CN104239693A - 抽油泵凡尔漏失状态下日产液量的计算方法及其*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抽油泵凡尔漏失状态下日产液量的计算方法及其***，计算方法如下：确定井下柱塞泵在凡尔漏失状态下的有效冲程，即有效冲程内不考虑凡尔漏失影响的日产液量；通过柱塞泵凡尔漏失后所确定的固定凡尔的关闭点或游动凡尔的关闭点，计算出瞬时漏失量，然后根据瞬时漏失量计算日凡尔漏失量；用有效冲程内不考虑凡尔漏失影响的日产液量减去日凡尔漏失量，即得出柱塞泵在凡尔漏失状态下的日产液量。计算***包括有效冲程内不考虑凡尔漏失影响的日产液量计算模块、日凡尔漏失量计算模块和凡尔漏失状态下的日产液量计算模块。本发明弥补了目前功图法计量中的不足，提高了功图法计量的准确度。

Description

抽油泵凡尔漏失状态下日产液量的计算方法及其***

技术领域

本发明涉及一种抽油机井产液量计算技术领域，特别涉及一种适用于游梁式抽油机井出现凡尔漏失后利用实际示功图计算日产液量的方法及计算***。

背景技术

在油田开发过程中，当油井失去自喷能力后进入到机械开采阶段，常用的采油方式为抽油机配套井下有杆往复柱塞泵进行生产，本文简称抽油泵，产液量用分离器计量。功图法计量于上世纪90年代开始应用，逐渐取代了分离器计量产液量；该技术与分离器计量相比，因其技术先进，地面设备及配套流程简单，运行及维护成本低，目前在国内油田已经广泛应用，但在实际应用中，该技术存在以下问题：

(1)当抽油泵发生凡尔漏失后，产液量的计算结果出现错误，甚至当因凡尔漏失造成油井实际不产液时，功图法计量的产液量计算结果显示油井仍具有一定的产液能力，与实际生产情况不符。

(2)抽油泵凡尔漏失分两种形式存在，一是异物卡在凡尔球与凡尔座之间，使凡尔不能关闭，此时实际示功图与正常对比变化较大，比较容易区分和判断；二是凡尔球或凡尔座接触面损伤，使凡尔座与凡尔球配合不严，这种情况的漏失是逐渐加剧的，初期不易被发现，随着凡尔漏失逐渐严重，此时功图法计量误差也越来越大，油井井口产液量逐渐下降，而计量产液量结果却逐渐上升与实际相悖，如未早期发现凡尔漏失问题，继续使用功图法计量的产液量，会造成油井生产趋势的错误，对油井及井组的分析工作极为不利。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种功图法计量中抽油泵凡尔漏失状态下日产液量的计算方法及其***。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

抽油泵凡尔漏失状态下日产液量的计算方法，方法如下：

确定抽油泵在凡尔漏失状态下的有效冲程，即有效冲程内不考虑凡尔漏失影响的日产液量；

通过抽油泵凡尔漏失后所确定的固定凡尔的关闭点或游动凡尔的关闭点，计算出瞬时漏失量，然后根据瞬时漏失量计算日凡尔漏失量；

用所述的有效冲程内不考虑凡尔漏失影响的日产液量减去所述的日凡尔漏失量，即得出抽油泵在凡尔漏失状态下的日产液量。

上述的计算方法，所述有效冲程内不考虑凡尔漏失影响的日产液量计算方法为：

$Q_L=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}\×(S_i-S_k)\×N\×1440;$

式中：Q_y：有效冲程内不考虑凡尔漏失影响的日产液量，m³/d；D:抽油泵泵径，m；S_i：游动凡尔关闭点或固定凡尔关闭点到下死点的距离，m；S_K：游动凡尔开启点或固定凡尔开启点到下死点的距离，m；N:冲次，min^-1。

上述的计算方法，所述的日凡尔漏失量计算方法为：

$Q_L=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}\×v_i\×\frac{{\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{kq}}}{6}\×1440;$

Q_L：日凡尔漏失量，m³/d；D:抽油泵泵径，m；ν_i：游动凡尔或固定凡尔关闭时的悬点运行速度，m/s；θi：游动凡尔或固定凡尔关闭点的曲柄转角，°；θkq：游动凡尔或固定凡尔开启点的曲柄转角，°。

