抽油井計算機診斷是指根據實測光桿載荷和位移利用數學方法藉助於計算機來求得各級抽油桿柱截面和泵上的載荷及位移, 從而繪出井下示功圖, 並根據它們來判斷和分析全套抽油設備的工作狀況。
基本介紹
- 中文名：抽油井計算機診斷
- 外文名：Pumping well computer diagnosis
- 出現時間：1927年
- 內容：計算抽油桿應力、泵口壓力等
- 學科：採油工程
- 套用：判斷泵的工作狀況等
簡介,發展過程,理論基礎,套用,
簡介
抽油井計算機診斷是根據實測光桿載荷和位移利用數學方法藉助於計算機來求得各級抽油桿柱截面和泵上的載荷及位移, 從而繪出井下示功圖, 並根據它們來判斷和分析全套抽油設備的工作狀況。其中包括: 計算各級抽油桿頂部斷面上的應力; 估算泵口壓力; 判斷油井潛能; 計算活塞衝程和泵效; 檢驗泵及油管錨的機械情況; 計算和繪製扭矩曲線, 並進行平衡和功率的計算分析。
發展過程
初級階段：“五指法”，靠感覺，適用於淺井；
1927年發明光桿動力儀；
19世紀30年代發明井下動力儀，但是由於工藝複雜未推廣；
19世紀60~70年代禁組淋美國的Gibbs採用數學方法定量解釋整個抽油系統工況——“診斷技術”雛形；
新發展：模式識別技術識別井下示功圖，專家系統實現診斷人工智慧化。
理論基礎
診斷技術是把抽油桿作為一根井下動態的傳導線, 其下端的泵作為傳送器, 上端的動力儀作為接收器。井下泵的工作狀況以應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過數學處理, 就可定量地推斷泵的工作情況。應力波在抽油桿柱中的傳播過程可用帶阻尼的波動過程來描述:
式中
U ( x , t ) ———抽油桿柱任一截面 ( x 處) 在任意時刻 t 時的位移;
a———應力波在抽油桿柱中的傳播速度;
c———阻尼係數。
上式即為診斷技術中描述抽油桿柱動態的基本微分方程, 其邊界條件是以截尾傅立葉級數表示的懸點動負荷函式D( t ) 及光桿位移函式U( t ) :
實際工作中D( t ) 及U( t) 是以曲線(或數值) 形式給出的, 所以傅立葉係數可用近似的數值積分來確定。
套用
只要預先給計算機輸入電腦程式及井的有關數據和測得的光桿位移及負荷隨時間的變化值, 就可計算出抽油桿柱各級斷面和泵的示功圖, 並提供必要的判斷和分析結果。
1、判斷泵的工作狀況及計算泵排量
把地面示功圖和懸點載荷與時間的關係用計算機進行數字處理之後, 由於消除了抽油桿柱的變形、桿柱的粘滯阻力、振動和慣性等的影響, 將會得到形狀簡單而又能真實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於做出地面示功圖的定性分析, 根據泵的示功圖, 不墓寒僅很容易對影響深井泵工作的各種因素做出定性分析, 而且可以求得活塞衝程和有效排出衝程, 從而可以計算出泵排量及油井產量。
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, 長邊表示活塞衝程, 短邊表示液體載荷。油管未錨定時, 泵的示功圖將變成平行四邊形, 其長邊的長度表示活塞相對於泵筒的衝程長度。
實測示功圖有氣體影響時, 一方面可從泵示功圖形狀來判斷, 同時, 也可以用液體載荷的大小判斷( 氣體影響嚴重的井,一般來說, 液體載荷相對比較小)。那么是否存在漏失捉檔朽歸呢? 可根據用有效排出衝程計算出考慮了ΔSg 和原油到地面收縮之後的排量同地面實際產量的比較來判斷。如果兩者相近, 則說明沒有漏失(或者很小) , 泵的機械狀況良好; 如果後者遠小於前者, 則說明漏失嚴重。如果嚴重的漏失在示功圖上沒有明顯表現, 則說明油管或出油管線發生漏失。
2、 計算各級桿柱的應力和分析桿柱組合的合理性
根據抽油桿柱各級頂部斷面上的示功估兆店圖就可計算出該斷面上的最大、最小應力及許用應力以及應力範圍比, 並判斷抽油桿柱是否超載及桿柱組合是否合理。
3. 計算和分析抽油機扭矩、平衡及功率
由懸點載荷及其在曲柄軸上造成的扭矩, 以及懸點運動速度與懸點功率之間的關係, 可得:
式試符酷中
v———懸點運動速度;
ω———曲柄角速度。
求得扭矩因數後就可繪製扭矩曲線和進行扭矩分析, 並計算、分析抽油機的平衡狀況和功率利用情況。
