示功图讲座课件

示功图分析地质研究所2007年12月目录一、管式泵工作原理二、抽油机悬点载荷分析三、功图分析四、影响泵效的因素（一）抽油系统的主要抽油装置抽油机抽油杆抽油泵其它附件设备组成传递机械能，旋转运动＝＞垂直往复运动；传递机械能，地面＝＞深井泵通过机械能＝＞液压能，实现泵的吸入、排出，把井内流体排到地面流程。提供一个密封的、垂直输油通道。抽油管柱：从泵吸入口到井口之间的这一段管柱。把抽油管柱看作一个整体，其入口是泵吸入口，出口在井口。整个管柱的吸入、排出过程，正是通过抽油泵的吸入、排出作用来完成的。

管式泵结构剖面图主要组成：1、工作筒(外筒和衬套)；2、活塞及游动阀（排出阀)3、固定阀(吸入阀)（二）泵工作原理（理想情况下）A.上冲程活塞上行=》泵腔容积增大，P2减小=》①.P1＞P2，游动凡尔关闭,活塞带着油管内的液柱上行，从井口排出；★游动凡关闭时，液柱压力作用于在活塞上（抽油杆上）。②.同时，P3＞P2时，固定凡尔被顶开，油套环空的液体进入泵内。这个动作叫作泵的吸入过程，实现这个动作的条件是P3＞P2（沉没压力大于泵内压力）。理想状态下，进入泵内的液量等于活塞让出体积。B.下冲程活塞下行=》压缩泵腔内流体，P2增大=》①.P2＞P3，固定凡尔关闭；②.P2＞P1，游动凡尔被顶开,活塞下部流体进入活塞上部。这个过程叫作泵的排出过程，实现这个动作的条件是P2＞P1（泵内压力高于活塞上的液柱压力）。★下冲程时，几乎没有液体从油管内排出到地面管线。★下冲程时，油管内液柱的压力作用于固定凡尔总成上（也就是作用于油管上）。管式泵工作特征要点1、泵的工作过程是由三个基本环节所组成，即活塞在泵内让出容积，井内液体进泵和从泵内排出液体。实现这三个动作的离不开P2的变化。2、活塞运动=》P2变化=》凡尔球开闭=》泵吸入和排出等量液体。理想情况下，这几个环节紧密衔接，实际工作中，这个环节之间有滞后、要打折扣。3、上冲程出油（管内液柱向上运动），下冲程几乎不出油（管内液柱不流动）。管式泵是一种单作用泵。4、上冲程和下冲程开始时，伴随游动凡尔和固定凡尔的打开、关闭，油管内的液柱压力交替作用在活塞上、固定凡尔总成上（抽油杆和油管上）。观看动画演示＝＞（三）泵的理论排量泵的工作过程是由三个基本环节所组成，即活塞在泵内让出容积，井内液体进泵和从泵内排出液体。在理想情况下，活塞上、下一次，进入泵、排出泵的液体体积都等于活塞让出体积。一个冲程的理论排量：V＝A×SV：一个冲程的理论排量（m3)，等于活塞让出体积A：活塞截面积S：光杆冲程（不是活塞冲程）一天的理论排量：Q＝V×n×（24×60)Q：泵的理论排量（m3/d）n：冲次（次/分钟）目录一、管式泵工作原理二、抽油机悬点载荷分析三、功图分析四、影响泵效的因素当抽油系统工作时，作用在抽油机驴头悬点上的载荷主要有两大类：静载荷、动载荷。悬点一、静载荷1、抽油杆柱载荷上冲程：杆柱在空气中的重量下冲程：杆柱在液体中的重量２、作用在柱塞上的液柱载荷上冲程：作用在柱塞环空面积的载荷下冲程：无３、沉没压力对悬载的影响上冲程：减轻悬载下冲程：无４、井口回压对悬载的影响上冲程：增加悬载下冲程：减小抽油杆柱载荷抽油杆的重力抽油杆重力始终作用在悬点上。下冲程时，游动凡尔打开，抽油杆承受油管内液柱的浮力，所以作用在悬点上杆重力为杆在空气中的重量减去液体的浮力。上冲程中，游动凡尔关闭，抽油杆不承受油管内液柱的浮力。所以，上冲程中悬点上的杆重力等于杆在空气中的重量。二、动载荷１、惯性载荷：与加速度大小成正比，方向相反；大小取决于抽油杆柱的质量、悬点加速度及其在杆柱上的分布抽油杆柱惯载（上冲程、下冲程都有）液柱惯载（上冲程有、下冲程无）２、振动载荷：抽油杆的自由纵振产生，大小与抽油杆柱的长度、载荷变化周期及抽油机结构有关３、撞击载荷：在低沉没度井内，由于泵的充满程度差，会发生柱塞与泵内液面的撞击，将产生较大撞击载荷，从而影响悬点载荷。４、摩擦载荷(1)抽油杆柱与油管间：上冲程增加悬载；下冲程减小悬载（直井不超过杆重的１.５％）(2)柱塞与衬套间：上冲程增加悬载；下冲程减小悬载(泵径不超过70mm时,其值小于1717牛)(3)液柱与抽油杆柱间（与抽油杆柱长度、运动速度、液体粘度有关）上冲程无下冲程减小悬载(稀油中很小,可忽略)(4)液柱与油管间（与液流速度、液体粘度有关）上冲程增加悬载(稀油中很小,可忽略)下冲程无(5)液体通过游动阀的摩擦力（与阀结构、液体粘度、液流速度有关，是造成抽油杆柱下部弯曲的主要原因）上冲程无下冲程减小悬载(稀油中很小,可忽略)目录一、管式泵工作原理二、抽油机悬点载荷分析三、功图分析四、影响泵效的因素