抽油泵凡尔漏失状态下日产液量的计算***，包括：

第一计算模块，用于确定抽油泵在凡尔漏失状态下的有效冲程，得出有效冲程内不考虑凡尔漏失影响的日产液量；

第二计算模块，用于通过抽油泵凡尔漏失后所确定的固定凡尔的关闭点或游动凡尔的关闭点，计算出瞬时漏失量，然后根据瞬时漏失量计算日凡尔漏失量；

第三计算模块，用于将所述的有效冲程内不考虑漏失影响的日产液量和所述的日凡尔漏失量相减，得出抽油泵在凡尔漏失状态下的日产液量。

上述的计算***，所述的第一计算模块，用于通过下述公式计算，

$Q_y=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}\×(S_i-S_k)\×N\×1440;$

式中：Q_y：有效冲程内不考虑凡尔漏失影响的日产液量，m³/d；D:抽油泵泵径，m；S_i：游动凡尔关闭点或固定凡尔关闭点到下死点的距离，m；S_K：游动凡尔开启点或固定凡尔开启点到下死点的距离，m；N:冲次，min^-1。

上述的计算***，所述的第二计算模块，用于通过下述公式计算，

$Q_L=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}\×v_i\×\frac{{\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{kq}}}{6}\×1440;$

式中：Q_L：日凡尔漏失量，m³/d；D:抽油泵泵径，m；ν_i：游动凡尔或固定凡尔关闭时的悬点运行速度，m/s；θi：游动凡尔或固定凡尔关闭点的曲柄转角，°；θkq：游动凡尔或固定凡尔开启点的曲柄转角，°。

本发明提供的抽油泵凡尔漏失状态下日产液量的计算方法及其***正确确定了抽油泵在凡尔漏失状态下的有效冲程；根据漏失功图的关键点，计算出瞬时漏失量，从而计算出日产液量，弥补了目前功图法计量中的不足，提高了功图法计量的准确度。

附图说明

图1为抽油机井正常示功图。

图2为游动凡尔漏失或柱塞与工作筒间隙增大示功图。

图3为固定凡尔漏失示功图。

图1、2、3中：A：游动凡尔关闭点；B：固定凡尔开启点；C：固定凡尔关闭点；D：游动凡尔开启点；P：载荷坐标，KN；S：位移坐标，m。

图4为常规游梁式抽油机简单示意图。

图4中A：游梁前臂长度，m；C：游梁后臂长度，m；P：连杆长度，m；R：曲柄半径，m；I：游梁支撑中心到减速器输出轴中心的水平距离，m；H：游梁支撑中心到底座底部的高度，m；G：减速器输出轴中心到底座底部的高度，m；K：游梁支撑中心到减速器输出轴中心的距离，m；J：曲柄中心到游梁支撑中心之间的距离，m；θ：曲柄转角，以曲柄处于12点钟位置作为零度，延曲柄旋转方向度量；φ：零度线与K线夹角；β：C与P的夹角；α：P与R的夹角；χ：C与J的夹角；ρ：K与J的夹角；ψ：C与K的夹角；ψ_b：光杆在最低位置时的ψ角；ψ_t：光杆在最高位置时的ψ角；θ_K：K与R的夹角；ω：曲柄旋转角速度，一般等于πN/30，S^-1；N:冲次，min^-1。

图5为某井正常实际示功图。

图6为某井游动凡尔漏失实际示功图。

图7为CYJY12-6-73HF型抽油机悬点位移与曲柄转角关系曲线。

图8为CYJY12-6-73HF型抽油机悬点速度与曲柄转角关系曲线。

具体实施方式

下面详细讨论一下目前功图法不能正确计算抽油泵出现凡尔漏失后实际日产液量的问题，本发明通过与现有的计量技术的融合，提高功图法计量准确程度的过程。

(1)目前功图法计量的基本计算方法。

结合图1，功图法计量是根据实际示功图应用抽油泵排量公式结合有效冲程进行日产液量计算的。有效冲程是通过功图法计量软件对实际示功图几何特征及曲率变化分析判断，得到柱塞泵游动凡尔的开启点D和关闭点A，即D A在功图位移坐标的投影距离为有效冲程。

