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CN110924904A - 一种由井底泵功图调整抽油机电机转速的方法 - Google Patents

一种由井底泵功图调整抽油机电机转速的方法 Download PDF

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CN110924904A
CN110924904A CN201811098085.6A CN201811098085A CN110924904A CN 110924904 A CN110924904 A CN 110924904A CN 201811098085 A CN201811098085 A CN 201811098085A CN 110924904 A CN110924904 A CN 110924904A
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CN
China
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sucker rod
pumping unit
pump
motor
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Application number
CN201811098085.6A
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Inventor
孙东
李炜
范路
齐光峰
肖志勇
宋泓霖
刘聪
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China Petroleum and Chemical Corp
Technology Inspection Center of Sinopec Shengli Oilfield Co
Original Assignee
China Petroleum and Chemical Corp
Technology Inspection Center of Sinopec Shengli Oilfield Co
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Publication date
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    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/12—Methods or apparatus for controlling the flow of the obtained fluid to or in wells
    • E21B43/121—Lifting well fluids
    • E21B43/126—Adaptations of down-hole pump systems powered by drives outside the borehole, e.g. by a rotary or oscillating drive
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  • Mining & Mineral Resources (AREA)
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  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种由井底泵功图调整抽油机电机转速的方法，涉及游梁式抽油系统动力学分析领域，技术方案为，通过对游梁式抽油机地面装置的参数测量，计算出游梁式抽油机地面装置的系统效率；以该系统效率为整个游梁式抽油系统效率，推算出最大泵有效冲程，利用这一泵冲程，绘制出泵功图；从而求解地面示功图；根据示功图结果中的位移，控制电机在此运行状态下运行。本发明的有益效果是：考虑了更复杂的影响因素，将影响因素模块化，计算结果更接近真实值；可根据不同的井参对油井进行差异化计算，得出适合油井自身的分析结果；通过计算结果后处理，可以得出地面示功图与地下泵功图的对应关系，方便对抽油机的运行状态做针对性调整。

