示功圖的繪制與分析

1、示功圖的繪制與分析摘要：截止到09年底，大港油田采油五廠共有生產(chǎn)井536口，其中電泵井33口，占6.16%，螺桿泵井44口，占8.21%，自噴井18口，占3.36%，抽油機(jī)井441口，占82.3%。從這些數(shù)據(jù)就可能看出，抽油機(jī)井采油是我們油田目前應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)械采油方式。油田生產(chǎn)往往是在野外進(jìn)行，地理位置分散，自然環(huán)境惡劣，井下工況復(fù)雜，造成抽油機(jī)井的故障診斷不及時(shí)和故障處理不及時(shí)，嚴(yán)重影響油田的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。因此，抽油機(jī)的故障診斷一直是油田生產(chǎn)領(lǐng)域的一個(gè)難題。及時(shí)分析抽油機(jī)工況，給出可靠邊的故障診斷結(jié)果和建議，對(duì)提高油田生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益有著及其重要的意義。抽油泵是抽油機(jī)井的重要組成之

2、一，其工作狀況的好壞，將直接影響到抽油井系統(tǒng)效率的高低。為此，我們做為采油工，就需要經(jīng)常對(duì)其進(jìn)行分析，以便采取相應(yīng)的措施，以保證泵正常工作。但由于抽油泵的工作環(huán)境在井下，它的工作狀態(tài)咱們是看不到的，同時(shí)，它在工作中還會(huì)受到制造質(zhì)量，安裝質(zhì)量、砂、蠟、水、氣、稠油等多種因素的影響，為了了解泵真實(shí)的工作情況，我們可以通過(guò)懸點(diǎn)載荷的變化對(duì)其進(jìn)行分析，最常用的方法是通過(guò)動(dòng)力儀將泵的工作過(guò)程變換成曲線記錄下來(lái)，正好可以形成一個(gè)封閉的圖形，這個(gè)圖形我們就叫它為示功圖。關(guān)鍵詞：示功圖 抽油機(jī) 廣泛 分析 工作環(huán)境 因素 圖形主義抽油機(jī)井示功圖是描繪抽油機(jī)井驢頭懸點(diǎn)載荷與光桿位移的關(guān)系曲線,是解釋抽油泵抽吸狀

3、況最有效的手段。主要包括示功圖的相關(guān)知識(shí)、理論示功圖的繪制及典型示功圖的分析三個(gè)部分，此次課程的主要目的是使學(xué)習(xí)者能夠掌握理論示功圖繪制方法，并通過(guò)典型示功圖的特征對(duì)其進(jìn)行正確的判斷，為分析抽油泵的抽吸狀況提供參考依據(jù)。首先，我們先來(lái)看第一部分示功圖的相關(guān)知識(shí)。換句話說(shuō)，咱們分析示功圖最終目的是為了了解抽油泵的抽吸狀況，那么無(wú)論是在繪制也好，分析示功圖也好，我們首先必須了解抽油泵是如何工作的？我們先來(lái)看一下什么是抽油泵？抽油泵也稱深井泵，它是有桿泵機(jī)械采油的一種專用設(shè)備。泵下在油井動(dòng)液面以下一定深度，依靠抽油桿來(lái)傳遞動(dòng)力，將原油抽出地面。這是抽油泵的結(jié)構(gòu)示意圖，它主要由四大部分組成。工作筒，活

4、塞，游動(dòng)閥（也叫排出閥），固定閥（也叫吸入閥）。抽油泵的結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較簡(jiǎn)單的，那么如此簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，又是如何將原油抽出地面的呢？泵的活塞上、下運(yùn)動(dòng)一次稱為一個(gè)沖程，可分為上沖程和下沖程。為了方便大家掌握抽油泵的工作原理，我將井筒內(nèi)劃分為三個(gè)壓力區(qū)域。p1、p2、p3；1.上沖程 在上沖程過(guò)程中，抽油桿柱帶動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)。游動(dòng)閥在p1的作用下而關(guān)閉，隨著活塞的上行，將活塞以上的部分液體排出井筒。同時(shí)，泵腔容積增大，p2隨之降低。當(dāng)p3p2時(shí)，固定閥克服重力而被打開(kāi)，井內(nèi)液體進(jìn)入泵內(nèi)；也就是吸液進(jìn)泵、排液出井的過(guò)程。于此同時(shí)，由于游動(dòng)閥關(guān)閉，活塞以上液柱載荷由油管上轉(zhuǎn)移作用于活塞端面上，使抽油桿

