抽油机井示功图分析及应用

长庆油田公司油气工艺研究院2011年3月（第一讲）油气工艺研究院功图法油井计量技术培训材料一、抽油泵的工作原理二、抽油机井示功图分析三、功图法油井计量技术讲课内容油气工艺研究院功图法油井计量技术培训材料㈠泵的抽汲过程抽油杆柱带动活塞向上运动。游动阀关闭，泵内压力降低。固定阀在沉没压力与泵内压力构成的压差作用下，克服重力而被打开，原油进泵而井口排油。抽油杆伸长加载；油管卸载而缩短。泵内进液的条件：泵内压力(吸入压力)低于沉没压力。⒈上冲程一、抽油泵的工作原理活塞上下运动一次称为一个冲程，分为上冲程和下冲程。油气工艺研究院功图法油井计量技术培训材料⒉下冲程抽油杆柱带动活塞向下运动。固定阀关闭，游动阀打开，当泵内压力升高到大于活塞以上液柱压力和游动阀重力时，游动阀被顶开，泵内液体排向油管。抽油杆由于卸载而缩短，油管加载而伸长。泵排出的条件：泵内压力(排出压力)高于柱塞以上的液柱压力。柱塞上下抽汲一次为一个冲程，在一个冲程内完成进油与排油的过程。一、抽油泵的工作原理油气工艺研究院功图法油井计量技术培训材料在一个冲程内，排出的液体体积：SNfVpm每分钟的冲数为N，则每分钟排量：SNkSNfQppt1440每日排量:SfVp㈡泵的理论排量一、抽油泵的工作原理柱塞在泵内让出容积原油进泵泵内排出原油泵的工作过程油气工艺研究院功图法油井计量技术培训材料在有杆泵采油过程中，用动力仪测试的地面示功图，定性地分析深井泵的工作情况，是了解井下抽油泵工作状况的重要手段。由于抽油井井下情况复杂，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、供液和腐蚀等多种因素的影响，所以，实测示功图的形状很不规则。为了正确分析和解释示功图，常需要以理论示功图及典型示功图为基础，进而分析和解释实测示功图。二、抽油机井示功图分析油气工艺研究院功图法油井计量技术培训材料示功图定义：由载荷随位移的变化关系曲线所构成的封闭曲线图称为示功图。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。理论示功图定义：只考虑静载荷作用下的示功图称为理论示功图。典型示功图定义：指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。二、抽油机井示功图分析sp油气工艺研究院功图法油井计量技术培训材料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。弹性抽油杆静载时的示功图二、抽油机井示功图分析λ——冲程损失，mWl′——抽油泵活塞以上液柱重量，kNWr′——抽油杆在液体中的重量，kNSp——有效行程，mS——光杆行程，m㈠静载荷作用下的理论示功图循环过程：下死点A加载完成B上死点C卸载完成D下死点A油气工艺研究院功图法油井计量技术培训材料㈡考虑惯性载荷后的理论示功图考虑惯性和振动后的理论示功图在实际生产中抽油杆要承受动载荷、静载荷和惯性载荷的影响。使原本正常的图形按顺时针方向发生偏转，动载的大小与上下行程线与水平线的夹角成正比。偏转角二、抽油机井示功图分析油气工艺研究院功图法油井计量技术培训材料由于存在冲程损失和无效冲程，使得柱塞冲程总是小于光杆冲程。冲程损失是指光杆已发生位移，而柱塞因种种原因还没有位移，因此而损失的冲程即为冲程损失。无效冲程是指柱塞已在运动，因种种原因泵没有起抽汲作用，这部分冲程没有起作用，称之为无效冲程。㈢冲程分析二、抽油机井示功图分析油气工艺研究院功图法油井计量技术培训材料悬点从下死点到上死点虽然走了冲程长度S，但由于抽油杆柱和油管柱的静变形，抽油泵柱塞冲程损失为⑴静载荷作用下的柱塞冲程损失抽油杆柱和油管柱变形过程L：下泵深度，m；E：钢材弹性模数，Pa；fr：抽油杆截面积，m2；ft：油管管壁断面积，m2；fp：泵柱塞截面积，m2；hd：动液面，m；S：光杆冲程，m；γo：原油重度，N/m3。