油井计量原理及功图分析(1)

油井产液量计量原理目前，我厂已经在40多口抽油井、自喷井以及注水井上推广应用了微功耗无线变送器油水井井口自动计量装置，应用范围涉及6个采油队。

这套系统最基本的求产原理、示功图以及泵功图的定性分析有必要向各采油队技术人员做如下介绍，希望能对各位分析油井的生产状况起到作用。

(一)游梁式抽油机井功图法求产原理抽油井示功图的纵坐标为光杆（露出地面，通过悬绳器与驴头连接的第一根光滑的抽油杆）在抽油过程中受力的载荷坐标，横坐标为抽油杆上、下行程时的位移坐标。

抽油机驴头所悬拄的悬绳器承受光杆和井下全部抽油杆柱，并带动最下部有杆泵的柱塞作上、下运动，即一个周期。

相应地可画出一个载荷与位移的函数关系曲线，即示功图。

抽油井生产情况千变万化，井下泵况相当复杂，只有通过自动量油技术或动力仪、诊断仪测得反映有杆泵工作状况的示功图，只有掌握了诊断技术，才能分析和管理好抽油井。

采油二厂管辖的油田抽油机井目前已经有30多口井采用了“功图法”自动计量，相比较采用分离器求产，由于受各种因素影响求产波动较大，而且求产时间较长，不利于快速、准确、及时掌握油井生产动态，直接关系到油田的稳产，流量计或分离器的检修，也大量增加油气操作成本；以往在油田产量紧张时，大多是技术人员通过繁重的油水井大调查工作来摸清所辖井的生产情况，费时费力，其中个别油井因工程技术人员水平差异而无法进行定论，不但增加了井下作业工作量，也存在一定程度的误诊，漏诊，给油田生产造成极大不便。

通过示功图求产可以解决常期困绕油田的各类机采井求产、诊断和综合评判中存在的问题，在一定程度上不仅解决油井的求产困难，而且减轻采油工作者劳动强度。

自动计量系统油井产量提供了一个快速、准确测算方法，使决策部门能够对我厂所辖油井实现宏观上的控制和决策。

1.理论示功图特征分析在实际的示功图分析工作中，为便于分析常常要拿理论示功图与实测示功图进行对比，从中分析该油井的工作状况。

下面就先来了解一下理论示功图的绘制和解释。

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有杆泵工作状况的主要依据。

由于抽油井的情况较为复杂，在生产过程中，有杆泵将受到制造质量，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，就是认为光杆只承受抽油杆柱与活塞截面积以上液柱的静载荷时，理论上所得到的示功图，叫做理论示功图。

它是在下述假设条件下绘制出来的，即：（1）、有杆泵质量合格，工作正常；（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、振动载荷与冲击载荷等的影响，假设力在抽油杆柱中的传递是瞬时的，凡尔的起落也是瞬时的；（3）、抽油设备在工作过程中，不受砂、蜡、水、气等因素的影响，认为进入泵内的液体不可压缩；（4）、油井没有连抽带喷的现象；（5）、油层供油能力充足，泵能够完全充满。

