CN102168551A - 油井动液面深度连续测量和采出液连续计量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属石油开采中油井动液面深度连续测量和采出液连续计量装置和处理方法。由压力检测模块、信号传输模块、地面配套模块三部分组成。压力检测模块的检测单元分别置于油套环形空间内一定位置；地面配套模块包括抽油机上下止点时刻触发单元、信号收发单元、数据处理存储单元，油井生产信息数据库服务器、网络传输单元、客户终端及控制单元。处理方法是基于检测单元的压力值P_0#、P_1#和P_2#的数值和电机输入功率P_输入，经过数据处理存储单元进行处理后，确定油套环形空间内动液面深度H、油井产液量、油层供液量以及采出液综合密度和体积含水等反映油井生产、技术和工艺等参数。

Description

油井动液面深度连续测量和采出液连续计量装置及方法

技术领域

本发明涉及石油开采技术领域中的一种油井动液面深度连续测量和采出液连续计量装置及方法。

技术背景

在油田开发生产中，油井动液面深度H是一项表征油井生产和技术状况重要的技术参数。动液面深度H增加一方面导致井下采出设备(如抽油泵、潜油电泵和井下螺杆泵等)的沉没度减小、吸入压力下降，液体中的部分气体析出挤占其内部有效容积空间，降低了其充满度和容积效率；另一方面液体流向井下采出设备的能力会减弱和流动速度也会减小，进一步降低了其充满度和容积效率。

油井动液面深度H和油井产液量的变化，可以直接或间接反应出油层供液能力的变化，同时还可以反映出井下采出设备(如抽油泵、井下螺杆泵和潜油电泵等)的技术状况和运行状态，为及时有效地调整油井工作制度和优化油井生产工艺、油井维护作业等提供准确可靠的决策依据。

油井动液面深度H传统测量方法是超声波反射法，其存在以下方面的问题。一是只能定期或不定期停产测量，不能连续测量油井动液面深度；二是受到油套环形空间内干扰源的影响，测量误差大，甚至给出错误的测量结果；三是虽然结合了采样化验的方法，可以确定油井采出液综合密度、含水率等，但由于采样周期较长和采样数量少，不能准确真实地反应采出液含水率、综合密度等技术指标；四是不能对深井动液面深度进行有效测量。油井采出液计量普遍采用地面三相分离计量方法，其存在以下方面的问题。一是受到油井液体中天然气的含量、压力和温度等诸多因素的影响，油井采出液计量误差较大，甚至不 能计量；二是由于此种测量方法采用人工读取和手工取样，人为计量误差大，很难做到数据采集及时同步和准确可靠；三是该测量方法地面配套设备多、工程量大，管理难度大和一次性投资高；四是不能进行连续计量。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述问题，提出一种高效、准确的油井动液面深度连续测量和采出液连续计量装置及方法。

其技术方案包括：油井动液面深度连续测量和采出液连续计量装置，是由压力检测模块、信号传输模块、地面配套处理模块13组成，其中：压力检测模块至少包括一个置于油套环形空间气体区的0#压力检测单元14，两个纵向分别分布在油套环形空间初始液面下方的1#压力检测单元16和2#压力检测单元18；信号传输模块是光缆或电缆；地面配套处理模块(13)包括抽油机上下止点时刻触发单元20、信号收发单元19、数据处理存储单元27、控制单元25、油井生产信息数据库服务器21、网络传输单元24和客户终端22。

所述压力检测模块为光纤压力检测单元或电子压力检测单元，采用光纤压力检测单元时，1#压力检测单元16置于抽油泵体4下缘；2#压力检测单元18置于抽油泵尾管筛管组合17下缘；采用电子压力检测单元时，1#压力检测单元16、2#压力检测单元18分别置于初始液面下一定深度的位置。1#压力检测单元16、2#压力检测单元18分别置于初始液面下50米和100米深度的位置。

按照上述油井动液面深度连续测量和采出液连续计量装置的处理方法：0#压力检测单元14、1#压力检测单元16、2#压力检测单元18检测的压力值P_0#、P_1#和P_2#的数值和电机输入功率P_输入，经过数据处理存储单元27进行处理后，给出以下连续变化的有效参数：

(1)：动液面深度H                            (m)；

(2)：压力检测单元实测压力值P_0#、P_1#和P_2#    (MPa)；

(3)：采出液综合密度ρ                       (Kg/m³)；

(4)：采出液体积含水率f_w                     (％)；

(5)：采出液体积流量Qc                       (m³/d)；

(6)：采出液质量流量Qm                       (kg/d)；

(7)：油层供液流量Qs                         (m³/d)；

(8)：抽油泵漏失流量Q_L                       (m³/d)；

(9)：标准状态下E区天然气体积量Q_q            (m³)；

(10)：井下采出设备沉没度H0                  (m)；

(11)：抽油机井泵效η_容积                      (％)；

(12)：单井***效率η                        (％)；

以上参数的推导和计算方法如下：

(一)动液面深度H和采出液综合密度ρ的推导计算

P_1#＝P_0#+ρg(H2-H)        公式(1)

