柱塞降落时间识别方法和用途.pdf

一种用于确定柱塞何时到达配备有柱塞升举系统的石油或天然气井的底部的方法。更具体而言，所述方法识别与所述柱塞到达所述底部相关的表面压力。本发明涉及用于确定柱塞何时到达配备有柱塞升举系统的石油或天燃气井的底部的方法。更具体而言，所述方法识别与所述柱塞到达所述底部相关的表面压力。

1.  一种用于识别柱塞何时到达具有柱塞升举系统的井的底部的方法，包括：
a.关闭所述井，其中通过关闭所述井，允许所述柱塞降落到所述井的所述底部并累积能量；
b.随着所述柱塞降落到所述井的所述底部，获取数据，其中所述数据包括压力测量和相应的时间测量；
c.建立压力变化和时间变化之间的关系，其中所述关系提供：
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其中，m为变化率，P₁为相应时间T₁处的所述压力，且P₂为相应时间T₂处的所述井压力；
d.计算所述井被关闭时获得的每个数据点的变化率；
e.绘制所述变化率相对时间的图；以及
f.识别所述能量累积期间的最大变化率，而过滤掉与所述柱塞到达底部无关的异常。

柱塞降落时间识别方法和用途
技术领域
本发明涉及用于确定柱塞何时到达配备有柱塞升举系统的石油或气井的底部的方法。更具体而言，方法识别与所述柱塞到达所述底部相关的表面压力。
背景技术
石油和天然气通常在相同的储层一起被发现。从生产井提取的原始天然气的成分取决于地下沉淀物的类型、深度和位置以及该区域的地质情况。在生产期间，石油、气体和水作为乳液或混合物流向表面。
在井的流动生命期间，随着速率和气体速度减少，液体将开始在井的底部聚积，并造成回压的逐渐增加。液体积聚可能造成井的升举效率减少，且在一些情况下，甚至可能造成井停止流动。
在井减慢或者停止流动后，操作者可以使用许多人工升举技术来使液体上升到表面。一个已知的方法包括柱塞升举。该柱塞的功能是阻止液体累积积累到它们将造成速率减少或造成井不再流动的点。
柱塞升举系统的操作依赖于，井被井口控制器在表面关闭(或处于“off”模式)的时间期间，井中的压力的自然累积。当井被关闭时，允许压力累积。在关闭模式下，在表面没有生产发生。当压力已经充分地累积到使得在管道中积累的液体能够随着柱塞被升举时，井被打开以进行生产。当井处于“on”模式下时，柱塞升举系统运行以在天然气生产期间从井的底部“升举”石油或水和天然气，从而卸载流体累积并增加石油和天然气井的生产力。从功能上来讲，柱塞提供了产生的液体和气体之间的物理接口。这个物理接口使得液体回流最小化，由此增加了井的升举效率。
在工业上，柱塞升举的优化主要集中在改变打开/关闭循环时间上，其中打开/关闭周期时间基于诸如时间、压差、柱塞到达速度等因素。实际上，大多柱塞升举控制器通常预设最小关闭时间或降落时间，该最小时间以在打开时间循环激活之前允许该柱塞安全地降落到井的底部为前提。由于最小化关闭时间是优化过程的重要部分，知道什么时候柱塞到达井的底部是重要的。
在工业中众所周知，在没有使用非常专业的设备下确定降落时间的技术是不精确的。一般而言，操作者通常基于臆断的时间间隔来确定柱塞是在底部，该臆断的时间间隔是基于柱塞的类型、其估计的降落速度和井的深度的猜测或估计。例如，操作者可以假定柱塞花费了45分钟到达井的底部。该行程时间通常被称作“降落”时间，当电动阀被关闭以关闭流线时以及当柱塞撞击到底部时，该“降落”时间可以为实际的或者估计的时间间隔。然而，许多因素可以影响柱塞的实际降落时间。不同型号和品牌的柱塞以不同的速率降落。例如，23/8″平板型(pad-type)柱塞根据井的深度可以具有大于48分钟的降落时间。在相同的井中，杆控(bar-stock)柱塞可以在大约22分钟内降落；旁路(by-pass)柱塞可以以仅仅7分钟的时间到达底部。另外，新的柱塞很显然以与旧的柱塞不同的速率降落。
降落时间还可以是井的深度以及井中液体的量和成分的函数。井的成熟度也可以改变柱塞的降落时间。作为成熟的井，其能够产生柱塞通过其降落的或多或少的流体。另外，盐、沙子、硬粒的存在也能够对柱塞以多快地到达底部具有影响。井筒特征也可以影响降落时间。这些特征可以包括但不限于：管道的状况，管道是粗糙的还是光滑的，杆切口(rod-cuts)的类型，狭小空间的存在、规模、和/或石蜡累积以及井的轨道(垂直与偏离)。其他影响柱塞降落时间的条件对于本领域技术人员而言是熟知的。