图1-1 理论示功图从图中我们可以看出，A点为下死点，C点为上死点，斜线AB 表示光杆负载增加的增载线，斜线CD表示光杆负荷减小的卸载线。

1.1没有弹性形变的理论示功图如果抽油杆是刚体（受力后没有弹性伸长和缩短的物体），那么，动力从地面传递到柱塞上没有时间滞后，既没有伸缩和振动，也没有摩擦。

若假定每一个部件的工作效率都是百分之百，则所测得的示功图中应该是长方形的，如图l所示。

图中a点是上冲程的始点。

由于刚体杆没有弹性形变，则ab线为机刻“增载”，此刻泵柱塞的游动阀关闭，全部载荷（刚体杆柱在液体中的重力与柱塞上面液柱的重力之和）由光杆承受。

bc线是上冲程过程,是载荷不变的位移图1-2 静载、非弹性抽油杆示功图过程,c点是上冲程死点。

这一过程中，泵的游动响一直关闭，固定阀一直打开，是进油过程。

cd线是将要由停止变为下行开始的时刻，由于刚体杆同样没有缩短过程，是即刻“卸载”。

当抽油杆下行所画出的da线是载荷不变的下冲程位移过程。

从d点开始，固定阀一直关闭，游动阀一直打开，是泵的排油过程。

这一过程中，光杆只承受刚体杆在液体中的重力，而没有液体载荷的位移过程，a点为下冲程死点。

在排油过程中，由于固定阀关闭，泵简内的液体随着柱塞下行被移到柱塞上部，待下一冲程时游动阀关闭，液体就随着上冲程的过程而被举升到地面。

这样周而复始，就是采油生产。

对于刚体杆来说，dabc ,为地面光杆冲程，亦即为井下泵的柱塞行程。

图1-1是基础理论图，既是地面示功图，也是诊断仪测试时的理论井下泵功图。

因为诊断仪测试后，计算程序中消除了抽油杆柱和管柱弹性形变的影响，没有杆、管柱的形变，则ab增载线和cd卸载线都是直上直下的，同时上冲程和下冲程的位移曲线也是水平的。

该理论示功图的特征：cdbc//。

一般抽油井如果是井深浅、ab//,da小泵径、粗抽油杆及小冲数抽油条件下生产时，有可能出现类似的水平、长方形的实测示功图。

1.2弹性抽油杆静载时示功图实际上金属是有弹性，会“形变”的，因而使增载过程ab和卸载过程cd都不是直上直下，而是受力后伸长，卸载后缩短，ab和cd都是倾斜着上下，与位移过程成线性的线段。

这一变形过程是由于抽油杆伸长和油管缩短、抽油杆缩短和油管伸长所造成的。

图1-3是弹性抽油杆受静载时的基本示功图，即光杆只受杆柱和液柱重力，泵不受外界摩擦力影响，并且假定泵的充满程度为百分之百时的理论示功图。

反映了实际生产过程中，井下泵的柱塞行程要比地面光杆冲程小一些，即冲程损失λ。

所以实际生产中井下泵的柱塞行程等于地面光杆冲程减去冲程损失λ。

图1-3这类的图形，是地面示功图，是一般浅井（油层供油充分，无气体影响，沉没压力较高时）常见的理想示功图。

图1-3 弹性抽油杆静载时示功图1.3（动、静载＋弹性形变）示功图图1-4是一般常见的地面示功图。

实际生产中抽油杆是要承受静载和动载的。

由于抽油杆有惯性动载荷，柱塞在泵筒内运动时有摩擦力，液体举升过程中与管壁和杆柱有摩阻，抽油杆结箍与油管内壁有摩擦，所以上冲程时a、b点偏高，下冲程时c、d点偏低，P1 和P2是动载荷影响的值。

图1-4 计算充满系数的地面示功图由于动载荷（如惯性载荷、抽油杆运动过程中有振动和柱塞摩擦、液体粘滞力、结箍硬摩擦、冲数较高及有时发生泵筒内缸套错位等因素，均会造成附加的动载荷）的影响，示功图的上、下行程线不是水平的，但只要dabc//，而且cdab//就是泵工作正常。

若二者不平行，就说明泵有问题。

图3中所示的行程线与水平线之间的夹角α越大，说明动载越大（如有的油田抽油井泵挂很深，抽油井动载有的井可达20kN左右，小的也有10kN左右，个别稠油区块的抽油机井冬季生产时回压很高，由于油稠而造成的高回压，可使动载达到20～30kN）。

