陈蕾-螺杆泵井产液量在线计量方法的可行性探讨

螺杆泵井产液量在线计量方法的可行性探讨

陈蕾

（采油工艺研究院采油工艺研究室）

摘要：常规抽油机举升方式在线计量可以采用功图法较方便地求得, 而螺杆泵举升具有特殊性, 所以没有较实用、较方便的在线求产方法。根据大量的文献资料和多年来的实际应用表明，利用差压法计量此类油井的产量既有理论依据又具有实际的效果。随着软件技术在油田计产方面的发展，我们对螺杆泵井产液量在线计量测试技术进行了研究。测试仪器主要以AVR单片机为核心，通过差压法和测试井口扭矩法，计算得出产液量。

关键词：螺杆泵井压差法在线计量

0引言

华北油田螺杆泵井普遍用于开采稠油，在井口安装流量计进行液量计量，易造成管线堵塞；另外经常停机操作计量的方法，也容易造成启抽困难或杆柱断脱，导致检泵作业。常规抽油机举升方式在线计量可以采用载荷变化的功图法求得, 而螺杆泵举升平稳, 到目前还没有较实用、较方便的在线求产方法。针对这一问题我们进行了螺杆泵井在线计量技术的研究。

1 工作原理

螺杆泵井在线计量测试技术是通过测试喉管两端的差压和井口扭矩，分析计算得出螺杆泵井的产液量。

图1工作原理图

1.1方法步骤

①主要采用差压流量计量方法，通过测得的压差来计算产量。这种方法便于现场多相流体，不用停井，不耽误生产。

②改变转速测试扭矩参数。试验时期要安装扭矩-轴向力-转速传感器，利用无线传输同步接收信号。测试转速、扭矩、载荷，同步测试电流、功率等参数，利用扭矩、转速等参数计算得出产量。

③通过测试井口工作参数和转速、电流、电功率、动液面等参数进行拟合，修正计

算软件，提高螺杆泵井在线计量模型精度。 1.2 差压式流量计的基本原理

差压式流量计的工作基于如下事实：如果流体流经一个收缩（节流）件时，流体将被加速[1]。这种流体的加速将使它的动能增加，而同时按照能量守恒定律，在流体被加速处它的静压力一定会降低一个相对应的值。能量守恒定律告诉我们：在一个封闭的系统中，流体的总能量是一个常数。为进一步进行定量分析，请参见以下图2。

图2 差压式流量计原理示意图

在横截面1处，流体的平均流速是1V ，其密度是1ρ，管道在横截面1处的横截面积是1A ；当流体流过横截面2时，相应的平均流速是2V ，密度是2ρ，横截面积是2A ，根据流体流动连续性原理有如下关系式：

111222V A V A ρρ⋅⋅=⋅⋅ (1)

如果流体是液体，可认为在收缩前、后其密度不变，即

12ρρρ==

所以液体的体积流量：

1122qV V A V A =⋅=⋅ (2)

根据伯努利方程（能量守恒定律），在水平管道上12Z Z =，则有如下关系式：

2

2

1112122

2

V V p p ρρ+

=+

(3)

应用伯努利方程和流动连续性原理，在两个横截面上则有如下关系式：

22

112212p P P V V ρ⎡⎤∆=-=-⎣

⎦

由（2）式得： 1

2

12A V V A =……………………………………… (4) 将（4）代入（3）式，并整理得：

2

2122112A p V A ρ⎡

⎤

⎛⎫

⎢⎥∆=- ⎪

⎢⎥⎝⎭⎣

⎦

即： 4

2

1212d p V D ρ⎡

⎤⎛⎫

∆=-⎢⎥ ⎪

⎝⎭

⎢⎥⎣⎦

…………………………………. (5) 式中 2

14

D A π=；2

24

d

A π=

根据直径比β的定义：d

D

β=

，由（2）式 22v q V A =得出：

2

4121v q p A ρβα⎛⎫⎡⎤∆=- ⎪⎣⎦⎝⎭

22

241

21

1v A q ρβρ⋅∆=⋅- (6)

这样可推导出以下的理论流量公式：

24

v q d π

=

(7)

又由于流出系数C 的定义是：C =实际流量

理论流量

，最后可得出节流式差压流量计普遍适用的

实际流量公式：

24

v q d π

=

. (8)

质量流量： 1m v q q ρ=⋅…………………….…………..……. (9) 式中：

ε──被测介质的可膨胀性系数，对于液体 1ε=；对气体、蒸气等可压缩流体1ε<；

v q ──流体的体积流量(m 3/s)；（工况下流体的体积流量）；

m q ──流体的质量流量(㎏/s)；

d ──工作状况下节流件的等效开孔直径(m)；（对于孔板是孔径，对于文丘里管是喉径）；

p ∆──压差 (Pa)，12p P P ∆=-；

1ρ──工作状况下，节流件（前）上游处流体的密度(㎏/m 3)；

C ──流出系数(—) 无量纲；

β──直径比(—)无量纲。

如果要求有高准确度的测量结果，若不确定度是±0.5%的流量值，那么就需要在规定的流量范围和相对应的雷诺数范围内进行校准，即标定出C 值。如果±1%到2%的精度是可以接受的，那么对于孔板、喷嘴和文丘里管等标准节流装置可以根据最新国标标准ISO-5167（2003）或我国国家标准来确定C （流出系数值）。 1.3 扭矩、转速法测流量的基本原理

首先，找出影响螺杆泵充满度的因素包括转速、原油粘度、泵沉没度等。对螺杆泵转速影响较大的因素是原油的粘度。从图3中的容积-粘度-转速表[2]中查出在某一粘度下转速n 时的泵效，由此找出转速参数与排量之间的关系。

图3 容积效率与转速和粘度的关系

再有，通过模拟试验找出转速、泵进出口压差、容积效率及泵深等参数的变化关系。

a

g g

L P P P gh P L L k f t P f c k cos ρρρ-∆--∆+++

=

()[]f k k t P a L L L g P P ∆+-++=cos 0ρ………………..……. (10) 式中：0P ──泵的出口压力(Pa)；t P ──油压(Pa)；L ──下泵斜深度(m)；a ──井斜角(度)；