CN100513738C - 一种抽油机井***参数的确定方法 - Google Patents
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Abstract
一种以参数敏感性分析为基础的抽油机井***参数确定方法,涉及石油开采中的机械采油工艺技术。主要特征是通过求解带阻尼的波动方程,计算出冲程、冲次、泵径、泵深、抽油杆直径及长度等抽汲参数对***效率的变化率,并按其绝对值大小进行排序,通过对抽汲参数的敏感性程度分析,并以***效率、油井产量、载荷、扭矩等为限制条件,优选出一组最佳的抽油机井***抽汲参数。其有益之处是:可以对影响抽油机***效率的各种因素进行定量分析,可计算出光杆功率、抽油杆、油管效率等以往难以计算出的问题,提高了数据精度,解决了抽油机***参数复杂的设计问题,可以提高油井的***效率,适用于斜井、直井及不同类型的抽油机、电动机组成的抽油机井***,适用面广。
Description
技术领域
本发明涉及石油开采中的机械采油工艺技术。
背景技术
在抽油机井的采油工艺参数设计中,过去的理论多是利用回归分析方法建立了抽油机井***效率与冲程、冲次、泵径、下泵深度、举升高度、泵效、电动机额定功率等参数之间的关系,建立的数学模型只适用于特定的区块与特定的技术装备条件。在针对***效率(包括各分级效率)的分析计算中,如电机输入功率、光杆功率、抽油杆、油管效率等都难以计算,并且现场测试分析工作量大,无法进行大面积推广应用,同时也不能结合油井的具体情况,定量分析各种参数对该井***效率的影响因素与影响程度。如有“一种有杆泵采油工艺参数确定方法”(ZL99109780.7),在进行参数组合时,采用的是大排队的方式,要对每一种组合进行计算,这样计算工作量很大,并且在计算时从输入功率着手,只考虑了电动机空耗功率,没有考虑随电动机负荷率变化的可变损耗,也没有充分考虑抽油机与电动机的特性以及泵效的影响,没有对抽油机井***效率影响因素的敏感性进行分析,计算出的数据精度较差。在国外虽然也有有杆抽油***动态参数的计算机仿真技术,但大部分只是考虑了抽油杆柱一维纵向振动,即一维仿真模型。也有的建立了二维仿真模型,但在浅井、高冲次以及油井液体是低可压缩性时,其计算精度就比较差,以及在我国节能抽油机井上使用时,仍有一定的局限性。虽然也有建立三维仿真模型的,但仍没有充分考虑抽油机井的动力驱动***和传动***所特有的载荷特征,没有充分考虑抽油机井***的瞬时传动效率对各参数的影响,没有充分考虑气相的影响。因此还没有一种使用方便、适用面较广的抽油机井***参数的优化设计方法。
发明内容
本发明的目的是为了提出一种使用方便、适用面较广的一种抽油机井***参数的确定方法,通过定量分析抽油机井***各参数对***效率的影响,可以比较精确地确定油井参数,提高抽油机井的***效率,提高油井的生产管理水平,实现节能降耗。
本发明的技术解决方案是这样实现的,一种抽油机井***参数的确定方法,选取油井基本数据包括:油层中部深度、原油密度、原油粘度、冲程、冲次、泵深、泵径、产液量、含水、油压、套压、抽油机型号及几何尺寸,电机额定功率;抽油杆及油管数据包括:杆柱强度、杆柱级数、抽油杆直径和长度、油管直径;根据以上数据进行计算分析,其特殊之处是:
(1)计算出抽油机井各参数的敏感性程度
通过求解带阻尼的波动方程,计算出抽油杆柱、泵柱塞上的载荷和位移、有效功率、光杆功率、输入功率、地面效率、井下效率、***效率,并以油井当前使用的冲程、冲次、泵径、泵深、抽油杆直径及长度、电动机额定功率可变参数的数值为基础,通过***效率对上述可变参数求偏导数,计算出这些可变参数对***效率的变化率,即敏感性程度,并按其绝对值大小进行排序。
