抽油井示功图的分析及应用

关于抽油井示功图的分析及应用第一页，共四十五页，2022年，8月28日第一部分:抽油井示功图综述

今天，我们主要从理论示功图的特征分析入手，简单介绍示功图的多功能性，即对实测示功图作必要的处理后，可进行一系列定性和定量分析，提供诸如分析平衡效果、判知振动影响等。油井示功图它不仅能在不停产的情况下取得大量有用的数据，减化了井下直接测试工作，而且能随时监控采油动态，使之在最佳工作方式下生产。结合采油二厂有杆泵采油过程中示功图分析解释差错率高的问题，我们今天来讲讲如何正确解释分析示功图，了解井下抽油泵工作状况。第二页，共四十五页，2022年，8月28日第一部分:概述1、在有杆泵采油过程中，用动力仪绘出示功图，定性地分析深井泵的工作情况，是了解井下抽油泵工作状况的重要手段。由于抽油井的生产状况很复杂，深井泵在井下工作的影响因素很多，不但受到“机、杆、泵”抽油设备的影响，而且直接受到变化着的“砂、蜡、气、水”的影响。尤其在定向井中，这种情况就更为突出。导致油井生产过程中所测的示功图形状复杂，解释差错率高，给及时分析井下抽油泵工作状况、掌握油井生产动态和组织下步生产带来了很多困难。因此，分析示功图时，即要全面了解油井的生产情况、设备状况和测试仪器的好坏程度，根据多方面的资料进行综合分析，同时，又要善于从各种因素中找出引起示功图变异的主要因素,这样，才能够作出正确判断。第三页，共四十五页，2022年，8月28日第一部分:概述2、示功图概念：示功图是由载荷随位移的变化关系曲线所构成的封闭曲线图。表示悬点载荷与位移关系的示功图称为地面示功图或光杆示功图。在实际工作中是以实测地面示功图作为分析深井泵工作状况的主要依据。第四页，共四十五页，2022年，8月28日为了能正确分析和解释示功图，常要绘制出理论示功图进行对比分析，而且实测示功图的解释都是以理论示功图为基础，因此，对理论示功图特征分析就显得尤为重要。1.没有弹性变形的理论示功（图1）假定：抽油杆是刚体，动力从地面传到柱塞上没有时间滞后，既没有伸缩和振动，也无摩擦，假定每一个部件的工作效率都是100%所测得的示功图。第二部分理论示功图的特征分析

第五页，共四十五页，2022年，8月28日分析：图中a点是上冲程的始点。由于刚体没有弹性形变，则ab为即刻增载，泵柱塞的游动凡尔关闭，全部载荷由光杆承受。bc是上冲程过程，泵的游动凡尔关闭，固定凡尔打开是进油过程。第二部分理论示功图的特征分析cd即刻卸载，抽油杆下行时所画出da线是载荷不变的下冲程位移过程。该理论示功图的特征：ab平行于cd，bc平行于da，一般抽油机井在井深浅、小泵径、粗抽油杆及小冲数抽油条件下生产时，有可能出现类似的水平、长方形实测示功图。第六页，共四十五页，2022年，8月28日2.国内目前所用的理论示功图（图2）该理论经示功图是在理想条件下绘制出来的：假定①油管无漏失、泵工作正常。②油层供液能力充足，泵能够完全充满。第二部分理论示功图的特征分析图2弹性抽油杆静载时的示功图③光杆只承受抽油杆柱与活塞上液柱重量的静载荷，不考虑惯性力。④不考虑砂、蜡、稠油的影响。⑤不考虑油井连喷带抽。⑥认为进入泵内的流体是不可压缩的，凡尔是瞬时开闭的。在这种条件下绘制出的示功图是一个平行四边形。

