抽油机井示功图分析及应用

抽油机井示功图分析及应用长庆油田公司油气工艺研究院2011年3月（第一讲）一、抽油泵的工作原理二、抽油机井示功图分析三、功图法油井计量技术讲课内容㈠泵的抽汲过程抽油杆柱带动活塞向上运动。游动阀关闭，泵内压力降低。固定阀在沉没压力与泵内压力构成的压差作用下，克服重力而被打开，原油进泵而井口排油。抽油杆伸长加载；油管卸载而缩短。泵内进液的条件：泵内压力(吸入压力)低于沉没压力。⒈上冲程一、抽油泵的工作原理活塞上下运动一次称为一个冲程，分为上冲程和下冲程。⒉下冲程

抽油杆柱带动活塞向下运动。固定阀关闭，游动阀打开，当泵内压力升高到大于活塞以上液柱压力和游动阀重力时，游动阀被顶开，泵内液体排向油管。抽油杆由于卸载而缩短，油管加载而伸长。泵排出的条件：泵内压力(排出压力)高于柱塞以上的液柱压力。

柱塞上下抽汲一次为一个冲程，在一个冲程内完成进油与排油的过程。

一、抽油泵的工作原理在一个冲程内，排出的液体体积：每分钟的冲数为N，则每分钟排量：每日排量:㈡泵的理论排量一、抽油泵的工作原理柱塞在泵内让出容积原油进泵泵内排出原油泵的工作过程

实际产量Q与理论产量Qt的比值

在实际生产中，由于油管、抽油杆的弹性伸缩、气体进泵、砂、蜡等各种因素影响，实际产量往往小于理论排量Qt

。泵效的大小反映了泵的工作状况，泵效越大，泵的工作条件越好。一、抽油泵的工作原理㈢泵效在有杆泵采油过程中，用动力仪测试的地面示功图，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。由于抽油井井下情况复杂，在生产过程中，深井泵将受到制造质量、安装质量，以及砂、蜡、水、气、供液和腐蚀等多种因素的影响，所以，实测示功图的形状很不规则。为了正确分析和解释示功图，常需要以理论示功图及典型示功图为基础，进而分析和解释实测示功图。二、抽油机井示功图分析示功图定义：

由载荷随位移的变化关系曲线所构成的封闭曲线图称为示功图。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。理论示功图定义：

只考虑静载荷作用下的示功图称为理论示功图。典型示功图定义：

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。

二、抽油机井示功图分析s

pABC为上冲程静载荷变化线。AB为加载过程，加载过程中，游动凡尔和固定凡尔处于关闭状态；在B点加载完毕，变形结束，柱塞与泵筒开始发生相对位移，固定凡尔打开而吸入液体。BC为吸入过程（BC=sP为泵的冲程），游动凡尔处于关闭状态。CDA为下冲程静载荷变化线。CD为卸载过程，游动凡尔和固定凡尔处于关闭状态；在D点卸载完毕，变形结束，柱塞与泵筒发生向下相对位移，游动凡尔被顶开、排出液体。DA为排出过程，固定凡尔处于关闭状态。弹性抽油杆静载时的示功图二、抽油机井示功图分析λ——冲程损失，mWl′——抽油泵活塞以上液柱重量，kNWr′——抽油杆在液体中的重量，kNSp——有效行程，mS——光杆行程，m㈠静载荷作用下的理论示功图

循环过程：下死点A加载完成B上死点C卸载完成D下死点A㈡考虑惯性载荷后的理论示功图

考虑惯性和振动后的理论示功图

在实际生产中抽油杆要承受动载荷、静载荷和惯性载荷的影响。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。偏转角二、抽油机井示功图分析

由于存在冲程损失和无效冲程，使得柱塞冲程总是小于光杆冲程。冲程损失是指光杆已发生位移，而柱塞因种种原因还没有位移，因此而损失的冲程即为冲程损失。无效冲程是指柱塞已在运动，因种种原因泵没有起抽汲作用，这部分冲程没有起作用，称之为无效冲程。㈢

