基于井口憋壓分析的電泵井工況診斷

古小紅韓國(guó)慶竺彪

1.中國(guó)石化中原油田普光分公司天然氣技術(shù)管理部；2.中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.中海油服油田生產(chǎn)事業(yè)部

基于井口憋壓分析的電泵井工況診斷

古小紅1韓國(guó)慶2竺彪3

1.中國(guó)石化中原油田普光分公司天然氣技術(shù)管理部；2.中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.中海油服油田生產(chǎn)事業(yè)部

引用格式：古小紅，韓國(guó)慶， 竺彪. 基于井口憋壓分析的電泵井工況診斷［J］. 石油鉆采工藝，2016，38（4）：514-518.

電泵井的電流卡片無(wú)法有效判斷電泵或管柱漏失、泵舉升能力下降、泵效低等故障，針對(duì)此問(wèn)題，提出了電泵井井口憋壓（不停泵關(guān)閉井口）診斷流程及方法。通過(guò)分析憋壓前井筒中氣液流動(dòng)狀態(tài)，結(jié)合電泵特性曲線和油井流入動(dòng)態(tài)曲線，建立了理論憋壓曲線模型，并且確定了曲線特征參數(shù)的提取方法，通過(guò)與實(shí)測(cè)憋壓曲線特征參數(shù)的對(duì)比來(lái)判斷故障類型?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該方法可以成為電泵井工況綜合診斷分析的有效手段。

憋壓分析；電泵井；工況診斷；特性曲線

電潛泵在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中既受到供液不足、氣鎖、氣蝕等方面的影響，也會(huì)存在電機(jī)故障、管柱漏失等方面的問(wèn)題，需要通過(guò)工況診斷判斷故障并及時(shí)調(diào)參或修復(fù)。從潛油電泵的工作原理和機(jī)組構(gòu)成可以看出，潛油電泵、潛油電機(jī)、潛油電纜與地層和產(chǎn)出液性質(zhì)密切聯(lián)系，在一個(gè)系統(tǒng)中共同工作，電泵井產(chǎn)生故障的可能性也存在于多個(gè)環(huán)節(jié)［1］。電流卡片通過(guò)對(duì)電機(jī)電流不同特征的識(shí)別和反演對(duì)電潛泵工況進(jìn)行診斷［2-3］。有些工況會(huì)在電流卡片上顯示出相似的特征，例如管柱漏失和泵內(nèi)葉輪磨蝕嚴(yán)重都會(huì)導(dǎo)致電流低于正常值，無(wú)法通過(guò)電流曲線最終確定是哪種故障類型。

電泵生產(chǎn)系統(tǒng)中出現(xiàn)的不同工況除了體現(xiàn)在電機(jī)電流的變化上，還體現(xiàn)在壓力變化上，因此電泵井井口憋壓分析的主要原理是對(duì)比不停泵關(guān)井的井口壓力變化與理論變化曲線來(lái)判斷不同工況類型［4-7］。目前的井口憋壓分析技術(shù)存在問(wèn)題［8-10］，模型中沒(méi)有考慮井口關(guān)閉后電泵續(xù)流與特性曲線的關(guān)系，也沒(méi)有給出合理的憋壓時(shí)間。從分析憋壓過(guò)程中井筒內(nèi)氣液分布狀態(tài)、電泵工作狀態(tài)入手，推導(dǎo)建立了井口壓力隨時(shí)間變化模型，得到了理論憋壓曲線。在此基礎(chǔ)上提出了曲線特征參數(shù)的提取方法和憋壓診斷流程，建立的模型與方法可成為電泵井工況綜合診斷分析的有效手段。

1　電泵井井口憋壓模型Wellhead pressure-out model of ESP well

1.1井口憋壓過(guò)程

Wellhead pressure-out process

電泵井生產(chǎn)時(shí)井筒中氣液流動(dòng)狀態(tài)的變化會(huì)使井口油壓產(chǎn)生變化，在井口關(guān)閉過(guò)程中這種變化會(huì)更加明顯?，F(xiàn)場(chǎng)常用的憋壓診斷技術(shù)就是在憋壓情況下觀察井口油壓的異動(dòng)，以分析電潛泵井故障。

如圖1所示（其中P為井口油壓，MPa；Q為井底流量，m3/s），電泵井憋壓過(guò)程的4種狀態(tài)，a是停泵狀態(tài)；b是開(kāi)泵生產(chǎn)狀態(tài)；c是關(guān)閉井口、開(kāi)始憋壓時(shí)的狀態(tài)，此時(shí)電泵并沒(méi)有立即停止排液，由于井筒內(nèi)氣體和液體都具有一定的可壓縮性，電泵繼續(xù)排出液體、占據(jù)了氣液壓縮讓出的體積。d是憋壓過(guò)程結(jié)束狀態(tài)，由于體積壓縮使油管內(nèi)液面上升了Δh1+Δhg（其中Δhl為液體壓縮量，m；Δhg為氣體壓縮量，m），環(huán)空液面逐漸恢復(fù)了Δhb（其中Δhb為環(huán)空液體上升高度，m） ，泵的入口壓力和出口壓力逐漸提高，井口油壓繼續(xù)上升并穩(wěn)定在固定值。在整個(gè)關(guān)井憋壓過(guò)程中，泵產(chǎn)量由目前工作點(diǎn)逐漸減少為零，泵揚(yáng)程由目前工作點(diǎn)達(dá)到最大揚(yáng)程。