(2)根据可变参数的敏感性程度,调整3—5个可变参数,进行抽汲参数组合并计算出对应的***效率值,选出***效率大于油井当前***效率的一系列抽汲参数组合。
(3)以同时满足下列各条作为约束条件,在上述一系列抽汲参数组合中,初选出符合约束条件的抽汲参数组合;
其中:
QP为油井目标产量,t/d;
ρ为油井产液的相对密度,kg/cm3;
Ap柱塞截面积,mm2;
S冲程,m;
n冲次,min-1;
α泵充满系数,%;
pmax抽油机悬点设计最大载荷,kN;
[pmax]抽油机悬点允许最大载荷,kN;
Mmax减速箱输出轴设计最大扭矩,kN·m;
[Mmax]减速箱输出轴允许最大扭矩,kN·m;
σmax每级抽油杆顶端设计最大应力,MPa;
[σmax]每级抽油杆顶端允许最大应力,MPa;
(4)从第(3)步初选出的抽汲参数组合方案中,优选出一组***效率最高的抽汲参数组合。
在上述技术解决方案中,其特殊之处还在于:以所优选出的一组参数数据为基础,再一次进行参数的敏感性程度计算,得出这些参数对抽油机井***效率的变化率,按其绝对值大小进行排序,并和原计算出的参数敏感性程度进行比较,若调整的参数所对应的抽油机井***效率的变化率在调整后变小了,则说明该参数调整的结果是合理的。
本发明的有益之处是:(1)利用该方法可以对影响抽油机井***效率的各种因素进行定量分析,然后通过波动方程对地面与井下泵示功图进行动态仿真,既考虑了电动机负荷率变化的可变损耗,也充分考虑抽油机与电动机的特性以及泵效的影响,可计算出电机输入功率、光杆功率、抽油杆、油管效率等以往难以计算出的问题,提高了计算出的数据精度,解决了以往难以解决抽油机井***参数复杂的设计问题,确定出的抽油机井***参数数据应用在油井上,可以提高油井的***效率,提高油井的生产管理水平,实现节能降耗。(2)由于该方法是以波动方程为基础,综合考虑了不同抽油机、电动机的动力特性对抽油杆柱振动的影响,适用于斜井、直井的工况诊断,还可以适用于不同类型的抽油机、电动机组成的抽油机井***,适用面广。(3)由于在该方法中引入了敏感性程度的概念,并首先计算出各抽汲参数的敏感性程度,根据敏感性程度选择需要调整的参数,不必对所有参数进行排队组合,所进行计算的工作量较小。(4)依照该方法可以设计出相应的计算机软件,实现通过网络解决油井现场上的具体生产问题。
附图说明
图1是本发明实施例中1号井仿真地面示功图、井下示功图。
图2是本发明实施例中1号井仿真抽油机扭矩曲线图
图3是本发明实施例中1号井仿真电动机功率曲线图。
表1是本发明实施例中1号井初选出的***参数组合结果。
表2是本发明实施例中1号井按6个约束条件计算结果。
表3是本发明实施例中1号井参数组合优选结果及有关测算数据。
表4是本发明实施例中2号井初选出的***参数组合结果。
表5是本发明实施例中2号井按6个约束条件计算结果。
表6是本发明实施例中2号井参数组合优选结果及有关测算数据。
具体实施方式
(1)名词释义:
①抽油杆组合:是指在一口油井上所使用的各级抽油杆直径及其长度的组合。
②***参数:是指抽油机井***中可以改变数值的参数,如冲程S、冲次N、泵径D、泵深L、抽油杆组合、装机功率,也称可变参数。
③抽汲参数组合:是指抽油机井***中各可变参数选用不同数值时的组合。
④油井当前***效率:即油井当前正在使用的参数数值组合下油井的***效率。
