有杆泵采油示功图分析

有杆泵采油示功图分析与应用库尔勒华鹏油田技术服务有限公司2015年12月22日2023/2/3华鹏测试1示功图测试与分析421汇报提纲有杆抽油系统基础3典型示功图特征分析2023/2/3华鹏测试2示功图应用抽油泵主要由泵筒、吸入阀、活塞、排除阀四大部分组成。按照抽油泵在井下的固定方式不同，可分为管式泵和杆式泵。1.1抽油泵2023/2/3华鹏测试3管式泵（油管泵）：外筒、衬套、吸入阀地面组装好并接在油管下部先下入井中，装有排出阀的活塞用抽油杆柱通过油管下入泵中。在下入大泵的井中，活塞直径大于油管内径，先把活塞装入泵筒随油管下入井中，后下入抽油杆柱，利用“脱节器”与活塞对接。特点：结构简单，成本低；相同油管直径下允许下入的泵径大，排量大；检泵时必须起下管柱，修井工作量大；适用于下泵深度不大，产量较高的井。1.1抽油泵2023/2/3华鹏测试4杆式泵：常用的定筒式顶部固定杆式泵：有内外两个工作筒，外工作筒上端装有椎体座及卡簧（卡簧的位置为下泵的深度），下泵时把外工作筒随油管先下入井中，然后把装有衬套、活塞的内工作筒接在抽油杆的下端下入到外工作筒中并由卡簧固定。定筒式顶部固定杆式泵：其固定点在泵筒的顶部。动筒式底部固定杆式泵：将活塞固定在底部，由抽油杆柱带动泵筒上下往复运动抽油。特点：结构复杂，制造成本高；检泵时不需要起出油管，而是通过抽油杆柱把内工作筒拔出，检泵方便；在相同油管直径下允许下入的泵径较小；适用于下泵深度大，产量较小的油井。1.1抽油泵2023/2/3华鹏测试5液压反馈抽稠泵：1.2抽油泵工作原理2023/2/3华鹏测试6当活塞上行时，游动凡尔受油管内活塞以上液柱的压力而关闭，同时固定凡尔由于泵筒内压力下降，被油套环形空间液柱压力顶开，井内液体进入泵筒内，充满活塞上行所让出的空间。当活塞下行时，由于泵筒内液柱受压，压力增高，而使固定凡尔关闭，当泵筒内压力超过油管内液柱压力时，游动凡尔被顶开，液体从泵筒内经过空心活塞上行进入油管。在一个冲程中，深井泵完成一次进油和一次排油过程。活塞不断运动，游动凡尔与固定凡尔不断交替关闭和顶开，井内液体就不断进入工作筒，从而上行进入油管，最后到达地面。泵工作过程中，活塞是主动件，通过改变泵内容积的大小来改变泵内压力；泵阀是从动件，仅当满足阀球下方压力大于其上方压力时阀打开，让液体通过阀座孔向上流，否则阀关闭阻止液体向下流。上冲程：井中原油进泵，同时在井口排出液体；下冲程：泵中液体排到活塞上方的油管中，同时由于光杆进入泵筒，在井口挤出相当于光杆体积的液体。2023/2/3华鹏测试7游动阀（排出阀）：装在抽油泵柱塞上随柱塞作往复运动可将泵内液体排出的单向球阀。固定阀（吸入阀）：随泵筒固定在油管柱上，井内流体可通过它进入泵内的单向阀。阀罩：深井泵阀用于限制阀球运动范围的部件。防冲距：为防止深井泵工作过程中柱塞与固定阀发生碰撞，在下泵时将柱塞座于固定阀上，再上提抽油杆柱的距离。其值必须大于杆柱自重伸长与冲程损失之和。余隙空间：深井泵柱塞在下死点位置时，固定阀与游动阀之间的泵内容积。柱塞配合间隙：柱塞外径与泵筒内径（或衬套）之间的配合间隙。冲程损失：深井泵工作时，由于抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩而引起的光杆冲程与柱塞冲程之差。