Description

一种由井底泵功图调整抽油机电机转速的方法
技术领域
本发明属于游梁式抽油系统动力学分析领域，具体地，涉及一种由井底泵 功图调整抽油机电机转速的方法。
背景技术
准确地由泵功图求取地面示功图，对改进油田抽油机电机运行控制模式， 实现油田节能增产有重要意义。游梁式抽油机动力学分析，分为地面部分抽油 机动力学分析和地下部分抽油杆柱动力学分析两种。抽油机动力学分析通常以 曲柄为等效部件，分析曲柄的动力学过程，进而得出抽油机的动力学参数。地 下抽油杆柱动力学分析，以吉布斯提出的波动方程为基础，考虑抽油杆柱所受 外力及自身惯性力，对抽油杆柱进行动力学分析。之后延伸出考虑杆、液耦合 模型，斜井、水平井动力学分析模型。
示功图以横、纵坐标分别表示游梁抽油系统悬点处位移与载荷，从空间和 时间两个维度上反应油井的运行状况，示功图形状一直以来作为井况诊断的重 要依据，由专家法，通过示功图可以油井动液面，含沙量等。由示功图，通过 分析还可以得出泵功图泵功图可以更直观地反映油井产量，油井对电能的利用 情况。
人们通常通过以上两种曲线来调整游梁式抽油机的运行状态，比如适当调 整冲次，必要时定时开、停油井，以实现用较低的能源得到最大化的产量。这 往往需要大量的经验，对运行状态的调整也不够准确。
发明内容
为了实现上述发明目的，本发明提供一种由井底泵功图调整抽油机电机转 速的方法。
其技术方案为，一种由井底泵功图调整抽油机电机转速的方法，包括常规 游梁式抽油机，
S1，通过对游梁式抽油机地面装置的参数测量，计算出游梁式抽油机地面 装置的系统效率；可通过举升理论做计算游梁式抽油机地面装置的系统效率的 方法。
S2，以S1得到系统效率为整个游梁式抽油系统效率，推算出最大泵有效冲 程，即为我们要通过控制电机运行实现的最优泵冲程；这是一个假设，系统效 率损失分为地面系统损失和地下损失，我们假设只有地面损失，地下没有损失， 得出泵冲程，作为我们优化的目标。其实地下损失是不可避免的，我们是为了 有效冲程最优化。
S3，利用这一泵冲程，绘制出泵功图；结合泵功图及抽油杆运动过程中的 受力得出的抽油杆载荷，求解地面示功图；
S4，根据S3所得示功图结果中的位移，经过求导得出光杆速度分布曲线， 通过变频器控制电机运行，实现指定光杆速度分布，控制电机在此运行状态下 运行。
优选为，所述S3中抽油杆运动过程中的受力分析为光杆载荷的分析，即光 杆的轴向载荷，包括抽油杆在井液中的重量、抽油杆柱在油管环形空间中的井 液重量、油管外液柱对柱塞下端的压力、抽油杆柱和抽油泵运动时所受的额摩 擦力、抽油杆运动所产生的振动载荷、抽油杆柱和液柱的惯性载荷几个因素。
优选为，所述光杆载荷由抽油杆在井液中的重量、抽油杆柱在油管环形空 间中的井液重量、油管外液柱对柱塞下端的压力为静载荷，通过分析上下冲程 两个时间段的载荷求出；此处的分析方法为现有的载荷求解方法。
所述抽油杆柱和抽油泵运动时所受的额摩擦力、抽油杆运动所产生的振动 载荷、抽油杆柱和液柱的惯性载荷为光杆动载荷。
优选为，所述光杆动载荷中，悬点加速度与抽油机几何结构有关；利用理 论力学方法可以推导不同类型的抽油机的悬点加速度；一般认为，抽油杆所受 阻尼增大了光杆最大载荷，降低了光杆最小载荷，即加大了抽油杆的应力幅和 示功图的不平衡性；应力幅和不平衡性增加，会加大抽油杆在的变形，缩短有 效冲程，利用本发明提供的电机转速控制抽油机运行，能有效控制变形，增加 有效冲程。
通过对光杆载荷的受力分析，从而得到波动方程。
优选为，所述对光杆载荷的受力分析包括：
零载荷，即光杆载荷的起点；
抽油杆在井液中的重量W′r为；
Figure BDA0001806007280000031
其中，W′r为抽油杆空气中重力，N；ρf为井液密度，kg/m3；ρr为抽油杆密 度，kg/m3；
上冲程悬点载荷Wj为，
Figure BDA0001806007280000032
其中，
Figure BDA0001806007280000033
液柱静载荷，为整个柱塞面积上液体载荷之差， N；Dp为泵径，m；H为动液面深度，m；