悬点载荷随其位移变化的封闭曲线所围成的图称为示功图。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。

(一)示功图的概念

为了能正确分析和解释示功图，首先应了解理论示功图，因为理论示功图是在影响因素最少的情况下（理想情况下）绘制出来的功图，而实测示功图是在各种因素综合影响下的表现，表现出各种奇形怪状。如果我们知道这些因素对功图的形状会有怎样影响、产生的原因，那么我们就可以通过示功图的分析来判断这些因素是否存在、影响程度。(二)理论示功图分析1.最理想情况下的理论示功图（图1）最理想情况包括哪些条件：（1）管杆无弹性伸缩，不考虑动载荷影响。（2）泵和油管正常、无漏失。（3）凡尔瞬间开闭。（4）供液合理（无供液不足，无连喷带抽）（5）液体不可压缩。（6）无砂、蜡、稠油影响。每一个部件的工作效率都是100%所测得的示功图。（1）bc=ad=光杆冲程（2）Yad=减去浮力后的杆重（3）Ybc-Yad=液柱载荷YX该理论示功图的特征：功图是一个水平的长方形，ab、cd平行于Y轴，bc、da平行于X轴。抽油机井在粗抽油杆、泵深浅、慢冲次、供液匹配等条件下生产时，有可能出现类似的水平、长方形实测示功图。2.静载荷作用下的理论示功图（图2）该理论经示功图是在以下条件下绘制出来的：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。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。图2静载荷、弹性管杆示功图在这种条件下绘制出的示功图是一个平行四边形。（1）管杆有弹性伸缩，不考虑动载荷影响。（2）泵和油管正常、无漏失。（3）凡尔瞬间开闭。（4）供液合理（无供液不足，无连喷带抽）。（5）液体不可压缩。（6）无砂、蜡、稠油影响。静载、弹性管杆的理论示功图分析循环过程：下死点A

加载完成B

上死点C

卸载完成D

下死点A

图2静载荷、弹性管杆示功图ABC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。3、考虑惯性载荷后的理论示功图图3静载荷+弹性+惯性载荷抽油杆柱的惯性力：液柱的惯性力：惯性载荷在上、下冲程中大小和方向是变化的。

为油管过流断面变化引起液柱加速度变化的系数S/21、上冲程，悬点从下死点开始向上运动：（1）前半冲程：为加速阶段，加速度向上，惯性载荷向下，增加悬点载荷;