惯性载荷：由于抽油杆柱和油管中的液柱随悬点作变速运动所产生的惯性力在悬点上引起的载荷。抽油杆柱的振动：在抽油过程中，液柱载荷周期性作用在抽油杆柱上引起抽油杆柱的纵向振动。抽油杆柱的固有频率：抽油过程中抽油杆柱自身振动的频率。振动载荷：它是由于液柱载荷周期性地作用在抽油杆柱上，使抽油杆柱发生弹性振动而在悬点产生的附加载荷。1.3常用语解释抽油杆：起连接抽油机与抽油泵并把抽油机的动力传递给抽油泵的作用，在抽油装置中抽油杆是中间部分。根据化学成分，可分为碳钢抽油杆、合金钢抽油杆及玻璃钢抽油杆等类型，合金钢抽油杆在强度和抗腐蚀性能方面都优于碳钢抽油杆，而玻璃钢抽油杆的抗腐蚀性能优于钢制抽油杆。根据抽油杆在抽油杆柱中所起的作用，抽油杆又可分为光杆、普通抽油杆和加重杆三类。1.4抽油杆和悬绳器2023/2/3华鹏测试8光杆：光杆是抽油杆柱中最上端的一根抽油杆，其表面光滑。驴头位于下死点时，光杆伸入密封盒以下的长度称为方入；密封盒以上到悬绳器之间的光杆长度称为方余。光杆的方入要大于光杆冲程。加重杆：把泵以上几十米的抽油杆柱直径加粗，称为加重杆。加重杆是两端带抽油杆螺纹的实心圆钢杆，一端车有吊卡颈和打捞颈。下冲程时液体通过游动阀时的摩擦阻力，向上顶托活塞，减小悬点载荷，使活塞与泵连接处的几根抽油杆受到压缩力作用发生弯曲，长时间的弯曲拉直运动会加速这部分抽油杆的疲劳破坏。悬绳器：是连接光杆和绳辫子的工具，由上下两块扼板组成，通过楔形卡瓦固定。悬绳器在抽油机工作时，承担着整个工作载荷，在测示功图时安装测试传感器。1.5光杆冲程与液面2023/2/3华鹏测试9光杆从上死点到下死点的距离称为光杆冲程长度（光杆冲程、悬点冲程）。曲柄转一周，悬点完成一个上冲程和一个下冲程，活塞上下抽汲一次，称为一个冲次。每分钟的冲次数称为冲数或冲速。光杆冲程大于活塞冲程静液面：关井后油套环形空间中的液面恢复到静止时的液面。从井口到静液面的距离称为静液面深度油层中部井深到静液面的距离称为静液面高度动液面：油井生产期间，油套环形空间的液面。从井口到动液面的距离称为动液面深度油层中部井深到动液面的距离称为动液面高度沉没深度：表示泵的吸入口沉没在动液面以下的深度，其大小应根据气油比的高低、原油进泵所需要的压头的大小来确定。1.6采油指数2023/2/3华鹏测试10机抽井采油指数J=Q/（油层静压-井底流压）=Q/原油密度×g（动液面深度-静液面深度）令K=J×原油密度×g=Q/（静液面高度-动液面高度）=Q/(动液面深度-静液面深度)为“米采油指数”。Q-原油日产量（t/d）；K-米采油指数（t/d×m）则日产量Q=K×（静液面高度-动液面高度）=K×(动液面深度-静液面深度)米采油指数K和采油指数J一样，也表示单位生产压差下的原油日产量，只是米采油指数的生产压差是用液柱高度差或液面深度差来表示的。套压为零时，油层压力（静压）与静液面的关系：油层中部静压=原油密度×g×（油层中部井深-静液面深度）（即静液面高度）套压为零时，油层压力（流压）与动液面的关系：油层中部流压=原油密度×g×（油层中部井深-动液面深度）（即动液面高度）1.7折算动液面深度2023/2/3华鹏测试11在抽油机井的生产中，用液面的高低表示油井能量的大小。