抽油井示功圖的分析及應用

關于抽油井示功圖的分析及應用第一頁，共四十五頁，2022年，8月28日第一部分:抽油井示功圖綜述

今天，我們主要從理論示功圖的特征分析入手，簡單介紹示功圖的多功能性，即對實測示功圖作必要的處理后，可進行一系列定性和定量分析，提供諸如分析平衡效果、判知振動影響等。油井示功圖它不僅能在不停產的情況下取得大量有用的數據，減化了井下直接測試工作，而且能隨時監(jiān)控采油動態(tài)，使之在最佳工作方式下生產。結合采油二廠有桿泵采油過程中示功圖分析解釋差錯率高的問題，我們今天來講講如何正確解釋分析示功圖，了解井下抽油泵工作狀況。第二頁，共四十五頁，2022年，8月28日第一部分:概述1、在有桿泵采油過程中，用動力儀繪出示功圖，定性地分析深井泵的工作情況，是了解井下抽油泵工作狀況的重要手段。由于抽油井的生產狀況很復雜，深井泵在井下工作的影響因素很多，不但受到“機、桿、泵”抽油設備的影響，而且直接受到變化著的“砂、蠟、氣、水”的影響。尤其在定向井中，這種情況就更為突出。導致油井生產過程中所測的示功圖形狀復雜，解釋差錯率高，給及時分析井下抽油泵工作狀況、掌握油井生產動態(tài)和組織下步生產帶來了很多困難。因此，分析示功圖時，即要全面了解油井的生產情況、設備狀況和測試儀器的好壞程度，根據多方面的資料進行綜合分析，同時，又要善于從各種因素中找出引起示功圖變異的主要因素,這樣，才能夠作出正確判斷。第三頁，共四十五頁，2022年，8月28日第一部分:概述2、示功圖概念：示功圖是由載荷隨位移的變化關系曲線所構成的封閉曲線圖。表示懸點載荷與位移關系的示功圖稱為地面示功圖或光桿示功圖。在實際工作中是以實測地面示功圖作為分析深井泵工作狀況的主要依據。第四頁，共四十五頁，2022年，8月28日為了能正確分析和解釋示功圖，常要繪制出理論示功圖進行對比分析，而且實測示功圖的解釋都是以理論示功圖為基礎，因此，對理論示功圖特征分析就顯得尤為重要。1.沒有彈性變形的理論示功（圖1）假定：抽油桿是剛體，動力從地面?zhèn)鞯街蠜]有時間滯后，既沒有伸縮和振動，也無摩擦，假定每一個部件的工作效率都是100%所測得的示功圖。第二部分理論示功圖的特征分析

第五頁，共四十五頁，2022年，8月28日分析：圖中a點是上沖程的始點。由于剛體沒有彈性形變，則ab為即刻增載，泵柱塞的游動凡爾關閉，全部載荷由光桿承受。bc是上沖程過程，泵的游動凡爾關閉，固定凡爾打開是進油過程。第二部分理論示功圖的特征分析cd即刻卸載，抽油桿下行時所畫出da線是載荷不變的下沖程位移過程。該理論示功圖的特征：ab平行于cd，bc平行于da，一般抽油機井在井深淺、小泵徑、粗抽油桿及小沖數抽油條件下生產時，有可能出現(xiàn)類似的水平、長方形實測示功圖。第六頁，共四十五頁，2022年，8月28日2.國內目前所用的理論示功圖（圖2）該理論經示功圖是在理想條件下繪制出來的：假定①油管無漏失、泵工作正常。②油層供液能力充足，泵能夠完全充滿。第二部分理論示功圖的特征分析圖2彈性抽油桿靜載時的示功圖③光桿只承受抽油桿柱與活塞上液柱重量的靜載荷，不考慮慣性力。④不考慮砂、蠟、稠油的影響。⑤不考慮油井連噴帶抽。⑥認為進入泵內的流體是不可壓縮的，凡爾是瞬時開閉的。在這種條件下繪制出的示功圖是一個平行四邊形。