圖1　電泵井憋壓過(guò)程Fig.1 Pressure-out process of ESP well

1.2理論憋壓模型

Theoretical pressure-out model

憋壓前井筒內(nèi)總混合物體積為

其中

式中，Vt為憋壓前井筒內(nèi)總混合物體積，m3；Vl為憋壓前井筒內(nèi)液體體積，m3；Vg為憋壓前井筒內(nèi)氣體體積，m3；Rt為生產(chǎn)氣液比；fw為含水率（小數(shù)）；Pt為正常生產(chǎn)時(shí)油壓，MPa。

將式（2）代入式（1）為

式中，Dt為油管內(nèi)徑，m；Lp為下泵深度，m。

在憋壓過(guò)程中電泵繼續(xù)排出的液體體積與井筒內(nèi)液體和氣體的壓縮體積之和相等，為

式中，βg為天然氣體積系數(shù)；βl為液體體積系數(shù)；ΔP（t）為油壓變化，MPa；Qp（t）為電泵排量，m3/s；t為時(shí)間，s。

泵的特性曲線采用簡(jiǎn)化的二次曲線為

式中，H為輸出揚(yáng)程，m；Hmax為最大輸出壓頭，m；c為回歸系數(shù)。

憋壓后泵的壓頭增加與Qp（t）之間的關(guān)系為

其中

式中，γl為液體比重；γg為氣體比重；Hl為液柱高度，m；Hg為氣柱高度，m；Pd為生產(chǎn)壓差，MPa；Hp為電泵最大揚(yáng)程，m。

將式（6）代入式（4）得到井口憋壓隨時(shí)間變化的曲線關(guān)系為

式中，z為氣體壓縮因子；T為井筒溫度，℃；cg為氣體壓縮系數(shù)，MPa-1；cl為液體壓縮系數(shù)，MPa-1。

井口憋壓的最大值為

式中，Pmax是井口憋壓最大值，MPa。

為了驗(yàn)證模型計(jì)算結(jié)果的正確性，選取了5口新下泵井的憋壓曲線與理論憋壓曲線進(jìn)行了對(duì)比，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。井口憋壓最大值和憋壓穩(wěn)定時(shí)間的誤差均在10%以內(nèi)，說(shuō)明該模型的正確性和可靠性。

表1　理論數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Comparisons between theoretical datas and field datas

2　電泵憋壓曲線特征值及電泵工況判斷流程Selection of ESP pressure-out curve characteristic values and discrimination process of ESP working conditions

根據(jù)上述計(jì)算模型，在已知油井供液能力和流體物性條件下，應(yīng)用式（8）可得指定泵的理論憋壓曲線。通過(guò)該曲線可以獲得理論憋壓穩(wěn)定時(shí)間TL以及理論最大憋壓值PLmax，理論憋壓曲線如圖2所示。

圖2　憋壓曲線與特征值Fig.2 Pressure-out curve and characteristic value

為了對(duì)比實(shí)際工作電泵的憋壓曲線與該泵理論憋壓曲線的差別，進(jìn)一步分析得到該電泵舉升系統(tǒng)的工作狀況，需要選取4組對(duì)比特征值。理論憋壓曲線4個(gè)特征值：理論最大憋壓值PLmax；理論憋壓穩(wěn)定時(shí)間TL；前半程（t=0～TL/ 2）理論憋壓梯度GradL1；后半程（t=TL/2～TL）理論憋壓梯度GradL2。實(shí)際憋壓曲線也取相應(yīng)的特征值：實(shí)際最大憋壓值PSmax；實(shí)際憋壓穩(wěn)定時(shí)間TS；前半程實(shí)際憋壓梯度GradS1；后半程實(shí)際憋壓梯度GradS2。引入4個(gè)相對(duì)特征值（反映實(shí)際特征值與理論特征值的大小關(guān)系）：最大壓力比PSmax/PLmax；憋壓穩(wěn)定時(shí)間比TS/ TL；前半程憋壓梯度比GradS1/GradL1；后半程憋壓梯度比GradS2/GradL2。

依據(jù)4個(gè)相對(duì)特征值，憋壓曲線可分為3種類型：持續(xù)上升型；先升后平型；先升后降型。之后根據(jù)最大壓力比以及電流比，可對(duì)氣體影響、油管漏失、泵軸斷以及葉輪磨損嚴(yán)重等多種工況進(jìn)行識(shí)別判斷。憋壓工況判斷流程如圖3所示。

3　實(shí)際井分析Case study

將建立的憋壓診斷模型，依據(jù)憋壓工況判斷流程編制了軟件模塊。在BZ油田應(yīng)用時(shí)把憋壓診斷方法與電流卡片診斷、耗電量分析相結(jié)合，綜合診斷符合率在85%以上，顯著提高了電泵井的管理水平，以B-30井為例進(jìn)行分析說(shuō)明。