第七页，共四十五页，2022年，8月28日3.动、静载荷+弹性形变示功图（图3）如图3所示，实际生产中抽油杆是要承受静载荷和动载荷的。第二部分理论示功图的特征分析图3动、静载荷+弹性形变示功图由于抽油杆有惯性力载荷，柱塞在泵筒内运动时有摩擦力，液柱举升过程中与管壁和杆柱有摩阻，抽油杆接箍与油管内壁有摩擦，所以上冲程时a、b点偏高，cd点偏低。第八页，共四十五页，2022年，8月28日由于动载荷的影响，示功图的上、下行程线不是水平的，但只需要bc平行于da，而且ab平行于cd，就可以认为泵工作正常。若二者不平行，说明泵有问题，α越大，说明动载荷越大。另外，冲数越快，动载荷也越大，在分析实测功图时应注意这种“倾斜”规律。4.动、静载荷+弹性载荷+振动载荷的示功图（图4、图5）抽油杆柱产生振动的原因是抽油机构的抽油杆的自振频率。因此在进行的油杆柱设计时，应尽量避免同步速度抽汲。理论研究和实践表明，当发生二级振动时，示功图的特征是：图形的面积偏集在上冲程开始处，而且在上死点处迥绕成“结”。这是抽油杆柱受力换向与杆柱弹性作用下造成的。第二部分理论示功图的特征分析第九页，共四十五页，2022年，8月28日由于弹性振动传递快，而杆柱与油管和液体摩擦等因素造成滞后，影响曲线的形状而产生扭结。通常见到的是有弹性振动的示功图，只要上、下曲线的平均线平行，泵即正常。有时测得歪曲的示功图形，只要符合上述特点，则可用冲次太快引起振动予以解释。如图5所示。第二部分理论示功图的特征分析图4抽油杆发生二级振动时的地面示功图图5动、静载荷+弹性形变+振动的示功图第十页，共四十五页，2022年，8月28日5.泵的充满系数和排出系数的概念从图6的对比中可以看出，实际产量与冲程损失是直接有关的。第二部分理论示功图的特征分析图6泵的充满系数和排出系数的概念因此，要实现抽油井的长寿稳产，就应不断综合分析实测示功图，尽可能地减少冲程损失、减少气体影响和油管漏失，提高深井泵的质量和抽油参数优化组合，减少杆柱摩擦阻力，保证合理沉没度，调小防冲距，延长检泵周期。第十一页，共四十五页，2022年，8月28日6.计算充满系数的地面示功图（图7）图7中柱塞的有效行程可以在图中冲程曲线段上量出，而泵的充满部分可以在下冲程曲线中量得。确定泵的充满系数即AE/BC（小于1），泵的排出系数即AE/AC=充满部分/光杆冲程。第二部分理论示功图的特征分析图7计算充满系数的地面示功图此类图形抽油井中最常见，泵况正常，抽油参数基本合适，若气小、沉没度低时，下行符合CDEA曲线；若气多、低沉没度时，下行是CEA虚线曲线，其曲线的波形的平均线是平行的。第十二页，共四十五页，2022年，8月28日7.分析抽油机的平衡效果尽管理论公式可进行抽油机的各种平衡计算，但因受井斜、抽汲液体粘度、泵径大小及间隙、井口压力及砂蜡等的影响，是难以达到较理想平衡的。不平衡性越大，上下行程的负荷差越大，致使抽油机变速轮齿受到很大的冲击载荷，从而加速磨损。第二部分理论示功图的特征分析Le图8较理想平衡示功图当抽油机平衡较好时，距零线为Le（图8）的平行线，会将功图分为近似相等的两部分。Le之纵座标即为较理想的平衡重。第十三页，共四十五页，2022年，8月28日8.玻-钢杆系统正常示功图如图9所示，AB：上行程初期，因液载作用，杆柱伸长油管缩短，当杆柱张力不足以克服液柱、杆柱等载荷作用，游动凡尔关闭，固定凡尔开启；第二部分理论示功图的特征分析图9玻杆的理论示功图CB′D′DB。。ABB′：当杆柱固有频率与冲次接近时,弹性共振使杆柱弹性放大柱塞运行快于光杆的运动速度,液柱惯性载荷滞后，载荷上升(B′点)；B′C：上程后期，由于液柱惯性向上，下降（C点）；CD：通过上死点转入下行程，液柱负荷转移到油管上，杆柱缩短，油杆伸长。固定凡尔关闭、游动凡尔打开进入吸液过程；DD′：同样由于弹性放大，柱塞运动快于光杆硬度，液体惯性滞后，载荷下降；B′A：在上行程末期，由于光杆速度减慢，液体载荷逐渐作用在液柱上，光杆载荷又逐渐上升，驴头达到下死点，转入上冲程。这样一个周期内，载荷曲线中间宽，两头窄。并且下冲程内只有一个峰值。与纯钢杆正常功图有很大差异。第十四页，共四十五页，2022年，8月28日9.冲程损失影响排出系数的示功图右图说明实测示功图在载荷发生变化时载荷变为动载荷加上附加载荷。第二部分理论示功图的特征分析图10冲程损失影响排出系数的示功图计算充满系数和排出系数时和数值会发生变化，这是因为子项ad″<ad′<ad，冲程损失会影响排出系数，图10中可知泵效低，这种情况泵的充满系数可能相同，但排出系数是随着冲程损失的变大而减小，只有排出系数高才能表明抽油机井高产、高泵效。第十五页，共四十五页，2022年，8月28日