因此，需要存在一种用于确定柱塞何时到达配备有柱塞升举系统的石油或气体井的底部的方法。
发明内容
在实施例中，一种用于识别柱塞何时到达具有柱塞升举系统的井的底部的方法，包括：(a)关闭所述井，其中通过关闭所述井，允许所述柱塞降落到所述井的所述底部并累积能量；(b)随着所述柱塞降落到所述井的底部，获取数据，其中所述数据包括压力测量和相应的时间测量；(c)建立压力变化和时间变化之间的关系，其中所述关系提供：
m=P2-P1(T2-T1)]]>
其中，m为变化率，P₁为相应时间T₁处的所述压力，且P₂为相应时间T₂处的所述井压力；(d)计算所述井被关闭时获得的每个数据点的变化率；(e)绘制所述变化率相对时间的图；以及(f)识别所述能量累积期间的最大变化率，而过滤掉与所述柱塞到达底部无关的异常。
附图说明
本发明，连同它的进一步的优点，将通过参考下面的结合附图的描述被很好地理解。其中：
图1为在利用柱塞升举系统的井中，在循环的关闭部分期间，表面压力相对时间的图示描述。
图2为在利用柱塞升举系统的井中，对于循环的关闭部分，压力变化除以时间平方根的相对时间的图示描述。
图3为在利用柱塞升举系统的井中，在循环的关闭部分期间，表面压力相对时间的图示描述。
图4为在利用柱塞升举系统的井中，对于循环的关闭部分，压力变化除以时间平方根的相对时间的图示描述。
图5为对于多个循环，在利用柱塞升举系统的井中，在循环的关闭部分期间，压力变化除以时间平方根的的总和相对时间的图示描述。
图6为对于多个循环，在利用柱塞升举系统的井中，在循环的关闭部分期间，压力变化除以时间平方根的总和以及这些相同数据点的三周期滚动平均(three period rolling average)相对时间的图示描述。
图7为在利用柱塞升举系统的井中，在循环的关闭部分期间，表面压力相对时间的图示描述。
图8为在利用柱塞升举系统的井中，对于循环的关闭部分，压力变化除以时间平方根的相对时间的图示描述。
具体实施方式
现在将参照本发明的实施例，具体说明附图中的本发明实施例中的一个或多个例子。每个例子都以解释本发明的方式提供，并不作为对本发明的限制。对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围和思想的情况下，可以对本发明进行各种修改和变形。例如，作为一个实施例的一部分被阐明或描述的特征可以被应用到另一个实施例以形成进一步的实施例。因此，本发明旨在覆盖包含在所附权利要求及其等同物的范围内的修改和变形。
在使用用于人工升举的柱塞升举系统的井中，活塞在井的表面和底部之间循环以帮助将液体带到表面。为了使柱塞(也即活塞)降落到井的底部并产生能量以升举活塞或流体，井被关闭(也即生产暂停)。然后井被重新打开，而且柱塞和流体缓慢上升到表面。一旦井被关闭，井筒中的压力开始增加，也即累积。在表面看到的压力等价于井中孔底压力减去从井的底部到表面的静液柱的重量(气体、液体等的静液重量)。随着柱塞降落到井的底部，柱塞的重量是柱塞在其中降落的静液柱的重量的一部分。一旦其到达井的底部，其重量转移到其依靠的管子。这个转移造成表面压力的增加，导致在表面压力累积趋势中正/向上偏移。该压力增加发生在柱塞在其中降落的油管柱的表面。
如上所述，为了使柱塞到达井的底部，井需要被关闭足够长的时间。在工业中，操作者通常估计用于柱塞降落到井底所需要的时间。利用本申请公开的方法，操作者或者井的控制者可以确定每个柱塞循环的实际降落时间。
图1-2描述了针对一个循环在采用柱塞升举的井上进行的测试的一部 分，也即井被关闭期间内的时间间隔，其中该时间间隔包括柱塞从井的顶部释放直到其到达井的底部的部分。图1-2描述了18:50时到19:50时发生的测试运行的部分。借助于具有内装计算机用以收集井数据的柱塞升举系统来收集井数据。图1中，利用压力测量装置(压力传感器)，在前面提到的计算机中大约每分钟收集一次表面压力数据。
图1中，当井被关闭时，柱塞朝向井的底部降落，并朝向位于井的底部部分的较低的缓冲弹簧或停止物移动。在井被关闭的时间内，可以看到井压力增加。图1描述作为压力和相应时间之间的常量关系的压力累积。针对这个测试井的图表的阶梯状特性是压力测量装置的分辨率的函数。压力累积的起点是时间零点，第一分钟是时间1，以此类推。
为了确定柱塞在任意单个循环内何时到达底部(柱塞触底)，建立井内的表面压力变化以及相关的时间变化之间的关系，提供：