ρ＝(P_2#-P_1#)/gH1         公式(2)

根据公式(1)和(2)确定动液面深度为：

$H=H2-H1\frac{(P_{1\#}-P_{0\#})}{(P_{2\#}-P_{1\#})}$ 公式(3)

(二)采出液体积流量Qc、油层供液流量Qs和抽油泵漏失流量Q_L推导计算

抽油机一个工作循环包括上行程和下行程，通过抽油机上下止点时刻触发信号得到上行程时间t₁和下行程时间t₂，绘制出动液面深度(H)与时间(T) 对应变化曲线。

设油井排液速率为V_C(t)cm³/s，油层供液速率为Vs(t)cm³/s，抽油泵漏失速率为V_L(t)cm³/s，在一个周期内近似Vs(t)＝At，由公式(4)和V_C(t)cm³/s的经验值范围，将取值范围内的点分组带入公式来拟合曲线和实际测量的曲线进行对比，最终得到的使两条曲线绝对误差最小的V_C(t)的取值即为要求的V_C(t)的值，进而可以积算出油层供液速率Vs(t)及抽油泵的漏失速率V_L(t)；

$\left(\begin{array}{c}{\∫}_0^{t_1}[V_S\left(t\right)+V_L\left(t\right)]\mathrm{dt}={\∫}_0^{t_1}{H}_1\left(t\right)\mathrm{dt}\\ {\∫}_{t_1}^{t_2}[V_C\left(t\right)-V_S\left(t\right)]\mathrm{dt}={\∫}_{t_1}^{t_2}{H}_2\left(t\right)\mathrm{dt}\\ \frac{{\∂V}_L\left(t\right)}{\∂t}+A=\frac{{\∂H}_1\left(t\right)}{\∂t}\\ \frac{{\∂V}_C\left(t\right)}{\∂t}-A=\frac{\∂H_2\left(t\right)}{\∂t}\end{array}\right)$ 公式(4)

函数拟合：设动液面h(t)与油层供液速率Vs(t)、油井排液速率V_C(t)和抽油泵漏失速率V_L(t)之间非确定线性关系，设相关函数的变换函数为：

$\left(\begin{array}{c}T1={\mathrm{TV}}_S=\mathrm{\α}{V}_{S0}+V_{S1}{V}_S\left(t\right)+V_{S2}\left(t\right)+\mathrm{\σ}12\\ T2={\mathrm{TV}}_C=\mathrm{\α}{V}_{C0}+V_{C1}{V}_C\left(t\right)+V_{C2}\left(t\right)+\mathrm{\σ}22\\ T3={\mathrm{TV}}_L=\mathrm{\α}{V}_{L0}+V_{L1}{V}_L\left(t\right)+V_{L2}\left(t\right)+\mathrm{\σ}32\end{array}\right)$ 公式(5)

同时，变换函数T1、T2、T3之间线性无关，并设存在的线性相关函数为：

其中ε为随机误差        公式(6)

即： $h\left(t\right)=f\left(V\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_0\\ {\mathrm{\β}}_1\\ {\mathrm{\β}}_2\\ {\mathrm{\β}}_3\end{array}\right)+\stackrel{\→}{\mathrm{\ϵ}}$ 公式(7)

其中β₀、β₁、β₂和β₃为待定参数；

将n次观测数据逐一带入(4)-(7)假设方程，可得：

公式(8)

对系数β进行最小二乘法估计，即均方根误差为：

$Q=\sqrt{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(h_k-{\tilde{h}}_k)}^2}$

取最小值时，αi、βi的取值即为所求模型近似解，带入原表达式(5)-(7)即可得到油井动液面h(t)与油层供液速率Vs(t)、油井排液速率V_C(t)、抽油泵漏失速率V_L(t)之间的关系表达式为：

h(t)＝G₁[V_C(t)]+G₂[V_S(t)]+G₃[V_L(t)]

公式(9)

其中，G₁、G₂、G₃分别为回归算法所确定的拟合函数；

数据采用信号自相关检测的方法来处理，处理新采集的信号时，将其与已采集的信号比对，由于***有用数据近似于周期性函数曲线，其噪声Rn功率谱在频率域中为宽谱分布，有用信号的功率Rs在频率域中的分布为窄带分布，且信号与噪声在时间上互不相关，即两者的相关系数Rns＝Rsn＝0，因此经过自相关方法处理的数据随着采集数据量随时间的增加，采集数据中的信号部分由于其 前后数据的相关性将会被保留下来，而功率白噪声部分将会随着时间的增加很快的衰减至零；