对定向井而言，其杆柱的受力情况及示功图与直井有所不同：定向井有杆泵抽油系统与直井的主要差别有两点：一是井身是空间三维曲线，从而系统的振动是三个振动系统的空间三维振动，垂直于井深轴线的横向振动对轴向振动有一定的影响；二是抽油杆与油管之间、油管与套管之间存在接触力和相应的磨擦力，对系统的轴向振动也有一定的影响。1.在定向井抽汲过程中，沿抽油杆作用的表面力包括液柱、抽油杆柱的重力、油流阻力和振动而引起的惯性载荷，抽油杆与油管的正压力和滑动摩擦力。2.由于磨擦负荷和惯性负荷均比直井稍大，所以上行负荷较大、下行负荷较小，示功图较直井宽。

第三部分斜井示功图与直井示功图的区别

第十六页，共四十五页，2022年，8月28日3.定向井的悬点载荷比直井明显降低，且随倾斜程度的增加，载荷下降的幅度增大，这是因为杆柱载荷和液柱载荷随井斜增加而减小；4.与直井示功图相比，定向井示功图的摩擦影响增大，振动影响减小，这是因为定向井摩擦力较大；5.从泵的功图上看，随着倾斜程度的增加，柱塞冲程有所增加，这是因为上冲程作用在活塞上的液柱载荷有所降低；6.由于管杆摩擦力的作用，在相同的抽汲参数、泵况情况下，定向井的抽油杆振动一般比直井衰减快；7.若定向井倾角较小（а≤20°）,且抽油杆上装有扶正器时,其功图与直井差别不大,可接直井方法诊断。

第三部分

斜井示功图与直井示功图的区别

第十七页，共四十五页，2022年，8月28日通过对全厂所测近1000余份定向井有效功图进行收集、整理、归类，并结全油井的生产资料、动液面、泵深、单井日产液量、泵效、含水等资料，对上述资料进行全面细致地分析，筛选出部分具有代表性的功图，对井下抽油泵的工况进行综合分析，及时、准确地发现抽油泵在抽汲过程中存在的问题，以指导生产。现将陇东油田的几种常见实测示功图进行介绍。第四部分实测地面示功图图例分析

图11泵工作正常时的示功图1.泵工作正常时的实测示功图图11是抽油泵工作正常，同时受其它因素影响较小时所测的示功图，这类功图的共同特点是理论示功图差异不大，均为一近似的平行四边形。第十八页，共四十五页，2022年，8月28日2.泵漏失的实测示功图泵漏失是油井常见的故障之一。泵漏失包括固定凡尔漏失、游动凡尔漏失和双凡尔漏失三种情况。第四部分实测地面示功图图例分析

