CN112946470B - 有杆泵抽油井蒸汽吞吐转周期时机的软测量方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种有杆泵抽油井蒸汽吞吐转周期时机的软测量方法及***。首先采集刚开井时有杆泵抽油机的电参数，计算上冲程、下冲程以及完整冲程周期内的平均功率值作为标准功率值，然后随着抽油阶段的进行，实时采集有杆泵抽油机的电参数，计算当前上冲程、下冲程以及完整冲程周期内的平均功率，根据计算的上冲程功率比例系数、下冲程功率比例系数以及完整冲程功率比例系数，判断是否需要转入下一蒸汽吞吐周期，测量过程全自动化，不需要操作人员现场操作，即可完成测量；转周期判断结果可实时显示，可及时提醒油井管理者进行下一周期的蒸汽吞吐，减少油井在低产液量下工作的时间，从而降低稠油开发能耗，提高经济效益。

Description

有杆泵抽油井蒸汽吞吐转周期时机的软测量方法及***

技术领域

本发明涉及软测量监测技术领域，具体涉及一种有杆泵抽油井蒸汽吞吐转周期时机的软测量方法及***。

背景技术

稠油，即高粘度重质原油，在世界油气资源中占有较大的比例。中国稠油资源分布广泛，但由于稠油油藏类型繁多，地质条件复杂，原油黏度高，流动性差，因此无法用常规原油开采方式对稠油进行开采。针对这一问题，当前油田常用蒸汽吞吐法开采稠油。蒸汽吞吐又称为循环注入蒸汽法，即先向油井注入一定量的蒸汽，关井一段时间，待蒸汽的热能向油层扩散后再开井生产的一种开采重油的增产方法，是目前热力采油的主要方法。

在蒸汽吞吐法中，每一个蒸汽吞吐周期包括注气、焖井和采油三个阶段。在注气阶段中，由锅炉产生的高温蒸汽注入油层，注气量一般在千顿当量水以上，注入时间一般几天到十几天。注气停止后进入焖井阶段，此时油井处于关井状态，使蒸汽与油层岩石流体充分进行热交换。关井焖井时间一般在2到3天，最长不超过7天。焖井结束后进入采油阶段，开井进行生产。完整的采油阶段分为自喷和抽油两个阶段。自喷阶段一般持续几天到几十天，由于油层压力较高，一般油井能自喷生产。随着井底流压降低，油井停止自喷，此时需及时下泵生产，进入抽油阶段。在抽油阶段中，一般使用有杆泵抽油***进行人工举升。随着时间的的推移和采油的进行，被蒸汽加热的地层温度会逐渐降低，稠油黏度增加，原油采收率和油井日产液量会从开井时的峰值产量逐渐降低至较低的经济极限产量。此时若继续不间断开采，势必会造成较大的能源浪费。

传统方法采用每日统计油井产液量、定期测量油井地面示功图的方法确定蒸汽吞吐转入下一周期的时机。该方法存在实时性较差、需要专用的产液量计量设备和示功图测量设备、成本较高等缺点。对开采阶段抽油井的电参数进行实时监测，通过软测量确定实现油井蒸汽吞吐转周期时机，对降低抽油开采成本、提高稠油开采效率、实现采油过程的节能降耗、提高经济效益具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种有杆泵抽油井蒸汽吞吐转周期时机的软测量方法，包括：

步骤1：采集有杆泵抽油机的电参数，计算有杆泵抽油机的实时电功率，所述电参数包括三相电压、三相电流；

式中，P_e为第e个采样点下的电功率，U_e为第e个采样点下的电压值，I_e为第e个采样点下的电流值，

为第e个采样点下的功率因数；

步骤2：刚开井时采集有杆泵抽油机在连续C个冲程周期内的电参数，计算上冲程、下冲程以及完整冲程周期内的平均功率值作为标准功率值：

式中，

为有杆泵抽油机在上冲程时第i₁个采样点下的电功率，n₁为C个冲程周期内所有上冲程时的采样点数，

为第j个完整冲程周期内上冲程所占时间，P_标准上为上冲程内的平均功率，

为有杆泵抽油机在下冲程时的第i₂个采样点下的电功率，n₂为C个冲程周期内所有下冲程时的采样点数，

为第j个完整冲程周期内下冲程所占时间，P_标准下为下冲程内的平均功率，P_标准为完整冲程周期内的平均功率；

步骤3：随着抽油阶段的进行，实时采集有杆泵抽油机的电参数，计算当前上冲程、下冲程以及完整冲程周期内的平均功率：

式中，

为有杆泵抽油机在当前冲程周期的上冲程时第k₁个采样点下的电功率，N₁为当前冲程周期内上冲程时的采样点数，t_上为当前完整冲程周期内上冲程所占时间，P_上为当前冲程周期内上冲程内的平均功率，

