第1章绪论
1.1课题的来源及目的和意义
螺杆泵水利机械诞生以来，广泛应用于油田机械采油领域，并逐步成为一种油田重要的机械举升方式。螺杆泵是一种容积式的转子泵，由地面驱动装置对井下抽油杆和井下泵旋转提供动力来源，并通过转子旋转中形成的密闭腔体将液体逐级举升到地面[1-2]。由于螺杆泵井地面驱动装置相对于抽油机井地面举升设备具有结构简单、易于保养、节约土地空间、易于安装、一次性投资低、节能效果好等优点，在油田上得到广泛的推广和使用。由于螺杆泵独特的设计原理，在油田原油生产中面对高含砂油、高含气量和高粘油的特殊原油物性和井况条件，螺杆泵的优势更为明显[3-5]。对于螺杆泵井、抽油机和电泵井三种机械举升设备的系统效率高低，美国某公司以水驱同等开采条件下进行对比，三种采油系统的效率分别为63.4%、50.4%和52.4%，其中螺杆泵采油系统的效率最高[6-8]，另外螺杆泵井一次性投资低于抽油机和电动柱塞泵，日常维护保养费用低于抽油机，在大庆油田得到了广泛的应用。随着螺杆泵技术在石油工业应用的不断扩大，螺杆泵的发展逐步趋于系列化和规范化。目前螺杆泵井最深下入3000m（160m3/d），最大排量1000m3/d（800m）[9]。在螺杆泵配套技术攻关的过程中，插接式防脱杆和钻杆锥螺纹抗扭杆效果明显，井口密封、电机等的改善，大大提高了螺杆泵的运行稳定性。但螺杆泵井的计量诊断问题一直制约着螺杆泵井的发展与应用，大庆油田螺杆泵井计量面对的突出问题如下：一是开发过程中流程集约化设计，导致螺杆泵采油井产液量无法单井计量。油井产液量、含水等数据是油田开发动静态分析的重要依据，没有单井产液量，将无法进行开发效果分析和调整措施的制定，也无法准确判断油井的工作状况，因此，油田内油井资料录取管理规范中要求，油井每10天必须进行一次产液量的资料录取。“十五”以来，随着油田开发的逐步深入，新投产能井逐步向薄差油层转移，产液量相对较低，为进一步降低油田地面建设投资，对新井集输流程进行集约化简化设计，在新投产井上主要采用了环（树）状流程集输方式，并且在计量间取消了分离计量装置[10]。环状流程就是将多口油井串接在一起，共用一个输油管线，另有部分井直接挂接在老油井的集油管线上，形成树状流程，就像是电路一样，原来油井与油井是并联的关系，井与井之间互不影响计量，但是环状流程相当于井与井之间为串联关系，这种方式就导致了产液量无法单独计量[11]。为了解决螺杆泵井的产液量计量问题，油田先后进行了液面恢复法和车载体积法等多种产液量计量技术的研究与试验，但都未能得到普及和应用。液面恢复法是依据渗流原理，通过测试油井关井后，油套环空单位时间内液面恢复的高度来推算产液量，该技术获得的产液量精度低，现场操作繁琐，受各种井下因素的影响，液面监测准确度差。车载体积法是通过车载计量设备实现产液量计量，具有较高的计量精度，可以满足油田产液量计量要求。但是也存在诸多不适应性：一是井口直接计量，对进井道路要求较高，受雨雪等自然条件影响较大；二是现场操作工作量较大，存在油气泄漏安全隐患；三是需在井口设置进、出端口，不利于防盗。
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1.2国内外文献综述
油井产液量的计量是油田生产实际中油井生产管理的基础，是衡量螺杆泵井井下是否正常工作的最直接的数据，随着油田管理水平的进步和科技的不断提升，带动了油井计量技术的快速发展[12]。传统的油井产量计量方式主要以三相或两相的分离装置实现单井产液量计量。各石油大国根据自己开采区块的原油特性以及参差不齐的管理水平选择本国适合的产量计量方式,目前国内外比较传统的计产方式依靠两种手段，分别是产液分离装置和液体计量计，各国原油物性各有差异，有些国家采取气液两相计量，有些则使用三相计量装置，在油井液量计量的老方法中，中国的油井产液量计量装置在自动化水平和工艺整体水平都落后于美国[13]。我国在技术引进的基础上，在石油行业专家学者们的不断努力攻关下，经过了十几年的技术攻关，逐步研究了集中和单井个体计产装置、计量车单井计量产液量装置、差压、翻斗、软件、多相流计量等计产方式及方法[14],然而这些方法分别存在着测试时间长、生产防盗差、井口油气分离影响大等问题，不方便现场生产实际应用。有效解决计产问题，对于生产管理和动态分析具有现实意义[15-17]。
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第2章环状流程螺杆泵井的产液量计量方法
2.1概述
螺杆泵井生产参数的变化，会引起油井环空液面的变化，这个变化规律对产量的计量意义重大。在本章中，将建立螺杆泵举升产液量计量的理论模型及数学模型，摸索生产运行参数下变化后，电参数、扭矩与环空液面发生的一系列变化，并找到它们之间的关系，从而推算出在原有生产参数下油井的产液量，解决环状流程无法计量的问题。
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2.2环状流程螺杆泵井产液量计量理论模型的建立