第七頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.動、靜載荷+彈性形變示功圖（圖3）如圖3所示，實際生產中抽油桿是要承受靜載荷和動載荷的。第二部分理論示功圖的特征分析圖3動、靜載荷+彈性形變示功圖由于抽油桿有慣性力載荷，柱塞在泵筒內運動時有摩擦力，液柱舉升過程中與管壁和桿柱有摩阻，抽油桿接箍與油管內壁有摩擦，所以上沖程時a、b點偏高，cd點偏低。第八頁，共四十五頁，2022年，8月28日由于動載荷的影響，示功圖的上、下行程線不是水平的，但只需要bc平行于da，而且ab平行于cd，就可以認為泵工作正常。若二者不平行，說明泵有問題，α越大，說明動載荷越大。另外，沖數越快，動載荷也越大，在分析實測功圖時應注意這種“傾斜”規(guī)律。4.動、靜載荷+彈性載荷+振動載荷的示功圖（圖4、圖5）抽油桿柱產生振動的原因是抽油機構的抽油桿的自振頻率。因此在進行的油桿柱設計時，應盡量避免同步速度抽汲。理論研究和實踐表明，當發(fā)生二級振動時，示功圖的特征是：圖形的面積偏集在上沖程開始處，而且在上死點處迥繞成“結”。這是抽油桿柱受力換向與桿柱彈性作用下造成的。第二部分理論示功圖的特征分析第九頁，共四十五頁，2022年，8月28日由于彈性振動傳遞快，而桿柱與油管和液體摩擦等因素造成滯后，影響曲線的形狀而產生扭結。通常見到的是有彈性振動的示功圖，只要上、下曲線的平均線平行，泵即正常。有時測得歪曲的示功圖形，只要符合上述特點，則可用沖次太快引起振動予以解釋。如圖5所示。第二部分理論示功圖的特征分析圖4抽油桿發(fā)生二級振動時的地面示功圖圖5動、靜載荷+彈性形變+振動的示功圖第十頁，共四十五頁，2022年，8月28日5.泵的充滿系數和排出系數的概念從圖6的對比中可以看出，實際產量與沖程損失是直接有關的。第二部分理論示功圖的特征分析圖6泵的充滿系數和排出系數的概念因此，要實現(xiàn)抽油井的長壽穩(wěn)產，就應不斷綜合分析實測示功圖，盡可能地減少沖程損失、減少氣體影響和油管漏失，提高深井泵的質量和抽油參數優(yōu)化組合，減少桿柱摩擦阻力，保證合理沉沒度，調小防沖距，延長檢泵周期。第十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日6.計算充滿系數的地面示功圖（圖7）圖7中柱塞的有效行程可以在圖中沖程曲線段上量出，而泵的充滿部分可以在下沖程曲線中量得。確定泵的充滿系數即AE/BC（小于1），泵的排出系數即AE/AC=充滿部分/光桿沖程。第二部分理論示功圖的特征分析圖7計算充滿系數的地面示功圖此類圖形抽油井中最常見，泵況正常，抽油參數基本合適，若氣小、沉沒度低時，下行符合CDEA曲線；若氣多、低沉沒度時，下行是CEA虛線曲線，其曲線的波形的平均線是平行的。第十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日7.分析抽油機的平衡效果盡管理論公式可進行抽油機的各種平衡計算，但因受井斜、抽汲液體粘度、泵徑大小及間隙、井口壓力及砂蠟等的影響，是難以達到較理想平衡的。不平衡性越大，上下行程的負荷差越大，致使抽油機變速輪齒受到很大的沖擊載荷，從而加速磨損。第二部分理論示功圖的特征分析Le圖8較理想平衡示功圖當抽油機平衡較好時，距零線為Le（圖8）的平行線，會將功圖分為近似相等的兩部分。Le之縱座標即為較理想的平衡重。第十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日8.玻-鋼桿系統(tǒng)正常示功圖如圖9所示，AB：上行程初期，因液載作用，桿柱伸長油管縮短，當桿柱張力不足以克服液柱、桿柱等載荷作用，游動凡爾關閉，固定凡爾開啟；第二部分理論示功圖的特征分析圖9玻桿的理論示功圖CB′D′DB。。ABB′：當桿柱固有頻率與沖次接近時,彈性共振使桿柱彈性放大柱塞運行快于光桿的運動速度,液柱慣性載荷滯后，載荷上升(B′點)；B′C：上程后期，由于液柱慣性向上，下降（C點）；CD：通過上死點轉入下行程，液柱負荷轉移到油管上，桿柱縮短，油桿伸長。固定凡爾關閉、游動凡爾打開進入吸液過程；DD′：同樣由于彈性放大，柱塞運動快于光桿硬度，液體慣性滯后，載荷下降；B′A：在上行程末期，由于光桿速度減慢，液體載荷逐漸作用在液柱上，光桿載荷又逐漸上升，驢頭達到下死點，轉入上沖程。這樣一個周期內，載荷曲線中間寬，兩頭窄。并且下沖程內只有一個峰值。與純鋼桿正常功圖有很大差異。第十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日9.沖程損失影響排出系數的示功圖右圖說明實測示功圖在載荷發(fā)生變化時載荷變?yōu)閯虞d荷加上附加載荷。第二部分理論示功圖的特征分析圖10沖程損失影響排出系數的示功圖計算充滿系數和排出系數時和數值會發(fā)生變化，這是因為子項ad″<ad′<ad，沖程損失會影響排出系數，圖10中可知泵效低，這種情況泵的充滿系數可能相同，但排出系數是隨著沖程損失的變大而減小，只有排出系數高才能表明抽油機井高產、高泵效。第十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日

