典型示功图分析及其在实际生产中的应用

典型示功图分析及其在实际生产中的应用

摘要：在当前世界石油生产中，特别是油田开发后期，有杆泵抽油方式占有很大比重，油田生产的特殊性导致抽油机的故障诊断一直是油田生产领域的一个难题。及时分析抽油机工况，给出可靠的故障诊断结果和建议，对提高油田生产效率和经济效益有着及其重要的意义。示功图能够直接反映抽油机的工作状态，是进一步分析抽油泵工作状态的主要依据。本文通过对各类典型示功图进行分析, 总结出抽油井试井存在的问题, 提出有针对性的技术管理措施,为选择合理的采油工作制度和修井检泵措施, 保证油井长期稳产、高效提供依据。

关键词：抽油机示功图分析应用

Analysis of typical indicator card and the application in practice

Abstract:The sucker-rod pumping accounts for a large proportion of the current oil extraction, especially in the late field life. The bad condition of the oil-field development makes the diagnosis of sucker-rod pumping being a difficult problem in the oil production field for a long time．Therefore，it is very important to diagnose the fault of the pumping units timely and provide operation advices reliably，which means lot to for improving the production efficiency and economical operation in oil field. The indicator card obtained by direct measurement intuitively reflects the working condition of sucker-rod pumping unit，which is the basis of the analysis of the down hole condition.This paper through some kinds of typical indicator card analysis, summarizes for the problems in pumping unit testing, put forward some technology management measures, for choosing reasonable recovery work system and well conditioning measures to ensure that the oil well have a long period of stabilized and efficiency production.

Keywords: Pumping units; Indicator card; Analysis;Application

目录

1 引言 (1)

2 理论示功图分析 (1)

3 单一因素影响下的示功图分析 (3)

3.1泵工作正常 (3)

3.2漏失对示功图的影响 (4)

3.2.1 固定阀(吸入部分)漏失 (4)

3.2.2 游动阀（排出部分）漏失 (5)

3.2.3 固定阀和游动阀同时漏失 (5)

3.3气体影响 (6)

3.4油井出砂 (7)

3.5游动阀关闭迟缓 (8)

3.6柱塞脱出工作筒 (8)

3.7抽油杆断脱 (9)

3.8活塞遇卡 (9)

4 示功图在油田现场的应用 (10)

5 结束语 (11)

参考文献 (12)

谢辞 ....................................................................................... 错误！未定义书签。

典型示功图分析及其在实际生产中的应用

1 引言

抽油机井故障诊断技术一直是国内外采油工程技术人员的一个重要研究课题，经过几十年的研究实践，抽油机井故障的分析与诊断技术有了相当大的发展。其中，地面示功图分析法是抽油系统故障诊断的一种有效方法[1]。对于一些老油田，各个采油区块分散、区域性差异较大，原油物性变化大，既有轻质油又有粘度高、比重大的稠油；泵工作状况也非常复杂，不但受到“机、杆、泵”机械设备的磨损、碰撞等影响，还受到油井含气、出砂、出水、结蜡等因素影响[2]。随着油井远程在线计量优化分析系统在油田实际生产中的推广应用，可以实时采集油井的示功图，应用计算机技术，建立抽油井故障智能诊断系统，能够快速和准确地识别地面示功图，对抽油机进行故障诊断可以获知泵的工作状况，为油井提高泵效、合理开发、高效管理提供可靠依据[3]。

2 理论示功图分析

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。在实际工作中是以实测地面示功图作为分析深井泵工作状况的主要依据。由于抽油井的情况比较复杂，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、稠油和腐蚀等多种因素的影响，所以，实测示功图有时奇形怪状，各不相同。为了能正确分析和解释示功图，常常需要以绘制理论示功图为基础。