根据不稳定试井的原理，生产参数调整前后，油井环空液面的变化，可以反映油井产液量的变化。通过测试不同生产运行参数下的电参数，可以计算出举升扭矩的变化，计算出油井环空等效的液面变化值，进而推算出在原有生产参数下油井的产液量[32-34]。由此建立了基于电参数的螺杆泵举升产液量计量的理论模型及数学模型。参数降低前后有功功率随时间的变化趋势如图2-1所示。油井流入特性简单的理解就是指油井产量与井底流动压力的关系,它反映了底层向该井的供油能力，由于变参一段时间前后举升高度变化后，动液面上升，地层供液能力下降，影响测试结果，由压力恢复曲线可推出续流量修正系数fx。一是通过分析不同区块、不同产液量油井的压力恢复曲线，可在曲线上近似得到测试变化区域，从而得到不同产液级别螺杆泵井的续流量修正系数fx。按照螺杆泵井分区块、产液级别，选择215口井压力恢复曲线，进行流入特性分析。
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第3章产液量计量装置的研制及工况诊断实验........26
3.1概述......26
3.2产液量计量装置的研制与计量测试数据分析.....26
3.3产液量计量装置的工况诊断方法......32
3.4产液量计量装置的工况诊断分析......35
3.5本章小结........40
第4章环状流程螺杆泵井动态控制图开发及应用....41
4.1概述......41
4.2螺杆泵井宏观无量纲控制图研究......41
4.2.1螺杆泵排量效率......41
4.2.2螺杆泵宏观控制图含义....42
4.2.3宏观控制图的无量纲化....43
4.3本章小结.......46
第4章环状流程螺杆泵井动态控制图开发及应用
4.1概述
螺杆泵井工况的有效监测，是保证正常生产的有效手段，泵效是衡量泵工况正常与否的重要指标，本章基于螺杆泵井计量和工况诊断的研究，通过分析沉没度、转速、油压、套压、采出液物性和产液量与泵效的相关关系，开发可以监测螺杆泵生产状态的动态控制图，指导螺杆泵井日常生产。螺杆泵井的排量效率是判断单井运行状况的主要数据，排量效率受地下油层的供液能量和螺杆泵本身排量的影响。在泵深一定的情况下，在保持一定的运行参数下，会与某一特定的流压下的底层保持一个平稳的供给采出关系。在泵排量及参数一定的情况下，排量效率和井口采液量成正比的关系，供、排关系可以通过两者的关系反应出来。螺杆泵井现场管理中，泵效是反应螺杆泵生产情况的有效手段，通过泵吸入口压力和泵效的关系，可以直接有效的判断螺杆泵井的工作状态。依据泵效和泵吸入口压力的关系曲线生成了工况宏观控制图，根据将二者物理关系曲线按照一定的方法划分出不同的运行区间，从而反映出螺杆泵井的生产运行状态，指导生产调整。控制图中各分届线的划分方法：虚线为某一区块假定的一口井上不同参数运转下的平均螺杆泵油井的理论泵效曲线，理论泵效曲线分别上移下移20%形成了L1和L2，直线是合理泵效和压力的对应关系线。不同区块的宏观控制图的各区界限也有所不同，可分为五个不同的运行状态区域,如图4-1所示。
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结论
本文通过环状流程螺杆泵井产量计量模型、工况诊断模型以及螺杆泵井无量纲控制图的建立，研制了环状流程螺杆泵井计量装置，形成了螺杆泵井工况诊断办法，开发可以监测螺杆泵生产状态的动态控制图，解决了大庆油田环状流程螺杆泵井计量和诊断难题，产液量计量范围达到了管理要求，并且可以准确判别井下运行工况，通过动态控制图还可以对螺杆泵井日常工作状况进行监测，实现了大庆油田环状流程螺杆泵井日常生产产液量计量、生产状态宏观监管以及问题井的工况准确诊断，为环状流程螺杆泵井日常生产管理提供了有力的手段，本文的主要结论如下：
（1）研究了螺杆泵井的地面井口产液量计量方法，根据研究螺杆泵井变参运行状态下油套环空的续流量与单井产液量的关系，通过泵效变化对产量的影响，驱动装置传动效率与负载关系的分析，进一步引申出有功功率、扭矩与转速变化的相关关系，最终完成了螺杆泵靠电参计量产液量研究及方法。
（2）研制了螺杆泵井地面井口计量装置及工况诊断装置，通过环状流程螺杆泵产液量计量装置,通过测试不同运行参数下的电参数据，计算出井下泵的有功扭矩、杆柱与油管内液体的摩擦扭矩值，根据分析对比摩擦扭矩值和有功扭矩，直接反映出螺杆泵举升系统杆管断脱、管柱结蜡、泵管漏失、工作参数合理性等各种工况变化，形成螺杆泵井产量计量和工况诊断技术及装置。
（3）改进了常规螺杆泵井辅助监测所用的宏观控制图，依靠现场实际情况，深入研究螺杆泵井的排量效率与流压的关系，研究出螺杆泵井无量纲化宏观控制图，并开发控制图软件，降低常规螺杆泵井宏观动态控制图的误差，实现螺杆泵井正常生产过程中的宏观监测。
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参考文献(略)