抽油机井参数的分析

有杆抽油设备

第四节抽油机井参数的分析与计算第三节抽油机井参数的分析与计算一、抽油机悬点载荷及其计算抽油机工作时驴头悬点始终承受着上下往复变化载荷，如图1－9所示。

1．计算悬点最大和最小载荷的一般公式根据对悬点所承受的各种载荷的分析，抽油机工作时，上、下冲程中悬点载荷的组成是不同的。最大载荷发生在上冲程中，最小载荷发生在下冲程中，其值分别如下：Pmax=Wr+W1+Iu+Phu+Fu+PvPmin＝W／r－Id＋Phd－Fd一Pv

如前所述，在下泵深度及沉没度不很大、井口回压及冲数不甚高的稀油直井内，在计算最大和最小载荷时，通常可以忽略Pv、Fu、、Ph及液柱惯性载荷。

图1－9抽油机井示意图2．静载荷：以物理学分析的方法，这种交变载荷可分为静载荷、动载荷、摩擦载荷，而理论和现场实践都已证明摩擦载荷与静载荷、动载荷相比可以忽略不计，所以这里首先重点介绍静载荷。是指不随运动变化的载荷。由图9可知，抽油机上行(上冲程)时，游动阀是关闭的，悬点(光杆)所受静载荷为(抽油杆重、活塞截面以上的液柱重)静载荷的计算(1)抽油杆(柱)重：Wr＝frρ杆gL(2)活塞上的液柱载荷：Wl＝(F一fr)ρgL(3)在液体中抽油杆(柱)重：W／r＝fr(ρ杆一ρ)gL(4)悬点的静载荷由上分析可知，上冲程时悬点的静载荷P上＝Wr+Wl＝frρ杆gL+(F一fr)ρgL=fr(ρ杆一ρ)gL+FρgL

=W／r+W／l下冲程时悬点的静载荷P下＝W／r二、抽油机井理论示功图

（又称为静力示功图）抽油机井理论示功图是描绘抽油机井驴头悬点载荷与光杆位移的关系曲线，它是解释前面介绍的抽油泵(深井泵)抽吸状况最有效的手段，其基础是理论示功图。

图1－10抽油机井理论示功图1．理论示功图理论示功图是在一定理想条件下绘制出来的，主要是用来与实测示功图进行对比分析，以此来判断深井泵的工作状况。其理想条件为：1)假设泵、管没有漏失，泵正常工作；2)油层供液能力充足，泵充满程度良好；3)不考虑动载荷的影响；4)不考虑砂、蜡、稠油的影响；5)不考虑油井连抽带喷；6)认为进入泵的液体是不可压缩的，阀是瞬时开闭的。这样抽油机井驴头悬点光杆处载荷与位移的关系建立在直角坐标系的图形就称为理论示功图，如图1－10所示。

（1）静载荷的变化规律分析图1－11抽油杆和油管弹性伸缩示意图由此，悬点的有效冲程即柱塞工作冲程：

Sp＝S－(λr+λt)＝S一λ式中λ——冲程损失。λ值可以根据虎克定律来计算：注意，抽油杆柱和油管柱的自重伸长在泵工作的整个过程中是不变的，因此，它们不会影响柱塞冲程。2、理论示功图的分析图1－l0中各条曲线的意义分别是：由ABCD构成的平行四边形就是理论示功图，纵坐标为悬点载荷，横坐标为冲程。AB线段为增载线，即驴头从下死点(A)开始上行，游动阀关闭，活塞以上油管内液柱重Wl和杆重Wr都作用于驴头悬点上，并使杆(变长)、管(减载荷缩短)发生弹性变形，直到B点极限，活塞并没有跟着光杆发生位移，而这一段变形量就称为冲程损失入，包括杆损λr，和管损λt，此过程中固定阀并没有打开,直到B点。BC线段为上载荷线，即杆管弹性变形结束，载荷增至最大(W上＝Wr

／

+W1／)，活塞开始跟光杆同步上行至上死点C，此过程中固定阀打开，泵筒进油(液)，井口排液，此过程为上冲的有效冲程；到达C点后，上冲程完毕，开始下冲程。

CD线段为卸载线，即驴头开始下行，游动阀仍处于关闭状态，但固定阀开始关闭。此时悬点载荷在变小，杆管与前一过程发生相反的弹性变形，直至D点活塞并没有跟着杆一起下行，其冲程损失也是λ＝(λr+λt)。DA线段为下载荷线，即杆管弹性变形结束，载荷降至最小(Wr