最大悬点载荷Wmax为，
Figure BDA0001806007280000034
其中，W1-为最大悬点载荷系数，N；
最小悬点载荷Wmin为，
Figure BDA0001806007280000035
其中，W2-为最小悬点载荷系数，N；
曲柄平衡效应Wc为，
Figure BDA0001806007280000036
由以上受力分析，可以得出抽油杆柱动力学计算预测模型；选抽油杆柱一 个微段，作为分析单元，分析两个节点上的受力，从而得出平衡方程即得波动 方程：
Figure BDA0001806007280000037
其中，Er为抽油杆柱的弹性模量；Ar为抽油杆横截面积；
带重力和阻尼的波动方程：
Figure BDA0001806007280000041
υe为单位长度抽油杆柱的粘滞阻力系数；g为重力加速度。
优选为，将所述波动方程写成有限元表达式：
Figure BDA0001806007280000042
其中，
Figure BDA0001806007280000043
为质量矩阵；
Figure BDA0001806007280000044
为阻尼矩阵；
Figure BDA0001806007280000045
为刚度矩阵；
Figure BDA0001806007280000046
为节点作用力向量；
根据上述方程中对应的刚度矩阵，质量矩阵，阻尼矩阵以及等效节点载荷； 首先写出节点刚度矩阵，节点质量矩阵，节点等效节点载荷；
再用算法合成总刚度矩阵，总质量矩阵，总节点载荷向量，应用经验公式 求得阻尼矩阵；
其中，在时间上采用Newmark方法进行求解，空间上采用节点迭代法进行 求解；求解结果包含抽油杆柱每个节点处位移，速度，加速度。所述抽油杆柱 每个节点处位移，速度，加速度，其中的节点包括起点和末端，起点即悬点， 末端即活塞处，活塞的运动学规律就是泵有效冲程对应的参数。
优选地，将以上分析形成算法进行相关程序的开发，便于多次重复计算。 本发明基于上述分析方法，编制了从泵功图计算井口示工图的方法的VS.exe程 序。程序包含输入层，运算层和输出层，将现场提供的有关抽油机参数，抽油 杆柱参数通过输入层输入，作为运算的初始条件和边界条件，经过运算层的计 算，得出抽油杆柱运动学参数，从输出层输出。最后将输出的数据进行后处理， 可得抽油杆柱顶端位移-载荷曲线即示工图，底部位移-载荷曲线即泵功图。
优选地，本发明计算得出的计算结果，可以采用MATLAB，EXCLE，等数 据处理软件进行后处理分析。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：考虑了更复杂的影响因 素，将影响因素模块化，计算结果更接近真实值；可以因井而异，根据不同的 井参对油井进行差异化计算，得出适合油井自身的分析结果；将计算方法程序 话，方便操作，可以对油井进行快速重复计算；通过计算结果后处理，可以得 出地面示功图与地下泵功图的对应关系，方便对抽油机的运行状态做针对性调 整。
附图说明
图1为本发明实施例的抽油杆柱顶端与低端位移关系图。
图2为本发明实施例的抽油杆柱顶端与低端速度关系图。
图3为本发明实施例的光杆速度对比曲线图。
图4为本发明实施例的方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
参见图1至图3，本发明提供一种由井底泵功图调整抽油机电机转速的方法， 包括常规游梁式抽油机，
S1，通过对游梁式抽油机地面装置的参数测量，计算出游梁式抽油机地面 装置的系统效率；
S2，以S1得到系统效率为整个游梁式抽油系统效率，推算出最大泵有效冲 程，即为我们要通过控制电机运行实现的最优泵冲程；
S3，利用这一泵冲程，绘制出泵功图；结合泵功图及抽油杆运动过程中的 受力得出的抽油杆载荷，求解地面示功图；
S4，根据S3所得示功图结果中的位移，经过求导得出光杆速度分布曲线， 通过变频器控制电机运行，实现指定光杆速度分布，控制电机在此运行状态下 运行。
优选为，所述S3中抽油杆运动过程中的受力分析为光杆载荷的分析，即光 杆的轴向载荷，包括抽油杆在井液中的重量、抽油杆柱在油管环形空间中的井 液重量、油管外液柱对柱塞下端的压力、抽油杆柱和抽油泵运动时所受的额摩 擦力、抽油杆运动所产生的振动载荷、抽油杆柱和液柱的惯性载荷几个因素。
