图1的基础上，所述方法进一步包括：\n[0050] 步骤103)：获得泵出入口压差对应抽油机井下系统功率的特性曲线。\n[0051] 可选的，在本发明一实施例中，所述获得泵出入口压差对应抽油机井下系统功率的特性曲线的步骤包括：\n[0052] 利用泵实际排量Q、流体的密度ρ、重力加速度g、和有效扬程H`获得光杆的有效功率Ne；利用流体流经阀球的阻力系数ζ、流体的密度ρ、流体流经阀孔的流量Q1和泵阀阀座孔面积A获得水力损失功率NLoss-H；利用柱塞衬套之间的漏失量qloss和泵出入口压差ΔP获得体积损失功率NLoss-V；利用泵径D、地面冲程S、冲次n、泵间隙h、柱塞的长度l、柱塞的偏心率ε、泵出入口压差ΔP和流体粘度μ获得机械损失效率NLoss_M；\n[0053] 利用光杆的有效功率Ne、水力损失功率NLoss-H、体积损失功率NLoss-V和机械损失效率NLoss_M获得光杆功率NRP，得到泵出入口压差ΔP对应抽油机井下系统功率的特性曲线。\n[0054] 如图3所示，为本发明提供的一种获取抽油机井井下系统特性曲线的方法流程图之三。在图2的基础上，所述方法进一步包括：\n[0055] 步骤104)：获得泵出入口压差对应抽油机井下系统效率的特性曲线。\n[0056] 可选的，在本发明一实施例中，所述获得泵出入口压差对应抽油机井下系统效率的特性曲线的步骤包括：\n[0057] 利用所述光杆的有效功率Ne和所述光杆功率NRP获得抽油机井下系统效率，得到泵出入口压差对应抽油机井下系统效率的特性曲线。\n[0058] 如图4所示，为本发明提供的一种获取抽油机井井下系统特性曲线的装置框图之一。所述装置包括：\n[0059] 系统参数给定单元401，用于将光杆以下的井下举升系统作为一个整体，给定抽油机井井下系统的参数；其中，所述抽油机井井下系统的参数包括：余隙比K、泵内气液比R、进入泵筒内的排量Qpump_in、流体的体积系数B、冲次n、抽油杆柱总长L、钢的弹性模量E、每一级抽油杆长度Li、每一级抽油杆横截面积fri、生产油管壁横截面积fi、泵径D、柱塞的偏心率ε、泵间隙h、流体的运动粘度ν、流体的密度ρ、柱塞的长度l、柱塞的平均速度U、有效扬程H`、重力加速度g、流体流经阀球的阻力系数ζ、流体流经阀孔的流量Q1、泵阀阀座孔面积A和流体粘度μ；\n[0060] 第一特性曲线获得单元402，用于利用所述抽油机井井下系统的参数，获得泵出入口压差对应泵的实际排量的特性曲线。\n[0061] 如图5所示，为本发明提供的一种获取抽油机井井下系统特性曲线的装置框图之二。在图4的基础上，所述装置进一步包括：第二特性曲线获得单元403；\n[0062] 所述第二特性曲线获得单元403，用于获得泵出入口压差对应抽油机井下系统功率的特性曲线。\n[0063] 如图6所示，为本发明提供的一种获取抽油机井井下系统特性曲线的装置框图之三。在图5的基础上，所述装置进一步包括：第三特性曲线获得单元404；\n[0064] 所述第三特性曲线获得单元404，用于获得泵出入口压差对应抽油机井下系统效率的特性曲线。\n[0065] 下面通过举例绘制有杆泵井下系统特性曲线，基本的计算参数如下：井筒垂直，井深2500m，下泵深度2000m，杆柱组合为(25mm*700m+22mm*600m+19mm*700m)，油管内径\n0.062m，油管外径0.073m，油管锚定，泵间隙0.1mm，泵径44mm，冲程4.5m，冲次4min-1，泵吸入口压力为3MPa，生产气油比20m3/m3，含水率为0等。\n[0066] 一、给出了本实施例的基于分解法求抽油机井井下系统三条特性曲线Q～Δp、N～Δp、η～Δp的计算方法，同时，利用Q～Δp特性曲线、N～Δp特性曲线、η～Δp特性曲线给出的抽油机井井下系统的排量组成图、功率组成图，可辅助对特性曲线进行分析和解释。