[發(fā)明專利]基于地面實(shí)測電參數(shù)的潛油電泵井動(dòng)液面計(jì)算的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611194201.5
• 申請日: 2016-12-21
• 公開（公告）號: CN106777709B
• 公開（公告）日: 2018-11-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳德春;呂飛;姚亞;孟紅霞;肖良飛;張舒心;趙騰飛
• 申請（專利權(quán)）人: 中國石油大學(xué)（華東）
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;E21B47/047
• 代理公司: 濟(jì)南金迪知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37219
• 代理人: 呂利敏

1.基于地面實(shí)測電參數(shù)的潛油電泵井動(dòng)液面計(jì)算的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟，

步驟一：利用“四段法”建立潛油電泵井井筒流體溫度計(jì)算模型；

步驟二：建立基于地面電參數(shù)的潛油電泵所需輸入功率計(jì)算模型：

步驟三：建立潛油電泵揚(yáng)程計(jì)算模型：

步驟四：建立泵吸入口壓力模型：

步驟五：潛油電泵井生產(chǎn)時(shí)，井口到管鞋的油套環(huán)空中流體分為兩段，即氣柱段和油柱段,由氣柱段壓力計(jì)算模型和液面以下油柱段壓力計(jì)算模型聯(lián)合求解，即確定動(dòng)液面深度；

所述步驟一：利用“四段法”建立潛油電泵井井筒流體溫度計(jì)算模型：

基于電潛泵井實(shí)際物理模型，令：

(1)傳熱過程為井筒內(nèi)的穩(wěn)態(tài)傳熱過程和地層內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程；

(2)井內(nèi)流動(dòng)為一維穩(wěn)定流動(dòng)；

(3)井筒周圍地層溫度，受地溫梯度影響，并且隨著深度線性變化；

(4)電纜為均勻發(fā)熱的線熱源，潛油電機(jī)為點(diǎn)熱源；

(5)考慮實(shí)際生產(chǎn)時(shí)套管產(chǎn)氣量很小，認(rèn)為環(huán)空流體為靜止?fàn)顟B(tài)，忽略環(huán)空流體對流傳熱影響；

(6)以井口為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿井筒向下為坐標(biāo)軸的正方向；

(a)確定井筒內(nèi)產(chǎn)液溫度沿井深的變化規(guī)律：

井筒內(nèi)流體溫度分布規(guī)律由方程(I)描述，

采用常數(shù)變易法求解，即：

式(I)、(II)中，T為井筒內(nèi)某點(diǎn)處的產(chǎn)液溫度，℃；T_c為井口產(chǎn)出液溫度，℃；T_s為地表恒溫層溫度，℃；k_l為傳熱系數(shù)，W/(m·K)；G為流體質(zhì)量流量，kg/s；c_p為流體比定壓熱容，J/(kg·K)；x為以井口為原點(diǎn)，所述計(jì)算點(diǎn)的深度，m；m為地溫梯度，℃/m；q_v為內(nèi)熱源強(qiáng)度，W/m；g為重力加速度，m/s²；(b)根據(jù)潛油電泵井井筒結(jié)構(gòu)和動(dòng)液面位置，將井筒分為四段：即井口至動(dòng)液面段、動(dòng)液面至泵出口段、泵機(jī)組段和電機(jī)至井底段，各段的溫度計(jì)算模型為：

(1)井口至動(dòng)液面段溫度計(jì)算模型為

其中，

k_l1為井口至動(dòng)液面段內(nèi)的井筒與地層之間的傳熱系數(shù)，W/(m·K)；h_l為產(chǎn)液與油管內(nèi)表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m·K)；d_ti為油管內(nèi)徑，m；λ_tub為油管的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；d_to為油管外徑，m；λ_r為油管外表面與套管內(nèi)表面間輻射傳熱過程的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù), W/(m·K),由于油管外表溫度和套管內(nèi)表面溫度未知，為計(jì)算傳熱系數(shù)k_l，需采用迭代法求解；λ_cas為套管的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；d_co為套管外徑，m；d_ci為套管內(nèi)徑，m；λ_cem為水泥環(huán)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；d_h為水泥環(huán)外緣直徑，m；R_le為單位長度地層熱阻，(m·K)/W；σ_b為Stefan-Boltzmann常數(shù)，取值為5.763×10^-8W/(m²·K⁴)；T_to為油管外表面溫度，K；T_ci為油管外表面溫度，K；ε_c，ε_t分別為套管內(nèi)表面和油管外表面的發(fā)射率，小數(shù)；I為泵機(jī)組工作時(shí)的工作電流，A；R₀為大扁電纜單位長度的電阻值，Ω/m；

(2)動(dòng)液面至泵出口段溫度計(jì)算模型為

其中，

式中，k_l2為動(dòng)液面至泵出口段內(nèi)的井筒與地層之間的傳熱系數(shù)，W/(m·K)；λ_l為流體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；T_d為動(dòng)液面處的井筒流體溫度，℃；H_d為動(dòng)液面深度，m；

