[科普中國(guó)]-抽油井計(jì)算機(jī)診斷

簡(jiǎn)介

抽油井計(jì)算機(jī)診斷是根據(jù)實(shí)測(cè)光桿載荷和位移利用數(shù)學(xué)方法借助于計(jì)算機(jī)來(lái)求得各級(jí)抽油桿柱截面和泵上的載荷及位移, 從而繪出井下示功圖, 并根據(jù)它們來(lái)判斷和分析全套抽油設(shè)備的工作狀況。其中包括: 計(jì)算各級(jí)抽油桿頂部斷面上的應(yīng)力; 估算泵口壓力; 判斷油井潛能; 計(jì)算活塞沖程和泵效; 檢驗(yàn)泵及油管錨的機(jī)械情況; 計(jì)算和繪制扭矩曲線, 并進(jìn)行平衡和功率的計(jì)算分析。1

發(fā)展過(guò)程初級(jí)階段：“五指法”，靠感覺，適用于淺井；

1927年發(fā)明光桿動(dòng)力儀；

19世紀(jì)30年代發(fā)明井下動(dòng)力儀，但是由于工藝復(fù)雜未推廣；

19世紀(jì)60~70年代美國(guó)的Gibbs采用數(shù)學(xué)方法定量解釋整個(gè)抽油系統(tǒng)工況——“診斷技術(shù)”雛形；

新發(fā)展：模式識(shí)別技術(shù)識(shí)別井下示功圖，專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)診斷人工智能化。

理論基礎(chǔ)診斷技術(shù)是把抽油桿作為一根井下動(dòng)態(tài)的傳導(dǎo)線, 其下端的泵作為發(fā)送器, 上端的動(dòng)力儀作為接收器。井下泵的工作狀況以應(yīng)力波的形式沿抽油桿柱以聲波速度傳遞到地面。把地面記錄的資料經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)處理, 就可定量地推斷泵的工作情況。應(yīng)力波在抽油桿柱中的傳播過(guò)程可用帶阻尼的波動(dòng)過(guò)程來(lái)描述:

式中

U ( x , t ) ———抽油桿柱任一截面 ( x 處) 在任意時(shí)刻 t 時(shí)的位移;

a———應(yīng)力波在抽油桿柱中的傳播速度;

c———阻尼系數(shù)。

上式即為診斷技術(shù)中描述抽油桿柱動(dòng)態(tài)的基本微分方程, 其邊界條件是以截尾傅立葉級(jí)數(shù)表示的懸點(diǎn)動(dòng)負(fù)荷函數(shù)D( t ) 及光桿位移函數(shù)U( t ) :

實(shí)際工作中D( t ) 及U( t) 是以曲線(或數(shù)值) 形式給出的, 所以傅立葉系數(shù)可用近似的數(shù)值積分來(lái)確定。1

應(yīng)用只要預(yù)先給計(jì)算機(jī)輸入計(jì)算機(jī)程序及井的有關(guān)數(shù)據(jù)和測(cè)得的光桿位移及負(fù)荷隨時(shí)間的變化值, 就可計(jì)算出抽油桿柱各級(jí)斷面和泵的示功圖, 并提供必要的判斷和分析結(jié)果。

1、判斷泵的工作狀況及計(jì)算泵排量

把地面示功圖和懸點(diǎn)載荷與時(shí)間的關(guān)系用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理之后, 由于消除了抽油桿柱的變形、桿柱的粘滯阻力、振動(dòng)和慣性等的影響, 將會(huì)得到形狀簡(jiǎn)單而又能真實(shí)反映泵工作狀況的井下示功圖。

利用深井泵工作的基本概念難于做出地面示功圖的定性分析, 根據(jù)泵的示功圖, 不僅很容易對(duì)影響深井泵工作的各種因素做出定性分析, 而且可以求得活塞沖程和有效排出沖程, 從而可以計(jì)算出泵排量及油井產(chǎn)量。

在理想情況下( 油管錨定、沒有氣體影響和漏失等) , 泵的示功圖為矩形, 長(zhǎng)邊表示活塞沖程, 短邊表示液體載荷。油管未錨定時(shí), 泵的示功圖將變成平行四邊形, 其長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度表示活塞相對(duì)于泵筒的沖程長(zhǎng)度。