另外，冲数越快，动载也越大。

在分析地面示功图时，必须注意这种“倾斜”规律。

1.4（动、隐载＋弹性＋振动）示功图图1-5是抽油杆发生规律性振动时的地面示功图，发生二级振动时，在上死点附近有一个结。

当泵挂超过1500～1800m时，抽油杆上、下运动时就会发生二级振动。

这种示功图图形倾斜，左下方和右上方（即在冲程下死点和上死点处）经常见到有绕一圈的“结”，千万注意不要误解、误判断，这是抽油杆杆柱受力换向与杆柱弹性作用下造成的。

由于弹性振动传递快，而杆柱与油管和液体摩擦等因素造成滞后，影响曲线的形状而产生扭结。

图1-5 （静载动载＋弹性＋振动）示功图图1-5的上冲程曲线呈阻尼曲线特征，左边波的幅度大，向右波幅减小；下冲程振动曲线也是阻尼曲线，从右向左波幅变小，上、下冲程阻尼曲线相平行，波幅呈相反方向。

油井生产的液体中主要是油和水（气体影响很小），其示功图显示有振动特征；如果含气多影响严重时振动波形就会基本消失，曲线变平缓，是因为含气液体能够吸收振动波的缘故。

通常见到的是弹性振动的示功图，只要上、下曲线的平均线平行，泵及正常。

1.5油井不含气、单相液体、冲数快时示功图在国外，对示功图形状的讨论中，认为倘若液体中含有气体，抽油杆卸载就比较缓慢，这样，在每一抽汲循环中就只有一组振动；若液体不含气，每个循环能产生两组振动，图形的右上方会有一个“结”出现。

图4和图5的右图皆为二组振动。

图1-6是美国实测的地面示功图资料，冲数越快，图形偏转角α就越大。

分析时可以将图扭正后看就容易看清，图形随着冲数加快而竖起来了。

图5中左图冲数29次／min，右图冲数39次／min，右图斜角α大。

右图分析时要考虑到二组振动的特点，避免误解，其实该井泵正常。

图1-6 油井不含气、单相液体冲数快时示功图1.6泵的充满系数和排出系数概念对比图1-7说明有杆泵在实际生产中，由于存在冲程损失（杆、管弹性形变和各种摩擦力造成冲程损失λ和λ∆），所以柱塞的有效行程减小，有杆泵实际工作中的充满系数和排出系数都不是100 ％，产液量也不是理论排量。

图1-7 泵的冲数系数、排出系数概念（定量计算时的比例段）对比图bc—上冲程；λ—抽油杆伸长和油管缩短长度；da—下冲程；λ∆—受摩擦力P∆时造成的冲程损失图1-7中左图为理论功图，不考虑杆管的伸缩和摩擦力（刚性杆功图），则地面冲程S ＝活塞行程S '，排出系数＝充满系数＝100 ％。

中间图形为弹性杆功图。

泵挂深度浅的抽油井实际生产中，摩擦力很小，所测示功图可视为弹性杆功图。

从图中可见其排出系数排出ηS S S -S S ad ''==λ＝ （1-1）而生产实际状况中，抽油杆和油管柱都是弹性体，生产运动时都有摩擦力，则排出系数排出ηS S S )(-S S ad ''=∆+=λλ＝ （1-2）泵挂深的抽油井尤为突出。

如图1-7的右图说明深井状态下的有效冲程减小很多。

从图1-7的三种状况的对比，可知实际产量是与冲程损失直接有关。

经诊断仪的实际测试，抽油井的冲程损失与泵挂深浅有关，与杆柱组合有关，而且与冲数有关。

实测统计，一般 1200～ 1500m 的泵挂井，其冲程损失为 0.5～0.8m ；泵挂超过1800m 的井，其冲程损失为1.2～1.4m 。

从图1-7的概念中引出一个观点：为实现抽油井的长寿稳产，就应不断综合分析实测示功图，尽可能减少冲程损失，减少气体影响和油管漏失，提高有杆泵质量和抽油参数优化组合，减少杆柱摩擦阻力（如对于斜度大的深抽井要在抽油杆柱上装尼龙扶正器或刮蜡器、稠油井降粘等）；保证合理沉没度，调小防冲距，延长检泵周期。

1.7计算充满系数的地面示功图图1-8表示柱塞的有效行程可以在图中上冲程曲线段上量出,而泵的充满部分可以在下冲程曲线中量得，这是地面示功图定量分析的基础。