對定向井而言，其桿柱的受力情況及示功圖與直井有所不同：定向井有桿泵抽油系統(tǒng)與直井的主要差別有兩點：一是井身是空間三維曲線，從而系統(tǒng)的振動是三個振動系統(tǒng)的空間三維振動，垂直于井深軸線的橫向振動對軸向振動有一定的影響；二是抽油桿與油管之間、油管與套管之間存在接觸力和相應的磨擦力，對系統(tǒng)的軸向振動也有一定的影響。1.在定向井抽汲過程中，沿抽油桿作用的表面力包括液柱、抽油桿柱的重力、油流阻力和振動而引起的慣性載荷，抽油桿與油管的正壓力和滑動摩擦力。2.由于磨擦負荷和慣性負荷均比直井稍大，所以上行負荷較大、下行負荷較小，示功圖較直井寬。

第三部分斜井示功圖與直井示功圖的區(qū)別

第十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.定向井的懸點載荷比直井明顯降低，且隨傾斜程度的增加，載荷下降的幅度增大，這是因為桿柱載荷和液柱載荷隨井斜增加而減?。?.與直井示功圖相比，定向井示功圖的摩擦影響增大，振動影響減小，這是因為定向井摩擦力較大；5.從泵的功圖上看，隨著傾斜程度的增加，柱塞沖程有所增加，這是因為上沖程作用在活塞上的液柱載荷有所降低；6.由于管桿摩擦力的作用，在相同的抽汲參數、泵況情況下，定向井的抽油桿振動一般比直井衰減快；7.若定向井傾角較?。ě选?0°）,且抽油桿上裝有扶正器時,其功圖與直井差別不大,可接直井方法診斷。

第三部分

斜井示功圖與直井示功圖的區(qū)別

第十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日通過對全廠所測近1000余份定向井有效功圖進行收集、整理、歸類，并結全油井的生產資料、動液面、泵深、單井日產液量、泵效、含水等資料，對上述資料進行全面細致地分析，篩選出部分具有代表性的功圖，對井下抽油泵的工況進行綜合分析，及時、準確地發(fā)現(xiàn)抽油泵在抽汲過程中存在的問題，以指導生產?，F(xiàn)將隴東油田的幾種常見實測示功圖進行介紹。第四部分實測地面示功圖圖例分析