为有杆泵抽油机在当前冲程周期的下冲程时第k₂个采样点下的电功率，N₂为当前冲程周期内下冲程时的采样点数，t_下为当前完整冲程周期内下冲程所占时间，P_下为下冲程内的平均功率，P为当前完整冲程周期内的平均功率；

步骤4：计算上冲程功率比例系数η_上、下冲程功率比例系数η_下以及完整冲程功率比例系数η：

步骤5：将各功率比例系数的值与预设的阈值作对比，如果满足η_上>η₁且η_下>η₂且η>η₃，则认为当前蒸汽吞吐周期结束需要转入下一蒸汽吞吐周期，其中η₁为上冲程功率比例系数的设定阈值，η₂为下冲程功率比例系数的设定阈值，η₃为完整冲程功率比例系数的设定阈值。

一种实现有杆泵抽油井蒸汽吞吐转周期时机的软测量方法的***，包括电参数采集装置、电参数处理装置、无线WiFi传输装置、手机APP，电参数采集装置与电参数处理装置电连接，电参数处理装置通过无线WiFi传输装置与手机APP进行数据传输；

所述电参数采集装置用于采集有杆泵抽油机的电参数并计算每个采样点下的电功率值，所述电参数包括三相电压、三相电流；

所述电参数处理装置用于计算有杆泵抽油机在每个冲程周期内电功率的平均值，并判断是否需要转入下一蒸汽吞吐周期；

所述手机APP用于实现人机信息的交互，实时显示电功率数值以及蒸汽吞吐周期状态；

所述无线WiFi传输装置用于实现电参数处理装置与手机APP之间的无线信号传输。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种有杆泵抽油井蒸汽吞吐转周期时机的软测量方法，通过计算上冲程过程平均功率、下冲程过程平均功率、完整冲程过程平均功率以及与参考功率的比例系数，从这些关键参数即可判断出具体的蒸汽吞吐转周期时机，从而实现实时连续测量的目的，具有成本低、安全性高的特点；测量过程全自动化，不需要操作人员现场操作，即可完成测量；现场数据及转周期判断结果通过无线Wi-Fi传输，自动保存，无需人工记录，降低数据丢失、记录错误几率；转周期判断结果可实时显示，可及时提醒油井管理者进行下一周期的蒸汽吞吐，减少油井在低产液量下工作的时间，从而降低稠油开发能耗，提高经济效益。

附图说明

图1为本发明中有杆泵抽油井蒸汽吞吐转周期时机的软测量方法流程图。

图2为本发明中实现有杆泵抽油井蒸汽吞吐转周期时机的软测量方法的***的框图。

图3为本发明实施例中所述监测***的电路原理图。

图4为本发明中蒸汽吞吐的采油阶段中每个完整冲程平均功率的变化曲线图。

图5为本发明中蒸汽吞吐的采油阶段中完整冲程功率比例系数η的变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明。

如图1所示，一种有杆泵抽油井蒸汽吞吐转周期时机的软测量方法，包括：

步骤1：采集有杆泵抽油机的电参数，计算有杆泵抽油机的实时电功率，所述电参数包括三相电压、三相电流；

式中，P_e为第e个采样点下的电功率，U_e为第e个采样点下的电压值，I_e为第e个采样点下的电流值，

为第e个采样点下的功率因数；

结合进行蒸汽吞吐的有杆泵抽油***历史生产数据、生产现场的调研及蒸汽吞吐法在采油阶段对抽油***的电机功率的影响的理论分析，上冲程过程平均功率、下冲程过程平均功率、完整冲程过程平均功率以及比例关系对对蒸汽吞吐转周期的时机有着直接的影响，从这些关键参数即可判断出具体的蒸汽吞吐转周期时机。抽油机上、下冲程的平均功率，在地面机械结构和平衡一定的前提下，可以直接反映出采油过程中的提油量，进而间接反映出井下液面的高度情况；再由井下液面高度情况的变化，可以间接反映出地层的供液情况及地层压力的变化，从而能对本轮蒸汽吞吐的进行程度作定性的判断，从而给出是否应转入下一蒸汽吞吐周期的判断结果。

通过分析历史数据得知，在蒸汽吞吐采油阶段中的抽油阶段里，刚开井时的功率最低。通过机理分析可知，此时地层温度较高，稠油液化程度较好，地层压力较高，地层的供液情况好，油管套管间的环空液面的高度较高，适合用于作为标准功率数值。而刚开井时由于机械***需要一段时间才能进入稳定运行状态，故选取开井后的若干周期的功率平均值作为标准功率数值。

