示功图的绘制与分析

示功图的绘制与分析摘要：截止到09年底，大港油田采油五厂共有生产井536口，其中电泵井33口，占6.16%，螺杆泵井44口，占8.21%，自喷井18口，占3.36%，抽油机井441口，占82.3%。从这些数据就可能看出，抽油机井采油是我们油田目前应用最广泛的一种机械采油方式。油田生产往往是在野外进行，地理位置分散，自然环境恶劣，井下工况复杂，造成抽油机井的故障诊断不及时和故障处理不及时，严重影响油田的产量和经济效益。因此，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，给出可靠边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。抽油泵是抽油机井的重要组成之一，其工作状况的好坏，将直接影响到抽油井系统效率的高低。为此，我们做为采油工，就需要经常对其进行分析，以便采取相应的措施，以保证泵正常工作。但由于抽油泵的工作环境在井下，它的工作状态咱们是看不到的，同时，它在工作中还会受到制造质量，安装质量、砂、蜡、水、气、稠油等多种因素的影响，为了了解泵真实的工作情况，我们可以通过悬点载荷的变化对其进行分析，最常用的方法是通过动力仪将泵的工作过程变换成曲线记录下来，正好可以形成一个封闭的图形，这个图形我们就叫它为示功图。关键词：示功图 抽油机 广泛 分析 工作环境 因素 图形主义抽油机井示功图是描绘抽油机井驴头悬点载荷与光杆位移的关系曲线,是解释抽油泵抽吸状况最有效的手段。主要包括示功图的相关知识、理论示功图的绘制及典型示功图的分析三个部分，此次课程的主要目的是使学习者能够掌握理论示功图绘制方法，并通过典型示功图的特征对其进行正确的判断，为分析抽油泵的抽吸状况提供参考依据。首先，我们先来看第一部分示功图的相关知识。换句话说，咱们分析示功图最终目的是为了了解抽油泵的抽吸状况，那么无论是在绘制也好，分析示功图也好，我们首先必须了解抽油泵是如何工作的？我们先来看一下什么是抽油泵？抽油泵也称深井泵，它是有杆泵机械采油的一种专用设备。泵下在油井动液面以下一定深度，依靠抽油杆来传递动力，将原油抽出地面。这是抽油泵的结构示意图，它主要由四大部分组成。工作筒，活塞，游动阀（也叫排出阀），固定阀（也叫吸入阀）。抽油泵的结构相对来说是比较简单的，那么如此简单的结构，又是如何将原油抽出地面的呢？泵的活塞上、下运动一次称为一个冲程，可分为上冲程和下冲程。为了方便大家掌握抽油泵的工作原理，我将井筒内划分为三个压力区域。P1、P2、P3；1.上冲程 在上冲程过程中，抽油杆柱带动活塞向上运动。游动阀在P1的作用下而关闭，随着活塞的上行，将活塞以上的部分液体排出井筒。同时，泵腔容积增大，P2随之降低。当P3>P2时，固定阀克服重力而被打开，井内液体进入泵内；也就是吸液进泵、排液出井的过程。于此同时，由于游动阀关闭，活塞以上液柱载荷由油管上转移作用于活塞端面上，使抽油杆由于加载而伸长，油管由于卸载而缩短。 2.下冲程在下冲程过程中，抽油杆柱带动活塞向下运动。泵筒内液体受压，P2上升，当P2>P3时，固定阀受压关闭，活塞继续下行，泵内压力持续升高。当P2> P1 时，游动阀被顶开，泵内的液体排向油管，也就是排液出泵的过程。于此同时，抽油杆与油管发生与上冲程相反的弹性变形。就这样，活塞往复运动，将原油抽出地面。有了对抽油泵初步了解，我们来看一下第二部分，理论示功图的绘制。任何变化都是相对而言的，咱们在分析示功图也是一样，必须有一个衡量的标准，而这个标准就是理论示功图。理论示功图是在理想状况下，只考虑驴头悬点所承受的静载荷以及由于静载荷引起的杆管的弹性变形，而不考虑其他因素的影响所绘制出来的，是一个平行四边形。它是分析示功图的基础。在理论示功图的定义中，提到了理想状况，那么，理论示功图的理想条件都有哪些呢？