冲程分析二、抽油机井示功图分析悬点从下死点到上死点虽然走了冲程长度S，但由于抽油杆柱和油管柱的静变形，抽油泵柱塞冲程损失为⑴静载荷作用下的柱塞冲程损失抽油杆柱和油管柱变形过程L：下泵深度，m；E：钢材弹性模数，Pa；fr：抽油杆截面积，m2；ft：油管管壁断面积，m2；fp：泵柱塞截面积，m2；hd：动液面，m；S：光杆冲程，m；γo：原油重度，N/m3。⒈冲程损失二、抽油机井示功图分析冲程损失与下泵深度成正比，随着下泵深度的增加，冲程损失变大。冲程损失—下泵深度关系曲线Dp:32mmρo:850kg/m3dr:22mmdt:73mmhd:1000m二、抽油机井示功图分析冲程损失与动液面成正比。随着动液面的降低，冲程损失增加，当动液面下降到泵吸入口时，冲程损失最大。冲程损失—动液面关系曲线Dp:32mmρo:850kg/m3dr:22mmdt:73mmL:2500m二、抽油机井示功图分析冲程损失与抽油泵泵径成正比，泵径越大，冲程损失越大。不同泵径冲程损失—下泵深度关系曲线泵径—冲程损失关系ρo:850kg/m3dr:22mmdt:73mmhd:1000mdt:73mmρo:850kg/m3dr:22mmL:1800mhd:1000mdt:73mmρo:850kg/m3dr:22mmL:2000mhd:1000m二、抽油机井示功图分析冲程损失与抽油杆直径成反比，抽油杆越细，冲程损失越大。不同杆径冲程损失—下泵深度关系曲线ρo:850kg/m3

Dp:32mmdt:73mmhd:1000mdt:73mmρo:850kg/m3Dp:32mmL:1800mhd:1000m杆径—冲程损失关系曲线二、抽油机井示功图分析⑵惯性载荷作用下的柱塞冲程与静载变形情况相反，惯性载荷作用使柱塞冲程增加。当悬点到达上死点后，抽油杆在惯性力的作用下会带着柱塞继续上行，使柱塞比静载变形时向上多移动一段距离。当悬点下行到下死点后，抽油杆的惯性力向下，使抽油杆柱伸长，柱塞比静载变形时向下多移动一段距离。λi：惯性载荷作用增加的柱塞冲程；Wr：抽油杆柱在空气中重力，N；S：光杆冲程，m；n：冲次，min－1；L：下泵深度，m；fr：抽油杆截面积，m2；E：钢材弹性模数，Pa。增加的柱塞冲程二、抽油机井示功图分析抽油杆柱和油管柱变形过程尽管惯性载荷引起的抽油杆的变形使柱塞冲程增大，有利于提高泵效，但增加惯性载荷会使悬点最大载荷增大，最小载荷减小，使抽油杆受力条件变坏。所以，通常并不用增加惯性载荷(快速抽汲)的办法来增加柱塞冲程。dr:22mmqr:3.07kg/mL:2000mn:2.5min-1dr:22mmqr:3.07kg/mL:2000mS:3m光杆冲程—冲程增加关系曲线冲次—冲程增加关系曲线二、抽油机井示功图分析不论是上冲程还是下冲程，抽油杆柱振动引起的伸缩对柱塞冲程的影响都是一致的，即要增加都增加，要减小都减小。至于究竟是增加还是减小，取决于抽油杆柱自由振动与悬点运动引起的强迫振动的相位配合。对于油井来说，都有一个配合的不利区域，在此区域内，由于抽油杆柱本身的振动，将减小柱塞冲程。⑶振动载荷作用下的柱塞冲程二、抽油机井示功图分析抽油杆为细长杆，在轴向压力作用下稳定性较差。抽油杆受轴向压力和失稳状态下的变形，会造成抽油泵在下冲程时与抽油机运动不同步，即抽油泵柱塞实际行程小于抽油机光杆冲程。⑷抽油杆弯曲引起的冲程损失抽油杆长度与临界压力关系曲线二、抽油机井示功图分析⑴漏失对冲程的影响⒉无效冲程漏失量与柱塞上、下端压差关系曲线抽油泵间隙漏失量：ql：间隙漏失量，m3/d；dp：泵径，m；δ：单面间隙，m；μ：动力粘度，Pa.s；l：柱塞长度，m；Δp：柱塞上、下端压差；Pa。长庆油田渗透率低，原油粘度小，油井动液面低即抽油泵柱塞上、下端压差较大，泵的间隙漏失应加以重视。二、抽油机井示功图分析⑵气体和充不满对冲程的影响油井生产时产出的伴生气部分进入泵筒，占据泵筒有效空间，减少进泵液量，形成吸入过程的无效冲程，而且这部分游离气在柱塞由上死点下行时受压缩，不像液体受压时压力很快上升，达不到柱塞上部液柱压力时，游动阀打不开，不能进行排液，当泵筒中全部充满气体时，游动阀始终打不开，形成气锁。液体进泵阻力大或者供液不足，造成充不满，也形成吸入过程的无效冲程。二、抽油机井示功图分析⒊实际产液量与冲程的关系二、抽油机井示功图分析从下图的对比中可以看出，实际产量与冲程损失是直接有关的。