／)，活塞开始跟光杆同步下行至下死点A，此过程中固定阀关闭，游动阀打开，油管进液，此过程为下冲程的有效冲程。图1－10中AC为光杆冲程，AD为活塞冲程。

三．实测示功图实测示功图是由专门测试仪器在抽油机井口悬绳器处测得，如图1－l2所示。是由测试记录笔画的不规则的封闭曲ABCD和预先设定的基线(S)组成，纵坐标方向表示驴头悬点载荷的大小。横坐标表示悬点的相对位移。

图1－12抽油机井实测示功图实测最大载荷和最小载荷由图形中最高、最低位置B、D点量出高度，再由测试仪的力比(实际值与图上数值的比)就可以计算出本井悬点实测最大载荷和最小载荷。由图形中A点到C点横向(水平)量出其长度，再由测试仪的减程比(实际长度值与图上数值的比)就可以计算出本井光杆的最大冲程。抽油机井实测示功图对抽油机井的日常管理和抽油状况分析是相当重要的，生产现场可对实测的示功图与该井的理论示功图进行对比分析。

把理论示功图绘制在实测示功图上的方法(1-)以实测示功图的基线(冲程线)为横坐标，在基线的左端作纵坐标表示载荷线(光杆载荷)；(2)根据油井抽吸参数计算出W/r和W/l的值，计算公式见上述。然后再由测试仪器(动力仪)的力比计算出W/r和W/l在示功图上的值；(3)冲程损失的计算：计算公式见前述。由于其计算较复杂，现场多数不进行具体数值计算，实际上也不影响分析；(4)根据W/r和W/l在示功图上的数值大小，画在实测示功图上，其横向长短与基线相同，如图11中的虚线A／D／与B'C／。

3．考虑惯性载荷和振动载荷后的理论示功图

在实际计算惯性载荷时，通常只计算其最大值。其经验计算公式为：Imax=WrSn2/1440图1－13考虑惯性和振动后的理论示功图4、驴头悬点最大载荷、最小载荷的计算根据抽油机运动的特点，抽油机在上下冲程中悬点载荷是不同的，上冲程时为最大载荷，下冲程时为最小载荷。在忽略摩擦载荷和振动载荷的条件下，其计算公式如下：Pmax＝Wr

／

+W1／

+ImaxPmin＝Wl’一Imax如果把抽油机驴头悬点看作曲柄滑块机构运动，曲柄旋转半径与连杆长度之比为1／4，且只考虑液柱、杆及杆柱惯性载荷时，可用下列经验公式进行计算：Pmax＝Wl+Wr(b+Sn2／1440)。Pmin、＝Wr(b一Sn2／1440)式中，b＝1一ρ液／ρ钢如果把抽油机驴头悬点看作简谐运动，并考虑液柱的惯性载荷时，可用下列经验公式进行计算：Pmax＝(Wl+Wr)(1+Sn2／1790)Pmin＝Wr(1一Sn2／1790)经过以上分析，可以得出以下结论：一般情况下，游梁式抽油机悬点的最大载荷发生在上冲程静变形结束后的一瞬间；最小载荷发生在下冲程静变形结束后的一瞬间。

四、典型的实测示功图分析典型示功图是指某一因素的影响十分明显，其形状代表了该因素影响下的基本特征的示功图。在实际情况下，虽然有多种因素影响示功图的形状，但总有其主要因素，所以，示功图的形状也就反映着主要因素影响下的特征。

1、气体和余隙容积对示功图的影响

余隙越大，残存的气量越多，泵口压力越低，则吸入阀打开滞后得越多，即BB／线越长。下冲程时，气体受压缩，泵内压力不能迅速提高，卸载变慢(如CD／)，使排出阀滞后打开(D／点)。泵的余隙越大，进入泵内的气量越多，则DD／线越长，示功图的“刀把”越明显。当进泵气量很大而沉没压力很低时，泵内气体处于反复压缩和膨胀状态，吸入和排出阀处于关闭状态，出现“气锁”，如图1－14的点画线所示。但气锁会因沉没压力升高而自动解除。气体和余隙容积使泵的有效冲程变小，示功图面积变小，泵效降低。