压力检测单元传入的信号，经过自相关处理后，作为有效数据输入给后端处理***，经过数据重建、时间轴同步步骤绘制出压力(P)和动液面(H)-时间(T)基础曲线，实时生成并采集；对信号峰值、谷值进行读取、标定和计算，并对油层供液速率Vs(t)、油井排液速率V_C(t)、抽油泵漏失速率V_L(t)进行积算，即可确定油层供液流量Qs、采出液体积流量Q_C、抽油泵漏失流量Q_L；

(三)标准状态下E区天然气体积量Q_q的推导计算

$Q_q=\frac{2.7315\×{10}^{-3}{P}_{0\#}\mathrm{H\βA}}{(t+273.15)}$ 公式(10)

A-油套环形空间的截面积(m²)；t-油套环形空间天然气区间E平均温度(℃)，由地层温度梯度确定；β-油套环形空间截面修正系数；

(四)采出液体积含水率f_w的推导计算

(五)采出液质量流量Qm的推导计算

Qm＝ρQ_C                           公式(12)

(六)井下采出设备沉没度H0的计算

H0＝H_泵挂-H                        公式(13)

理论沉没度的基本模型为：

$H0=K\frac{P_D-P_{0\#}}{\mathrm{\ρg}}-L$ 公式(14)

公式(14)中：K-修正系数；P_D-最低井底流压(MPa)；P_0#-0#压力检测单元 的压力(MPa)；ρ-采出液综合密度(kg/m³)；L-油层到泵挂距离(m)。

(七)抽油机井泵效η_容积

S-光杆冲程(m)；n-冲次(1/min)；ρ-采出液综合密度(kg/m³)；T-日生产时间，连续抽油井为24小时，其它抽油井为单位工作日内实际生产时间；F-油管和抽油杆环形空间的平均过流截面积(m²)

(八)单井***效率η的推导计算

P_输入-电机的输入功率(Kw)；P_有效-抽油机电机的有效功率(Kw)；H_扬程-采出液被举升的高度(m)；P_回压-油井回压(MPa)；重力加速度g＝9.8m/s²。

本发明与其他油井动液面测量和采出液计量装置相比具有如下特点和优势：1、实现油井动液面深度连续测量和采出液连续计量；2、压力检测模块小型化集成化，克服了油套环形空间狭小的限制；3、采用光纤压力检测方式解决了井筒内高温高压工作环境的限制，测量更稳定可靠；4、连续测量油井采出液的综合密度和含水率，并以此判定油层供液主要组分(油和水)的变化趋势；5、连续测量油套环形空间E内天然气量；6、动态确定抽油机井泵效和单井***效率；7、连续测量井下采出设备的漏失流量，以此判定其技术状况和工作状态；8、连续测量油层的供液能力和变化趋势，为及时有效的调整油井生产工艺措施 和油井工作制度提供依据；9、根据动液面深度H、采出液体积流量、油层供液流量和井下采出设备漏失流量等技术参数，并结合油井工作制度，以最佳沉没度H0作为被控参数，由地面配套模块(13)的控制单元(25)对采油设备驱动电机(26)(如抽油机地面驱动电机、潜油电泵电机和井下螺杆泵电机等)实现闭环或分级控制，动态调整其运行频率，实时调节井下采出设备的工作能力使之与油层的供液能力相适应，实现油井生产运行始终处于最优化的受控状态；10、把具有共同或相似属性的多口油井和油井外输管线进行组网，实时监控网内油井主要生产参数和管线的运行状态，并建立网内油井生产信息动态监测分析网络平台，为生产管理油田数字化、智能化和网络化提供重要数据支撑。

附图说明

附图1是本发明采用光纤压力检测单元时的一种应用实施例结构图；

附图2是本发明采用电子压力检测单元时的一种应用实施例结构图；

附图3是电路部分结构框图；

附图4是动液面深度(H)与时间(T)对应变化曲线图。

图中，1-油井套管组合；2-油井套管射孔段；3-抽油泵固定凡尔；4-抽油泵体；5-抽油泵下游动凡尔；6-抽油泵柱塞；7-油管组合；8-油井动液面；9-油套环形空间气体(天然气)空间E；10-采油井口；11-抽油杆组合；12-光缆或电缆；13-地面配套处理模块；14-0#光纤(或电子)压力检测单元；15-抽油泵上游动凡尔；

16-1#光纤(或电子)压力检测单元；17-抽油泵尾管和筛管组合；18-2#光纤(或电子)压力检测单元；19-信号收发单元；20-抽油机上下止点时刻触发单元(也称行程开关)；21-油井生产信息数据库服务器(常规计算机服务器)；22和23-客户(有线或无线)终端；24-网络传输单元；25-控制单元(含变频 控制器的单元)；26-采油设备驱动电机(如抽油机地面驱动电机、潜油电泵电机和井下螺杆泵电机等)；27-数据处理存储单元(如ARK-7480系列是一种IntelPentium 4 Socket 478即用型嵌入式工业电脑，带有16位A/D转换器以及RS485总线采集模块等)。其中光纤压力检测单元可以采用上海光栅信息技术有限公司生产的光纤光栅传感器等。信号收发单元可以采用美国MICRON OPTICSIN公司生产的SI425光纤光栅解调仪；SLD(SLED)光源/宽带光源SLED高稳定宽带光源选用上海瀚宇光纤通信技术公司生产的型号为SLD-761-HP1-DBUT-SM-PD-1480，典型输出功率大于4mW，单模光纤输出，峰值波长1480nm，蝶型封装，包含PD等。