5、由于加載而伸長(zhǎng)，油管由于卸載而縮短。 2.下沖程在下沖程過(guò)程中，抽油桿柱帶動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)。泵筒內(nèi)液體受壓，p2上升，當(dāng)p2p3時(shí)，固定閥受壓關(guān)閉，活塞繼續(xù)下行，泵內(nèi)壓力持續(xù)升高。當(dāng)p2 p1 時(shí)，游動(dòng)閥被頂開(kāi)，泵內(nèi)的液體排向油管，也就是排液出泵的過(guò)程。于此同時(shí)，抽油桿與油管發(fā)生與上沖程相反的彈性變形。就這樣，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將原油抽出地面。有了對(duì)抽油泵初步了解，我們來(lái)看一下第二部分，理論示功圖的繪制。任何變化都是相對(duì)而言的，咱們?cè)诜治鍪竟D也是一樣，必須有一個(gè)衡量的標(biāo)準(zhǔn)，而這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是理論示功圖。理論示功圖是在理想狀況下，只考慮驢頭懸點(diǎn)所承受的靜載荷以及由于靜載荷引起的桿管的彈性變形，而不考慮其

6、他因素的影響所繪制出來(lái)的，是一個(gè)平行四邊形。它是分析示功圖的基礎(chǔ)。在理論示功圖的定義中，提到了理想狀況，那么，理論示功圖的理想條件都有哪些呢？主要有以下六個(gè)方面。（1）假設(shè)泵、管沒(méi)有漏失，泵正常工作；（也就是井液在從進(jìn)泵到排出井口不能存在漏失現(xiàn)象，抽油泵的工作是正常的）（2）油層供液能力充足，泵充滿程度良好；（也就是泵內(nèi)的容積要被100%的充滿）（3）不考慮動(dòng)載荷的影響；（也就是在抽油過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)載荷、沖擊載荷、摩擦載荷等等都忽略不計(jì)）（4）不考慮砂、蠟、稠油的影響；（5）不考慮油井連抽帶噴；（也就是認(rèn)為井內(nèi)的液體進(jìn)泵完全是依靠抽油泵的抽汲作用。）（6）認(rèn)為進(jìn)入泵的液體是不可壓縮的，閥是瞬

7、時(shí)開(kāi)閉的。那么，理論示功圖是如何繪制出來(lái)的呢？要想繪制理論示功圖，我們還需要先掌握兩個(gè)相關(guān)的概念。減程比：抽油機(jī)我們大家都應(yīng)該見(jiàn)過(guò)，它的沖程可達(dá)到三米，四米，五米甚至更長(zhǎng)，我們不可能找一張那么大的紙來(lái)進(jìn)行繪制，所以要將實(shí)際種程縮小，繪制到提供的圖紙上，就需要用到減程比，即光桿沖程在圖上的長(zhǎng)度與實(shí)際沖程長(zhǎng)度之比。力比：我們都知道，懸點(diǎn)載荷是一個(gè)力，如何將這個(gè)力用距離表現(xiàn)在圖紙上呢，這時(shí)就要用到力比，即實(shí)際懸點(diǎn)載荷與其在圖上的長(zhǎng)度之比。了解這兩個(gè)相關(guān)的概念后，我們來(lái)繪制理論示功圖。準(zhǔn)備的工用具有：紙、筆、尺、計(jì)算器。第一步:按所給的已知條件計(jì)算出相關(guān)的參數(shù)。1）、計(jì)算抽油桿在液體中的重量 p桿=q