⑤油井参数敏感性程度:即***效率对油井的冲程、冲次、泵径、泵深、抽油杆直径及长度、电动机额定功率求得的偏导数,称为油井参数敏感性程度。
⑥目标排量QP:是设计人员根据地质配产确定的一种希望得到的产量,t/d。
(2)抽油机井抽油杆柱的动力学模型可视为有阻尼的弹性杆的纵向振动问题,可用带阻尼的Gibbs波动方程求解。Gibbs波动方程的一般形式是:
式中:a:声音在抽油杆中的传播速度 m/s;
c:油井液体对抽油杆柱的粘滞阻尼系数,s-1;
Er:抽油杆弹性常数,N/m2;
ρr:抽油杆材料密度,kg/m3;
u(x,t):抽油杆柱不同深度和时间下的位移值,m;
u:位移,m;
t:时间,s;
本实施例采用位移差分解法求解上述波动方程。
利用已知的抽油机型号,查得其几何结构尺寸。利用抽油机的几何尺寸、抽油杆柱直径和长度、冲程、冲次、泵径、泵深等参数,在各级抽油杆之间,沿井深x方向,采用变步长差分格式求解。
考虑在两级抽油杆的交接处的位移U(x,t)和速度V(x,t)及载荷F(x,t)的连续性。以油井的悬点位移、载荷作为边界条件,绘制出地面示功图曲线1(参见附图1)、曲柄转角与曲柄扭矩关系曲线3(参见附图2)、曲柄转角与电动机功率的关系曲线4(参见附图3),根据地面示功图计算出该井的光杆功率N光杆。从地面示功图位置开始,向下每隔10米计算一次抽油杆柱上的位移Ui,j及载荷Fi,j,并可进一步绘出各点处的井下示功图曲线,杆柱最底端的井下示功图为曲线2(参见附图1)。
将Gibbs波动方程,求解成如下偏微分方程。
式中:F:作用在抽油杆上的载荷,kN;
x:抽油杆随悬点运动的位移值,m;
ρr:抽油杆材料密度,kg/m3;
A:抽油杆横截面积,mm2;
C:油井液体对抽油杆柱的粘滞阻尼系数,s-1;
v:抽油杆的运动速度,m/s;
Er:抽油杆弹性常数,N/m2;
在求解波动方程时,考虑电动机瞬时负载利用率对电动机的瞬时效率的影响,利用下面的公式计算电动机瞬时输入功率NM与平均输入功率NM:
式中:NM:电动机瞬时输入功率,kW;NM:电动机平均输入功率,kW;(NM=N输入)
β:电动机的瞬时功率利用率,β=NMO/PN;PN:电动机的额定功率,kW;
P0:电动机的空耗功率,kW; ηN:电动机额定效率,%。
根据曲柄转角与电动机功率曲线(曲线4),对一个周期内的瞬时输入功率求代数和,计算出***平均输入功率N输入,再通过以下公式计算出地面效率值η地面。
利用目前广泛采用的公式计算抽油机井的有效功率N有效:
式中:N有效:***有效功率,kW;
H:有效举升高度,m;
ρm:油水两相混合液密度,103kg/m3;
Q:油井实际产液量,m3/d。
通过以下公式计算出井下效率值η井下
通过以下公式计算出***效率值η***
(3)抽油机井***效率仿真模型可以表示为:
η***=F(x1,x2,x3,........,xN)
在本发明中,xi是代表抽油机井***中的冲程、冲次、泵径、泵深、抽油杆直径及长度、电动机额定功率等各抽汲参数。敏感性程度由下式计算:
***效率对任意变量xi偏导数绝对值的大小反映了该变量对***效率的影响程度,即我们所称的敏感性程度,值越大,对***效率影响越显著,同时的正负值反映了该因素对***效率的影响方向。当时,表示***效率随该因素的增加而增加;时,表示***效率随该因素的增加而减小。根据的大小进行排序,就可以看出各参数对***效率的影响程度。
(4)根据上述建立的目标函数及约束条件可得抽汲参数一般数学模型:
上述求极值问题属于离散变量(冲程S、冲次N、泵径D、泵深L、抽油杆组合,装机功率)的非线性有约束的优化设计问题,本实施例采用枚举法按***效率值的大小排列,优选对应的抽汲参数组合方案。