步骤2：根据刚开井时前若干周期采集到的有杆泵抽油机的电参数计算电功率的平均值，刚开井时采集有杆泵抽油机在连续C个冲程周期内的电参数，计算上冲程、下冲程以及完整冲程周期内的平均功率值作为标准功率值：

式中，

为有杆泵抽油机在上冲程时第i₁个采样点下的电功率，n₁为C个冲程周期内所有上冲程时的采样点数，

为第j个完整冲程周期内上冲程所占时间，P_标准上为上冲程内的平均功率，

为有杆泵抽油机在下冲程时的第i₂个采样点下的电功率，n₂为C个冲程周期内所有下冲程时的采样点数，t_下j为第j个完整冲程周期内下冲程所占时间，P_标准下为下冲程内的平均功率，P_标准为完整冲程周期内的平均功率；

步骤3：随着抽油阶段的进行，实时采集有杆泵抽油机的电参数，计算当前上冲程、下冲程以及完整冲程周期内的平均功率：

式中，

为有杆泵抽油机在当前冲程周期的上冲程时第k₁个采样点下的电功率，N₁为当前冲程周期内上冲程时的采样点数，t_上为当前完整冲程周期内上冲程所占时间，P_上为当前冲程周期内上冲程内的平均功率，

为有杆泵抽油机在当前冲程周期的下冲程时第k₂个采样点下的电功率，N₂为当前冲程周期内下冲程时的采样点数，t_下为当前完整冲程周期内下冲程所占时间，P_下为下冲程内的平均功率，P为当前完整冲程周期内的平均功率；

结合历史数据与机理分析可知，上、下冲程功率比例系数与完整冲程功率比例系数可以间接反映出当前的地层供液情况及地层压力的变化，从而能作为本轮蒸汽吞吐的进行程度的判断依据；功率比例系数达到预设的阈值时，可以判断当前已达到经济极限产液量，需要及时进行下一轮蒸汽吞吐，即当前为蒸汽吞吐的转周期时机。

步骤4：计算上冲程功率比例系数η_上、下冲程功率比例系数η_下以及完整冲程功率比例系数η：

结合历史数据与机理分析可知，蒸汽吞吐法开采稠油时，随着时间的推移与开采的进行，被热蒸汽加热的地层温度应呈逐步下降的趋势，地层中液体的黏度随温度的下降而提高，地层压力逐步下降，地层供液能力将逐步下降。该过程的一个间接反映即有杆泵抽油***电机功率的变化，开采阶段越接近当前蒸汽吞吐周期的末期，越接近经济极限产量，上冲程功率比例系数η_上、下冲程功率比例系数η_下和完整冲程功率比例系数η就越大。当这三个系数均大于一定阈值时，可以判断此时已经达到当前蒸汽吞吐周期的末期，已经达到经济极限产量，应该及时转入下一蒸汽吞吐周期，即当前即为蒸汽吞吐的转周期时机。

步骤5：将各功率比例系数的值与预设的阈值作对比，如果满足η_上>η₁且η_下>η₂且η>η₃，则认为当前蒸汽吞吐周期结束需要转入下一蒸汽吞吐周期，其中η₁为上冲程功率比例系数的设定阈值，η₂为下冲程功率比例系数的设定阈值，η₃为完整冲程功率比例系数的设定阈值，其中η₁、η₂、η₃的取值范围一般设置为1.1～1.3之间。

如图2所示，一种实现有杆泵抽油井蒸汽吞吐转周期时机的软测量方法的***，包括电参数采集装置、电参数处理装置、无线WiFi传输装置、手机APP，电参数采集装置与电参数处理装置电连接，电参数处理装置通过无线WiFi传输装置与手机APP进行数据传输；