图12固定凡尔漏失的示功图

①固定凡尔漏失时的示功图该井出油不好，固定凡尔漏。固定凡尔漏失包括：固定凡尔与凡尔座配合不严、凡尔球被砂子刺坏或凡罩内积有砂、蜡等脏物，使凡尔球的起落失灵等原因造成的漏失。这类功图的特点是：增载线比卸载线陡，图形的左下角变圆，右上角变尖，而且漏失越严重，图形的左下角变得愈圆，左上角变得愈尖。第十九页，共四十五页，2022年，8月28日②游动凡尔漏失的示功图

图13为实测游动凡尔漏失的示功图。第四部分实测地面示功图图例分析

图13游动凡尔漏失时的示功图排出部分漏失包括：排出阀球与阀座配合不严；活塞与泵的衬套配合不当；或长期磨损使间隙变大；阀尔罩内积有脏物、砂、蜡，使阀球起落失灵等原因造成的漏失。这类功图的特点是：卸载线与增载线陡，图形的左下角变尖，右上角变圆。当漏失特别严重时，增载线、卸载线和最大载荷线便构成了一条向下方弯曲的圆滑弧线。第二十页，共四十五页，2022年，8月28日③双凡尔漏失如图14，该井泵挂1813m，冲程3m，冲次8次/min，含水54%，日产液16.5t,动液面516m，由于上下阀均漏失，泵效只有24%。这类功图的主要特点是：四角消失，中间粗；两头尖，形如梭状。第四部分实测地面示功图图例分析

第二十一页，共四十五页，2022年，8月28日

3.抽油杆断脱时的实测示功图抽油杆断脱时，光杆只承受断裂上部抽油杆在液体的重力，因而示功图形成长条，长条图形越向上，表示断脱位置越向下。抽油杆断脱时，产液量为零，如图15。第四部分实测地面示功图图例分析

抽油杆断脱时，光杆只承受断裂上部抽油杆在液体的重力，因而示功图形成长条，长条图形越向上，表示断脱位置越向下。抽油杆断脱时，该井的产液量为零。实例：该井不出油，地面功图判断是抽油杆上部断。泵挂深度1489m，Ф38mm,冲程2.4m,冲数6次/min,动液面716m.15304560图15抽油杆断脱时的实测示功图1.50.72.23.0KN第二十二页，共四十五页，2022年，8月28日4.油井结蜡时的实测示功图结蜡严重的井,不论是深井或浅井,只要结蜡就有增载的特征,发现示功图有“结蜡”的宽度,示功图有此类特征时,热洗一般无效,应尽快检泵清蜡。第四部分实测地面示功图图例分析

如图16，该井泵挂深度1230m，Ф44mm,冲程3m,冲数8次/min,动液面1278m，日产液9t，含水18.5%，有结蜡特征如图16。图16油井结蜡时的实测示功图第二十三页，共四十五页，2022年，8月28日

5.深井泵受气体影响时的实测示功图第四部分实测地面示功图图例分析

图17深井泵气体影响的示功图如图17所示，该井泵挂深度1678m，Ф38mm,冲程2.6m,冲数8次/min,动液面1417m，日产液4.5t，含水75%，泵效16.9%，从功图判断，该井受气体影响。第二十四页，共四十五页，2022年，8月28日6.油井供液不足时的实测示功图如图18，该井泵深1006m，沉没度200m，由于油层供液能力差，沉没度小，本图特点是供液不足，抽油杆有振动。第四部分实测地面示功图图例分析

图18油井供液不足时的示功图7.机械性跳动时的实测示功图某井，出油正常，图形为大齿形特征，为抽油机变速箱内的轴键磨损串动而振动。图19外界因素造成机械跳动时的示功图第二十五页，共四十五页，2022年，8月28日