为了提高油井产液量，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。PSABDB’C㈢典型示功图⒈气体和充不满对示功图的影响⑴气体影响示功图充满系数：二、抽油机井示功图分析气锁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”现象。D'⑵充不满影响的示功图

充不满现象：地层产液在上冲程末充满泵筒的现象。

液击现象：泵充不满生产时，柱塞与泵内液面撞击引起抽油设备受力急剧变化的现象。二、抽油机井示功图分析PSABDCD'123PSABD⑴排出部分的漏失

⒉漏失对示功图的影响包括：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。柱塞的有效吸入行程：泵效：B’C’C二、抽油机井示功图分析A'PSABDCD'B’二、抽油机井示功图分析⑵吸入部分漏失

柱塞的有效吸入行程：泵效：

包括：固定凡尔与凡尔座配合不严、凡尔球被砂子刺坏或凡尔罩内积有砂、蜡等脏物，使凡尔球的起落失灵等原因造成的漏失。

双凡尔漏失说明球阀不严而产生少部分漏失但油井仍然出液，有一定减产。对这类功图要看下泵时间长短是否疲劳磨损、腐蚀等，一般为脏物蜡块卡垫造成球阀不严，后者可轻微碰泵或洗井。对生产时间超常的油井大多是阀球、阀座磨损、剥蚀必须换泵。漏失大必须及时换泵恢复正常生产。游动阀漏失影响固定阀漏失影响⑶双凡尔漏失

双凡尔漏失二、抽油机井示功图分析⒊活塞遇卡的示功图

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。

活塞卡在泵筒中部二、抽油机井示功图分析⒋带喷井的示功图在抽汲过程中，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。二、抽油机井示功图分析喷势强、油稀带喷的示功图喷势弱、油稠带喷的示功图⒌抽油杆断脱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，才使上下载荷线不重合。长条图形越向上，表示断脱位置越向下。L断LD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。L断.DLD断

=抽油杆断脱二、抽油机井示功图分析⒍结蜡由于油井结蜡，使活塞在整个行程中或某个区域增加一个附加阻力，上冲程，附加阻力使悬点载荷增加；下冲程，附加阻力使悬点载荷减小，并且会出现振动载荷，反映在示功图上，上下载荷线上出现波浪型弯曲。二、抽油机井示功图分析

⒎活塞脱出工作筒二、抽油机井示功图分析

由于活塞下的过高，在上冲程中活塞会脱出工作筒，悬点突然卸载，因此卸载线急剧下降。另外由于突然卸载，引起活塞跳动，反映在示功图中，右下角为不规则波浪形曲线。活塞上行脱出工作筒确有发生，主要是完井数据太差，防冲距过大，或是长冲程而下了短泵（泵筒长度不够不能满足地面冲程要求）。⒏出砂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，固定凡尔卡死在罩内，进油部位砂堵。二、抽油机井示功图分析出油正常，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。⒐机械性跳动二、抽油机井示功图分析碰泵是防冲距过小造成活塞底部与固定凡尔罩相碰击，左下角出现一个“圆圈”，出现圆圈一般都为硬碰。发现后要及时上提防止凡尔磁化影响灵活启闭。实际上防冲距应该是越小越好，特别是高气油比油井以不碰为宜。⒑碰泵碰泵二、抽油机井示功图分析气体影响㈣实测示功图游动凡尔漏供液不足二、抽油机井示功图分析固定凡尔漏卡泵