泵出口處的井筒流體溫度為：

式中，T_pout為泵排出口處流體的溫度，℃；H_p為下泵深度，m；

(3)泵機(jī)組段溫度計(jì)算模型為

T_pint＝T_pout-ΔT_dj-ΔT_dl (V)

式中，T_pint為泵吸入口處流體的溫度，℃；ΔT_dj為電機(jī)增溫，℃；ΔT_dl為泵內(nèi)小扁電纜的發(fā)熱增溫，℃；

(4)電機(jī)至井底段溫度計(jì)算模型為

其中，

式中，k_l3為電機(jī)至井底段內(nèi)的井筒與地層之間的傳熱系數(shù)，W/(m·K)；L_s為泵內(nèi)小扁電纜長度，m；

所述步驟二：建立基于地面電參數(shù)的潛油電泵所需輸入功率計(jì)算模型：

式(VII)中，N_p為潛油電泵輸入功率，kW；U為地面電壓，V；I為地面電流，A；cosφ為功率因數(shù)，小數(shù)；R_c為小扁電纜電阻，Ω/m；L_p為下放潛油電泵所需的電纜長度，m；L_s為電泵內(nèi)小扁電纜的長度m；η_m為潛油電機(jī)工作時(shí)的泵效，小數(shù)；P_分離器和P_{保護(hù)器}分別為分離器和保護(hù)器所消耗的功率，kW；

所述步驟三：建立潛油電泵揚(yáng)程計(jì)算模型：

式(VIII)中，H為潛油電泵有效舉升高度，m；η_o為潛油電泵實(shí)際泵效，小數(shù)；Q為泵的實(shí)際排量，m³/d；γ_l為井液平均相對密度，小數(shù)；

根據(jù)潛油電泵工作特性曲線，其實(shí)際泵效由式(IX)表示：

η₀＝k_η[a_nQⁿ+…+a₂Q²+a₁Q+a₀] (IX)

式(IX)中，k_η為泵效的修正系數(shù)，小數(shù)；a_n，···，a₂，a₁，a₀為潛油電泵特性曲線泵效與排量曲線回歸系數(shù)，常數(shù)；

所述步驟四：建立泵吸入口壓力模型：

以泵為節(jié)點(diǎn)，計(jì)算出泵吸入口的壓力，即沉沒壓力，

p_in＝p_out-ρ_lgH (X)

式(X)中，p_in為泵吸入口處的壓力，MPa；p_out為泵排出口處的壓力，MPa；ρ_l為泵內(nèi)流體的混合密度，kg/m³；

所述步驟五：潛油電泵井生產(chǎn)時(shí)，井口到管鞋的油套環(huán)空中流體分為兩段，即氣柱段和油柱段，以Δh為計(jì)算單元步長，將井筒深度劃分為個(gè)網(wǎng)格，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的壓力，以提高模型求解精度；由氣柱段壓力計(jì)算模型和液面以下油柱段壓力計(jì)算模型聯(lián)合求解，即確定動(dòng)液面深度：

式(XI)中，p_g(i)為第i網(wǎng)格深度處的氣柱壓力，MPa；p_g(i-1)為第i-1網(wǎng)格深度處的氣柱壓力，MPa；ρ_g0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體密度，kg/m³；T₀為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的溫度，K；p₀為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的壓力，MPa；Δh為網(wǎng)格劃分單元格的精度，m；i為網(wǎng)格劃分的網(wǎng)格數(shù)，整數(shù)；T_av為第i-1和第i深度該段Δh內(nèi)的平均溫度，K；Z_av為第i-1和第i深度該段Δh內(nèi)的平均溫度和平均壓力下的氣體壓縮因子，小數(shù)；p_o(x)為x深度處的油柱壓力，MPa；ρ_o(x)為微元段dx內(nèi)平均壓力和平均溫度下的油的密度，kg/m³；p_c為井口套管壓力，MPa；

計(jì)算流程如下：

①以計(jì)算單元步長Δh將井筒網(wǎng)格劃分，假設(shè)動(dòng)液面H_d，計(jì)算井筒流體溫度和壓力分布，得到泵排出口壓力p_out；

②利用公式(VII)，通過地面實(shí)測電參數(shù)，計(jì)算潛油電泵所需的軸功率N_p；

③利用公式(VIII)，根據(jù)潛油電泵的工作特性，計(jì)算有效舉升高度H；

④利用公式(X)，以泵為節(jié)點(diǎn)，得到泵吸入口壓力p_in；

⑤利用公式(XI)所述的氣柱段壓力計(jì)算模型和液面以下油柱段壓力計(jì)算模型聯(lián)合求解動(dòng)液面H_d’；

⑥比較H_d’與H_d，若|H_d'-H_d|<ε，輸出結(jié)果H_d’；若不滿足上述條件，將令H_ds＝0.618H_d’+0.382H_d，將H_ds作為新的動(dòng)液面假設(shè)值，重復(fù)步驟①～⑤計(jì)算新的動(dòng)液面計(jì)算值H_d’，直至滿足|H_d'-H_ds|<ε要求，輸出新的動(dòng)液面計(jì)算值H_d’。