理论示功图，是认为抽油泵不受任何外界影响，泵的充满系数等于百分之百，光杆只承受抽油杆柱与活塞以上液柱的静载荷时所得到的示功图[4]。它是在以下假设条件下绘制的：

(1)深井泵质量合格，油管没有漏失；

(2)不考虑活塞在上下冲程中，抽油杆柱所受到的摩擦力、惯性力、振动载荷、冲击载荷的影响，力的传递是瞬间的；

(3)抽油设备在抽油过程中，不受砂、蜡、气、水的影响。进泵内的液体不可压缩，阀的开闭为瞬时；

(4)油井没有连抽带喷现象；

(5)油层供油能力充足，泵筒可以完全充满。

在理想条件下，以悬点位移为横坐标，悬点载荷为纵坐标作出的静载荷作用下的理论示功图如图1所示：

图1 理论示功图

图中符号：

S 光——光杆冲程，单位：m ；

S 活——活塞冲程，单位：m ；

P 杆——抽油杆在油中的重力，单位：N ；

P 液——泵以上液柱重力，单位：N ；

P 静——光杆承受的静负荷(P 静= P 杆+ P 液)，单位：N ；

入1——抽油杆伸缩长度，单位：m ；

入2——油管伸缩长度，单位：m 。

活塞在最低位置时，两个阀之间有一条余隙，此余隙内充满液体。当活塞下行程快接近下死点时，固定阀关闭，游动阀打开，此时泵筒和套管上下液体连通，光杆上只承受抽油杆在油中的重力，油管承受全部液柱重力。当活塞由下死点开始上行的一瞬间，游动阀关闭，使活塞上下不连通。活塞要推动其上的液柱向上移动，并经抽油杆加在光杆上(光杆此时还承受抽油杆在油中的重力)。此时，负荷由油管转移到了光杆上，因此出现弹性变形，油管缩短，抽油杆伸长(此弹性变形和负荷变化成正比)。所以，光杆虽

然在上移，但活塞相对泵筒来说，并没有发生位移，这样画出了AB段，AB是光杆负荷的加载线。光杆继续带动活塞上行，直到B点，固定阀打开，液体进入泵筒，并充满活塞所让出的空间，之后活塞继续上行，光杆上的负荷没有增加，活塞上行到上死点C处，画出BC线。

当活塞由上死点转入下行的瞬间，固定阀关闭，游动阀打开，活塞上下连通，活塞上原来承载的负荷又加在油管上，抽油杆卸掉了这一载荷而油管加上了这一载荷，此时再次发生弹性变形，油管伸长，抽油杆缩短，光杆虽然继续下行，但是活塞相对于泵筒并没有移动，直到D点，CD是光杆卸载线。在D点卸载完毕，变形结束，DD

=入，柱塞开始

1

与泵筒发生向下的相对位移，游动阀被顶开而开始排出液体。故DA为排出过程：DA= S

活，排出过程中固定阀处于关闭状态 [5]。

3 单一因素影响下的示功图分析

在实际情况下，抽油机受不同因素的影响所测得的示功图也各不相同。在油田生产中，影响抽油机工作状况的主要因素有：漏失的影响、气体影响、油井出砂、油井结蜡、稠油的影响、柱塞脱出工作筒、抽油杆断脱、活塞遇卡等[6]。受某一因素影响下的示功图称为典型示功图，示功图的形状反映着该因素影响下的基本特征。下面就某一因素影响下的一些典型示功图进行分析，从示功图的图形特征反映出泵的工作状况，进而提出相应的解决办法。

3.1 泵工作正常

图2 泵正常工作

图形特征：左右、上下曲线较平行，接近理论示功图图形特征，曲线较理想，充满程度几乎可以达到100%，排出系数较高，一般泵效接近理论值。如图2所示。

图形分析：供液充足、泵的沉没度大、泵阀基本不漏失，泵效高；游动阀和固定阀能够及时开、闭，柱塞能够迅速加载和卸载。

管理措施：此类井供液充足，沉没度大，仍有生产潜力可挖，可将机抽参数调整到最大，以求得最大产量，发挥出井筒应有产能水平。特别是在大泵孔距、出砂不严重、含水高于90%以上的井，要采取长冲程，较大泵径，合理冲次机抽。

3.2 漏失对示功图的影响

3.2.1 固定阀(吸入部分)漏失

图3 固定阀漏失

图形特征：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，同时使游动阀不能及时打开。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，将排出阀打开而卸去液柱载荷，下冲程后半冲程中柱塞速度减小，当小于漏失速度时，泵内压力降低使排出阀提前关闭，悬点提前加载。如图3所示。

图形分析：由于固定阀与阀座配合不严，阀座锥体装配不紧，阀罩内落入脏物或结蜡而卡住阀球等原因，都会造成深井泵的吸入部分漏失。当吸入阀严重漏失时，排出阀一直不能打开，悬点载荷不能卸载。

3.2.2 游动阀（排出部分）漏失

图4 游动阀漏失

图形特征：上冲程时，泵内压力降低，柱塞两端产生压差，使柱塞上面的液体排出部分的不严密处（阀及柱塞与衬套的间隙）漏到柱塞下部的工作筒内，漏失速度随柱塞下面压力的减小而增大。由于漏失到柱塞下面的液体有向上的“顶托”作用，所以悬点载荷不能及时上升到最大值，使加载减缓。随着悬点运动的加快，“顶托”作用相对减小，直到柱塞上行速度大于漏失速度的瞬间，悬点载荷达到最大静载荷。当柱塞继续上行到后半冲程时，因活塞上行速度又逐渐减慢。在柱塞速度小于漏失速度瞬间，又出现了漏失液体的“顶托”作用，使悬点负荷提前卸载。如图4所示。