(2)凡尔漏失状态下功图法计量产液量不准的原因。

抽油泵正常工作时，游动凡尔与固定凡尔交替开、闭，完成进液、排液过程。当其中任意一组凡尔出现漏失时，均会影响另一组凡尔的正常关闭和开启。

图2游动凡尔出现漏失，即已形成了游动凡尔不能实现关闭，在这种情况下，D A已不能真实反映出有效冲程，仍然应用目前方法计算，其计算结果显然是不正确的。

图3固定凡尔出现漏失，此时D A虽能反映出有效冲程，但在泵的整个运行中，凡尔漏失现象是随之存在的，直接用目前的计算方法，其结果是不准确的。

(3)重新定义抽油泵出现凡尔漏失后的有效冲程,即柱塞在工作中让出或压缩的有效容积。从抽油机井典型游动凡尔漏失示功图图2与正常示功图图1对比主要的图形几何特征为：增载变缓即増载线AB与横坐标轴夹角变小，提前卸载即卸载线CD与横坐标轴夹角增大，增载线AB与卸载线CD不平行，漏失量越大增载线AB与卸载线CD延伸所形成的夹角越大。

游动凡尔漏失功图中反映出，固定凡尔开启B点与正常功图图1中B点对比发生右移，关闭点C左移，即固定凡尔在每个冲程中开启状态的位移距离比正常功图(图1)缩短，外部介质必须在固定凡尔开启状态下才能进入工作筒，因此当游动凡尔漏失时，固定凡尔开启点B到关闭点C的距离,即BC才能作为游动凡尔漏失状态下的有效冲程。柱塞与工作筒磨损间隙增大漏失与游动凡尔漏失功图图2的图形特征基本一致，采取同样方法计算有效冲程。

固定凡尔漏失功图图3，因固定凡尔漏对游动凡尔的开启与关闭也会造成同样的影响，因此当固定凡尔漏失时，游动凡尔开启点D到关闭点A的绝对距离即为固定凡尔漏失时的有效冲程。

(4)计算漏失量关键点的确定。

由于游动凡尔关闭不严，在抽油泵的整个工作过程中，柱塞上部油管中的部分介质通过球与球座不密封处倒流进入抽油泵柱塞以下的工作筒内,其漏失量的大小取决于柱塞上部液柱压力、液体粘度及漏失点的截面积大小，液柱压力越大、漏失点截面积越大，漏失量就越大，当游动凡尔存在漏失时，如果柱塞上液柱压力与漏失点截面积不变时，漏失量在抽油泵的整个工作过程中是恒定不变的，即单位时间内的漏失体积(m³/s)。

抽油泵在抽油杆带动下往复运动，抽油机的运动规律由于受四连杆机构的约束，驴头悬点的运动始终处于变速状态，其运动规律近似于简谐运动，在上、下死点时运行速度最慢，而在上冲程和下冲程的半程时运行最快；当柱塞由下死点向上运行时，由于初始速度慢，漏失量大于柱塞上行让出的空间，柱塞上部的液柱压力仍能传递到柱塞下部的工作筒内，固定凡尔受液柱压力作用不能打开，随着柱塞的运行速度逐渐加快，当柱塞上行，瞬时让出的空间大于瞬时漏失体积时，柱塞下部工作筒内的压力下降，固定凡尔在压力下降和油套环形空间液柱压力双重作用下打开，环形空间内的介质才能进入，因此固定凡尔瞬间开启时，柱塞运行速度所让出的空间，就等于因游动凡尔漏失所填充的漏失介质体积，即游动凡尔漏失示功图上的固定凡尔开启点B在位移坐标S上的投影位置；但由于传递运动的抽油杆在工作过程中承受载荷的变化而发生弹性形变，即冲程损失，导致柱塞由下死点向上移动的时间比悬点的移动时间滞后，因此柱塞由下死点向上运动初期的速度与悬点初期移动速度不同，而在光杆上冲程后半程，移动速度是逐渐下降的，柱塞此时的移动速度基本于悬点的变速运动同步；随着柱塞向上运动的速度逐渐下降，当柱塞上行让出的空间，等于游动凡尔漏失漏入介质所填充的空间时，固定凡尔受自身重力作用关闭，管外介质不再进入工作筒内，因此游动凡尔漏失时瞬时漏失量计算的关键点应为固定凡尔的关闭点；柱塞与工作筒磨损造成间隙增大漏失也采取同样方法计算。同理，固定凡尔漏失时游动凡尔的关闭点作为漏失量计算的关键点。