8、桿l （每米抽油桿在液柱中的重量乘以其下入深度。）2）、計(jì)算活塞以上液柱重量 p液=q液 l3）、沖程損失當(dāng)采用單級(jí)抽油桿時(shí)，沖程損失就等于活塞以上液柱的重量除以鋼的彈性模量，再乘以泵深與抽油桿截面積之比和泵深與油管截面積之比的和。= q液l/e（l/f桿+l/f管） 多級(jí)桿組合 當(dāng)采用多級(jí)抽油桿時(shí)，則需要用下面這個(gè)公式。沖程損失就等于活塞以上液柱重量除以鋼的彈性模量，再乘以每一級(jí)抽油桿的下入長(zhǎng)度與其截面積之比的和加上泵深與油管截面積之比。沖程損失（）= q液l/e（l1/f桿1+l2/f桿2+ln/f桿n+l/f管） ：沖程損失；e：鋼的彈性摸量q桿：每米抽油桿在液體中的重量；q液：活塞以上

9、每米液柱重量；l： 下泵深度；第二步，我們要在圖紙上建立以懸點(diǎn)載荷為縱坐標(biāo)，以光桿沖程為橫坐標(biāo)的直角坐標(biāo)系： os 橫坐標(biāo)：位移；m（光桿沖程）op 縱坐標(biāo)：力；kn （懸點(diǎn)載荷）第三步，咱們要根據(jù)力比，通過(guò)抽油桿在液體中的重量除以力比和活塞以上液柱的重量除以力比,分別計(jì)算出它們?cè)趫D上的位置。再以這兩個(gè)距離為高，做橫坐標(biāo)的水平線。 oa=p小 /力比ab=p液/力比；第四步、根據(jù)減程比計(jì)算出光桿沖程在橫坐標(biāo)上的長(zhǎng)度。s光等于減程比乘以光桿實(shí)際沖程。bc等于ad等于s光。第五步、將上沖程的沖程損失1乘以減程比算出沖程損失在圖上的長(zhǎng)度，1=沖程損失減程比，等于bb等于dd。在圖中截取bb及dd；

10、第六步，連接ab兩點(diǎn)，增載線繪制完畢。連接cd，則卸載線繪制完畢，所形成的平行四邊行abcd則為理論示功圖。在繪制理論示功圖時(shí),咱們還應(yīng)該注意:各項(xiàng)數(shù)據(jù)要準(zhǔn)確無(wú)誤；計(jì)算公式要正確運(yùn)用；標(biāo)出線要清晰，標(biāo)出點(diǎn)要明確。繪制完了理論示功圖，我們?cè)賮?lái)看一下，圖上各點(diǎn)線面的含義。a：驢頭下死點(diǎn)；b：固定閥打開(kāi)，游動(dòng)閥關(guān)閉，活塞開(kāi)始上行程；c：驢頭上死點(diǎn)；d：固定閥關(guān)閉，游動(dòng)閥打開(kāi)，活塞開(kāi)始下行程；ab：增載線；在這個(gè)過(guò)程中，活塞并沒(méi)有發(fā)生位移，只是液柱載荷由活塞傳遞到懸點(diǎn)過(guò)程。bc：活塞上行程線，也是最大載荷線；cd：卸載線；da：活塞下行程線，也是最小載荷線；abc：驢頭上行程線；cda：驢頭下行程線s

11、：光桿沖程；sp：活塞行程；：沖程損失；p1：活塞以上液柱重量 pr ：抽油桿在液柱中的重量 abcd：活塞上下一次所做的功。剛才咱們一起繪制了理論示功圖并對(duì)其進(jìn)行了解釋，那么繪制理論示功圖到底有什么用呢？理論示功圖它理想化地描述了深井泵工作狀況，通過(guò)繪制理論示功圖，就可以與實(shí)測(cè)示功圖比較,找出載荷變化的差異,從而來(lái)判斷深井泵的工作狀況及桿管和油層的情況。 但每一個(gè)圖形都進(jìn)行逐一對(duì)比很麻煩，為了即方便又能正確的分析和解釋示功圖，咱們采油技術(shù)人員利用多年的生產(chǎn)實(shí)踐，將大多數(shù)具有一定的特征，一看就可直接定性的示功圖加以總結(jié)；就形成了典型示功圖，并將其作為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)初步判斷抽油機(jī)井泵況的參考依據(jù)，也是