图形分析：游动阀装配不严，磨损引起的漏失，导致上冲程始末都存在较大的圆角，而引起的漏失。当漏失量很大时，由于漏失液体对柱塞的“顶托”作用很大，上冲程载荷远低于最大载荷，吸入阀始终是关闭的，泵的排量为零。

3.2.3 固定阀和游动阀同时漏失

图5 固定阀和游动阀同时漏失

图形特征：在上冲程过程中，游动阀部分漏失起主导作用，使图形左上角和右上角变圆，但负荷线能达到理论上负荷线。在下冲程过程中，固定阀漏失起主导作用，使图形左下角和右下角变圆，但下负荷线能降到理论下负荷线处[7]。如图5所示。

图形分析：砂蜡和磨损等复杂原因造成固定阀和游动阀同时漏失，油井严重减产。

管理措施：针对阀漏失的油井，一般的碰泵、洗井不能解决，只有检换泵；但定期清洁，对油井除蜡除脏、洗井，可以延缓检泵时间，延长泵的使用寿命。

3.3 气体影响

图6 气体影响

图形特征：增载过程缓慢，增载线斜率变小；卸载困难、变缓，卸载线成一圆弧状。其曲率半径越大，泵效越低，表明油套环空内泡沫段高，油层脱气严重，沉没压力偏小，泵充满程度差。如图6所示。

图形分析：由于在下冲程末余隙内还残存一定数量的溶解气和压缩气，上冲程开始后泵内压力因气体的膨胀而不能很快降低，使吸入阀打开滞后，加载缓慢。余隙越大，残存的气量越多，泵口压力越低，则吸入阀打开滞后的越多。下冲程时气体受压缩，泵内压力不能迅速提高，使排出阀打开滞后，卸载缓慢。泵的余隙越大，进入泵内的气量越多，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”[8]。

气锁现象：属于气体影响的特殊现象，由于气体大量进入泵筒，上冲程时气体膨胀，全部占满柱塞让出的容积，固定阀打不开。下冲程时，气体压缩，但压力仍低于游动阀上部压力，游动阀也打不开，柱塞运动对气体压缩和膨胀，泵不排油，这种现象称为“气锁”。“气锁”时基本不出液，泵效非常低。

管理措施：对受气体影响较大的井或易发生气锁的井应尽可能加深泵挂，增大泵的沉没度，大泵径长冲程机抽，特别是防冲距要调到最小，尽量减小余隙体积；下高效气锚和防气泵，合理放套气，控制套压生产，使之保持在较低值。

3.4 油井出砂

图7 油井出砂

图形特征：负荷线上呈现出不规则的锯齿状尖峰，且在连续测图时尖峰是移动的，这时油井仍能出油。如图7所示。该井的示功图不规则的布满“毛刺”，不平滑。

图形分析∶油层出砂，细小的砂粒将随着油流进入泵内，造成活塞在工作筒内遇阻，使活塞在整个行程中增加了一个附加阻力。上冲程时附加阻力使光杆负荷增加，下冲程时，附加阻力使光杆负荷减少，并且由于砂子具有流动性，使其分布在泵筒内各处多少不同，致使光杆负荷在很短时间内发生多次急剧的变化。严重时会造成固定阀、活塞卡死，造成油井停产。

管理措施：对出砂油井，一方面应保持油井平稳生产，减少停井次数和时间，放套气也应平稳进行；另一方面采取油层防砂、加筛管、砂锚、对油井经常洗井等措施，延长了抽油设备的使用寿命。

3.5 游动阀关闭迟缓

图8 游动阀关闭迟缓

图形特征∶游动阀关闭迟缓使得加载过程减缓，示功图的左上方缺失，而且加载线比较陡，缺失形状近似为矩形，整体形状像一只朝左放的鞋子，如图8所示。

图形分析：活塞上行时，游动阀下落经过挡块坐到游动阀座上。当井斜大或游动阀罩变形时，阀先坐落在挡块上起不到密封作用，然后再落到阀座上达到密封效果。因不密封，加载不能正常进行，直至阀落到阀座上，故示功图左上角缺失。

管理措施：选井斜较小的位置下泵或扶正泵上的抽油杆，及时检换泵。

3.6 柱塞脱出工作筒

图9 柱塞脱出工作筒

图形特征：上冲程中柱塞上行至一点时脱出工作筒，液体漏失量急剧增加，悬点载荷急剧下降。卸载结束时还可能由于突然卸载柱塞的振动产生不规则波状曲线。示功图右上方严重缺失，上冲程靠后部分载荷明显变小，外形象一只朝右放的鞋子。如图9所示。