(5)悬点瞬时运行速度的计算。

悬点的瞬时运行速度，受多重因素的影响，其中包括抽油机的冲程、冲次、抽油机四连杆机构的几何关系及尺寸、提供动力的电动机四部分因素的影响，其中电动机在抽油机井的实际应用中，恒速运转电动机占绝大多数，本次研究不考虑电动机变速运转的影响，认为电动机是恒速运转的。因此要准确计算出关键点时的悬点运行速度，就必须考虑地面抽油设备抽油机图4的结构。

综上所述，本发明是抽油泵出现凡尔漏失后应用实际示功图计算日产液量的方法，是对目前功图法计量技术的改进。在目前功图法计量的基础上，升级计量数据库，添加抽油机几何特征参数，增强典型功图矢量特征的识别，正常状态时仍采用目前方法计算产液量。将本发明的计算方法作为备选，当软件判别出抽油泵存在凡尔漏失时，自动选用本计算方法进行产液量计算。

下面进行具体说明。

(1)计算方法：

抽油泵工作正常的典型功图的计算方法。

抽油泵工作正常典型功图包括正常功图图1、5，典型供液不足型功图，结蜡型功图，稠油影响型功图。这类典型功图图形特征不是因抽油泵存在问题而发生的与正常功图的图形差异，影响其变化的原因为外力所为，因此应用目前功图法计量的计算方法进行产液量的计算。

此外还有连抽带喷型功图，此类功图不适合应用功图法进行产液量的计算。

抽油泵工作异常功图的计算方法。

抽油泵工作异常功图包括游动凡尔漏失功图图2，固定凡尔漏失功图图3，以及柱塞与工作筒间隙增大功图(与图2基本一致)。此类功图是因抽油泵本身存在问题而使功图特征与正常对比出现的图形差异，适合用本发明的计算方法进行日产液量的计算。

(2)举例说明本发明对产液量的计算

结合附图2、4，以游动凡尔漏失，地面抽油设备为后置式游梁抽油机为例进行说明。

因在有效冲程内漏失仍然存在，瞬时漏失量不变，因此计算游动凡尔漏失状态下的排量公式为：

Q＝Q_y-Q_L

Q：日产液量，(m³/d)，

Q_y：有效冲程内不考虑凡尔漏失影响的日产液量，(m³/d)，

Q_L：日凡尔漏失量，(m³/d)，

$Q_y=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}\×(S_i-S_k)\×N\×1440$

$Q_L=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}\×v_i\×\frac{{\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{kq}}}{6}\×1440$

$t_L=\frac{{\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{kq}}}{360}\×60\÷N$

式中：ν_i：悬点速度，本公式指固定凡尔关闭时的悬点运行速度，即漏失液体在工作筒内瞬时液柱高度，m/s；

t_L：有效冲程内悬点运行时间，s；

θi：固定凡尔关闭点的曲柄转角，°；

θkq：固定凡尔开启点的曲柄转角，°；

S_i：固定凡尔关闭点到下死点的距离，m；

S_K：固定凡尔开启点到下死点的距离；m；

由于ν_i和t_L不光是与冲程(S)、冲次(N)有关，同时与所使用的地面抽油设备也有很大关系，不同型号的抽油机，在冲程、冲次相同的情况下，其同一悬点位置的瞬时速度是不同的，原因是四连杆机构的几何尺寸差异及旋转方向所决定，要进行准确的计算，必须考虑四连杆机构的实际运动规律这一因素。

首先求出当悬点处于下死点时的曲柄转角。

即：S_i＝0的曲柄转角θ，S_i＝A(ψb-ψ)，当S_i＝0时，ψb-ψ＝0，因此ψb＝ψ；

计算出固定凡尔关闭瞬间柱塞移动速度(漏失液柱的瞬时高度)：

此公式适用于后置式(包括异相)抽油机的相关计算。

例：某采油井地面设备采用CYJY12-6-73HF型抽油机，工作制度为S＝6米，N＝3.27次/分，φ44mm抽油泵生产；采用功图法计量产液量，前期生产功图特征为抽油泵工作正常(图5)，日产液量为36.5m³/d，移动分离器核实为35.3m³/d。后期功图变化，示功图特征体现游动凡尔漏失(图6)，功图法计量日产液量为38.5m³/d，移动分离器核实日产液量25.4m³/d，目前功图法计量结果与实际产液量不符。