优选为，所述光杆载荷由抽油杆在井液中的重量、抽油杆柱在油管环形空 间中的井液重量、油管外液柱对柱塞下端的压力为静载荷，通过分析上下冲程 两个时间段的载荷求出；
所述抽油杆柱和抽油泵运动时所受的额摩擦力、抽油杆运动所产生的振动 载荷、抽油杆柱和液柱的惯性载荷为光杆动载荷。
优选为，所述光杆动载荷中，悬点加速度与抽油机几何结构有关；利用理 论力学方法可以推导不同类型的抽油机的悬点加速度；一般认为，抽油杆所受 阻尼增大了光杆最大载荷，降低了光杆最小载荷，即加大了抽油杆的应力幅和 示功图的不平衡性；
通过对光杆载荷的受力分析，从而得到波动方程。
优选为，所述对光杆载荷的受力分析包括：
零载荷，即光杆载荷的起点；
抽油杆在井液中的重量W′r为；
Figure BDA0001806007280000061
其中，W′r为抽油杆空气中重力，N；ρf为井液密度，kg/m3；ρr为抽油杆密 度，kg/m3；
上冲程悬点载荷Wj为，
Figure BDA0001806007280000062
其中，
Figure BDA0001806007280000063
液柱静载荷，为整个柱塞面积上液体载荷之差， N；Dp为泵径，m；H为动液面深度，m；
最大悬点载荷Wmax为，
Figure BDA0001806007280000064
其中，W1-为最大悬点载荷系数，N；
最小悬点载荷Wmin为，
Figure BDA0001806007280000071
其中，W2-为最小悬点载荷系数，N；
曲柄平衡效应Wc为，
Figure BDA0001806007280000072
由以上受力分析，可以得出抽油杆柱动力学计算预测模型；选抽油杆柱一 个微段，作为分析单元，分析两个节点上的受力，从而得出平衡方程即得波动 方程：
Figure BDA0001806007280000073
其中，Er为抽油杆柱的弹性模量；Ar为抽油杆横截面积；
带重力和阻尼的波动方程：
Figure BDA0001806007280000074
υe为单位长度抽油杆柱的粘滞阻力系数；g为重力加速度。
优选为，将所述波动方程写成有限元表达式：
Figure BDA0001806007280000075
其中，
Figure BDA0001806007280000076
为质量矩阵；
Figure BDA0001806007280000077
为阻尼矩阵；
Figure BDA0001806007280000078
为刚度矩阵；
Figure BDA0001806007280000079
为节点作用力向量；
根据上述方程中对应的刚度矩阵，质量矩阵，阻尼矩阵以及等效节点载荷； 首先写出节点刚度矩阵，节点质量矩阵，节点等效节点载荷；
再用算法合成总刚度矩阵，总质量矩阵，总节点载荷向量，应用经验公式 求得阻尼矩阵；
其中，在时间上采用Newmark方法进行求解，空间上采用节点迭代法进行 求解；求解结果包含抽油杆柱每个节点处位移，速度，加速度。
图3为恒速运行下和泵冲程优化后运行的光杆速度曲线，说明泵功图经过 优化后，推算出示功图，利用其控制抽油机运行，光杆速度得到明显改善，与 载荷更匹配。
实施例2
在实施例1的基础上，将以上分析形成算法进行相关程序的开发，便于多 次重复计算。本发明基于上述分析方法，编制了从泵功图计算井口示工图的方 法的VS.exe程序。程序包含输入层，运算层和输出层，将现场提供的有关抽油 机参数，抽油杆柱参数通过输入层输入，作为运算的初始条件和边界条件，经 过运算层的计算，得出抽油杆柱运动学参数，从输出层输出。最后将输出的数 据进行后处理，可得抽油杆柱顶端位移-载荷曲线即示工图，底部位移-载荷曲线 即泵功图。
实施例3
在实施例1和实施例2的基础上，本发明计算得出的计算结果，可以采用 MATLAB，EXCLE，等数据处理软件进行后处理分析。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的 精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。

Claims (7)

1.一种由井底泵功图调整抽油机电机转速的方法，包括常规游梁式抽油机，其特征在于：
S1，通过对游梁式抽油机地面装置的参数测量，计算出游梁式抽油机地面装置的系统效率；