图形分析：主要原因是由于防冲距过大或光杆冲程过大造成的。

管理措施：下放活塞，探泵到固定阀位置后上提，再测功图对比，也可以减小冲程。

3.7 抽油杆断脱

图10 抽油杆断脱

图形特征：图形有摩擦特征，近于水平状，抽油杆断脱部位不同，图形所处上、下位置不同。若断脱发生在柱塞附近，或是柱塞脱扣或阀球球罩断落，图形位于杆重载荷线位置；若断脱发生在光杆附近，图形接近于水平坐标线。如图10所示。

图形分析：抽油杆由于弹性疲劳，深井泵遇卡使抽油杆柱超过拉伸屈服极限等原因而断裂，或由于抽油杆之间未上紧而发生脱扣，这些导致示功图呈水平条带状，油井不出油。

管理措施：首先要装抽油防脱器，且合理优化组合抽油杆柱，相对下小泵径，慢冲次生产。对于偏磨严重的井，要下抽油杆扶正器或采取其它有效措施，特别是冲次不能过大，对稠油生产井尤为重要，一般采用抽油机最小冲次为宜。

3.8 活塞遇卡

图11 活塞遇卡

图形特征：上冲程中，悬点载荷先是慢慢增加，将被压缩而弯曲的抽油杆柱拉直，到卡死点位置后，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，

悬点以不同的比例加载或卸载，示功图出现两个斜率段。如图11所示。

图形分析：该井在上冲程过程，前段时刻，被压缩的杆柱恢复发生弹性形变，这个向上力大于悬点载荷，直至遇卡平衡点；后段时刻，杆柱被拉伸悬点载荷急剧增大，直至上死点。下冲程过程，前段时间，被拉升的杆柱恢复发生弹性形变，悬点迅速卸载；后段时刻，杆柱被压缩，直至下死点。从图14可看出，该井的卡点在杆柱下部，井队的维修记录表明该井的泵杆被砂卡。

成因分析∶活塞因泵筒内沉砂，结蜡或衬套受振动而错位会使活塞被卡在泵筒的某一位置。

管理措施：及时检修，防止衬套脱落，对出砂井加装高效砂锚，加强地层防砂，采取除蜡除脏措施。

在实际现场生产过程中，油井的工况复杂，不只受出砂、结蜡、含气等单一因素影响，而是受两种或几种因素相结合的影响，通过油井示功图的深化分析，可将油田按砂、蜡、气等相对区域化，做到重点防治，便于油田管理。通过对示功图的分析，找出影响抽油机井井下生产的主要因素，寻求解决途径，可对抽油机井措施效果进行跟踪。通过理论和实践应用的结合，拓宽示功图分析和发展思路，进而提出下步示功图的发展方向[9]。

4 示功图在油田现场的应用

在油田生产中，示功图直接反映了抽油机的工作状态，是进一步分析抽油泵工作

状态的主要依据。下面就示功图在泵况诊断、热洗周期的制定、井下设备安装状况、

生产过程分析、供液不足井泵效高这几方面的应用进行分析。

（1）泵况诊断。应用现场憋泵数据、示功图方法和综合数据分析确定。示功图方法主要是诊断抽油机在动态生产时的泵况，通过分析功图，可较容易诊断杆断脱、下部管严重漏失、泵漏失，并能较准确确定杆断脱位置，而对于管上部漏失和断脱诊断仍存在一定的局限性[10]。

（2）热洗周期的制定。目前现场测试示功图主要是采取同步的方法，即动液面、产液、功图同步测试，每月一次。通过连续观察示功图图形以及上下载荷的变化，结合结蜡影响造成油流通道减小，摩擦阻力增加，上载荷增大，下载荷减小的特点，准确制定热洗周期。

（3）井下设备安装状况。通过对示功图的观察和分析，也可较准确判断井下工具，如井下下入油管锚。

（4）生产过程分析。利用测试示功图，可及时了解和掌握抽油机井的生产动态，保证抽油机井在合理工作制度下生产。

在现代油田生产中，示功图分析已成为会诊油井故障重要手段之一。通过示功图的分析，可以达到以下目的：

（1）缩短问题井的发现时间，对断、卡、漏井能及时发现、及时处理；

（2）缩短掉产井的原因判断时间，及时拿出对策；

（3）使调开井调开计划的制定更加科学、更加符合油井客观实际；

（4）及时发现异常井，及时采取热洗、碰泵、化清，避免问题严重化和延长修井周期，以降低生产成本。

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