（2）后半冲程：为减速阶段，加速度向下，惯性载荷向上，减小悬点载荷；２、下冲程：悬点从上死点开始向下运动：（１）前半冲程：为加速阶段，加速度向下，惯性载荷向上，减小悬点载荷；（２）后半冲程：为减速阶段，加速度向上，惯性载荷向下，增加悬点载荷。悬点位移、速度、加速度曲线上冲程下冲程抽油杆作用于悬点的惯性载荷悬点加速度在上、下冲程中大小和方向是变化的。4、考虑振动载荷后的理论示功图图4静载荷+弹性+惯性载荷+振动载荷S/2(三)典型示功图分析典型示功图：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。1.气体和充不满对示功图的影响有气体影响的示功图①气体影响示功图充满系数：气锁②充不满影响的示功图充不满现象：地层产液在上冲程末未充满泵筒的现象。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。充不满的示功图2.漏失对示功图的影响①排出部分的漏失泵排出部分漏失柱塞的有效吸入行程：泵效：②吸入部分漏失柱塞的有效吸入行程：泵效：吸入凡尔漏失吸入凡尔严重漏失③吸入部分和排出部分同时漏失吸入凡尔和排出凡尔同时漏失3.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。活塞卡在泵筒中部4.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。喷势强、油稀带喷喷势弱、油稠带喷5.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。图形的位置取决于断脱点的位置。抽油杆柱的断脱位置可根据下式来估算：抽油杆断脱出砂井6.其它情况结蜡井管式泵活塞脱出工作筒防冲距过小活塞碰固定凡尔的示功图对定向井而言，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。

（四）斜井示功图与直井示功图的区别1.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；2.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；3.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；4.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；5.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。(五)特殊情况下的理论示功图绘制在静载、弹性管柱理论功图的基础上，绘制以下情况的理论示功图（1）回压异常升高；（2）管杆摩擦力增大（斜井、结蜡井）；（3）光杆上行到1/2冲程时，活塞完全脱出工作筒；（4）游动凡尔被完全堵死；（5）活塞上无游动凡尔；（6）固定凡尔总成与尾管落井一起落井；（7）固定凡尔被完全堵死；（8）油管断、落井。（9）见图。(六)抽油井计算机诊断技术的应用

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、振动和惯性等的影响，将会得到形状简单而又能真实反映泵工作状况的井下示功图。3.泵功图故障识别方法用矢量特征法对泵功图中的故障进行识别，用这种方法可实现多故障诊断。4.计算各级杆柱的应力和分析杆柱组合的合理性；5.计算的分析抽油机扭矩、平衡及功率；6.估算泵口压力及预测油井产量。(七)需要注意的几点

1、由于目前我厂使用的示功仪厂家较多，不同的仪器所测的示功图形状也不尽相同。

2、由于影响抽油泵正常工作的因素很多,加之受定向井、低产、低渗、高油气比等原因的影响，使示功图的瞬时性很强，所以在解释示功图时，要全面了解油井情况（井下设备、管理制度、目前产量、动液面、沉没度、油气比及以往的生产情况等），才能对泵的工作状况和生产不正常的原因做出判断。第七部分:需要注意的几点

3、在分析判断示功图时，应根据该井平时生产过程中的特点，在理论示功图的基础上，与影响该井生产的主要因素进行叠加后判断泵况正常与否。

4、在计算机诊断技术的应用中，地面功图转化为井下功图时，输入的各项数据必须与单井实际相符，否则所测得的泵功图并不能真实反映该井的实际泵况。目录一、管式泵工作原理二、抽油机悬点载荷分析三、功图分析四、影响泵效的因素泵效及其影响因素Q理＝A×S×n×（24×60）η＝Q实/Q理影响泵效的因素有很多，从整个抽油管柱系统来看，影响因素主要有以下几个方面：1、活塞冲程小于光杆冲程；而计算理论排量使用的是光杆冲程。2、计算理论排量时，“在理想情况下，活塞让出体积＝进入泵的液体体积”这个概念上建立的；实际上进入泵的液体体积小于活塞让出体积。3、Q实小于泵排出液体积。1、活塞冲程小于光杆冲程管杆伸缩造成冲程损失；减小冲程损失的办法：（1）供液允许的情况下，减小泵深；（2）使用弹性变形较小的抽油杆。沉没度偏大的原因：（1）液面存在误差；（2）能量有下降的可能；（3）气体影响；（4）没有一套科学地优