利用示功图计算动液面方法研究及应用_任桂山

显改变，据此可以推断，油井动液面有一定变化，为验证 石油地质与工程，２０１０，９，２４（５）：１０１～１０３．
这一推断，将上述功图均输入油井动液面计算程序，得到
［３］ 张胜利等．抽油机井示功图法计算动液面的修正
的计算结果如表 １所示。
算法［Ｊ ］．石油钻采工艺，２０１１，１１，３３（６）：１２２～１２４．
关键字：示功图 动液面 实时 计算
１ 前 言 油井的动液面参数直接反映了地层的供液情况及井 下供排关系，是进行采油工艺适应性评价和优化的关键 数据之一。在传统管理模式下，动液面的测量主要是利用 声波法，需由工人定期到井口进行测量，除了劳动强度 大，测量误差也相对较大，同时不能实现实时监测。这在 一定程度上降低了油田管理的管理水平，随着数字油田 和智能油田建设进程的推进，对于实现油井动液面的实 时监测需求日益旺盛，因此，广大工程技术人员展开了利 用地面功图计算油井动液面的理论研究，并取得了大量 研究成果。 油井地面功图的获取已经实现实时化和自动化，广 大工程技术人员在此基础上，对利用示功图计算油井动 液面的方法进行了大量研究，初步建立了计算模型。利用 功图计算油井动液面主要有以下方法：一、通过静载示功 图进行计算； 二、通过地面功图计算泵功图，再利用泵功 图计算油井动液面，本文将对各种方法进行简要概述，并
（２－５） 环空中的动液面产生的托负力载荷为
（２－６） 根据上述各公式可得
（２－７）
其中，D 为油管直径，ｍ ； AZ 为柱塞面积，ｍ ２； h 为下 泵深度，ｍ ； 下标 g 代表杆柱，l 表示液体，o 表示油。
（２－９）
式中：Lf —动液面深度，ｍ ； —泵功图上下载荷差，Ｋ Ｎ ；
Pl —油管内流体密度，ｋｇ ／Ｌ ； Ap —柱塞面积，ｍ ２； Pt —油压，Ｍ Ｐ ａ； Pc —套压，Ｍ Ｐ ａ。 为有效提高油井动液面的计算精度，对示功图数据、 环空压力梯度进行部分修正，修正公式如下所示： （１）示功图数据修正
从表 １可以看出，在油井工况基本稳定时，该计算方
［４］ 檀朝东等．油气水井生产物联网系统 ｉＰＥ Ｓ 的技
法对油井动液面变化比较敏感，能跟踪油井动液面的变 术研究［Ｊ ］．中国石油和化工，２０１２，３：６４～６７．
化。
３．３ 实测结果统计
作者简介：任桂山，高级工程师，２００８年毕业于石
对于利用静载示功图计算油井动液面的实测验证， 油大学（华东）。多年来一直在大港油田从事工程技术研
术基础。
从表 ２可以看出，利用泵功图计算油井动液面的精
３．２ 油井动液面变化
度相对较高，测量精度能满足实际生产管理需要，且可
油井动液面并不是一成不变的，油井动液面的改变 以实现动液面的实时监测，能有效提高油井管理的自动
会引起油井产能的变化，同时在油井泵功图，地面功图的 化水平。
载荷值上也会有所体现，为验证该计算模型对油井动液
（２－３）
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（２－４）
由公式（２－１）、（２－３）、（２－４）可得：
（２－１３）
式中，Pb —深井泵吸入口压力，Ｍ Ｐ ａ； —油管中液体密度，ｋｇ ／Ｌ ；
Wbu —泵功图上载荷，Ｎ ； Wbd —泵功图下载荷，Ｎ ； Hp —泵深，ｍ ；
—实测压力梯度，Ｍ Ｐａ／１００ｍ 。 本修正算法一方面利用泵功图计算油井动液面，有 效消除了振动、惯性及摩擦载荷等的影响； 另一方面，通 过对计算公式进行修正，消除了传感器漂移、功图突变及 压力梯度的影响，有效提高了动液面计算的精度。 ２．４ 计算流程 根据不同算法的模型架构，各方法有其各自的适用
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利用示功图计算动液面方法研究及应用
□ 任桂山 １ 李强 ２ 闫学峰 ２ 王庆来 ２
（１．大港油田公司采油工艺研究院，天津大港，３００２８０；２．北京雅丹石油技术开发有限公司，北京昌平，１０２２００）
摘要：本文对各种示功图计算油井动液面的方法进 行简单概述，对其优缺点进行分析，通过大量现场实例计 算验证了各模型的计算精度和应用效果，结果表明，利用 示功图计算油井动液面在技术上可行，计算精度能满足 实际生产管理需要。
法的计算误差分别为 ３．４１％ 和 ２．６９％，计算结果满足实际 生产管理需要，由于油井地 面功图可以实现实时在线获
方法 １ 方法 ２ 方法 ３
试验井数 １７ １０ １０
最大误差 ％ ８８．７ １７ １２
最小误差 ％ ０．０８ １．８ ２
平均误差 ％ ２３．３ ６．２ ５．６
取，因此，从理论上，已经具备油井动液面实时监测的技 表 ２所示。
方法二 方法三
计算动液面 深度（ｍ）
１００８ １０１９
功图 １ 测试动液面 深度（ｍ）
１０２３
误差率 （％） １．４６ ０．３９