4、估算泵口壓力及預測油井產量
由泵的示功圖求得液體載荷Wl 後, 可由下式估算泵口壓力:
式中
pi———泵口壓力;
Gp———油管內的壓背拜妹力梯度;
pba———井口回壓;
L———泵深;
Wl———液體載荷;
Ap———活塞截面積。
泵口壓力計算的準確程度主要取決於油管內流體的平均密度。抽汲不含氣或含甩埋煮頸氣很少的液體時, 直接用液體平均密度計算壓力梯度, 一般就能獲得較可靠的泵口壓力。對於含氣較多的液體, 應按計算氣—液兩相垂直管流動的方法計算混合物密度。另外, 診斷的數學模型中沒有考慮到井下的非粘滯性機械摩擦( 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) , 如果在根據泵的示功圖確定Wl 時, 不做適當修正, 對pi 的計算結果也會帶來影響, 特別是井斜較大或油管發生彎曲的井。
對於漏失比較嚴重的井, 根據泵的示功圖也難以確定出比較準確的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。
通常直接用油管內液體密度計算壓力梯度後求得的pi 值為其上限。油管內含氣量愈少, 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壓力。因此, 只要有幾個工作制度下的產量及泵口壓力, 根據相應於油井生產條件下的油流入井計算方法就可計算出油井流入動態曲線, 進而可預測新的抽汲參數下油井的產量及油井潛能。如果泵口距油層中部較遠, 就必須根據氣—液兩相垂直管流計算泵口到油層中部的壓力損失之後, 才能得到井底流動壓力。
5/其他
對於泵下裝油管錨或封隔器的油井, 泵示功圖的載入線基本是垂直的。通過計算機診斷可了解抽油系統的全部工況及存在的問題, 將會加強措施的針對性, 減少作業的肓目性, 有助於提高措施的成功率。
2、 計算各級桿柱的應力和分析桿柱組合的合理性
根據抽油桿柱各級頂部斷面上的示功圖就可計算出該斷面上的最大、最小應力及許用應力以及應力範圍比, 並判斷抽油桿柱是否超載及桿柱組合是否合理。
3. 計算和分析抽油機扭矩、平衡及功率
由懸點載荷及其在曲柄軸上造成的扭矩, 以及懸點運動速度與懸點功率之間的關係, 可得:
式中
v———懸點運動速度;
ω———曲柄角速度。
求得扭矩因數後就可繪製扭矩曲線和進行扭矩分析, 並計算、分析抽油機的平衡狀況和功率利用情況。
4、估算泵口壓力及預測油井產量
由泵的示功圖求得液體載荷Wl 後, 可由下式估算泵口壓力:
式中
pi———泵口壓力;
Gp———油管內的壓力梯度;
pba———井口回壓;
L———泵深;
Wl———液體載荷;
Ap———活塞截面積。
泵口壓力計算的準確程度主要取決於油管內流體的平均密度。抽汲不含氣或含氣很少的液體時, 直接用液體平均密度計算壓力梯度, 一般就能獲得較可靠的泵口壓力。對於含氣較多的液體, 應按計算氣—液兩相垂直管流動的方法計算混合物密度。另外, 診斷的數學模型中沒有考慮到井下的非粘滯性機械摩擦( 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) , 如果在根據泵的示功圖確定Wl 時, 不做適當修正, 對pi 的計算結果也會帶來影響, 特別是井斜較大或油管發生彎曲的井。
對於漏失比較嚴重的井, 根據泵的示功圖也難以確定出比較準確的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。
通常直接用油管內液體密度計算壓力梯度後求得的pi 值為其上限。油管內含氣量愈少, 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壓力。因此, 只要有幾個工作制度下的產量及泵口壓力, 根據相應於油井生產條件下的油流入井計算方法就可計算出油井流入動態曲線, 進而可預測新的抽汲參數下油井的產量及油井潛能。如果泵口距油層中部較遠, 就必須根據氣—液兩相垂直管流計算泵口到油層中部的壓力損失之後, 才能得到井底流動壓力。
5/其他
對於泵下裝油管錨或封隔器的油井, 泵示功圖的載入線基本是垂直的。通過計算機診斷可了解抽油系統的全部工況及存在的問題, 將會加強措施的針對性, 減少作業的肓目性, 有助於提高措施的成功率。