圖11泵工作正常時的示功圖1.泵工作正常時的實測示功圖圖11是抽油泵工作正常，同時受其它因素影響較小時所測的示功圖，這類功圖的共同特點是理論示功圖差異不大，均為一近似的平行四邊形。第十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日2.泵漏失的實測示功圖泵漏失是油井常見的故障之一。泵漏失包括固定凡爾漏失、游動凡爾漏失和雙凡爾漏失三種情況。第四部分實測地面示功圖圖例分析

圖12固定凡爾漏失的示功圖

①固定凡爾漏失時的示功圖該井出油不好，固定凡爾漏。固定凡爾漏失包括：固定凡爾與凡爾座配合不嚴、凡爾球被砂子刺壞或凡罩內積有砂、蠟等臟物，使凡爾球的起落失靈等原因造成的漏失。這類功圖的特點是：增載線比卸載線陡，圖形的左下角變圓，右上角變尖，而且漏失越嚴重，圖形的左下角變得愈圓，左上角變得愈尖。第十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日②游動凡爾漏失的示功圖

圖13為實測游動凡爾漏失的示功圖。第四部分實測地面示功圖圖例分析

圖13游動凡爾漏失時的示功圖排出部分漏失包括：排出閥球與閥座配合不嚴；活塞與泵的襯套配合不當；或長期磨損使間隙變大；閥爾罩內積有臟物、砂、蠟，使閥球起落失靈等原因造成的漏失。這類功圖的特點是：卸載線與增載線陡，圖形的左下角變尖，右上角變圓。當漏失特別嚴重時，增載線、卸載線和最大載荷線便構成了一條向下方彎曲的圓滑弧線。第二十頁，共四十五頁，2022年，8月28日③雙凡爾漏失如圖14，該井泵掛1813m，沖程3m，沖次8次/min，含水54%，日產液16.5t,動液面516m，由于上下閥均漏失，泵效只有24%。這類功圖的主要特點是：四角消失，中間粗；兩頭尖，形如梭狀。第四部分實測地面示功圖圖例分析

第二十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日

3.抽油桿斷脫時的實測示功圖抽油桿斷脫時，光桿只承受斷裂上部抽油桿在液體的重力，因而示功圖形成長條，長條圖形越向上，表示斷脫位置越向下。抽油桿斷脫時，產液量為零，如圖15。第四部分實測地面示功圖圖例分析

抽油桿斷脫時，光桿只承受斷裂上部抽油桿在液體的重力，因而示功圖形成長條，長條圖形越向上，表示斷脫位置越向下。抽油桿斷脫時，該井的產液量為零。實例：該井不出油，地面功圖判斷是抽油桿上部斷。泵掛深度1489m，Ф38mm,沖程2.4m,沖數6次/min,動液面716m.15304560圖15抽油桿斷脫時的實測示功圖1.50.72.23.0KN第二十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日4.油井結蠟時的實測示功圖結蠟嚴重的井,不論是深井或淺井,只要結蠟就有增載的特征,發(fā)現(xiàn)示功圖有“結蠟”的寬度,示功圖有此類特征時,熱洗一般無效,應盡快檢泵清蠟。第四部分實測地面示功圖圖例分析

如圖16，該井泵掛深度1230m，Ф44mm,沖程3m,沖數8次/min,動液面1278m，日產液9t，含水18.5%，有結蠟特征如圖16。圖16油井結蠟時的實測示功圖第二十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日

5.深井泵受氣體影響時的實測示功圖第四部分實測地面示功圖圖例分析

圖17深井泵氣體影響的示功圖如圖17所示，該井泵掛深度1678m，Ф38mm,沖程2.6m,沖數8次/min,動液面1417m，日產液4.5t，含水75%，泵效16.9%，從功圖判斷，該井受氣體影響。第二十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日6.油井供液不足時的實測示功圖如圖18，該井泵深1006m，沉沒度200m，由于油層供液能力差，沉沒度小，本圖特點是供液不足，抽油桿有振動。第四部分實測地面示功圖圖例分析

圖18油井供液不足時的示功圖7.機械性跳動時的實測示功圖某井，出油正常，圖形為大齒形特征，為抽油機變速箱內的軸鍵磨損串動而振動。圖19外界因素造成機械跳動時的示功圖第二十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日