所以要求定期测量动液面深度，并对动液面进行分析，发现不正常则应及时采取措施。井口套压大于零，测得的动液面不能真实地反映井底流压，不同套压下测得的液面深度也无法比较油井能量的变化。依据流压相等的原理，将套压不为零时测得的动液面折算成套压为零时的动液面即折算动液面。1、井底流压=原油密度×g×（油层中部井深-动液面深度）（套压为零）2、井底流压=环空套压+原油密度×g（油层中深-实测动液面深度）×10-6=原油密度×g×（油层中深-折算动液面深度）×10-6（套压不为零）3、折算动液面深度=实测动液面深度-<环空套压/（原油密度×g）>×10-61.8悬点载荷计算与分析2023/2/3华鹏测试12悬点所承受的载荷是选择抽油设备和分析设备工作状况的重要依据。所谓静载荷一般是指上下冲程过程中不随悬点位移变化的载荷，包括杆柱载荷和液柱载荷。1、抽油杆柱载荷上冲程，悬点承受着整个抽油杆柱的重力。下冲程，游动阀打开，作用在油管柱上的液体对抽油杆柱产生浮力作用，悬点的杆柱载荷等于抽油杆柱的重力减去杆柱所受到的浮力大小。2、液柱载荷上冲程，游动阀关闭，活塞带着液体向上移动，在悬点上产生液柱载荷。悬点在上冲程所承受的静载荷为：抽油杆柱载荷（抽油杆柱的重力）+液柱载荷；下冲程过程中，液柱载荷从抽油杆柱转移到了油管柱上，悬点只承受抽油杆柱在液体中的重力。3、其他静载荷：沉没压力对悬点载荷的影响，上冲程中，吸入压力作用在活塞底部而产生向上的载荷；井口回压对悬点载荷的影响，液流在地面管线中的流动阻力所产生的井口回压对悬点将产生附加的载荷，此附加载荷上冲程时会增加悬点载荷，下冲程时会减小悬点载荷。1.8悬点载荷计算与分析2023/2/3华鹏测试13动载荷是随悬点位移或速度变化的载荷，包括惯性载荷、摩擦载荷及振动载荷。1、惯性载荷上冲程的前半冲程，悬点向上加速运动，惯性力向下，增加悬点载荷；后半冲程悬点向上减速运动，惯性力方向向上，减小悬点载荷。（上冲程的前半冲程作加速度逐渐减小的向上加速运动；上冲程的后半冲程作加速度逐渐增大的向上减速运动。）下冲程的前半冲程，悬点向下加速运动，惯性力向上，减小悬点载荷；后半冲程，悬点向下减速运动，惯性力向下，增加悬点载荷。（下冲程的前半冲程作加速度逐渐减小的向下加速运动；下冲程的后半冲程作加速度逐渐增大的向下减速运动。）2、摩擦载荷：抽油杆柱和油管柱的摩擦力；活塞与衬套之间的摩擦力；液柱与抽油杆柱之间的摩擦力，发生在下冲程，方向向上，减小悬点载荷；液柱与油管之间的摩擦力，发生在上冲程，方向向下，增加悬点载荷；液体通过游动阀时的摩擦阻力，发生在下冲程，方向向上，减小悬点载荷，是造成下冲程时下部抽油杆柱受压缩弯曲的主要原因。1.8悬点载荷计算与分析2023/2/3华鹏测试143、振动载荷抽油杆柱特别是钢质抽油杆柱属于弹性体，本身存在自由振动频率。（当抽油杆柱在运动过程中产生冲击载荷时，极易引起抽油杆柱的自由振动。）抽油杆柱又在不停地做周期性的强迫振动，如果自由振动频率等于或接近强迫振动频率时，会产生剧烈的振动载荷。示功图测试与分析421汇报提纲有杆抽油系统基础3典型示功图特征分析2023/2/3华鹏测试15示功图应用2.1机采井测试要求2023/2/3华鹏测试16机采井测试是为了了解油层、油井的变化情况和井下设备的工作状况；根据测试资料分析判断机采井工作制度是否合理，找出影响泵效或油抽不出来的原因，确定合理的采油工艺措施和检泵周期。