H-动液面深度；H1-1#压力检测单元16和2#压力检测单元18的距离；H2-1#压力检测单元16到采油井口10的距离或者为抽油泵泵挂深度；A-油套环形空间内液柱空间；B-抽油泵体尾端4和抽油泵尾管筛管组合17之间的环形空间；C-抽油泵体4与抽油泵柱塞6之间的环形空间；D-抽油泵柱塞6与油管组合7、抽油杆组合11与采油井口10形成的空间；E-油套环形空间内气体(天然气)空间。

具体实施方式

实施例1，参照附图1和3，由压力检测模块、信号传输模块12、地面配套模块13三部分组成。压力检测模块各检测单元分别置于油套环形空间内一定位置，由0#(14)、1#(16)、2#(18)压力检测单元组成；0#压力检测单元14置于油套环形空间E区，测量E区天然气压力套压。采用光纤压力检测方式时：1#压力检测单元16置于抽油泵体4下缘；2#压力检测单元18置于抽油泵尾管筛管组合17下缘。信号传输模块12是由光缆组成。地面配套模块13主要由抽油机上下止点时刻触发单元20、信号收发单元19、数据处理存储单元27、油井生产 信息数据库服务器21、网络传输单元24、客户终端22、23以及控制单元25组成。

油层液体经套管1上的套管射孔段2渗透到油套环形空间A区内，动液面深度H将会随之发生变化；相应0#14、1#16和2#18压力检测单元的实测压力P_0#、P_1#和P_2#也会随之发生变化。

实施例2，参照附图2和3，由压力检测模块、信号传输模块12、地面配套模块13三部分组成。压力检测模块各检测单元分别置于油套环形空间内一定位置，由0#(14)、1#(16)、2#(18)压力检测单元组成；0#压力检测单元14置于油套环形空间E区，测量E区天然气压力套压。采用电子压力检测方式时：1#16、2#18压力检测单元分别置于初始液面下一定深度的位置推荐位置为50米和100米处。信号传输模块12是由电缆组成。地面配套模块13主要由抽油机上下止点时刻触发单元20、信号收发单元19、数据处理存储单元27、油井生产信息数据库服务器21、网络传输单元24、客户终端22、23以及控制单元25组成。

油层液体经套管1上的套管射孔段2渗透到油套环形空间A区内，动液面深度H将会随之发生变化；相应0#14、1#16和2#18压力检测单元的实测压力P_0#、P_1#和P_2#也会随之发生变化。

下面以传统并普遍采用的游梁式抽油机简称抽油机为例进行说明。抽油机的一个上作循环包括上下两个行程，上行程是指抽油机驴头从下止点向上止点的运动过程；下行程是指抽油机驴头从上止点向下止点的运动过程。在上下行程中，油层持续向油套环形空间A内供液，因此A区和B区始终充满了液体。

抽油机上行程的工作过程：抽油杆组合11带动抽油泵柱塞6在油管组合7内自下而上直线运动时；抽油泵柱塞6与抽油泵体4之间的空间C将会增大、 C区内压力有下降的趋势，抽油泵固定凡尔3保持开启状态，原油从B区经固定凡尔3流向C区，动液面8会有下降的趋势，即P_0#、P_1#和P_2#也随之减小。同时，由于抽油泵游动凡尔5和15在自身重力和上端D区液柱压力作用下保持关闭状态，保证了D区内的液体被举升到采油井口10，完成了油井排液过程。

抽油机下行程的工作过程：抽油杆组合11带动抽油泵柱塞6在油管组合7内自上而下直线运动时；抽油泵柱塞6与抽油泵体4之间的空间C将会减小、C区内压力有升高的趋势，抽油泵固定凡尔3在自身重力和C区内压力作用下保持关闭状态理想状态，液体不能从B区经固定凡尔3流向C区，动液面8会有上升的趋势，即P_0#、P_1#和P_2#也随之增大。同时，由于抽油泵游动凡尔5和15在压力不断增大的C区作用下保持开启状态，C区内的液体经抽油杆游动凡尔5和15流向D区，完成了抽油泵与D区的液体交换过程。

无论是采用光纤压力检测方式还是电子压力检测方式，抽油机上下止点时刻触发单元20，抽油机电机26的控制单元25，数据处理和存储单元27，油井生产信息数据库服务器21，网络传输单元24和终端用户22、23等都是相同的。二者不同之处在于压力检测方式，信号发生和采集单元不同。