计算动液面 深度（ｍ）
１０３１ １０４５
功图 ２ 测试动液面 深度（ｍ）
１０６３
误差率 （％）
３．０１ １．６９
动液面为 ９４１ｍ 。两种计算方
表 2 各计算模型现场应用计算精度统计
面变化的敏感性，特意选取同一油井不同充满程度时的
参考文献：
地面功图进行计算，计算结果如下：
［１］ 张海浪等．功图计算动液面的方法初步研究和应
选取实测井在不同时间的地面功图如图 ３、４所示。 用［Ｊ ］．青海石油，２００７，６，２５（２）：３１～３５．
从上图可以看出，该井在不同时间段充满程度有明
［２］ 杨利萍．用示功图计算抽油机井动液面深度［Ｊ ］．
对其优缺点进行分析，最后通过大量现场实例计算来验 证各模型的计算精度和应用效果。
２ 示 功 图 计 算 油 井 动 液 面 方 法 不同研究人员确定了不同的计算方法，下面先进行 简单介绍。 ２．１ 通过测绘实测静载示功图计算油井动液面（方 法 １）［１］ 在测绘实测静载示功图时，为了消除抽油机的摩擦 和振动等动载荷，当光杆上行时，曲柄停在水平位置附近 拉出静载时的最大载荷线 Fup。光杆下行时，曲柄停在水 平位置附近，再拉出静载时的最小载荷线F 。根据上下
down
冲程时静载力的构成，则可得
（２－１）
（２－２） 其中，Gg表示杆柱重力，Ｎ ； Fd表示动液面托负力，Ｎ ； Gl 表示液体载荷重量，Ｎ ； Ff 表示杆柱受到的浮力，Ｎ ； Foil 表示油压产生的载荷，Ｎ 。 根据推导：
—过阀压降，Ｐ ａ； P —液体密度，ｋｇ ／ｍ ３；
l
L —抽油杆总长，ｍ ； f —柱塞与泵筒间的摩擦阻力，Ｎ 。 对于这种计算方法，油井泵功图的计算至关重要，以 及阀门开启关闭点的判断，这对于确定上下冲程的泵载 具有决定性影响，由于利用泵功图计算可以有效消除振 动、杆柱变形、惯性载荷等的影响，因此精度相对较高， 但油井泵功图及关键点的判断误差，会体现在动液面的 计算结果中，有效降低上述误差是本方法成功应用的关 键。此外，在本方法中，需要的计算参数均可以实时获取， 因此，应用该方法可以初步实现油井动液面的实时监测。 这是利用静载示功图计算油井动液面所无法比拟的优势。 ２．３ 油井动液面的修正算法（方法 ３）［３］ 上述方法虽然实现了利用地面功图计算动液面的功 能，但在实际应用中，部分井计算误差较大，为此，有技 术人员对抽油机井环空压力梯度分布进行深入分析，建 立了一套应用示功图计算动液面深度的修正模型。 根据油井泵功图在上下冲程时的载荷构成，得出油 井动液面的计算公式为：
（２）环空压力梯度修正：
（ ２－１２）
范围，通过大量的现场测算，方法 １对于工作正常且放 套管气生产的工况适应性很好，而方法 ２对于供液不足、 气体影响等常见工况的计算精度较高，方法 ３能及时修 正因为设备因素造成的漂移等误差因素的影响。为扩大 计算验证范围，如图１所示设计计算流程，其中方法 ２和 方法 ３的计算流程基本一致，只是方法 ３具有部分参数修 正功能。
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本栏目合办单位：中国石油大学（北京）北京雅丹科技开发有限公司
图 1突变修正值，功图不发生剧烈突 变时，设为 ０； Ａ、Ｂ 分别为前一次功图的最大、最小载荷 值，ｋＮ ； Ｃ、Ｄ 分别为第 １次测功图的最大、最小载荷值， ｋＮ ； Ｅ 、Ｆ 分别为第１次测功图的最大、最小静载荷值，ｋＮ ； Wsu； Wsd 分别为新测功图的最大、最小载荷值，ｋＮ 。
（２－８）
式中：Fpu —上冲程固定阀打开后到关闭前泵载，Ｎ ； Fpu —下冲程游动阀打开后至关闭前泵载，Ｎ ；
—原油密度，ｋｇ ／ｍ ３； fp —柱塞截面积，ｍ ２； Pc —井口套压，Ｐ ａ； Pn —井口回压，Ｐ ａ；
（２－１０）
（２－１１） 其中，ａ为斜率修正项，用来补偿传感器的灵敏度，正 常时可设为 １； ｂ为截距项，用来补偿传感器的零点漂移，
３ 现 场 应 用 效 果 分 析 在北京雅丹开发的ｉＰＥ Ｓ 系统上部署了示功图计算动 液面的功能模块［４］，为验证各计算模型的计算精度和敏感 性，选取了部分井进行实例计算，由于不具备现场测绘油 井静载示功图的操作环境，本次实例计算主要以方法２和 方法３的验证为主，对于利用油井静载示功图计算油井动 液面的计算结果数据，参照之前技术人员进行实测的测 试结果，进行效果分析。 ３．１ 实现油井动液面的实时计算 根据数字油田建设成果里自动获取的油井地面功图， 输入油井动液面计算程序模块，程序自动计算生成油井 泵功图，再根据油井泵功图分析阀门开闭点，确定泵载 Fpu、Fpd，最后生成油井动液面。实例计算井的地面功图 如图 ２所示。
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图 2 实测井地面功图