主要有以下六个方面。（1）假设泵、管没有漏失，泵正常工作；（也就是井液在从进泵到排出井口不能存在漏失现象，抽油泵的工作是正常的）（2）油层供液能力充足，泵充满程度良好；（也就是泵内的容积要被100%的充满）（3）不考虑动载荷的影响；（也就是在抽油过程中产生的振动载荷、冲击载荷、摩擦载荷等等都忽略不计）（4）不考虑砂、蜡、稠油的影响；（5）不考虑油井连抽带喷；（也就是认为井内的液体进泵完全是依靠抽油泵的抽汲作用。）（6）认为进入泵的液体是不可压缩的，阀是瞬时开闭的。那么，理论示功图是如何绘制出来的呢？要想绘制理论示功图，我们还需要先掌握两个相关的概念。减程比：抽油机我们大家都应该见过，它的冲程可达到三米，四米，五米甚至更长，我们不可能找一张那么大的纸来进行绘制，所以要将实际种程缩小，绘制到提供的图纸上，就需要用到减程比，即光杆冲程在图上的长度与实际冲程长度之比。力比：我们都知道，悬点载荷是一个力，如何将这个力用距离表现在图纸上呢，这时就要用到力比，即实际悬点载荷与其在图上的长度之比。了解这两个相关的概念后，我们来绘制理论示功图。准备的工用具有：纸、笔、尺、计算器。第一步:按所给的已知条件计算出相关的参数。1）、计算抽油杆在液体中的重量 P杆=q杆×L （每米抽油杆在液柱中的重量乘以其下入深度。）2）、计算活塞以上液柱重量 P液=q液× L3）、冲程损失当采用单级抽油杆时，冲程损失就等于活塞以上液柱的重量除以钢的弹性模量，再乘以泵深与抽油杆截面积之比和泵深与油管截面积之比的和。= q液L/E（L/F杆+L/F管） 多级杆组合 当采用多级抽油杆时，则需要用下面这个公式。冲程损失就等于活塞以上液柱重量除以钢的弹性模量，再乘以每一级抽油杆的下入长度与其截面积之比的和加上泵深与油管截面积之比。冲程损失（）= q液L/E（L1/F杆1+L2/F杆2+Ln/F杆n+L/F管） ：冲程损失；E：钢的弹性摸量q杆：每米抽油杆在液体中的重量；q液：活塞以上每米液柱重量；L： 下泵深度；第二步，我们要在图纸上建立以悬点载荷为纵坐标，以光杆冲程为横坐标的直角坐标系： OS 横坐标：位移；m（光杆冲程）OP 纵坐标：力；KN （悬点载荷）第三步，咱们要根据力比，通过抽油杆在液体中的重量除以力比和活塞以上液柱的重量除以力比,分别计算出它们在图上的位置。再以这两个距离为高，做横坐标的水平线。 OA=P小 /力比AB=P液/力比；第四步、根据减程比计算出光杆冲程在横坐标上的长度。S光等于减程比乘以光杆实际冲程。BC等于AD等于S光。第五步、将上冲程的冲程损失1乘以减程比算出冲程损失在图上的长度，1=冲程损失×减程比，等于BB等于DD。在图中截取BB及DD； 第六步，连接AB两点，增载线绘制完毕。连接CD，则卸载线绘制完毕，所形成的平行四边行ABCD则为理论示功图。在绘制理论示功图时,咱们还应该注意:各项数据要准确无误；计算公式要正确运用；标出线要清晰，标出点要明确。绘制完了理论示功图，我们再来看一下，图上各点线面的含义。A：驴头下死点；B：固定阀打开，游动阀关闭，活塞开始上行程；C：驴头上死点；D：固定阀关闭，游动阀打开，活塞开始下行程；AB：增载线；在这个过程中，活塞并没有发生位移，只是液柱载荷由活塞传递到悬点过程。BC：活塞上行程线，也是最大载荷线；CD：卸载线；DA：活塞下行程线，也是最小载荷线；ABC：驴头上行程线；CDA：驴头下行程线S：光杆冲程；SP：活塞行程；：冲程损失；P1：活塞以上液柱重量 Pr ：抽油杆在液柱中的重量 ABCD：活塞上下一次所做的功。刚才咱们一起绘制了理论示功图并对其进行了解释，那么绘制理论示功图到底有什么用呢？理论示功图它理想化地描述了深井泵工作状况，通过绘制理论示功图，就可以与实测示功图比较,找出载荷变化的差异,从而来判断深井泵的工作状况及杆管和油层的情况。 