当采用光纤压力检测方式时，抽油机上下止点时刻触发单元20反馈给数据处理和存储单元27的是一个开关量电信号，它反映了抽油机运行到上止点和下止点的时刻。数据处理和存储单元27以这两个时刻为时间基准点，控制信号收发单元19中的光信号发生单元调制出符合要求的光束，由光纤传输到0#14、1#16和2#18光纤压力检测单元，压力检测单元反馈的光束传输到信号收发单元19中的光解调单元后被转换成有效的数字信号，并临时保存到数据处理和存储单元27中，这些数字信号表征了各压力检测单元与时间对应的压力值P_0#、P_1#和 P_2#。

当采用电子压力检测方式时，数据处理和存储单元27同样以抽油机上止点和下止点时刻为时间基准点，控制0#14、1#16和2#18电子压力检测单元的供电回路，压力检测单元反馈的模拟电信号传输到信号收发单元19后被转换成有效的数字信号，临时存保存到数据处理和存储单元27中，同样这些数字信号表征了各压力检测单元与时间对应的压力值P_0#、P_1#和P_2#。

同时抽油机电机控制单元25把抽油机电机26的输入功率、运行电压和电流、运行频率和转速等参数反馈到数据处理和存储单元27中并临时保存。数据处理和存储单元27对上述数据进行处理，形成有效参数可在本地显示并长期存储；或经过网络传输保存到油井生产信息数据库服务器21中，终端用户22、23通过网络传输单元24进行数据访问或实时监控。同时根据生产要求并结合上述有效参数，由控制单元25对抽油机电机26实现闭环或分级控制，动态调整其运行频率。

根据检测各压力检测单元的压力值和电机输入功率，经过数据处理和存储单元进行处理后，结合下面的处理方法最终得出以下连续变化的有效参数：

A：动液面深度H                             (m)；

B：压力检测单元实测压力值P_0#、P_1#和P_2#     (MPa)；

C：采出液综合密度ρ                        (Kg/m³)；

D：采出液体积含水率f_w                      (％)；

E：采出液体积流量Qc                        (m³/d)；

F：采出液质量流量Qm                        (kg/d)；

G：油层供液流量Qs                          (m³/d)；

H：抽油泵漏失流量Q_L                (m³/d)；

I：标准状态下E区天然气体积量Q_q     (m³)；

J：井下采出设备沉没度H0            (m)；

K：抽油机井泵效η_容积              (％)；

L：单井***效率η                  (％)。

以上参数的推导和计算如下。

1、动液面深度H和采出液综合密度ρ的推导计算

P_1#＝P_0#+ρg(H2-H)        公式(1)

ρ＝(P_2#-P_1#)/gH1         公式(2)

根据公式(1)和(2)确定动液面深度为：

$H=H2-H1\frac{(P_{1\#}-P_{0\#})}{(P_{2\#}-P_{1\#})}$ 公式(3)

2、采出液体积流量Qc、油层供液流量Qs和抽油泵漏失流量Q_L推导计算

抽油机一个工作循环包括上行程和下行程，通过抽油机上下止点时刻触发信号得到上行程时间t1和下行程时间t2，绘制出动液面深度(H)与时间(T)对应变化曲线(见图4)。

设油井排液速率为V_C(t)cm³/s，油层供液速率为Vs(t)cm³/s，抽油泵漏失速率为V_L(t)cm³/s。它们都是随时间变化的量，在一个周期内近似Vs(t)＝At，由公式(4)和V_C(t)cm³/s的经验值范围，将取值范围内的点分组带入公式来拟合曲线和实际测量的曲线进行对比，最终得到的使两条曲线绝对误差最小的V_C(t)的取值即为要求的V_C(t)的值，进而可以积算出油层供液速率Vs(t)及抽油泵的漏失速率V_L(t)。

$\left(\begin{array}{c}{\∫}_0^{t_1}[V_S\left(t\right)+V_L\left(t\right)]\mathrm{dt}={\∫}_0^{t_1}{H}_1\left(t\right)\mathrm{dt}\\ {\∫}_{t_1}^{t_2}[V_C\left(t\right)-V_S\left(t\right)]\mathrm{dt}={\∫}_{t_1}^{t_2}{H}_2\left(t\right)\mathrm{dt}\\ \frac{{\∂V}_L\left(t\right)}{\∂t}+A=\frac{{\∂H}_1\left(t\right)}{\∂t}\\ \frac{{\∂V}_C\left(t\right)}{\∂t}-A=\frac{\∂H_2\left(t\right)}{\∂t}\end{array}\right)$ 公式(4)