2023/2/3华鹏测试172.2理论示功图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(考虑了抽油杆柱和油管柱的弹性形变)。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．气体和充不满对示功图的影响；2．漏失对示功图的影响；3．柱塞与卡对示功图的影响4．带喷井的示功图；5．抽油杆脱落对示功图的影响；1）每口井测5个示功图，并且其中至少有3个是连续的，图适中清洁，线条清楚、连贯，图形封闭。2）每张图均有固定基线，基线平直。3）每张图上要填写井号、压力、力比、减程比、日期等。2023/2/3华鹏测试18悬点冲程（m）2.2理论示功图悬点载荷（KN）加载线卸载线冲程损失冲程损失2023/2/3华鹏测试2.2理论示功图P静(最大)：光杆（驴头）承受的最大负荷（KN）；P杆：抽油杆在液体中的重量（KN）；P液：抽油泵活塞以上液柱重量（KN）；λ：冲程损失（m）；λ1：抽油杆伸缩长度（m）；λ2：油管在井中伸缩长度（m）；AB为抽油机上行加载线（增载线），BC为活塞上行冲程线，CD为抽油机下行卸载线(减载线)，DA为活塞下行冲程线，ABCD所圈闭的面积为深井泵做功的面积。S光：光杆行程，数值上代表地面实际冲程。在理想状况下，只考虑驴头所承受的静载荷所引起的抽油管柱及油管柱的弹性变形，所绘制的示功图叫理论示功图。绘制理论示功图的目的是为与实测示功图比较，找出负荷变化差异，判断深井泵及地层的工作情况。2023/2/3华鹏测试202.3动载荷影响的理论示功图在实际生产中抽油杆要承受动载荷、静载荷的影响：动载荷受（惯性载荷、抽油杆运动时的振动、柱塞与泵筒的摩檫、液体粘滞力、接箍与油管的硬摩擦、冲数较高等）因素影响，使原本正常的图形按顺时针方向发生偏转，动载的大小与上下行程线与水平线的夹角成正比。井深、油稠、冲次快、回压高都可使动载增大，但只要ab∥cd且bc∥ad说明泵工作正常。2023/2/3华鹏测试212.3动载荷影响的理论示功图考虑惯性载荷时，是把惯性载荷叠加在静载荷上。A为不考虑抽油杆柱和液柱的弹性对它们在光杆上引起的惯性载荷的影响，作用在悬点上的惯性载荷的变化规律与悬点加速度的变化规律是一致的。在上冲程中，前半冲程有一个由大变小的向下作用的惯性载荷（增加悬点载荷）；后半冲程有一个作用在悬点上的由小变大的向上的惯性载荷（减小悬点载荷）；在下冲程中，前半冲程作用在悬点上的有一个由大变小的向上的惯性载荷（减小悬点载荷）；后半冲程则是一个由小变大的向下作用的惯性载荷（增加悬点载荷）。因此，由于惯性载荷的影响使静载荷的理论示功图的平行四边形ABCD被扭歪成A’B’C’D’A。考虑振动时，把抽油杆柱振动引起的悬点载荷叠加在四边形A’B’C’D’上。由于抽油杆柱的振动发生在粘性液体中，所以为阻尼振动。叠加之后在B’C’线和D’A’线上就出现逐渐减弱的波浪线。2023/2/3华鹏测试22抽油泵充满系数：当活塞上行时，进入抽油泵工作筒的液体体积与活塞上行时所让出体积的比值。计算充满系数有两种方法：用直尺量出有效冲程和活塞冲程在图上的长度，便可计算；通过有效冲程长度和活塞冲程长度及减程比的关系计算。