下面应用本发明计算抽油泵凡尔漏状态下产液量下该井日产液量：

首先根据CYJY12-6-73HF抽油机几何尺寸和工作制度计算出相关运动参数：

CYJY12-6-73HF型抽油机运动参数简表

工作制度6m/3.27n

表中当S_i＝0时，θ＝11.851°，Ψb＝81.276°。

从图6中得到S_i＝5.95m，S_K＝0.9m,N＝3.27n/min

CYJY12-6-73HF型抽油机运动参数表生成图7查得θ_i＝189°，θ_kq＝53°，参数表生成图8查得ν_i＝0.203m/s

带入公式：

$Q_y=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}\×(S_i-S_k)\×N\×1440=36.14m^3/d$

$Q_L=\frac{{\mathrm{\π}}^{D^2}}{4}\×v_i\×\frac{{\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{kq}}}{6}\×1440=10.07m^3/d$

Q＝36.14-10.07＝26.07m³/d

用本发明计算游动凡尔漏失状态下日产液量为26.07m³/d,移动分离器同步核实日产液量为25.4m³/d，差值仅为0.67m³，误差率仅为2.6％。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.抽油泵凡尔漏失状态下日产液量的计算方法，其特征在于方法如下：

确定井下柱塞泵在凡尔漏失状态下的有效冲程，即有效冲程内不考虑凡尔漏失影响的日产液量；

通过柱塞泵凡尔漏失后所确定的固定凡尔的关闭点或游动凡尔的关闭点，计算出瞬时漏失量，然后根据瞬时漏失量计算日凡尔漏失量；

用所述的有效冲程内不考虑凡尔漏失影响的日产液量减去所述的日凡尔漏失量，即得出抽油泵在凡尔漏失状态下的日产液量。

2.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于：所述有效冲程内不考虑凡尔漏失影响的日产液量计算方法为：

$Q_y=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}\×(S_i-S_k)\×N\×1440;$

式中：Q_y：有效冲程内不考虑凡尔漏失影响的日产液量，m³/d；D:抽油泵泵径，m；S_i：游动凡尔关闭点或固定凡尔关闭点到下死点的距离，m；S_K：游动凡尔开启点或固定凡尔开启点到下死点的距离，m；N:冲次，min^-1。

3.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于：所述的日凡尔漏失量计算方法为：

$Q_L=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}\×v_i\×\frac{{\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{kq}}}{6}\×1440;$

Q_L：日凡尔漏失量，m³/d；D:抽油泵泵径，m；ν_i：游动凡尔或固定凡尔关闭时的悬点运行速度，m/s；θi：游动凡尔或固定凡尔关闭点的曲柄转角，°；θkq：游动凡尔或固定凡尔开启点的曲柄转角，°。

4.抽油泵凡尔漏失状态下日产液量的计算***，其特征在于，包括：

第一计算模块，用于确定井下柱塞泵在凡尔漏失状态下的有效冲程，得出有效冲程内不考虑凡尔漏失影响的日产液量；

第二计算模块，用于通过抽油泵凡尔漏失后所确定的固定凡尔的关闭点或游动凡尔的关闭点，计算出瞬时漏失量，然后根据瞬时漏失量计算日凡尔漏失量；

第三计算模块，用于将所述的有效冲程内不考虑漏失影响的日产液量和所述的日凡尔漏失量相减，得出抽油泵在凡尔漏失状态下的日产液量。

5.如权利要求4所述的计算***，其特征在于，所述的第一计算模块，用于通过下述公式计算，

$Q_y=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}\×(S_i-S_k)\×N\×1440;$

式中：Q_y：有效冲程内不考虑凡尔漏失影响的日产液量，m³/d；D:抽油泵泵径，m；S_i：游动凡尔关闭点或固定凡尔关闭点到下死点的距离，m；S_K：游动凡尔开启点或固定凡尔开启点到下死点的距离，m；N:冲次，min^-1。

6.如权利要求4所述的计算***，其特征在于，所述的第二计算模块，用于通过下述公式计算，

$Q_L=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}\×v_i\×\frac{{\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{kq}}}{6}\×1440;$

式中：Q_L：日凡尔漏失量，m³/d；D:抽油泵泵径，m；ν_i：游动凡尔或固定凡尔关闭时的悬点运行速度，m/s；θi：游动凡尔或固定凡尔关闭点的曲柄转角，°；θkq：游动凡尔或固定凡尔开启点的曲柄转角，°。