m=P2-P1(T2-T1)]]>
其中，P₁为相应时间T₁处的压力，P₂为相应时间T₂处的井压力，以及m为针对在压力累积期间的每个点计算的每时间平方根的压力变化率。
图2为相对相应时间的变化率(m)的图示描述。当柱塞到达井的底部时，表面压力累积中的正偏移应该产生，如图2描述的，在累积期间，导致在该点产生比正常的正变化率更大的变化率。当柱塞到达底部时的变化率(m)比柱塞正在降落时观察的或其倚靠在井的底部之后的变化率(m)大，也即正常直线关系(图2中的短划线)。柱塞到达井的底部的时间点应该在变化率(m)的值处于最大的时间点，除非存在其他情有可原的情况。
图2还描述了对于变化率(m)显示0值的数据点，这些数据点可能由压力传感器的分辨率造成。如果压力累积的速率如此低，该压力传感器可能针对这些点检测不到压力增加。
使用表面压力增加特性允许任何时候观察柱塞降落时间，以足够看出压力增加/偏移特征的频率和分辨率跟踪表面压力。如果跟踪较长时间(循环次数)，那么对于实际柱塞降落时间存在许多用途，例如，确定最小关闭 时间或监控柱塞磨损。由于柱塞的密封部件磨损，柱塞的降落时间将减小(柱塞磨损的越严重，密封越差，降落速度越快)。实际柱塞降落时间还可以被用来确定柱塞是否被卡在管道中而没有到达井的底部，也即远早于预期而看见压力异常。如果跟踪了许多循环，降落时间的增加可以表明外来物质可能沉积于油管柱中，减慢了柱塞的降落速度。
在追踪表面压力时，在压力累积趋势中的增加/偏移可以具有其他原因，例如坏数据、存在管道中的流体等。图3-8描绘了部分测试，该测试旨在过滤到那些异常以确定哪个增加/偏移是由柱塞到达井的底部造成的。图3和4示出了原始数据中存在异常(图3)以及当计算变化率(m)时异常的影响(图4)。为了过滤掉异常，比较来自于几个连续循环的数据，以确定异常发生最一致的时间点。与柱塞触底相关的压力增加/偏移应该比由其他东西(坏数据、漏泄阀等)造成的那些异常发生更加一致。
可以通过对针对几个循环的每个特定时间点的变化率(m)求和，过滤掉非柱塞底部相关的异常。如图5所示，平均柱塞降落时间可以被看成是具有针对变化率的正值的最大和的时间。
当比较与从一个循环到另一个循环到达井的底部的柱塞(柱塞触底异常)相关的压力变化时，柱塞降落速度(时间)的数据频率和轻微变化可以造成那些指示发生在相邻的时间点。利用异常振幅的滚动平均给相邻时间段的异常更多的权重，因而给最时间一致的异常(那些与柱塞触底相关的)更多的权重。
如图6所示，当合并来自多个循环的滚动平均的结果时，为了识别在单个循环中的柱塞触底异常，应该选择在那个特定循环内具有最高振幅的异常，该异常最接近由滚动平均识别的时间点。
根据在关闭循环的早期部分期间的累积速率的特点，如在图7中的循环的早期部分期间示出的，在累积阶段的第一部分期间还具有非常大的变化率值的可能性。
图8示出了大到超过由柱塞到达井的底部造成的压力上升的第一变化率值。为了消除盖过由柱塞到达底部造成的变换率(m)的这些大的早期变 化率值(m)的可能性，累积的第一部分应该被忽略以消除异常值。
最后，应该注意的是，任何参考的讨论都不是承认它是对于本发明的现有技术，特别是公开日期在本申请的优先权日之后的任何参考。同时，以下的每个权利要求由此作为本发明的附加实施例被包含在本详细说明或说明书中。
尽管这里描述的系统和处理都已经详细描述，但是应当理解，在没有脱离由下面的权利要求限定的本发明的思想和范围的情况下，可以进行各种变化、替换和改变。本领域技术人员可以研究优选的实施例并确定不全是这里描述的其他方式来实现本发明。发明人的意图是，本发明的变形和等同物都在权利要求的范围内，而说明书、摘要和附图都不用来限制本发明的范围。具体地，本发明的范围旨在与下面的权利要求书和它们的等同物一样宽。
参考文献
这里引用的所有参考文献都清楚地包含在参考中。任何参考的讨论都不是承认它是相对于本发明的现有技术，特别是公开日期在本申请的优先权日之后的任何参考。为方便起见，再次列出包含的参考文献：
1.Becker,D.,et al.,"Plunger Lift Optimization by Monitoring and Analyzing Wellbore Acoustic Signals and Tubing and Casing Pressures,"SPE 104594(2006)。