抽油杆断脱

二、抽油机井示功图分析脱筒双凡尔漏失结蜡二、抽油机井示功图分析油井生产计量是油田开发的一项最基础工作，需要投入相应的计量设备、辅助设施及操作管理人员，成本高、效率低。为此，油气院研制发明了一种新的井口计量技术——抽油机井功图法油井计量技术。经过便携综合测试仪、无线传输式功图法计量系统、油井功图法计量及远程监测系统三个不同阶段的研发，逐步改进完善了功图法油井计量技术及装置，已成为长庆油田工艺模式的主体技术之一。实现了计量方式的一次变革，简化了流程、降低了投资、减少了用工总量，提高了油田智能化管理水平，为建设数字化油田搭建了平台。

2008年《功图法油井计量装置》获得国家发明专利和《集团公司2008年自主创新重要产品》认证。三、功图法油井计量技术这是一种最通用的计量方法，即按井组分别将每一口油井的产出液通过出油管道输送到计量站，进入油气分离器、经气液分离后，对产出液进行计量，然后经齿轮泵输入集油管线中，输入接转站。该方法计量简单、运行可靠。

缺点：需配套建设相应地面设备流程。

㈠油井计量技术背景三、功图法油井计量技术1.双容积单井计量是在井口用小型量油缸计量油井产量的一种方法。其主体为两个对称设置的可翻转计量斗，两个计量斗联接一体、腔体为相互独立的结构。

缺点：计量时受油井不规则出气产生的脉动气流影响，会导致流量计发生误翻，严重影响测试准确性。

2.井口翻斗计量三、功图法油井计量技术

模拟计量间单井集中计量的技术流程,用压缩气体模拟单井油压,用称重计量法计量出一定时间内产出液的质量,折算成日产量,计量完成后将计量罐中的原油通过气泵打入管汇流程,再进行下一次的计量。计量方便、快捷。

缺点：在计量时需要改接油井管线，特别在冬天使用时，易造成管线堵塞。长庆油田油井多、计量任务重，不能满足现场应用的需要。3.活动计量车计量三、功图法油井计量技术总之，以上油井产出液计量方法面临：①受计量装置的性能及技术的局限性限制，不能满足油田计量需要；②计量数据录集时间短，低产油井存在产液间歇现象，短时间计量很难得出真实产液量；③需配备相应的地面管线及装置，投入费用比较高等诸多问题。采用常规的计量方法已难以满足油田计量要求，难以满足低渗透油田油井计量及开发的低成本运行。三、功图法油井计量技术地面示功图建立定向井条件下油管、抽油杆、液体三维力学、数学模型结合油井液体性质、抽油机型号、冲程、冲次、杆柱组合等主要参数泵功图采用多边形逼近法和矢量特征法进行分析和故障识别泵有效冲程结合油层物性及生产参数油井产液量

功图法油井计量系统技术原理图全天候采集井口位移与载荷数据1.基本原理该技术从能真实反映抽油系统有杆泵工况的示功图入手，把定向井有杆泵抽油系统视为一个复杂的三维振动系统，研究建立了该系统的力学、数学模型及算法，计算在不同井口示功图激励下的泵功图响应，采用矢量特征法对泵功图进行分析及故障进行识别，确定泵的有效冲程，得出油井地面折算有效排量。