函数拟合：设动液面h(t)与相关函数(油层供液速率Vs(t)、油井排液速率V_C(t)和抽油泵漏失速率V_L(t))之间非确定线性关系。设相关函数的变换函数为：

$\left(\begin{array}{c}T1={\mathrm{TV}}_S=\mathrm{\α}{V}_{S0}+V_{S1}{V}_S\left(t\right)+V_{S2}\left(t\right)+\mathrm{\σ}12\\ T2={\mathrm{TV}}_C=\mathrm{\α}{V}_{C0}+V_{C1}{V}_C\left(t\right)+V_{C2}\left(t\right)+\mathrm{\σ}22\\ T3={\mathrm{TV}}_L=\mathrm{\α}{V}_{L0}+V_{L1}{V}_L\left(t\right)+V_{L2}\left(t\right)+\mathrm{\σ}32\end{array}\right)$ 公式(5)

同时，变换函数T1、T2、T3之间线性无关，并设存在的线性相关函数为：

(其中ε为随机误差)        公式(6)

即： $h\left(t\right)=f\left(V\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_0\\ {\mathrm{\β}}_1\\ {\mathrm{\β}}_2\\ {\mathrm{\β}}_3\end{array}\right)+\stackrel{\→}{\mathrm{\ϵ}}$ 公式(7)

其中β₀、β₁、β₂和β₃为待定参数。

将n次观测数据逐一带入(4)-(7)假设方程，可得：

公式(8)

对系数β进行最小二乘法估计，即均方根误差为：

$Q=\sqrt{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(h_k-{\tilde{h}}_k)}^2}$

取最小值时，αi、βi的取值即为所求模型近似解，带入原表达式(5)-(7)即可得到油井动液面h(t)与油层供液速率Vs(t)、油井排液速率V_C(t)、 抽油泵漏失速率V_L(t)之间的关系表达式为：

h(t)＝G₁[V_C(t)]+G₂[V_S(t)]+G₃[V_L(t)]

公式(9)

其中，G₁、G₂、G₃分别为回归算法所确定的拟合函数。

数据采用信号自相关检测的方法来处理。处理新采集的信号时，将其与已采集的信号比对(为减少计算量和加快处理速度，可只对新采集数据以前的固定数据量的数据进行计算)。如***采集速率为1KHz，采集第n个数据时，可只对n-m至n-1个数据进行自相关性计算(m＞1)。由于***有用数据近似于周期性函数曲线，其噪声Rn功率谱在频率域中为宽谱分布，有用信号的功率Rs在频率域中的分布为窄带分布，且信号与噪声在时间上互不相关(即两者的相关系数Rns＝Rsn＝0)，因此经过自相关方法处理的数据随着采集数据量随时间的增加，采集数据中的信号部分由于其前后数据的相关性将会被保留下来，而功率白噪声部分将会随着时间的增加很快的衰减至零。

压力检测单元传入的信号，经过自相关处理后，作为有效数据输入给后端处理***。经过数据重建、时间轴同步等步骤绘制出压力(P)和动液面(H)-时间(T)等基础曲线，实时生成并采集；对信号峰值、谷值进行读取、标定和计算，并对油层供液速率Vs(t)、油井排液速率V_C(t)、抽油泵漏失速率V_L(t)进行积算，即可确定油层供液流量Qs、采出液体积流量Q_C、抽油泵漏失流量Q_L。

3、标准状态下E区天然气体积量Q_q的推导计算

$Q_q=\frac{2.7315\×{10}^{-3}{P}_{0\#}\mathrm{H\βA}}{(t+273.15)}$ 公式(10)

A-油套环形空间的截面积(m²)；t-油套环形空间天然气区间E平均温度(℃)，由地层温度梯度确定；β-油套环形空间截面修正系数。

4、采出液体积含水率f_w的推导计算

5、采出液质量流量Qm的推导计算

Qm＝ρQ_C               公式(12)

6、井下采出设备沉没度H0的计算

H0＝H_泵挂-H            公式(13)

合理(理论)沉没度的基本模型为：

$H0=K\frac{P_D-P_{0\#}}{\mathrm{\ρg}}-L$ 公式(14)

公式(14)中：K-修正系数；P_D-最低井底流压(MPa)；P_0#-0#压力检测单元的压力(MPa)；ρ-采出液综合密度(kg/m³)；L-油层到泵挂距离(m)。

7、抽油机井泵效η_容积

S-光杆冲程(m)；n-冲次(1/min)；ρ-采出液综合密度(kg/m³)；T-日生产时间(连续抽油井为24小时，其它抽油井为单位工作日内实际生产时间)；F-油管和抽油杆环形空间的平均过流截面积(m²)

8、单井***效率η的推导计算

P_输入-电机的输入功率(Kw)；P_有效-抽油机电机的有效功率(Kw)；H_扬程-采出液被举升的高度(m)；P_回压-油井回压(MPa)；g＝9.8m/s²(重力加速度)

根据动液面深度H、采出液体积含水率f_w、油层供液流量Qs等参数，可以及时掌握油层的供液能力变化趋势、油层供液主要组分的变化，以便及时有效地调整注采工艺措施，如调整区块注水量或注水压力等，恢复油层供液能力。