圖3　憋壓工況判斷流程Fig.3 Discrimination flow of perssure-out working condition

B-30井因產(chǎn)量有明顯下降被列為重點(diǎn)分析治理井，首先進(jìn)行了電流卡片診斷，該井的24 h電流曲線如圖4所示。轉(zhuǎn)換為如圖5所示的電流卡片，運(yùn)用基于模式識(shí)別的電流卡片診斷方法得到的結(jié)論是正常工況，顯然與實(shí)際情況不符。

圖4　B-30井實(shí)時(shí)電流曲線Fig.4 Real-time current curve of Well B-30

采用建立的憋壓診斷模型，對(duì)該井進(jìn)行了憋壓診斷分析。采集得到的實(shí)際井口壓力曲線及模型計(jì)算得到的該井理想憋壓曲線如圖6所示。由圖6可知，實(shí)際憋壓曲線屬于先升后降型。

軟件模塊提取并分析了理論憋壓曲線以及實(shí)際憋壓曲線的特征值，如圖7所示。依據(jù)特征值和憋壓診斷流程，最終判斷出該井出現(xiàn)的故障類型是油管漏失。由于油管的漏失造成井口憋壓不能維持，在井口壓力達(dá)到最大值后開(kāi)始下降。該方法彌補(bǔ)了利用電流卡片無(wú)法識(shí)別的工況，提高電泵井的工況識(shí)別準(zhǔn)確率。

圖5　由電流曲線轉(zhuǎn)換得到的B-30井電流卡片F(xiàn)ig.5 Current card of Well B-30 transformed from current curve

圖6　B-30井實(shí)際憋壓曲線及理想憋壓曲線Fig.6 The actual and ideal press-out curveof well B-30

圖7　B-30井憋壓診斷結(jié)果Fig.7 Pressure-out diagnosis result of Well B-30

4　結(jié)論Conclusions

（1）通過(guò)分析關(guān)井憋壓井筒中的流體變化，將電泵、井筒作為一個(gè)緊密的采油系統(tǒng)進(jìn)行研究，建立了電泵井井口憋壓壓力計(jì)算模型。應(yīng)用該模型可以求得電泵井井口理論憋壓曲線及最大憋壓壓力、合理憋壓時(shí)間，模型結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際憋壓數(shù)據(jù)相符，為現(xiàn)場(chǎng)憋壓操作提供了理論依據(jù)。

（2）在井口理論憋壓曲線的基礎(chǔ)上，提出了憋壓曲線特征參數(shù)的提取方法，并建立了憋壓診斷流程，編制了相應(yīng)工況診斷軟件。該工況診斷軟件在海上電泵井進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，診斷符合率在85%以上，顯著提高了電泵井的管理水平。

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（修改稿收到日期 2016-06-08 ）

〔編輯 李春燕〕

Working condition diagnosis of ESP well based on wellhead pressure-out analysis

GU Xiaohong1， HAN Guoqing2， ZHU Biao3
1. Puguang Branch of Zhongyuan Oilfield Company， SINOPEC， Dazhou， Sichuan 635002， China；2. MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering， China University of Petroleum， Beijing 102249， China；3. COSL Production Division， Tianjin 300450， China

Current card of electric submersible pump well fails to discriminate effectively the leakage of electric submersible pump （ESP） or pipe string， the decline of pump lifting capacity and low pump efficiency. In order to solve this problem， ESP diagnosis process and method based on wellhead pressure-out analysis （shut in the wellhead without stopping the pump） was put forward. Based on the ESP characteristic curve and IPR curve （inflow performance relationship）， the theoretical pressure-out curve model was established by analyzing the flowing state of gas and liquid in the borehole before pressure out. Then， the way to extract curve characteristic parameters was determined. And finally， the failure type was discriminated by comparing the characteristic parameters of theoretical pressure-out curve with the measured values. Field application indicates that this method can be used as the effective way to diagnose the working conditions of ESP wells comprehensively.

pressure-out analysis； electric submersible pump well； working condition diagnosis； characteristics curve

TE355.5

A

1000 - 7393（ 2016 ） 04- 0514- 05

10.13639/j.odpt.2016.04.021

GU Xiaohong， HAN Guoqing， ZHU Biao. Working condition diagnosis of ESP well based on wellhead pressure-out analysis［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（4）: 514-518.

國(guó)家“十二五”科技重大專項(xiàng)“高含硫氣藏超深水平井鉆完井技術(shù)”（編號(hào)： 2011ZX05017-002）。

古小紅（1964-），從事油氣田開(kāi)發(fā)技術(shù)管理工作，高級(jí)工程師。通訊地址：（635002）四川省達(dá)州市中原油田普光分公司天然氣技術(shù)管理部。電話：0818-4776738。 E-mail： guxiaohong321@126.com

韓國(guó)慶（1969-），從事油氣田開(kāi)發(fā)教學(xué)與科研工作，教授。通訊地址：（102249）北京市昌平區(qū)中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院。電話：010-89734339。E-mail：hanguoqing@163.com