8.正常抽油、有振动影响时的实测示功图第四部分实测地面示功图图例分析

图20正常抽油、有振动影响的示功图

如图20,该井泵挂深度1517m，Ф44mm,冲程2.6m,冲数9次/min,动液面1051m，日产液30.5t，含水71.4%，生产正常,泵阀不漏，抽油杆柱有振动影响。对于抽油杆柱有明显振动的井，要注意避免“共振”造成经常断脱。第二十六页，共四十五页，2022年，8月28日

9.正常抽油、抽油机平衡重没有调整好的实测示功图抽油机平衡重调整合适，可以运转平稳和节能。油井生产平衡的地面示功图，其上行曲线与下行曲线呈相同波幅的阻尼曲线，如果平衡太轻，下冲程较快，下行曲线波幅较大；如果平衡太重，杆柱上行较快，上行曲线的波幅较大。该井抽油机平衡偏轻（图21），油井生产正常，泵阀不漏。该井泵生产正常，泵阀不漏（图22），上行快，抽油机平衡偏重。第四部分实测地面示功图图例分析

图21平衡偏轻时的示功图图22平衡偏重量时的示功图第二十七页，共四十五页，2022年，8月28日

10.油管漏失时实测示功图该井产量明显减少、泵效低，用蹩压的方法证实蹩不起压力，而套管环空的动液面却在升高。第四部分实测地面示功图图例分析

井下泵功图在停抽后图形面积减小，减少的面积与正常功图时的面积是平行减少，最大载荷线下降，最小载荷线不变。第二十八页，共四十五页，2022年，8月28日

第四部分实测地面示功图图例分析

图24油井出砂时的示功图

11.油井出砂时的实测示功图11.油井出砂时的实测示功图

受砂影响的示功图上明显见到“小牙齿”形的不规则齿状，深井泵寿命短，免修期短。该功图是不出油的，固定凡尔上卡死在罩内，进油部位砂堵。12.纯钢杆与玻杆的正常示功图对比图26玻杆的理论示功图图25纯钢杆的理论示功图第二十九页，共四十五页，2022年，8月28日

左上图为最理想的地面示功图（无气、多水、供液充足的正常示功图），充满系数100％，特征为平行。右上图为游动阀关闭迟缓，明显减产的示功图，特征为图形在上位置呈方形缺损。左下图为游动阀漏失的示功图，曲线左上部分有圆形缺损，有时右上角也呈圆形缺损；若是游动阀或阀座被严重刺坏，上部曲线则呈圆形（图中虚线）形状。右下图是柱塞受油井出砂影响，容易卡泵时的示功图，特征为上、下曲线没有明显的“阻尼”状，而是呈“小牙齿”状的不规则、不重复的示功图。第三十页，共四十五页，2022年，8月28日

左上图为受蜡影响、产量下降的示功图，上、下冲程的曲线呈不规则的“大牙齿”状。右上图为管线内堵塞或井口闸门没有开通时的示功图，其特征为上行载荷增加，曲线平行。左下图的上、下行曲线呈凸状，是由于油稠，由于上、下冲程的行程中间速度较快，阻力大所致。右下图表示泵挂较深的井，冲数快造成图形倾斜，是由于动载增大，冲程损失增加。第三十一页，共四十五页，2022年，8月28日

左上图为泵固定阀漏失的示功图。示功图左下方呈圆形缺损；如果阀或阀座被严重刺坏时，不出油，下行曲线呈图中虚线形状。右上图为进油部位堵塞，示功图左下角多一面积，且下行曲线呈圆弧形，油井不出油，井口检查为软性碰泵，不出油。左下图是动力仪操作问题或是测试仪器有问题时所测得的图，左下部位呈三角形缺损，其实油井生产正常。右下图为防冲距太小，柱塞在下冲程近下死点处发生硬性碰泵。对于这类井应该及时停抽，重对防冲距，避免长时间碰泵而撞掉泵筒发生落井事故。第三十二页，共四十五页，2022年，8月28日