根据动液面深度H、采出液体积流量Qc、油层供液流量Qs，并结合抽油泵漏失流量Q_L等参数，可以动态掌握井下采出设备的技术状况和工作状态。

根据动液面深度H、采出液体积流量Qc、油层供液流量Qs和抽油泵漏失流量Q_L等技术参数，并结合油井工作制度，以最佳沉没度H0作为被控参数，由地面配套模块(13)的控制单元(25)对采油设备驱动电机(26)(如抽油机地面驱动电机、潜油电泵电机和井下螺杆泵电机等)实现闭环或分级控制，动态调整其运行频率，实时调整井下采出设备的工作能力使之与油层的供液能力相适应，实现油井生产运行始终处于最优化的受控状态。

Claims (4)

1.油井动液面深度连续测量和采出液连续计量装置，其特征是由压力检测模块、信号传输模块、地面配套处理模块(13)组成，其中：压力检测模块至少包括一个置于油套环形空间气体区的0#压力检测单元(14)，两个纵向分别分布在油套环形空间初始液面下方的1#压力检测单元(16)和2#压力检测单元(18)；信号传输模块是光缆或电缆；地面配套处理模块(13)包括抽油机上下止点时刻触发单元(20)、信号收发单元(19)、数据处理存储单元(27)、控制单元(25)、油井生产信息数据库服务器(21)、网络传输单元(24)和客户终端(22)。

2.根据权利要求1所述的油井动液面深度连续测量和采出液连续计量装置，其特征是压力检测模块为光纤压力检测单元或电子压力检测单元，采用光纤压力检测单元时，1#压力检测单元(16)置于抽油泵体(4)下缘；2#压力检测单元(18)置于抽油泵尾管筛管组合(17)下缘；采用电子压力检测单元时，1#压力检测单元(16)、2#压力检测单元(18)分别置于初始液面下一定深度的位置。

3.根据权利要求2所述的油井动液面深度连续测量和采出液连续计量装置，其特征是1#压力检测单元(16)、2#压力检测单元(18)分别置于初始液面下50米和100米深度的位置。

4.按照上述任一权利要求所述的油井动液面深度连续测量和采出液连续计量方法，其特征是：0#压力检测单元(14)、1#压力检测单元(16)、2#压力检测单元(18)检测的压力值P_0#、P_1#和P_2#的数值和电机输入功率P_输入，经过数据处理存储单元(27)进行处理后，给出以下连续变化的有效参数：

(1)：动液面深度H                       (m)；

(2)：压力检测单元实测压力值P_0#、P_1#和P_2#    (MPa)；

(3)：采出液综合密度ρ                       (Kg/m³)；

(4)：采出液体积含水率f_w                     (％)；

(5)：采出液体积流量Qc                       (m³/d)；

(6)：采出液质量流量Qm                       (kg/d)；

(7)：油层供液流量Qs                         (m³/d)；

(8)：抽油泵漏失流量Q_L                       (m³/d)；

(9)：标准状态下E区天然气体积量Q_q            (m³)；

(10)：井下采出设备沉没度H0                  (m)；

(11)：抽油机井泵效η_容积                    (％)；

(12)：单井***效率η                        (％)；

以上参数的推导和计算方法如下：

(一)动液面深度H和采出液综合密度ρ的推导计算

P_1#＝P_0#+ρg(H2-H)                          公式(1)

ρ＝(P_2#-P_1#)/gH1                           公式(2)

根据公式(1)和(2)确定动液面深度为：

$H=H2-H1\frac{(P_{1\#}-P_{0\#})}{(P_{2\#}-P_{1\#})}$ 公式(3)

(二)采出液体积流量Qc、油层供液流量Qs和抽油泵漏失流量Q_L推导计算抽油机一个工作循环包括上行程和下行程，通过抽油机上下止点时刻触发信号得到上行程时间t₁和下行程时间t₂，绘制出动液面深度(H)与时间(T)对应变化曲线；

设油井排液速率为V_C(t)cm³/s，油层供液速率为Vs(t)cm³/s，抽油泵漏失速率为V_L(t)cm³/s，在一个周期内近似Vs(t)＝At，由公式(4)和V_C(t)cm³/s的经验值范围，将取值范围内的点分组带入公式来拟合曲线和实际测量的曲线进行对比，最终得到的使两条曲线绝对误差最小的V_C(t)的取值即为要求的V_C(t)的值，进而可以积算出油层供液速率Vs(t)及抽油泵的漏失速率V_L(t)；

$\left(\begin{array}{c}{\∫}_0^{t_1}[V_S\left(t\right)+V_L\left(t\right)]\mathrm{dt}={\∫}_0^{t_1}{H}_1\left(t\right)\mathrm{dt}\\ {\∫}_{t_1}^{t_2}[V_C\left(t\right)-V_S\left(t\right)]\mathrm{dt}={\∫}_{t_1}^{t_2}{H}_2\left(t\right)\mathrm{dt}\\ \frac{{\∂V}_L\left(t\right)}{\∂t}+A=\frac{{\∂H}_1\left(t\right)}{\∂t}\\ \frac{{\∂V}_C\left(t\right)}{\∂t}-A=\frac{\∂H_2\left(t\right)}{\∂t}\end{array}\right)$ 公式(4)