充满系数=AE/BC=充满部分/柱塞有效冲程排出系数=AE/A’C=充满部分/光杆冲程排出系数是随着冲程损失的变大而减小，只有排出系数高才代表机抽井泵效高。2.4充满系数和排除系数A′BCD充满部分光杆冲程多气时AESP柱塞有效冲程2023/2/3华鹏测试23抽油时(伴随着上冲程的进行)有较多的气体随油进入泵筒：上冲程开始后泵内活塞下部的压力，因气体的膨胀作用，不能很快降低，使增载变缓；（泵筒的余隙越大，残存的气量越多，气体的影响越大，增载线越平缓，吸入阀打开越滞后。）下冲程开始时，因气体受压缩，使得排出阀下面的压力增加缓慢，减载变缓，排出阀滞后打开（D1点），以后才趋于正常。2.5气体影响的示功图2023/2/3华鹏测试24原因一：油层能量低、无法满足泵排量需要，是低产主要原因。方案一：调小冲次，换小泵径加深泵挂；探取砂面数据看油层是否掩盖，根本在于进行油层改造提高产能措施；对于油层供液严重不足又无改造潜力的油井实际上采用的是“加深掏空”来放大采油压差的方式进行小泵深抽直至抽空。原因二：在实际生产中深井泵附件进液部分堵塞也会造成泵内供液不足气体影响和泵筒充不满的示功图，都使减载线变形。气体影响使减载线变成上凸的弧线，充不满示功图如一带把的菜刀。在实际生产中这两种现象往往同时发生在同一图中，应根据动态生产资料，找出主要的影响因素。2.6供液不足时的示功图2023/2/3华鹏测试252.6供液不足时的示功图上冲程时，若吸入的液体未能将工作筒充满，当液体中含气量很小时，下冲程开始，悬点载荷不能立即减小，只有活塞下行碰到液面时才开始减载，减载线和理论示功图的减载线基本平行。当S(光杆冲程)和n(冲数或冲速)较大时，活塞下行速度快，此时碰到液面时会发生振动，产生较大的冲击载荷，“迅速减载”使减载线变陡。2023/2/3华鹏测试26泵功况正常，供液严重不足，已经不出空抽（排出系数、充满系数为零），测液面证实沉没度不到10m。出现这类图形要想提高泵效可能性不大，根本要进行油层改造。2.6供液不足时的示功图减载线与增载线重合，柱塞下移至下死点，下行程结束开始减载。2023/2/3华鹏测试272.7抽油杆断脱时的示功图L断L抽油杆断脱的图形与活塞未下入工作筒、游动阀失灵、固定阀失灵、泵掉落、抽喷强的功图基本相似。一般讲在比重较小的油井左右曲线比较尖，且上下负载波峰几乎没有，稠油井略有变化。D断：抽油杆断脱部位（m）D：抽油杆柱深度（m）L断：实测段脱图形上下负荷线平均中线距基线的距离（mm）L：最小负荷线距基线的距离（mm）D断=D×L断/L2023/2/3华鹏测试282.8泵排液正常活塞砂卡的示功图2023/2/3华鹏测试292.9活塞卡死在泵筒时的示功图多发生在稠油井转抽及检泵作业井上，主要是泵活塞“硬性卡”，出现这种情况一般不易排除且泵易拉坏损伤。另有井口偏磨或胶皮闸门操作不当造成硬性物落入井中造成泵卡（泵筒掉落物造成活塞上部卡）2023/2/3华鹏测试302.10上下凡尔漏失时的示功图游动阀漏失影响固定阀漏失影响上冲程开始时，活塞下面的压力降低，活塞两端产生压差，活塞上面的液体漏失到活塞下面的工作筒内，使工作筒中活塞下部的压力下降缓慢，悬点载荷不能及时上升到最大值，加载线较平缓（下凹的弧线且斜率逐渐增大）。