但每一个图形都进行逐一对比很麻烦，为了即方便又能正确的分析和解释示功图，咱们采油技术人员利用多年的生产实践，将大多数具有一定的特征，一看就可直接定性的示功图加以总结；就形成了典型示功图，并将其作为生产现场初步判断抽油机井泵况的参考依据，也是综合分析实测示功图的基础。我们来看第三部分，典型示功图的分析典型示功图是指某一因素影响十分明显，示功图的形状反映了该因素影响的基本特征。下面，我就介绍一些常见的典型示功图。1. 惯性载荷作用的示功图考虑惯性载荷影响的示功图是将惯性载荷叠加在静载荷上，结果因惯性载荷的影响使理论示功图被扭曲一个角度，并且变为不规则四边形。我们都知道，只要具有质量的物体运动，就会产生惯性，惯性力的大小与物体质量及运动速度有关，质量越大，运动越快则惯性力越大。有些油井由于下泵深，光杆负荷大，抽汲速度快等原因，在抽油过程中会产生较大的惯性载荷，在上冲程的前半个冲程，惯性力方向向下，而悬点载荷方向相反，因此增加了悬点载荷，使上死点A 上升到了A，AA即是惯性力的影响所增加的悬点载荷，直到B点才增载完毕，惯性力越大，AA线越长。在下冲程的前半个冲程，因惯性力方向向上，与悬点载荷方向相同，因此减少了悬点载荷，下死点由C降低到C，直到D才卸载完毕，这样一来使整个示功图较理论示功图沿顺时针方向偏转于一个角度，惯性力越大，角度越大。 由于惯性载荷的影响，抽油杆受力条件变差，易发生杆断现象。对于这类油井，我们经常采取减小下泵深度及优化杆管组合，减小抽汲参数，尤其是冲次等措施来减少惯性力的影响。 2. 气体影响下的示功图由于气体很容易膨胀和被压缩，表现在示功图上便是加载和卸载缓慢,其减缓的过程就是气体膨胀和压缩的过程。气体影响下示功图的典型特征是呈现明显的“刀把”形，曲线圆滑。由于在下冲程末泵的余隙内还残存一定数量的溶解气，上冲程开始后泵内的压力因气体膨胀而不能很快降低，使吸入阀打开滞后(B点)、加载缓慢。 残存的气量越多，刚吸入阀打开越滞后，即BB线越长。下冲程由于气体受压缩，泵内压力不能迅速提高，排出阀打开滞后(D点)，因此使得卸载变得缓慢(CD)。 泵的余隙越大，进入泵内的气量越多，刚DD线越长。而当气影响十分严重，也就是进入泵内的气量很大而沉没压力很低时,活塞上下冲程只对气体进行压缩和膨胀，出现泵抽不出油的现象，即“气锁”。此时示功图呈一窄条状。对于这类油井，长效措施就是注水补充地层能量,避免原油在地层和井筒脱气,另外,我们还可以采取下气锚，加深泵挂，放套管气等措施来缓解和消除气体影响。 3. 供液不足的示功图供液不足的情况下不影响示功图的上冲程，所以其上冲程线与理论示功图相近。 下冲程时，由于泵筒没有充满而且液面低，悬点载荷不能立即卸载，只有当活塞碰到液面时才开始卸载，减载线基本上与理论示功图的减载线平行。DA为下冲程活塞的有效冲程。示功图出现刀把现象，充满程度越差，刀把越长，卸载线越往左移。对于这类油井可采取加强注水补充地层能量、加深泵挂深度、调小工作参数、间开等措施，提高泵的充满程度。4. 漏失影响下的示功图漏失主要指泵漏失和油管漏失，泵漏失又可分为排出部分漏失和吸入部分漏失，下面分别予以介绍。首先，排出部分漏失。上冲程时泵内压力降低，由于存在排出部分漏失，活塞上部的液体漏到泵筒内、悬点载荷不能及时上升到最大值，从而使加载缓慢，直到活塞上行速度大于漏失速度时悬点载荷才达到最大。当活塞上行到后半冲程时，活塞速度逐渐减慢，当活塞速度小于漏失速度时，又出现漏失现象，使悬点提前卸载。当漏失速度始终大于活塞运动速度时，则无法达到最大理论载荷，漏失越大，图形面积越小，越接近最小理论载荷线，甚至泵的排量为零。下冲程，排出部分漏失不影响泵的工作，因此，示功图形状与理论示功图相近。 排出部分漏失时的特点是增载线变缓，卸载提前； 吸入部