函数拟合：设动液面h(t)与油层供液速率Vs(t)、油井排液速率V_C(t)和抽油泵漏失速率V_L(t)之间非确定线性关系，设相关函数的变换函数为：

$\left(\begin{array}{c}T1={\mathrm{TV}}_S=\mathrm{\α}{V}_{S0}+V_{S1}{V}_S\left(t\right)+V_{S2}\left(t\right)+\mathrm{\σ}12\\ T2={\mathrm{TV}}_C=\mathrm{\α}{V}_{C0}+V_{C1}{V}_C\left(t\right)+V_{C2}\left(t\right)+\mathrm{\σ}22\\ T3={\mathrm{TV}}_L=\mathrm{\α}{V}_{L0}+V_{L1}{V}_L\left(t\right)+V_{L2}\left(t\right)+\mathrm{\σ}32\end{array}\right)$ 公式(5)

同时，变换函数T1、T2、T3之间线性无关，并设存在的线性相关函数为：

其中ε为随机误差            公式(6)

即： $h\left(t\right)=f\left(V\right)\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_0\\ {\mathrm{\β}}_1\\ {\mathrm{\β}}_2\\ {\mathrm{\β}}_3\end{array}\right)+\stackrel{\→}{\mathrm{\ϵ}}$ 公式(7)

其中β₀、β₁、β₂和β₃为待定参数；

将n次观测数据逐一带入(4)-(7)假设方程，可得：

公式(8)

对系数β进行最小二乘法估计，即均方根误差为：

$Q=\sqrt{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(h_k-{\tilde{h}}_k)}^2}$

取最小值时，αi、βi的取值即为所求模型近似解，带入原表达式(5)-(7)即可得到油井动液面h(t)与油层供液速率Vs(t)、油井排液速率V_C(t)、抽油泵漏失速率V_L(t)之间的关系表达式为：

h(t)＝G₁[V_C(t)]+G₂[V_S(t)]+G₃[V_L(t)]

                                        公式(9)

其中，G₁、G₂、G₃分别为回归算法所确定的拟合函数；

数据采用信号自相关检测的方法来处理，处理新采集的信号时，将其与已采集的信号比对，由于***有用数据近似于周期性函数曲线，其噪声Rn功率谱在频率域中为宽谱分布，有用信号的功率Rs在频率域中的分布为窄带分布，且信号与噪声在时间上互不相关，即两者的相关系数Rns＝Rsn＝0，因此经过自相关方法处理的数据随着采集数据量随时间的增加，采集数据中的信号部分由于其前后数据的相关性将会被保留下来，而功率白噪声部分将会随着时间的增加很快的衰减至零；

压力检测单元传入的信号，经过自相关处理后，作为有效数据输入给后端处理***，经过数据重建、时间轴同步步骤绘制出压力(P)和动液面(H)-时间(T)基础曲线，实时生成并采集；对信号峰值、谷值进行读取、标定和计算，并对油层供液速率Vs(t)、油井排液速率V_C(t)、抽油泵漏失速率V_L(t)进行积算，即可确定油层供液流量Qs、采出液体积流量Q_C、抽油泵漏失流量Q_L；

(三)标准状态下E区天然气体积量Q_q的推导计算

$Q_q=\frac{2.7315\×{10}^{-3}{P}_{0\#}\mathrm{H\βA}}{(t+273.15)}$ 公式(10)

A-油套环形空间的截面积(m²)；t-油套环形空间天然气区间E平均温度(℃)，由地层温度梯度确定；β-油套环形空间截面修正系数；

(四)采出液体积含水率f_w的推导计算

(五)采出液质量流量Qm的推导计算

Qm＝ρQ_C                                公式(12)

(六)井下采出设备沉没度H0的计算

H0＝H_泵挂-H                             公式(13)

理论沉没度的基本模型为：

$H0=K\frac{P_D-P_{0\#}}{\mathrm{\ρg}}-L$ 公式(14)

公式(14)中：K-修正系数；P_D-最低井底流压(MPa)；P_0#-0#压力检测单元的压力(MPa)；ρ-采出液综合密度(kg/m³)；L-油层到泵挂距离(m)。

(七)抽油机井泵效η_容积

S-光杆冲程(m)；n-冲次(1/min)；ρ-采出液综合密度(kg/m³)；T-日生产时间，连续抽油井为24小时，其它抽油井为单位工作日内实际生产时间；F-油管和抽油杆环形空间的平均过流截面积(m²)

(八)单井***效率η的推导计算

P_输入-电机的输入功率(Kw)；P_有效-抽油机电机的有效功率(Kw)；H_扬程-采出液被举升的高度(m)；P_回压-油井回压(MPa)；重力加速度g＝9.8m/s²。

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