(5)对于斜井和特殊类型抽油机井
在确定斜井的***参数时,引入井斜数据作为影响因素,通过对井斜角和方位角的变化引起的上、下冲程中抽油机悬点增加的摩擦阻力的计算,修正了抽油机井悬点载荷和减速箱输出轴扭矩的计算结果,可提高输入功率的计算精度。
在确定使用特殊类型抽油机的油井***参数时,通过建立相应特殊抽油机的运动模型,考虑其运动规律的不同对一个周期内电动机输入功率曲线的影响,修正了电动机运行效率和输入功率曲线的计算结果,也可提高输入功率的计算精度。
(6)计算实例1:
1号井:油井基本数据为:油层中部深度1865m、原油密度0.88、原油粘度26.76mPa·s、冲程2.6m、冲次5.12min-1、泵深1200.58m、泵径38mm、产液量17t/d、动液面1048m、含水91.2%、油压0.96MPa、套压0.2MPa、抽油机型号CYJ10-5-53HB(根据抽油机型号可以得到抽油机几何尺寸),电机额定功率18.5kW;D级抽油杆组合Φ25mm×252.94m+Φ22mm×337.36m+Φ19mm×593.8m,油管内径Φ62mm。
①由该井目前使用的参数值:冲程2.6m、冲次5.12min-1、泵径38mm、泵深1200m、抽油杆直径及长度组合Φ25mm×252.94m+Φ22mm×337.36m+Φ19mm×593.8m、电动机装机功率18.5kW等可变参数,计算出这些可变参数变化时***效率的变化率,并按其绝对值大小进行排序如下:
参数 变化率数值
泵径 30.21
当量杆径 -26.91
泵深 10.97
冲次 -5.35
冲程 -2.74
电机额定功率 -0.04
②根据上述变化率绝对值排序情况,调整5个可变参数,泵径分别取32mm、38mm、44mm、56mm,当量杆径取Φ25、Φ22、Φ19三种抽油杆单级及多级组合,泵深根据油井动液面和油层中深的范围按不同的阶梯取值,冲次分别取5.78min-1、4.66min-1、4.45min- 1、3.77min-1、3.56min-1、3.11min-1、2.88min-1、2min-1,冲程分别取3m、4m、5m,计算出对应的***效率值,可得出一系列参数组合。
计算出该井当前***效率为29.96%。从上述一系列参数组合中,得出17组大于该井当前***效率的抽汲参数组合,参见附表1。
③以同时满足6个约束条件进行方案初选:在上述17组抽汲参数组合中,初选出符合约束条件的抽汲参数组合,参见附表2。
G(1)、G(2)——以油井产量为约束条件:即要求油井的日产量在一定的合理范围内,取QP≤Q≤1.15Qp,即设计产量Q应大于或等于油井的目标产量QP,而小于或等于1.15倍的目标产量Qp。上述17组抽汲参数组合均符合该要求,参见表2。
G(3)——以抽油机悬点载荷为约束条件:根据抽油机型号查得的该井抽油机额定悬点载荷是100kN,以上17组参数组合对应的各组最大载荷均小于悬点额定载荷,即所得结果G(3)均小于0,表明这17组参数组合均符合该要求,参见表2。
G(4)——以抽油机减速箱输出轴扭矩为约束条件:根据抽油机型号查得的减速箱输出轴扭矩是53kN·m,以上17组参数组合中第9、15、17组超出该抽油机额定扭矩,故将它们去掉,其它14组参数组合符合要求,参见表2。
G(5)——以抽油杆柱应力为约束条件:根据该井的Φ19mm、D级抽油杆材质,查得许用应力为320MPa,上述14组参数组合中的抽油杆应力计算结果,均小于该许用应力,即这14组参数组合也都符合此项要求,参见表2。
G(6)=0.4—泵效<0