8.正常抽油、有振動影響時的實測示功圖第四部分實測地面示功圖圖例分析

圖20正常抽油、有振動影響的示功圖

如圖20,該井泵掛深度1517m，Ф44mm,沖程2.6m,沖數9次/min,動液面1051m，日產液30.5t，含水71.4%，生產正常,泵閥不漏，抽油桿柱有振動影響。對于抽油桿柱有明顯振動的井，要注意避免“共振”造成經常斷脫。第二十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日

9.正常抽油、抽油機平衡重沒有調整好的實測示功圖抽油機平衡重調整合適，可以運轉平穩(wěn)和節(jié)能。油井生產平衡的地面示功圖，其上行曲線與下行曲線呈相同波幅的阻尼曲線，如果平衡太輕，下沖程較快，下行曲線波幅較大；如果平衡太重，桿柱上行較快，上行曲線的波幅較大。該井抽油機平衡偏輕（圖21），油井生產正常，泵閥不漏。該井泵生產正常，泵閥不漏（圖22），上行快，抽油機平衡偏重。第四部分實測地面示功圖圖例分析

圖21平衡偏輕時的示功圖圖22平衡偏重量時的示功圖第二十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日

10.油管漏失時實測示功圖該井產量明顯減少、泵效低，用蹩壓的方法證實蹩不起壓力，而套管環(huán)空的動液面卻在升高。第四部分實測地面示功圖圖例分析

井下泵功圖在停抽后圖形面積減小，減少的面積與正常功圖時的面積是平行減少，最大載荷線下降，最小載荷線不變。第二十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日

第四部分實測地面示功圖圖例分析

圖24油井出砂時的示功圖

11.油井出砂時的實測示功圖11.油井出砂時的實測示功圖

受砂影響的示功圖上明顯見到“小牙齒”形的不規(guī)則齒狀，深井泵壽命短，免修期短。該功圖是不出油的，固定凡爾上卡死在罩內，進油部位砂堵。12.純鋼桿與玻桿的正常示功圖對比圖26玻桿的理論示功圖圖25純鋼桿的理論示功圖第二十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日

左上圖為最理想的地面示功圖（無氣、多水、供液充足的正常示功圖），充滿系數100％，特征為平行。右上圖為游動閥關閉遲緩，明顯減產的示功圖，特征為圖形在上位置呈方形缺損。左下圖為游動閥漏失的示功圖，曲線左上部分有圓形缺損，有時右上角也呈圓形缺損；若是游動閥或閥座被嚴重刺壞，上部曲線則呈圓形（圖中虛線）形狀。右下圖是柱塞受油井出砂影響，容易卡泵時的示功圖，特征為上、下曲線沒有明顯的“阻尼”狀，而是呈“小牙齒”狀的不規(guī)則、不重復的示功圖。第三十頁，共四十五頁，2022年，8月28日

左上圖為受蠟影響、產量下降的示功圖，上、下沖程的曲線呈不規(guī)則的“大牙齒”狀。右上圖為管線內堵塞或井口閘門沒有開通時的示功圖，其特征為上行載荷增加，曲線平行。左下圖的上、下行曲線呈凸狀，是由于油稠，由于上、下沖程的行程中間速度較快，阻力大所致。右下圖表示泵掛較深的井，沖數快造成圖形傾斜，是由于動載增大，沖程損失增加。第三十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日

左上圖為泵固定閥漏失的示功圖。示功圖左下方呈圓形缺損；如果閥或閥座被嚴重刺壞時，不出油，下行曲線呈圖中虛線形狀。右上圖為進油部位堵塞，示功圖左下角多一面積，且下行曲線呈圓弧形，油井不出油，井口檢查為軟性碰泵，不出油。左下圖是動力儀操作問題或是測試儀器有問題時所測得的圖，左下部位呈三角形缺損，其實油井生產正常。右下圖為防沖距太小，柱塞在下沖程近下死點處發(fā)生硬性碰泵。對于這類井應該及時停抽，重對防沖距，避免長時間碰泵而撞掉泵筒發(fā)生落井事故。第三十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日