\n[0067] (1)泵排量与泵压差的关系\n[0068] 排量与泵压差的关系曲线(Q～ΔP)是特性曲线中最重要的一条。给出影响抽油泵泵效各个因素与泵压差的关系，得到了不同压差下的泵效，从而进一步得到泵压差与实际排量的关系。\n[0069] 给定每一组设备参数：泵径D、地面冲程S和冲次n，利用下式(0)可得到理论排量Qt，泵的实际排量Q要小于理论排量Qt，两者的比值称为泵效ηV，泵效的影响因素主要有抽油杆、油管的弹性变形，液体在地下与地面体积的差异，泵筒内液体的充满程度和柱塞衬套之间的液体漏失，可由下式计算得到：\n[0070] Qt＝1440*(πD2/4)*S*n  (0)\n[0071] ηV＝ηSηCηqηB  (1)\n[0072]\n[0073]\n[0074]\n[0075]\n[0076]\n[0077]\n[0078] 式中：ηS为冲程损失影响系数；ηC为泵充满程度系数；ηq为泵漏失影响系数；ηB为流体体积效应影响系数；Sp为柱塞的有效冲程，m；ep为超行程，m；er、et分别为抽油杆、油管弹性伸缩引起的冲程损失，m；L为抽油杆柱总长，m；ΔP为泵出入口压差，Pa；E为钢的弹性模量，Pa；Li为每一级抽油杆长度，m；fri为每一级抽油杆横截面积，m2；fi为油管壁横截面积，m2；K为余隙比；R为泵内气液比；qloss为柱塞衬套之间的漏失量，m3/s；Qpump_in为进入泵筒内的排量，m3/s；D为泵径，m；ε为柱塞的偏心率；h为泵间隙，m；ν流体的运动粘度，m2/s；ρ流体的密度，kg/m3；l柱塞的长度，m；U为柱塞的平均速度，m/s；B为流体的体积系数。\n[0079] 由理论排量和泵效可以计算出实际排量Q，从而可以得到实际排量与泵压差之间的关系。\n[0080] Q＝QtηV\n[0081] 利用上述技术方案可以绘制出如下排量组成图，它形象地反映了实际排量以及各项排量损失随着泵压差的变化规律，计算时假设原油粘度为5mPa·s。如图7所示，“ ”区域代表冲程引起的排量损失，它随着泵压差的增加而增加；“ ”区域代表泵充满程度引起的排量损失；“ ”区域代表柱塞与衬套之间漏失引起的排量损失，它随着泵压差的增加而增加；“ ”区域为体积效应引起的排量损失，其数值比较小；下方白色区域代表实际排量。图中黑色箭头所指曲线就是排量～泵压差特性曲线(Q～ΔP)。\n[0082] (2)光杆功率与泵压差的关系\n[0083] 在得到泵排量与泵压差的关系之后，可以根据泵压差和实际排量进一步计算出井下系统的输入功率和效率。光杆功率是抽油机传递给光杆的功率，是井下系统的输入功率。\n计算光杆功率的方法如下：通过计算有效功率、机械损失功率、体积损失功率、水力损失功率四者之和得到光杆功率，即：\n[0084] NRP＝Ne+NLoss_H+NLoss_V+NLoss_M  (8)\n[0085] Ne＝H'Qρg  (9)\n[0086]\n[0087] NV_L＝ΔPqloss  (11)\n[0088]\n[0089] 式中：NRP为光杆功率，w；NLoss_H为水力损失功率，w；NLoss_V为体积损失功率，w；NLoss_M为机械损失功率，w。Ne为有效功率，w；Q为实际排量，m3/s；H'为有效扬程，m；ρ流体的密度，kg/m3；g为重力加速度，m2/s。ζ为流体流经阀球的阻力系数(ζ＝2.5)；A为泵阀阀座孔面积，m2；Q1为流体流经阀孔的流量，m3/s。\n[0090] 利用光杆功率与泵压差的关系可以得到功率组成图，它形象地反映了有用功率排量以及各项功率损失随着泵压差的变化规律，计算时原油的粘度为50mPa·s。如图8所示，机械损失功率比较小。