随着悬点运动速度的加快，活塞上行速度大于漏失速度时，悬点载荷达到最大静载荷值，此时吸入阀打开液体进入泵筒。活塞上行到后半冲程时，上行速度逐渐减慢，当其小于液体漏失速度（漏失增压大于活塞底部固定阀充压）时（C1点），活塞下部工作筒内的压力增加，此时固定阀“提前关闭”。之后，当活塞到达上死点时，悬点载荷降至C11点。B1点为吸入阀打开点，C1点为吸入阀关闭点。2023/2/3华鹏测试312.10上凡尔漏失时的示功图漏失量越多，B1和C1点就越靠近（漏失量大则平衡漏失速度所需的悬点运动速度大、冲程损失大），示功图显示左下角越尖，右上角变得越圆滑。当漏失严重时，吸入阀始终打不开，油井不出油，上负荷线向下负荷线靠近。当排出部分失效时，上负荷线靠近下理论负荷线。2023/2/3华鹏测试322.10下凡尔漏失时的示功图下冲程开始后，由于吸入阀漏失，使泵内压力不能及时升高，延缓了减载过程（和泵内进气导致的具有“压缩性”不同）（如图中的CD1线），同时也使得排出阀不能及时打开。当活塞下行的速度大于漏失速度，泵内的压力上升到足以把排出阀顶开时，减载过程结束（如图中的D1点）。在下冲程的后半冲程，因活塞的移动速度减小，当小于漏失速度时，泵筒内的压力降低，使排出阀“提前关闭”（A1点），悬点载荷此时开始上升，到达下死点时，悬点载荷已增加到了A11点。当吸入部分完全失效时，排出阀一直打不开，“悬点不减载”，下负荷线靠近上理论负荷线。2023/2/3华鹏测试332.11泵正常油管结蜡时的示功图油井结蜡的图形特点与油稠、管线堵有类似相同的地方就是上下行程都超出了最大负荷线，都是因为杆柱磨阻增大造成，结蜡曲线波峰幅度较大，其曲线上下对称且较圆滑。2023/2/3华鹏测试342.12泵正常油稠时的示功图油稠造成抽油泵、杆磨阻增大，凡尔关闭不严，与稀油井上下阀漏失图形相似。稠油井出现这样的图形一般都属于比较正常。这样的图形在稠油井比较普遍特别是在含水不高供液充足进站管线长原油密度较大及初期转抽井上。属于正常。定期洗井加药可减少漏失损失。2023/2/3华鹏测试352.13泵正常回压高时的示功图油井含蜡低、油不稠，管线有堵塞（油嘴堵）或流程闸门未改好，管线回压增高，测图出现上下负荷增大、变小且曲线比较平缓。2023/2/3华鹏测试362.14泵正常油管漏失的示功图油管漏失在上部(不严重）时减产，图形如不同正常图形对比不易引起注意，但在井口憋压停机很容易发现。漏失严重时不出。在发现抽油机负载有所下降产量下降不明显时尤其要注意。特别是产液下降动液面升高时要仔细查找原因。2023/2/3华鹏测试372.15碰泵时的示功图抽油杆断脱的图形与活塞未下入工作筒、游动阀失灵、固定阀失灵、泵掉落、抽喷强的功图基本相似。一般讲在比重较小的油井左右曲线比较尖，且上下负载波峰几乎没有，稠油井略有变化。D断：抽油杆断脱部位（m）D：抽油杆柱深度（m）L断：实测段脱图形上下负荷线平均中线距基线的距离（mm）L：最小负荷线距基线的距离（mm）示功图测试与分析421汇报提纲有杆抽油系统基础3典型示功图特征分析2023/2/3华鹏测试38示功图应用2023/2/3华鹏测试39抽油杆振动严重的井多在泵挂1600m以上，且冲次较快的油井上发生，由于弹性振动传递快，而抽油杆与油管和液体摩檫