G(6)——以泵效为约束条件:取泵效的下限为40%(对不同的油田或油藏可以改变)、上限为100%,计算上述14组参数组合的泵效值,其结果均在此约束条件范围以内,参见表2。
④优选参数组合:在上述14组参数组合中,选出***效率最高的一组参数组合,得到第12组参数组合为最优方案,参见表3。
⑤对优选的抽汲参数组合,再一次进行参数敏感性程度计算,并按其绝对值大小进行排序,其结果如下:
参数 变化率数值
泵径 30.14
当量杆径 -18.79
冲次 -2.4
泵深 0.72
冲程 0.39
电机额定功率 0.03
以该计算结果和在第①步的计算结果进行对比,可以发现泵径、当量杆径、泵深、冲程、冲次、电机功率的对***效率的敏感程度都有降低,证明调整后的参数是合理的,可以起到了优化***参数、提高***效率的目的。
(7)计算实例2:
2号井:油井基本数据为:油层中部深度2000m、原油密度0.86、原油粘度4mPa·s、冲程2m、冲次9.11min-1、泵深1512m、泵径38mm、产液量22.11t/d、动液面1018m、含水64.5%、油压0.3MPa、套压0.4MPa、抽油机型号CYJ10-3-53HB(根据抽油机型号可以得到抽油机几何尺寸),电机额定功率18.5kW;D级抽油杆组合Φ22mm×400m+Φ19mm×500m+Φ22mm×612m,油管内径62mm。
①由该井目前使用的参数值:冲程2m、冲次9.11min-1、泵径38mm、泵深1512m、抽油杆直径及长度组合Φ22mm×400m+Φ19mm×500m+22mm×612m、电动机装机功率18.5kW等可变参数,计算出这些可变参数变化时***效率的变化率,并按其绝对值大小进行排序如下:
参数 变化率数值
当量杆径 -33.43
泵径 32.11
冲次 -11.48
冲程 -11.44
泵深 -2.65
电机额定功率 2.1
②根据上述变化率绝对值排序情况,调整5个可变参数,当量杆径取Φ22、Φ19二种抽油杆单级及多级组合,泵径分别取38mm、44mm、56mm、70mm,冲次分别取9min-1、8min-1、7min-1、6min-1、5min-1、4min-1、3min-1,冲程分别取2m、2.5m、3m,泵深取1200m、1533m、1800m三级,计算出对应的***效率值,可得出一系列参数组合,附表4列出20组参数组合。
计算出该井当前***效率为31.12%。在上述20组参数组合中,第1、2、3三个参数组合的***效率小于该井当前的***效率,故将其删除,剩余17组大于该井当前***效率的抽汲参数组合,参见附表4。
③以同时满足6个约束条件进行方案初选:
G(1)、G(2)——以油井产量为约束条件:
本约束条件要求日产量Q在QP≤Q≤1.15Qp范围内,因此第4、11、12三组组合应删除,参见表5,剩余14组参数组合。
G(3)——以抽油机悬点载荷为约束条件:根据抽油机型号查得的该井抽油机额定悬点载荷是100kN,以上14组参数组合对应的各组最大载荷均小于悬点额定载荷,即所得结果G(3)均小于0,表明这14组参数组合均符合该要求。
G(4)——以抽油机减速箱输出轴扭矩为约束条件:根据抽油机型号查得的减速箱输出轴扭矩是53kN·m,以上14组参数组合中第15组超出抽油机额定扭矩,故将该组去掉,其它13组参数组合符合要求,参见表5。
G(5)——以抽油杆柱应力为约束条件:根据该井的19mm、D级抽油杆材质,查得许用应力为320MPa,上述13组参数组合的抽油杆应力计算结果均小于该许用应力,这13组参数组合也都符合此项要求,参见表5。