實(shí)測(cè)示功圖有氣體影響時(shí), 一方面可從泵示功圖形狀來(lái)判斷, 同時(shí), 也可以用液體載荷的大小判斷( 氣體影響嚴(yán)重的井,一般來(lái)說(shuō), 液體載荷相對(duì)比較小)。那么是否存在漏失呢? 可根據(jù)用有效排出沖程計(jì)算出考慮了ΔSg 和原油到地面收縮之后的排量同地面實(shí)際產(chǎn)量的比較來(lái)判斷。如果兩者相近, 則說(shuō)明沒有漏失(或者很小) , 泵的機(jī)械狀況良好; 如果后者遠(yuǎn)小于前者, 則說(shuō)明漏失嚴(yán)重。如果嚴(yán)重的漏失在示功圖上沒有明顯表現(xiàn), 則說(shuō)明油管或出油管線發(fā)生漏失。

2、 計(jì)算各級(jí)桿柱的應(yīng)力和分析桿柱組合的合理性

根據(jù)抽油桿柱各級(jí)頂部斷面上的示功圖就可計(jì)算出該斷面上的最大、最小應(yīng)力及許用應(yīng)力以及應(yīng)力范圍比, 并判斷抽油桿柱是否超載及桿柱組合是否合理。1

3. 計(jì)算和分析抽油機(jī)扭矩、平衡及功率

由懸點(diǎn)載荷及其在曲柄軸上造成的扭矩, 以及懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度與懸點(diǎn)功率之間的關(guān)系, 可得:

式中

———扭矩因數(shù);

v———懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度;

ω———曲柄角速度。

求得扭矩因數(shù)后就可繪制扭矩曲線和進(jìn)行扭矩分析, 并計(jì)算、分析抽油機(jī)的平衡狀況和功率利用情況。

4、估算泵口壓力及預(yù)測(cè)油井產(chǎn)量

由泵的示功圖求得液體載荷Wl 后, 可由下式估算泵口壓力:

式中

pi———泵口壓力;

Gp———油管內(nèi)的壓力梯度;

pba———井口回壓;

L———泵深;

Wl———液體載荷;

Ap———活塞截面積。

泵口壓力計(jì)算的準(zhǔn)確程度主要取決于油管內(nèi)流體的平均密度。抽汲不含氣或含氣很少的液體時(shí), 直接用液體平均密度計(jì)算壓力梯度, 一般就能獲得較可靠的泵口壓力。對(duì)于含氣較多的液體, 應(yīng)按計(jì)算氣—液兩相垂直管流動(dòng)的方法計(jì)算混合物密度。另外, 診斷的數(shù)學(xué)模型中沒有考慮到井下的非粘滯性機(jī)械摩擦( 如活塞和襯套、抽油桿與油管, 以及井口光桿與盤根盒等的摩擦) , 如果在根據(jù)泵的示功圖確定Wl 時(shí), 不做適當(dāng)修正, 對(duì)pi 的計(jì)算結(jié)果也會(huì)帶來(lái)影響, 特別是井斜較大或油管發(fā)生彎曲的井。

對(duì)于漏失比較嚴(yán)重的井, 根據(jù)泵的示功圖也難以確定出比較準(zhǔn)確的Wl 值。如果井下非粘滯性摩擦很大, 也可由泵的示功圖上加以判斷, 從而可以找到pi 明顯偏低的原因。

通常直接用油管內(nèi)液體密度計(jì)算壓力梯度后求得的pi 值為其上限。油管內(nèi)含氣量愈少, 則愈接近上限值。泵下至油層中部, 則泵口壓力就是井底流動(dòng)壓力。因此, 只要有幾個(gè)工作制度下的產(chǎn)量及泵口壓力, 根據(jù)相應(yīng)于油井生產(chǎn)條件下的油流入井計(jì)算方法就可計(jì)算出油井流入動(dòng)態(tài)曲線, 進(jìn)而可預(yù)測(cè)新的抽汲參數(shù)下油井的產(chǎn)量及油井潛能。如果泵口距油層中部較遠(yuǎn), 就必須根據(jù)氣—液兩相垂直管流計(jì)算泵口到油層中部的壓力損失之后, 才能得到井底流動(dòng)壓力。

5/其他

對(duì)于泵下裝油管錨或封隔器的油井, 泵示功圖的加載線基本是垂直的。通過(guò)計(jì)算機(jī)診斷可了解抽油系統(tǒng)的全部工況及存在的問(wèn)題, 將會(huì)加強(qiáng)措施的針對(duì)性, 減少作業(yè)的肓目性, 有助于提高措施的成功率。1