左上圖在上沖程運動時曲線產生“斜下”現(xiàn)象，是柱塞與缸套之間的間隙磨大后所測的示功圖，該井需要作業(yè)換泵。右上圖是泵的缸套被磨壞、“拉槽”，上、下曲線呈對稱性缺損面積。左下圖表明柱塞在上行過程中脫出工作筒，需要下放光桿，對小防沖距。右下圖為上碰特征，使用桿式泵時可見右上方長角，此種情況防沖距過大，內工作筒漏油，油井不可能出油，要求對小防沖距，使桿式泵工作筒的“止環(huán)”坐嚴不漏。第三十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日

左上圖表明有泵問題嚴重（襯套間隙磨大，各節(jié)缸套“不對中”）,應該及時修井換泵。右上圖為油管螺紋漏失時的示功圖，油井嚴重減產或不出油，抽油機停抽時間越長，圖形上下平行線距離變小，如果某井油管漏失并且泵閥漏失，圖形均有兩者特征。左下圖上下曲線有對稱性凸出，屬于一段襯套過緊，但是泵的閥工作正常，不需作業(yè)換泵，生產一段時間后就會正常。右下圖為有振動特征（抽油機平衡塊偏重）時，間隙磨大的地面示功圖。第三十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日

左上圖為油井沉沒度太小，供液不足時的地面示功圖。特征為上、下平行、左右平行。右圖為多氣油井特征，氣油比越高，圓弧的曲率半徑越大，曲率半徑越大，則表明油套管環(huán)空內有泡沫段存在，沉沒壓力偏小，充滿不好。氣體影響更加嚴重時會發(fā)生“氣鎖”而不出油。無沉沒壓力時，見左下圖。右下圖為多氣井，又有機械因素影響，但出油還正常；跳動問題要從地面設備方面去檢查，當然有時屬于抽油桿接箍的碰掛或摩擦發(fā)生的跳動，也有此現(xiàn)象。第三十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日

左上圖為斜形向上的“黃瓜狀”示功圖，屬于柱塞卡死在泵筒內不動。若活塞卡死在沖程中部位置，就像此圖；若柱塞卡死在沖程下部，圖形位置比這還高；若柱塞卡死在沖程上部，圖形位置比該圖要低。右上圖的圖形水平，油井不出油；固定閥被卡住(張開著)。上、下運動只是抽油桿帶著柱塞運動，沒有進油過程，也沒有排油過程。左下圖屬于泵的游動閥和固定閥都發(fā)生嚴重漏失，特征為上行曲線呈凸狀，下行曲線呈凹狀，油井不出油，需要檢泵。右下圖為游動閥球卡死（張開著），或是修井作業(yè)時柱塞沒有下人泵筒，或是井下泄油器被打開，均不出油。第三十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日

左上圖為抽油桿斷或脫時示功圖，油井不出油。抽油桿斷脫的示功圖有摩擦特征，近于水平狀。抽油桿斷脫部位不同，圖形所處上、下位置不同。右上圖為怪形示功圖，示功圖左邊屬于正常生產示功圖，右邊有起伏同步上下，油井出油正常，屬于抽油機變速箱內有較大的問題，需要及時修理地面設備。左下圖為連抽帶噴時的示功圖。圖形特征為近于水平狀，很少有振動波，圖形兩端有一段曲線近于平行。噴勢較大的井，兩端還有圓形面積，右下圖為圖像失真，無法分析，應該重新測圖。第三十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日1.定向井故障診斷分析有桿抽油系統(tǒng)的故障診斷技術主要有兩部分，一是進行力學分析，將井口實測的光桿示功圖摶換成井底泵功圖，為故障診斷提供可靠的診斷依據；二是識別泵功圖的故障特征，根據故障判別原則判斷井下泵的故障。2.判斷泵的工作狀況及計算泵排量把地面示功圖用計算機進行數字處理后，由于消除了抽油桿柱的變形、桿柱的粘滯阻力、振動和慣性