㈡功图法油井计量技术理论三、功图法油井计量技术定向井有杆泵系统模型研究泵功图识别研究功图法油井计量系统研制功图法油井计量软件研制井身轨迹描述管杆液三维空间的振动力学模型建立泵功图计算模型及求解方法建立标准故障矢量链库泵功图多边形逼近矢量特征法识别泵功图故障泵有效冲程识别采集参数及传输方式的选择实时数据采集系统的建立数据处理平台的建立程序结构的选择与建立计量分析程序的实现及编程⒉主要研究内容三、功图法油井计量技术把定向井有杆泵系统视为一个复杂的三维振动系统，考虑抽油杆、液柱及油管三个子系统在三维空间的振动耦合和与抽油杆位移、速度、应变、应力和载荷之间随时间变化的因素，建立相关模型。①建立了抽油杆、液柱和油管三个振动系统的空间三维模型。②考虑了以上三个子系统在三维空间的振动耦合及液柱可压缩性。③用有限元法及有限差分法将抽油杆及油管结构离散化，建立了油管、杆振动的有限元方程与有限差分法结合的计算模型及方法。⑴定向井有杆泵系统模型研究三、功图法油井计量技术采用多边形逼近法和矢量特征法对泵示功图进行工况识别、分析，考虑气体、结蜡等因素对泵功图有效冲程的影响，准确判断泵有效冲程，解决了以往功图法计量误差大的问题，使计量精度有了显著提高，这与以往的用示功图面积法求解油井产液量有实质上的差别。⑵

泵功图识别研究三、功图法油井计量技术三、功图法油井计量技术⑶数据采集研究考虑长庆油田具有的低渗、低压、低产特性，油井间歇出油情况普遍，以全天候实测示功图作为数据源，计算油井平均产量，能够更加真实地反映油井实际出液情况。三、功图法油井计量技术三、功图法油井计量技术研究、开发集测试、通信和计算机技术为一体，抽油机井功图法油井自动计量与监测系统，解决油井示功图现场测试时间及数据连续录取这一关键难题，实现了生产数据实时采集、产量自动计量、工况远程监测、油井故障诊断、报告自动生成、故障实时预警等功能。⑷功图法油井计量系统研制三、功图法油井计量技术⒈系统组成三、功图法油井计量技术㈢功图法油井计量和监测系统采用数据分散采集、集中处理的结构。主要由前端数据采集系统和计量分析系统两部分组成。在有网络条件下，安装应用功图计量网络化系统，需要建立服务器和安装客户端应用程序。功图法数据采集点功图法数据处理点服务器客户端应用⑴数据采集点三、功图法油井计量技术①

独立结构数据采集系统采集位移和载荷时相对独立，分别由载荷、位移传感器采集数据，通过电缆传送到数据采集控制器，应用数学关系进行对应分配，从而形成示功图图形。数据传输天线数据采集控制器载荷传感器位移传感器②一体化数据采集系统系统以太阳能电池为动力，是一种将载荷位移传感器、微型电台和太阳能电池集成的一体化载荷位移仪。一体化结构简化了现场安装、修井、维护等的程序，降低了匹配误差和天气因素对数据采集的影响。三、功图法油井计量技术⑵系统主要功能实时数据采集与远程工况监测。功图计量及油井工况诊断。自动生成报表。实时故障报警：遥测系统故障，抽油机停机、井场停电抽油机超载、故障预警提示等。历史数据查询、网络数据浏览等。三、功图法油井计量技术自2004年首次在西峰整装大油田应用以来，该技术已成为长庆油田工艺模式的主体技术之一。截至目前，全油田共建油井功图法数据处理点329个，管理油井11243口。功图法油井计量技术在长庆油田应用统计（四）油田应用情况三、功图法油井计量技术⒈应用情况管理井数管理站点数2009年2010年2011年4月632433292009年2010年2011年4月2247881811243⑴系统运行稳定，满足现场生产需要建立了功图法油井计量系统安装、运行情况月报制度，统计显示系统平均应用率达90%以上。2009年5月六个厂系统应用率达到91.6%，系统运行总体平稳，基本满足了现场生产需要。系统运行情况统计主站数（个）总井数（口）安装井数（口）未使用井原因描述（口）系统应用率(%)转注、间开、通讯故障、传感器损坏1205050474217491.62.应用效果三、功图法油井计量技术年份地点测试井次平均单量液量（m3/d）平均测试液量（m3/d）平均误差(%)2000招安（一厂）116.656.767.592001招安、王窑（一厂）196.636