G(6)=0.4—泵效<0
G(6)——以泵效为约束条件:取泵效的下限为40%、上限为100%,计算上述13组参数组合的泵效值,其结果均在约束条件范围以内,参见表5。
④优选参数组合:在上述13组参数组合中,选出***效率最高的一组参数组合,得到第18组参数组合为最优方案,参见表6。
⑤对优选的抽汲参数组合,再一次进行参数敏感性程度计算,并按其绝对值大小进行排序,其结果如下:
参数 变化率数值
泵径 34.72
当量杆径 -20.92
泵深 -1.92
冲程 -1.36
电机额定功率 0.33
冲次 -0.28
以该计算结果和在第①步的计算结果进行对比,可以发现除泵径的变化率数值稍有增加外,当量杆径、泵深、冲程、冲次、电机功率的对***效率的敏感程度都有降低,证明调整后的参数还是是合理的,起到了优化***参数、提高***效率的目的。而该井由于受到供液能力的限制,无法满足继续增大泵径的要求。
Claims (2)
1、一种抽油机井***参数的确定方法,选取油井基本数据包括:油层中部深度、原油密度、原油粘度、冲程、冲次、泵深、泵径、产液量、含水、油压、套压、抽油机型号及几何尺寸,电机额定功率;抽油杆及油管数据包括:杆柱强度、杆柱级数、抽油杆直径和长度、油管直径;根据以上数据进行计算分析,其特征是:
①计算出抽油机井各参数的敏感性程度
通过求解带阻尼的波动方程,计算出抽油杆柱、泵柱塞上的载荷和位移、有效功率、光杆功率、输入功率、地面效率、井下效率、***效率,并以油井当前使用的冲程、冲次、泵径、泵深、抽油杆直径及长度、电动机额定功率可变参数的数值为基础,通过***效率对上述可变参数求偏导数,计算出这些可变参数对***效率的变化率,即敏感性程度,并按其绝对值大小进行排序;
②根据可变参数的敏感性程度,调整3—5个可变参数,进行抽汲参数组合并计算出对应的***效率值,选出***效率大于油井当前***效率的一系列抽汲参数组合;
③以同时满足下列各条作为约束条件,在上述一系列抽汲参数组合中,初选出符合约束条件的抽汲参数组合;
其中:
QP为油井目标产量,m3/d;
Ap柱塞截面积,mm2;
S冲程,m;
n冲次,min-1;
α泵充满系数,%;
pmax抽油机悬点设计最大载荷,kN;
[pmax]抽油机允许最大载荷,kN;
Mmax减速箱输出轴设计最大扭矩,kN·m;
[Mmax]减速箱输出轴允许最大扭矩,kN·m;
σmax每级抽油杆顶端设计最大应力,MPa;
[σmax]每级抽油杆顶端允许最大应力,MPa;
④从第③步初选出的抽汲参数组合方案中,优选出一组***效率最高的抽汲参数组合。
2、根据权利要求1所述的一种抽油机井***参数的确定方法,其特征是:以所优选出的一组参数数据为基础,再一次进行参数敏感性程度计算,得出这些参数对抽油机井***效率的变化率,按其绝对值大小进行排序,并和原计算出的参数敏感性程度进行比较,若调整的参数所对应的抽油机井***效率的变化率在调整后变小了,则说明该参数调整的结果是合理的。
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复合平衡游梁式抽油机的节能效果分析. 崔晓华等.大庆石油学院学报,第26卷第4期. 2002 |
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用回归分析方法优选有杆泵抽油井的抽汲参数. 姚春冬等.数理统计与管理,第16卷第1期. 1997 |
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