原油粘度大产生的影响是两方面的，一方面导致了水力损失功率比较大，另一方面将减少柱塞与衬套之间的漏失量。当泵压差比较小时，体积损失小，水力损失占优势；当泵压差比较大时，体积损失开始占一定的优势。图中黑色箭头所指曲线就是功率～泵压差特性曲线(N～ΔP)。\n[0091] (3)光杆效率与泵压差的关系\n[0092] 利用下式可以计算出井下系统的效率：\n[0093]\n[0094] 根据有用功率与总功率的比值，可以计算出效率～泵压差特性曲线(η～ΔP)。\n[0095] 二、将抽油机井井下系统的工作特性综合到三条特性曲线中去，能够有效地整合有杆泵抽油系统的产量和效率计算模型。\n[0096] 将Q～ΔP、N～ΔP、η～ΔP三条曲线绘制到一幅图上就可得到有杆泵井下系统的三条特性曲线。如图9所示，三条曲线就是原油粘度为5mPa·s时对应的特性曲线，另外三条曲线为原油粘度为50mPa·s时对应的特性曲线。这样整合有利于简化有杆抽油系统的优化设计与分析过程，提高了程序运行的速度和精度，实现各种举升方式优化与分析的归一化。\n[0097] 三、利用抽油机井井下系统特性曲线便于对有杆抽油系统进行节点分析和优化设计。\n[0098] 利用抽油机井井下系统特性曲线可以进行有杆泵井的节点分析和优化设计，下文以节点分析为例，介绍该特性曲线的应用。求解节点可以放在井底、泵吸入口、泵排出口等位置。节点分析时，选用Vogel方法描述流体在油层中的渗流规律，用Beggs-Brill相关式描述多相流体在井筒中的流动规律，用上述特性曲线来描述井下系统的工作特性。\n[0099] 如以泵入口为节点，计算步骤为：首先给定一系列产量Q，然后从系统两端开始，分别计算不同产量下泵入口节点对应的流入压力和流出压力，其中流入压力的计算公式如下：\n[0100] Pinflow＝Pwf(Q)－ΔPdnow(Q)  (14)\n[0101] 式中：Pinflow代表流入压力，Pwf(Q)代表不同产量下的井底流压，ΔPdnow(Q)代表泵下井筒内压降，需要通过井管多相管流压降模型计算得到。\n[0102] 流出压力计算如下：\n[0103] Poutflow＝Pwh+ΔPup(Q)－ΔPpump(Q)  (15)\n[0104] 式中：Poutflow代表流出压力，Pwh代表井口压力，ΔPup(Q)代表井口到泵出口油管内压降。ΔPpump(Q)代表泵提供的压差，通过特性曲线计算得到。\n[0105] 在节点分析时，主要使用Q～ΔP曲线，另两条曲线(N～ΔP、η～ΔP)主要用于优化设计。为了便于对比和说明，下面各图只画出Q～ΔP曲线。\n[0106] 有杆泵在实际生产时，泵吸入口压力往往低于泡点压力，泵吸入口压力对特性曲线影响较大，所以在应用时需要用泵吸入口压力对特性曲线进行校正。如图10所示，给出了不同泵吸入口压力校正后的Q～ΔP曲线。从图10中可以看出，随着泵吸入口压力的下降，它对特性曲线的影响越来越明显。\n[0107] 图11给出了不同冲程冲次泵径组合对应的Q～ΔP曲线。图中3*4*44代表抽汲参数组合为：冲程3m，冲次4min-1，泵径44mm。图11给出了不同冲程冲次泵径等生产参数条件下的Q～ΔP特性曲线，通过这一组曲线，说明地面冲程S、冲次n以及泵径D对Q～ΔP特性曲线的影响，有效地展示有杆抽油系统的生产特性，并且对比不同生产参数条件下特性曲线之间的区别。\n[0108] 图12给出几组抽汲参数条件下泵入口节点的流入流出曲线，该曲线是根据公式15利用图11中的Q～ΔP曲线计算得到的。利用流入流出曲线的交点可以得到当前生产条件下的协调产量。\n[0109] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。