所述电参数采集装置用于采集有杆泵抽油机的电参数并计算每个采样点下的电功率值，所述电参数包括三相电压、三相电流；

所述电参数处理装置用于计算有杆泵抽油机在每个冲程周期内电功率的平均值，并判断是否需要转入下一蒸汽吞吐周期；

所述手机APP用于实现人机信息的交互，实时显示电功率数值以及蒸汽吞吐周期状态；

所述无线WiFi传输装置用于实现电参数处理装置与手机APP之间的无线信号传输。

本实施例中，电参数采集装置包括型号为CTKD-16的电流互感器采集三相电流值、型号为ZMPT101B的电压互感器采集三相电压值、型号为ATT7022的三相多功能计量模块输出每个采样点下的电功率值；无线WiFi传输装置选用型号为USR-W600的WiFi模块，电参数处理装置采用型号为stm32f103的嵌入式数据处理模块，三相多功能计量模块输出的电功率值(即有功功率值)输入给嵌入式数据处理模块进行上冲程、下冲程、以及完整冲程周期内的平均功率的计算，并根据通过手机APP设置的各阈值判断当前是否为蒸汽吞吐的转周期时机，嵌入式数据处理模块与WiFi模块电连接，通过WiFi模块发射的无线信号将数据传输至手机APP，具体接线原理图如图3所示，电流互感器、电压互感器分别与有杆泵抽油机电连接，三相多功能计量模块与电流互感器、电压互感器分别电连接，用于根据采集到的三相电流值、三相电压值计算每个采样点的电功率值，嵌入式数据处理模块与三相多功能计量模块电连接，三相多功能计量模块输出的电功率输入给嵌入式数据处理模块进行数据处理，嵌入式数据处理模块通过WiFi模块发射的WiFi信号与手机APP进行数据传输，利用Java语言编写手机APP上的监控界面，实时显示转周期判断结果并进行自动报警提示，可及时提醒油井管理者进行下一周期的蒸汽吞吐，减少油井在低产液量下工作的时间，从而降低稠油开发能耗，提高经济效益，安全性高；测量过程全自动化，不需要操作人员现场操作，即可完成测量，现场数据及转周期判断结果通过无线Wi-Fi传输，自动保存，无需人工记录，降低数据丢失、记录错误几率。

现场实际使用中，基于上述监测***的有杆泵抽油井蒸汽吞吐转周期时机的软测量方法测量得到的某日的一个完整冲程平均功率的变化曲线图如图4所示，某日的一个完整冲程功率比例系数η的变化曲线图如图5所示。

Claims (2)

1.一种有杆泵抽油井蒸汽吞吐转周期时机的软测量方法，其特征在于，包括：

步骤1：采集有杆泵抽油机的电参数，计算有杆泵抽油机的实时电功率，所述电参数包括三相电压、三相电流；

式中，P_e为第e个采样点下的电功率，U_e为第e个采样点下的电压值，I_e为第e个采样点下的电流值，

为第e个采样点下的功率因数；

步骤2：刚开井时采集有杆泵抽油机在连续C个冲程周期内的电参数，计算上冲程、下冲程以及完整冲程周期内的平均功率值作为标准功率值：

式中，

为有杆泵抽油机在上冲程时第i₁个采样点下的电功率，n₁为C个冲程周期内所有上冲程时的采样点数，t_上j为第j个完整冲程周期内上冲程所占时间，P_标准上为上冲程内的平均功率，

为有杆泵抽油机在下冲程时的第i₂个采样点下的电功率，n₂为C个冲程周期内所有下冲程时的采样点数，t_下j为第j个完整冲程周期内下冲程所占时间，P_标准下为下冲程内的平均功率，P_标准为完整冲程周期内的平均功率；

步骤3：随着抽油阶段的进行，实时采集有杆泵抽油机的电参数，计算当前上冲程、下冲程以及完整冲程周期内的平均功率：

式中，

为有杆泵抽油机在当前冲程周期的上冲程时第k₁个采样点下的电功率，N₁为当前冲程周期内上冲程时的采样点数，t_上为当前完整冲程周期内上冲程所占时间，P_上为当前冲程周期内上冲程内的平均功率，

为有杆泵抽油机在当前冲程周期的下冲程时第k₂个采样点下的电功率，N₂为当前冲程周期内下冲程时的采样点数，t_下为当前完整冲程周期内下冲程所占时间，P_下为下冲程内的平均功率，P为当前完整冲程周期内的平均功率；

步骤4：计算上冲程功率比例系数η_上、下冲程功率比例系数η_下以及完整冲程功率比例系数η：

步骤5：将各功率比例系数的值与预设的阈值作对比，如果满足η_上>η₁且η_下>η₂且η>η₃，则认为当前蒸汽吞吐周期结束需要转入下一蒸汽吞吐周期，其中η₁为上冲程功率比例系数的设定阈值，η₂为下冲程功率比例系数的设定阈值，η₃为完整冲程功率比例系数的设定阈值。

2.一种实现权利要求1所述的有杆泵抽油井蒸汽吞吐转周期时机的软测量方法的***，其特征在于，包括电参数采集装置、电参数处理装置、无线WiFi传输装置、手机APP，电参数采集装置与电参数处理装置电连接，电参数处理装置通过无线WiFi传输装置与手机APP进行数据传输；

所述电参数采集装置用于采集有杆泵抽油机的电参数并计算每个采样点下的电功率值，所述电参数包括三相电压、三相电流；

所述电参数处理装置用于计算有杆泵抽油机在每个冲程周期内电功率的平均值，并判断是否需要转入下一蒸汽吞吐周期；

所述手机APP用于实现人机信息的交互，实时显示电功率数值以及蒸汽吞吐周期状态；

所述无线WiFi传输装置用于实现电参数处理装置与手机APP之间的无线信号传输。

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