12、綜合分析實(shí)測(cè)示功圖的基礎(chǔ)。我們來(lái)看第三部分，典型示功圖的分析典型示功圖是指某一因素影響十分明顯，示功圖的形狀反映了該因素影響的基本特征。下面，我就介紹一些常見(jiàn)的典型示功圖。1. 慣性載荷作用的示功圖考慮慣性載荷影響的示功圖是將慣性載荷疊加在靜載荷上，結(jié)果因慣性載荷的影響使理論示功圖被扭曲一個(gè)角度，并且變?yōu)椴灰?guī)則四邊形。我們都知道，只要具有質(zhì)量的物體運(yùn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生慣性，慣性力的大小與物體質(zhì)量及運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，質(zhì)量越大，運(yùn)動(dòng)越快則慣性力越大。有些油井由于下泵深，光桿負(fù)荷大，抽汲速度快等原因，在抽油過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的慣性載荷，在上沖程的前半個(gè)沖程，慣性力方向向下，而懸點(diǎn)載荷方向相反，因此增加了懸點(diǎn)載荷

13、，使上死點(diǎn)a 上升到了a，aa即是慣性力的影響所增加的懸點(diǎn)載荷，直到b點(diǎn)才增載完畢，慣性力越大，aa線越長(zhǎng)。在下沖程的前半個(gè)沖程，因慣性力方向向上，與懸點(diǎn)載荷方向相同，因此減少了懸點(diǎn)載荷，下死點(diǎn)由c降低到c，直到d才卸載完畢，這樣一來(lái)使整個(gè)示功圖較理論示功圖沿順時(shí)針?lè)较蚱D(zhuǎn)于一個(gè)角度，慣性力越大，角度越大。 由于慣性載荷的影響，抽油桿受力條件變差，易發(fā)生桿斷現(xiàn)象。對(duì)于這類油井，我們經(jīng)常采取減小下泵深度及優(yōu)化桿管組合，減小抽汲參數(shù)，尤其是沖次等措施來(lái)減少慣性力的影響。 2. 氣體影響下的示功圖由于氣體很容易膨脹和被壓縮，表現(xiàn)在示功圖上便是加載和卸載緩慢,其減緩的過(guò)程就是氣體膨脹和壓縮的過(guò)程。氣體

14、影響下示功圖的典型特征是呈現(xiàn)明顯的“刀把”形，曲線圓滑。由于在下沖程末泵的余隙內(nèi)還殘存一定數(shù)量的溶解氣，上沖程開(kāi)始后泵內(nèi)的壓力因氣體膨脹而不能很快降低，使吸入閥打開(kāi)滯后(b點(diǎn))、加載緩慢。 殘存的氣量越多，剛吸入閥打開(kāi)越滯后，即bb線越長(zhǎng)。下沖程由于氣體受壓縮，泵內(nèi)壓力不能迅速提高，排出閥打開(kāi)滯后(d點(diǎn))，因此使得卸載變得緩慢(cd)。 泵的余隙越大，進(jìn)入泵內(nèi)的氣量越多，剛dd線越長(zhǎng)。而當(dāng)氣影響十分嚴(yán)重，也就是進(jìn)入泵內(nèi)的氣量很大而沉沒(méi)壓力很低時(shí),活塞上下沖程只對(duì)氣體進(jìn)行壓縮和膨脹，出現(xiàn)泵抽不出油的現(xiàn)象，即“氣鎖”。此時(shí)示功圖呈一窄條狀。對(duì)于這類油井，長(zhǎng)效措施就是注水補(bǔ)充地層能量,避免原油在地層

15、和井筒脫氣,另外,我們還可以采取下氣錨，加深泵掛，放套管氣等措施來(lái)緩解和消除氣體影響。 3. 供液不足的示功圖供液不足的情況下不影響示功圖的上沖程，所以其上沖程線與理論示功圖相近。 下沖程時(shí)，由于泵筒沒(méi)有充滿而且液面低，懸點(diǎn)載荷不能立即卸載，只有當(dāng)活塞碰到液面時(shí)才開(kāi)始卸載，減載線基本上與理論示功圖的減載線平行。da為下沖程活塞的有效沖程。示功圖出現(xiàn)刀把現(xiàn)象，充滿程度越差，刀把越長(zhǎng)，卸載線越往左移。對(duì)于這類油井可采取加強(qiáng)注水補(bǔ)充地層能量、加深泵掛深度、調(diào)小工作參數(shù)、間開(kāi)等措施，提高泵的充滿程度。4. 漏失影響下的示功圖漏失主要指泵漏失和油管漏失，泵漏失又可分為排出部分漏失和吸入部分漏失，下面分別

