[科普中国]-抽油井计算机诊断

简介

抽油井计算机诊断是根据实测光杆载荷和位移利用数学方法借助于计算机来求得各级抽油杆柱截面和泵上的载荷及位移, 从而绘出井下示功图, 并根据它们来判断和分析全套抽油设备的工作状况。其中包括: 计算各级抽油杆顶部断面上的应力; 估算泵口压力; 判断油井潜能; 计算活塞冲程和泵效; 检验泵及油管锚的机械情况; 计算和绘制扭矩曲线, 并进行平衡和功率的计算分析。1

发展过程初级阶段：“五指法”，靠感觉，适用于浅井；

1927年发明光杆动力仪；

19世纪30年代发明井下动力仪，但是由于工艺复杂未推广；

19世纪60~70年代美国的Gibbs采用数学方法定量解释整个抽油系统工况——“诊断技术”雏形；

新发展：模式识别技术识别井下示功图，专家系统实现诊断人工智能化。

理论基础诊断技术是把抽油杆作为一根井下动态的传导线, 其下端的泵作为发送器, 上端的动力仪作为接收器。井下泵的工作状况以应力波的形式沿抽油杆柱以声波速度传递到地面。把地面记录的资料经过数学处理, 就可定量地推断泵的工作情况。应力波在抽油杆柱中的传播过程可用带阻尼的波动过程来描述:

式中

U ( x , t ) ———抽油杆柱任一截面 ( x 处) 在任意时刻 t 时的位移;

a———应力波在抽油杆柱中的传播速度;

c———阻尼系数。

上式即为诊断技术中描述抽油杆柱动态的基本微分方程, 其边界条件是以截尾傅立叶级数表示的悬点动负荷函数D( t ) 及光杆位移函数U( t ) :

实际工作中D( t ) 及U( t) 是以曲线(或数值) 形式给出的, 所以傅立叶系数可用近似的数值积分来确定。1

应用只要预先给计算机输入计算机程序及井的有关数据和测得的光杆位移及负荷随时间的变化值, 就可计算出抽油杆柱各级断面和泵的示功图, 并提供必要的判断和分析结果。

1、判断泵的工作状况及计算泵排量

把地面示功图和悬点载荷与时间的关系用计算机进行数字处理之后, 由于消除了抽油杆柱的变形、杆柱的粘滞阻力、振动和惯性等的影响, 将会得到形状简单而又能真实反映泵工作状况的井下示功图。

利用深井泵工作的基本概念难于做出地面示功图的定性分析, 根据泵的示功图, 不仅很容易对影响深井泵工作的各种因素做出定性分析, 而且可以求得活塞冲程和有效排出冲程, 从而可以计算出泵排量及油井产量。

在理想情况下( 油管锚定、没有气体影响和漏失等) , 泵的示功图为矩形, 长边表示活塞冲程, 短边表示液体载荷。油管未锚定时, 泵的示功图将变成平行四边形, 其长边的长度表示活塞相对于泵筒的冲程长度。

实测示功图有气体影响时, 一方面可从泵示功图形状来判断, 同时, 也可以用液体载荷的大小判断( 气体影响严重的井,一般来说, 液体载荷相对比较小)。那么是否存在漏失呢? 可根据用有效排出冲程计算出考虑了ΔSg 和原油到地面收缩之后的排量同地面实际产量的比较来判断。如果两者相近, 则说明没有漏失(或者很小) , 泵的机械状况良好; 如果后者远小于前者, 则说明漏失严重。如果严重的漏失在示功图上没有明显表现, 则说明油管或出油管线发生漏失。

2、 计算各级杆柱的应力和分析杆柱组合的合理性

根据抽油杆柱各级顶部断面上的示功图就可计算出该断面上的最大、最小应力及许用应力以及应力范围比, 并判断抽油杆柱是否超载及杆柱组合是否合理。1

3. 计算和分析抽油机扭矩、平衡及功率

由悬点载荷及其在曲柄轴上造成的扭矩, 以及悬点运动速度与悬点功率之间的关系, 可得:

式中

———扭矩因数;

v———悬点运动速度;

ω———曲柄角速度。

求得扭矩因数后就可绘制扭矩曲线和进行扭矩分析, 并计算、分析抽油机的平衡状况和功率利用情况。

4、估算泵口压力及预测油井产量

由泵的示功图求得液体载荷Wl 后, 可由下式估算泵口压力:

式中

pi———泵口压力;

Gp———油管内的压力梯度;

pba———井口回压;

L———泵深;

Wl———液体载荷;

Ap———活塞截面积。

泵口压力计算的准确程度主要取决于油管内流体的平均密度。抽汲不含气或含气很少的液体时, 直接用液体平均密度计算压力梯度, 一般就能获得较可靠的泵口压力。对于含气较多的液体, 应按计算气—液两相垂直管流动的方法计算混合物密度。另外, 诊断的数学模型中没有考虑到井下的非粘滞性机械摩擦( 如活塞和衬套、抽油杆与油管, 以及井口光杆与盘根盒等的摩擦) , 如果在根据泵的示功图确定Wl 时, 不做适当修正, 对pi 的计算结果也会带来影响, 特别是井斜较大或油管发生弯曲的井。

对于漏失比较严重的井, 根据泵的示功图也难以确定出比较准确的Wl 值。如果井下非粘滞性摩擦很大, 也可由泵的示功图上加以判断, 从而可以找到pi 明显偏低的原因。

通常直接用油管内液体密度计算压力梯度后求得的pi 值为其上限。油管内含气量愈少, 则愈接近上限值。泵下至油层中部, 则泵口压力就是井底流动压力。因此, 只要有几个工作制度下的产量及泵口压力, 根据相应于油井生产条件下的油流入井计算方法就可计算出油井流入动态曲线, 进而可预测新的抽汲参数下油井的产量及油井潜能。如果泵口距油层中部较远, 就必须根据气—液两相垂直管流计算泵口到油层中部的压力损失之后, 才能得到井底流动压力。

5/其他

对于泵下装油管锚或封隔器的油井, 泵示功图的加载线基本是垂直的。通过计算机诊断可了解抽油系统的全部工况及存在的问题, 将会加强措施的针对性, 减少作业的肓目性, 有助于提高措施的成功率。1