S2，以S1得到系统效率为整个游梁式抽油系统效率，推算出最大泵有效冲程，即为我们要通过控制电机运行实现的最优泵冲程；
S3，利用这一泵冲程，绘制出泵功图；结合泵功图及抽油杆运动过程中的受力得出的抽油杆载荷，求解地面示功图；
S4，根据S3所得示功图结果中的位移，经过求导得出光杆速度分布曲线，通过变频器控制电机运行，实现指定光杆速度分布，控制电机在此运行状态下运行。
2.根据权利要求1所述的由井底泵功图调整抽油机电机转速的方法，其特征在于：所述S3中抽油杆运动过程中的受力分析为光杆载荷的分析，即光杆的轴向载荷，包括抽油杆在井液中的重量、抽油杆柱在油管环形空间中的井液重量、油管外液柱对柱塞下端的压力、抽油杆柱和抽油泵运动时所受的额摩擦力、抽油杆运动所产生的振动载荷、抽油杆柱和液柱的惯性载荷几个因素。
3.根据权利要求2所述的由井底泵功图调整抽油机电机转速的方法，其特征在于：所述光杆载荷由抽油杆在井液中的重量、抽油杆柱在油管环形空间中的井液重量、油管外液柱对柱塞下端的压力为静载荷，通过分析上下冲程两个时间段的载荷求出；
所述抽油杆柱和抽油泵运动时所受的额摩擦力、抽油杆运动所产生的振动载荷、抽油杆柱和液柱的惯性载荷为光杆动载荷。
4.根据权利要求3所述的由井底泵功图调整抽油机电机转速的方法，其特征在于：所述光杆动载荷中，悬点加速度与抽油机几何结构有关；利用理论力学方法可以推导不同类型的抽油机的悬点加速度；
通过对光杆载荷的受力分析，从而得到波动方程。
5.根据权利要求4所述的由井底泵功图调整抽油机电机转速的方法，其特征在于：所述对光杆载荷的受力分析包括：
零载荷，即光杆载荷的起点；
抽油杆在井液中的重量Wr′为，
Figure FDA0001806007270000021
其中，Wr′为抽油杆空气中重力；ρf为井液密度；ρr为抽油杆密度；
上冲程悬点载荷Wj为，
Figure FDA0001806007270000022
其中，
Figure FDA0001806007270000023
液柱静载荷，为整个柱塞面积上液体载荷之差；Dp为泵径；H为动液面深度；
最大悬点载荷Wmax为，
Figure FDA0001806007270000024
其中，W1-为最大悬点载荷系数；
最小悬点载荷Wmin为，
Figure FDA0001806007270000025
其中，W2-为最小悬点载荷系数；
曲柄平衡效应Wc为，
Figure FDA0001806007270000026
由以上受力分析，可以得出抽油杆柱动力学计算预测模型；选抽油杆柱一个微段，作为分析单元，分析两个节点上的受力，从而得出平衡方程即得波动方程：
Figure FDA0001806007270000027
其中，Er为抽油杆柱的弹性模量；Ar为抽油杆横截面积；
带重力和阻尼的波动方程：
Figure FDA0001806007270000031
υe为单位长度抽油杆柱的粘滞阻力系数；g为重力加速度。
6.根据权利要求5所述的由井底泵功图调整抽油机电机转速的方法，其特征在于：将所述波动方程写成有限元表达式：
Figure FDA0001806007270000032
其中，
Figure FDA0001806007270000033
为质量矩阵；
Figure FDA0001806007270000034
为阻尼矩阵；
Figure FDA0001806007270000035
为刚度矩阵；
Figure FDA0001806007270000036
为节点作用力向量；
根据上述方程中对应的刚度矩阵，质量矩阵，阻尼矩阵以及等效节点载荷；首先写出节点刚度矩阵，节点质量矩阵，节点等效节点载荷；
再用算法合成总刚度矩阵，总质量矩阵，总节点载荷向量，应用经验公式求得阻尼矩阵；
其中，在时间上采用Newmark方法进行求解，空间上采用节点迭代法进行求解；求解结果包含抽油杆柱每个节点处位移，速度，加速度。
7.根据权利要求6所述的由井底泵功图调整抽油机电机转速的方法，其特征在于：所述抽油杆柱每个节点处位移，速度，加速度，其中的节点包括起点和末端，起点即悬点，末端即活塞处，活塞的运动学规律就是泵有效冲程对应的参数。
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