16、予以介紹。首先，排出部分漏失。上沖程時(shí)泵內(nèi)壓力降低，由于存在排出部分漏失，活塞上部的液體漏到泵筒內(nèi)、懸點(diǎn)載荷不能及時(shí)上升到最大值，從而使加載緩慢，直到活塞上行速度大于漏失速度時(shí)懸點(diǎn)載荷才達(dá)到最大。當(dāng)活塞上行到后半沖程時(shí)，活塞速度逐漸減慢，當(dāng)活塞速度小于漏失速度時(shí)，又出現(xiàn)漏失現(xiàn)象，使懸點(diǎn)提前卸載。當(dāng)漏失速度始終大于活塞運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，則無(wú)法達(dá)到最大理論載荷，漏失越大，圖形面積越小，越接近最小理論載荷線，甚至泵的排量為零。下沖程，排出部分漏失不影響泵的工作，因此，示功圖形狀與理論示功圖相近。 排出部分漏失時(shí)的特點(diǎn)是增載線變緩，卸載提前； 吸入部分漏失的示功圖：由于吸入部分漏失，下沖程開(kāi)始泵內(nèi)壓力不能及

17、時(shí)提高，而延緩了卸載過(guò)程，游動(dòng)凡爾此時(shí)也不能及時(shí)打開(kāi)，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)速度大于漏失速度后，泵內(nèi)壓力提高到大于液柱壓力將游動(dòng)凡爾打開(kāi)卸去液柱載荷，下沖程后半沖程因活塞運(yùn)動(dòng)速度減小，當(dāng)小于漏失速度的瞬間得點(diǎn)(a)，泵內(nèi)壓力降低使游動(dòng)凡爾提前關(guān)閉，懸點(diǎn)提前加載，當(dāng)?shù)竭_(dá)下死點(diǎn)時(shí)懸點(diǎn)載荷已增加到a，吸入部分漏失示功圖的特點(diǎn)是增載提前，卸載減緩。通過(guò)泵漏失的分析，我們可以看出，泵漏失對(duì)示功圖的影響與漏失程度、運(yùn)動(dòng)過(guò)程以及抽汲速度有關(guān)。即：漏失越嚴(yán)重，對(duì)示功圖影響越大；漏失的影響只發(fā)生在要求其密閉的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中；抽汲速度越快，漏失的影響就越小。對(duì)于這類油進(jìn)，可針對(duì)造成泵漏的原因采取相應(yīng)的措施，如熱洗、碰泵等，嚴(yán)重時(shí)

18、需要作業(yè)換泵。油管漏失影響的示功圖：油管漏失不是泵本身的問(wèn)題，所以示功圖的形狀與理論示功圖相似，只是由于進(jìn)入油管的液體部分或全部漏入油套環(huán)形空間，使作用于懸點(diǎn)上的液柱載荷減小，不能達(dá)到最大理論載荷線。通過(guò)示功圖還可以計(jì)算油管漏失位置。實(shí)測(cè)示功圖最大載荷線到理論最大載荷線的距離為h，油管漏失點(diǎn)深度就等于該距離乘以力比再除以活塞以上每米液柱的重量。對(duì)于類油井，我們要針對(duì)其漏的位置采取相應(yīng)的措施，如更換頂絲、作業(yè)更換油管等措施。5、抽油桿斷脫的示功圖當(dāng)抽油桿斷脫時(shí)的懸點(diǎn)載荷實(shí)際上是斷脫點(diǎn)以上的抽油桿在液柱中的重量，此時(shí)泵不工作，示功圖成條帶狀。示功圖的位置取決于斷脫點(diǎn)的位置，斷脫點(diǎn)離井口越遠(yuǎn)，越接近最小理論載荷線。 通過(guò)示功圖還可以計(jì)算抽油桿斷脫位