trrodpffEfLhf1管杆⒈冲程损失二、抽油机井示功图分析油气工艺研究院功图法油井计量技术培训材料00.050.10.150.20.250.310001200140016001800200022002400下泵深度(m)冲程损失(m)冲程损失与下泵深度成正比，随着下泵深度的增加，冲程损失变大。冲程损失—下泵深度关系曲线Dp:32mmρo:850kg/m3dr:22mmdt:73mmhd:1000m二、抽油机井示功图分析油气工艺研究院功图法油井计量技术培训材料00.10.20.30.40.50.60.70.8050010001500200025003000动液面(m)冲程损失(m)冲程损失与动液面成正比。随着动液面的降低，冲程损失增加，当动液面下降到泵吸入口时，冲程损失最大。冲程损失—动液面关系曲线Dp:32mmρo:850kg/m3dr:22mmdt:73mmL:2500m二、抽油机井示功图分析油气工艺研究院功图法油井计量技术培训材料00.050.10.150.20.250.30.350.40.45Dp=28mmDp=32mmDp=38mmDp=44mm冲程损失(m)00.050.10.150.20.250.30.350.4Dp=28mmDp=32mmDp=38mmDp=44mm冲程损失(m)00.10.20.30.40.50.6800110014001700200023002600下泵深度(m)冲程损失(m)Dp=28mmDp=32mmDp=38mmDp=44mm冲程损失与抽油泵泵径成正比，泵径越大，冲程损失越大。不同泵径冲程损失—下泵深度关系曲线泵径—冲程损失关系ρo:850kg/m3dr:22mmdt:73mmhd:1000mdt:73mmρo:850kg/m3dr:22mmL:1800mhd:1000mdt:73mmρo:850kg/m3dr:22mmL:2000mhd:1000m二、抽油机井示功图分析油气工艺研究院功图法油井计量技术培训材料00.050.10.150.20.250.30.35dr=16mmdr=19mmdr=22mmdr=25mm冲程损失(m)00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5800110014001700200023002600下泵深度(m)冲程损失(m)dr=16mmdr=19mmdr=22mmdr=25mm冲程损失与抽油杆直径成反比，抽油杆越细，冲程损失越大。不同杆径冲程损失—下泵深度关系曲线ρo:850kg/m3Dp:32mmdt:73mmhd:1000mdt:73mmρo:850kg/m3Dp:32mmL:1800mhd:1000m杆径—冲程损失关系曲线00.050.10.150.20.250.30.350.4dr=16mmdr=19mmdr=22mmdr=25mm冲程损失(m)dt:73mmρo:850kg/m3Dp:32mmL:2000mhd:1000m00.050.10.150.20.250.30.350.4dr=16mmdr=19mmdr=22mmdr=25mm冲程损失(m)dt:73mmρo:850kg/m3Dp:32mmL:2000mhd:1000m二、抽油机井示功图分析油气工艺研究院功图法油井计量技术培训材料⑵惯性载荷作用下的柱塞冲程与静载变形情况相反，惯性载荷作用使柱塞冲程增加。当悬点到达上死点后，抽油杆在惯性力的作用下会带着柱塞继续上行，使柱塞比静载变形时向上多移动一段距离。当悬点下行到下死点后，抽油杆的惯性力向下，使抽油杆柱伸长，柱塞比静载变形时向下多移动一段距离。EfLSnWrri17902λi：惯性载荷作用增加的柱塞冲程；Wr：抽油杆柱在空气中重力，N；S：光杆冲程，m；n：冲次，min－1；L：下泵深度，m；fr：抽油杆截面积，m2；E：钢材弹性模数，Pa。