左上图在上冲程运动时曲线产生“斜下”现象，是柱塞与缸套之间的间隙磨大后所测的示功图，该井需要作业换泵。右上图是泵的缸套被磨坏、“拉槽”，上、下曲线呈对称性缺损面积。左下图表明柱塞在上行过程中脱出工作筒，需要下放光杆，对小防冲距。右下图为上碰特征，使用杆式泵时可见右上方长角，此种情况防冲距过大，内工作筒漏油，油井不可能出油，要求对小防冲距，使杆式泵工作筒的“止环”坐严不漏。第三十三页，共四十五页，2022年，8月28日

左上图表明有泵问题严重（衬套间隙磨大，各节缸套“不对中”）,应该及时修井换泵。右上图为油管螺纹漏失时的示功图，油井严重减产或不出油，抽油机停抽时间越长，图形上下平行线距离变小，如果某井油管漏失并且泵阀漏失，图形均有两者特征。左下图上下曲线有对称性凸出，属于一段衬套过紧，但是泵的阀工作正常，不需作业换泵，生产一段时间后就会正常。右下图为有振动特征（抽油机平衡块偏重）时，间隙磨大的地面示功图。第三十四页，共四十五页，2022年，8月28日

左上图为油井沉没度太小，供液不足时的地面示功图。特征为上、下平行、左右平行。右图为多气油井特征，气油比越高，圆弧的曲率半径越大，曲率半径越大，则表明油套管环空内有泡沫段存在，沉没压力偏小，充满不好。气体影响更加严重时会发生“气锁”而不出油。无沉没压力时，见左下图。右下图为多气井，又有机械因素影响，但出油还正常；跳动问题要从地面设备方面去检查，当然有时属于抽油杆接箍的碰挂或摩擦发生的跳动，也有此现象。第三十五页，共四十五页，2022年，8月28日

左上图为斜形向上的“黄瓜状”示功图，属于柱塞卡死在泵筒内不动。若活塞卡死在冲程中部位置，就像此图；若柱塞卡死在冲程下部，图形位置比这还高；若柱塞卡死在冲程上部，图形位置比该图要低。右上图的图形水平，油井不出油；固定阀被卡住(张开着)。上、下运动只是抽油杆带着柱塞运动，没有进油过程，也没有排油过程。左下图属于泵的游动阀和固定阀都发生严重漏失，特征为上行曲线呈凸状，下行曲线呈凹状，油井不出油，需要检泵。右下图为游动阀球卡死（张开着），或是修井作业时柱塞没有下人泵筒，或是井下泄油器被打开，均不出油。第三十六页，共四十五页，2022年，8月28日

左上图为抽油杆断或脱时示功图，油井不出油。抽油杆断脱的示功图有摩擦特征，近于水平状。抽油杆断脱部位不同，图形所处上、下位置不同。右上图为怪形示功图，示功图左边属于正常生产示功图，右边有起伏同步上下，油井出油正常，属于抽油机变速箱内有较大的问题，需要及时修理地面设备。左下图为连抽带喷时的示功图。图形特征为近于水平状，很少有振动波，图形两端有一段曲线近于平行。喷势较大的井，两端还有圆形面积，右下图为图像失真，无法分析，应该重新测图。第三十七页，共四十五页，2022年，8月28日1.定向井故障诊断分析有杆抽油系统的故障诊断技术主要有两部分，一是进行力学分析，将井口实测的光杆示功图抟换成井底泵功图，为故障诊断提供可靠的诊断依据；二是识别泵功图的故障特征，根据故障判别原则判断井下泵的故障。2.判断泵的工作状况及计算泵排量把地面示功图用计算机进行数字处理后，由于消除了抽油杆柱的变形、杆柱的粘滞阻力、振动和惯性