图11－14有气体影响的示功图2、沉没度的影响当沉没度过小及供油不足使液体不能充满工作筒时的示功图如图1－15所示。充不满的图形特点是下冲程中悬点载荷不能立即减小，只有当柱塞遇到液面时，才迅速卸载。所以，卸载线较气体影响的卸载线(图1－14)上的凸形弧线(CD／)陡而直。有时，当柱塞碰到液面时，振动载荷线会出现波浪。快速抽汲时往往因撞击液面而发生较大的冲击载荷，使图形变形得很厉害。

图1－15沉没度太小的示功图3．漏失对示功图的影响1)游动阀、柱塞与泵筒间的漏失

由于游动阀、柱塞与泵筒间漏失的影响，固定阀在B’点才打开，滞后了BB／这样一段柱塞行程；而在接近上冲程时又在C／点提前关闭。这样柱塞的有效吸入冲程为B／C／，在此情况下使示功图变小，泵效降低。当漏失量很大时，由于漏失液体对柱塞的“充填”作用很大，上冲程载荷远低于最大载荷，如图1－16中的AC／”所示，吸入阀始终是关闭的，泵的排量等于零，泵效为零。

图1－16泵排出部分漏失的示功图2)固定阀漏失下冲程开始后，由于固定阀漏失，泵内压力不能及时提高而延缓了卸载过程(图1－17的CD／线)，同时使游动阀不能及时打开。只有当柱塞速度大于漏失速度后，泵内压力提高到大于液柱压力，才将排出阀打开，而卸去液柱载荷。下冲程的后半冲程中因柱塞速度减小，当小于漏失速度时，泵内压力降低使游动阀提前关闭(A／点)，悬点提前加载。到达下死点时，悬点载荷已增加到A”。由于固定阀的漏失而造成排出阀打开滞后(DD／)和提前关闭(A／A)，活塞的有效排出冲程为D／A／。这种情况下使泵效降低。图1－17固定阀漏失极限情况当吸入阀严重漏失时，排出阀一直不能打开，悬点不能卸载(图1－18)。吸入部分和排出部分同时漏失时的示功图是分别漏失时的图形的叠合，近似于椭圆形(图1－19)。图1－18固定阀严重漏失图11－19吸入阀和排出阀同时漏失4．柱塞遇卡的示功图柱塞在泵筒内被卡死在某一位置时，在抽汲过程中柱塞无法移动而只有抽油杆的伸缩变形，图形形状与被卡位置有关。图1－20为柱塞卡在泵筒中部时的实测示功图。上冲程中，悬点载荷先是缓慢增加，将被压缩而弯曲的抽油杆柱拉直，到达卡死点位置后，抽油杆柱受拉而伸长，悬点载荷以较大的比例增加。下冲程中，先是恢复弹性变形，到达卡死点后，抽油杆柱被压缩而发生弯曲。所以，在卡死点的前后段，悬点以不同的比例增载或减载，示功图出现两个斜率段。

图1-20活塞卡在泵筒中部4．带喷井的示功图对于具有一定自喷能力的抽油井，抽汲实际上只起诱喷和助喷作用。在抽汲过程中，游动阀和固定阀处于同时打开状态，液柱载荷基本加不到悬点。示功图的位置和载荷变化的大小取决于喷势的强弱及抽汲液体的粘度。图1－21和1－22为不同喷势及不同粘度的带喷井的实测示功图。

图1-21喷势强、油稀带喷图1-22喷势弱、油稠带喷5．抽油杆断脱的示功图抽油杆断脱后的悬点载荷实际上是断脱点以上的抽油杆柱重量，只是由于摩擦力的作用，才使上、下载荷线不重合。图形的位置取决于断脱点的位置。图1－23为抽油杆柱在接近中部断脱时的示功图。抽油杆柱的断脱位置可根据下式来估算：L=hC/(bqrg)断脱位置比较低的示功图同有些带喷井的示功图在形状上是相似的。但带喷井泵效高、产量大，而抽油杆柱断脱的井的产量却等于零

图1-23抽油杆断脱6．其它情况油井结蜡及出砂和活塞在泵筒中下入位置不当，都会反映在示功图上。如图1－24及图1－25分别为出砂井和结蜡井在正常抽油时所测得的示功图。图1-24出砂井图1-25结蜡井其他情况图1－26为管式泵活塞下得过高，在上冲程中活塞全部脱出工作筒的油井所测得的示功图。由于活塞脱出工作筒，在上冲程中悬点突然卸载。图1－27为防冲距过小，活塞在，下死点与固定阀相撞的示功图。

图1-26管式