增加的柱塞冲程二、抽油机井示功图分析抽油杆柱和油管柱变形过程油气工艺研究院功图法油井计量技术培训材料00.050.10.150.20.250246810冲次(min-1)冲程增加(m)00.0050.010.0150.020.0250.030.03501234567光杆冲程(m)冲程增加(m)尽管惯性载荷引起的抽油杆的变形使柱塞冲程增大，有利于提高泵效，但增加惯性载荷会使悬点最大载荷增大，最小载荷减小，使抽油杆受力条件变坏。所以，通常并不用增加惯性载荷(快速抽汲)的办法来增加柱塞冲程。dr:22mmqr:3.07kg/mL:2000mn:2.5min-1dr:22mmqr:3.07kg/mL:2000mS:3m光杆冲程—冲程增加关系曲线冲次—冲程增加关系曲线二、抽油机井示功图分析油气工艺研究院功图法油井计量技术培训材料不论是上冲程还是下冲程，抽油杆柱振动引起的伸缩对柱塞冲程的影响都是一致的，即要增加都增加，要减小都减小。至于究竟是增加还是减小，取决于抽油杆柱自由振动与悬点运动引起的强迫振动的相位配合。对于油井来说，都有一个配合的不利区域，在此区域内，由于抽油杆柱本身的振动，将减小柱塞冲程。⑶振动载荷作用下的柱塞冲程二、抽油机井示功图分析油气工艺研究院功图法油井计量技术培训材料抽油杆为细长杆，在轴向压力作用下稳定性较差。抽油杆受轴向压力和失稳状态下的变形，会造成抽油泵在下冲程时与抽油机运动不同步，即抽油泵柱塞实际行程小于抽油机光杆冲程。⑷抽油杆弯曲引起的冲程损失抽油杆长度与临界压力关系曲线0102030405060700100200300400500抽油杆长度(m)临界压力(N)φ16mmφ19mmφ22mmφ25mm二、抽油机井示功图分析油气工艺研究院功图法油井计量技术培训材料⑴漏失对冲程的影响⒉无效冲程00.511.522.51级2级3级4级5级漏失量(m3/d)ΔP=200mΔP=400mΔP=600mΔP=800mΔP=1000mΔP=1200m漏失量与柱塞上、下端压差关系曲线抽油泵间隙漏失量：ql：间隙漏失量，m3/d；dp：泵径，m；δ：单面间隙，m；μ：动力粘度，Pa.s；l：柱塞长度，m；Δp：柱塞上、下端压差；Pa。长庆油田渗透率低，原油粘度小，油井动液面低即抽油泵柱塞上、下端压差较大，泵的间隙漏失应加以重视。pldqpl37200二、抽油机井示功图分析油气工艺研究院功图法油井计量技术培训材料⑵气体和充不满对冲程的影响油井生产时产出的伴生气部分进入泵筒，占据泵筒有效空间，减少进泵液量，形成吸入过程的无效冲程，而且这部分游离气在柱塞由上死点下行时受压缩，不像液体受压时压力很快上升，达不到柱塞上部液柱压力时，游动阀打不开，不能进行排液，当泵筒中全部充满气体时，游动阀始终打不开，形成气锁。液体进泵阻力大或者供液不足，造成充不满，也形成吸入过程的无效冲程。二、抽油机井示功图分析油气工艺研究院功图法油井计量技术培训材料⒊实际产液量与冲程的关系二、抽油机井示功图分析从下图的对比中可以看出，实际产量与冲程损失是直接有关的。为了提高油井产液量，尽可能地减少冲程损失、减少气体影响和油管漏失，提高深井泵的质量和抽油参数优化组合，减少杆柱摩擦阻力，保证合理沉没度，调小防冲距，延长检泵周期。油气工艺研究院功图法油井计量技术培训材料PSABDB’C㈢典型示功图⒈气体和充不满对示功图的影响⑴气体影响示功图ADDA充满系数：二、抽油机井示功图分析气锁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”现象。D'油气工艺研究院功图法油井计量技术培训材料⑵充不满影响的示功图充不满现象：地层产液在上冲程末充满泵筒的现象。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。二、