有杆抽油系统工况分析

有杆抽油系统工况分析
抽油机井的分析应包括以下内容：
（1）了解油层生产能力及工作状况，分析是否已发挥了油层潜力，分析判断油层不正常工作的原因。

（2）了解设备能力及工作状况，分析设备是否适应油层生产能力，了解设备利用率，分析判断设备不正常工作的原因。

（3）分析检查措施效果。

一、抽油机井液面测试与分析
（一）静液面、动液面及米采油指数
静液面：是指关井后环形空间中的液面恢复到静止时的液面；
静液面深度：从井口到液面的距离称为静液面深度；
静液面高度：从油层中部到静液面的距离称为静液面高度。

与它相对应井底压力，既是油层压力（静压），若井口压力为零时，静压与静液面的关系为： （3-89）
动液面：是油井生产期间油套管环形空间的液面；
动液面深度：表示井口到动液面的距离；
动液面高度：表示油层中部到动液面的距离。

井底流压与动液面的关系为：（3-90）
如图3-47所示：
称为沉没度：它表示泵的吸入口沉没在动液面以下的深度。

油井的采油指数为：
令，
则油井的流动方程可表达为：
（3-91）
式中Q—— 油井产量，t/d；
K—— 称为米采油指数，t/(d·m)。

图3-47 静液面与动液面的位置
（二）液面位置的测量
测液面的原理是利用回声仪测量声波从井口传播到液面再返回到井口所用的时间t，再求出声波在环形空间中传播的速度，则液面深度为：
（3-92）
为了求出声波在环形空间中传播的速度，在距离井口一定深度处安装音标，在用回声仪测得的声波曲线纸带上能显示出井口波、音标波和液面波如图3-48所示，测取井口波
图3-48 液面与音标声波反射曲线
到液面波的纸带长度作为，则声速为，将其代入式（3-82）得：
（3-93）
油田现场目前用双频回声仪测得的液面曲线如图3-49所示，上面为高频曲线，下面为低频曲线，在高频曲线上可清楚地看出声波传播到每一个油管接箍返回到井口的时间波形。

在这种液面曲线上量取10个油管接箍反射波之间的纸带长度作为，量取从井口波到液面波之间的纸带长
度作为t，以10根油管的长度作为，也可求出液面深度为：，而且省去了在井中安装音标的麻烦。

图3-49 双频回声仪液面曲线
折算动液面深度：即将套压不等于零时的动液面，依据流压相等的原理折算成套压等于零时的动液面。

折算动液面深度为：
（3-94）
二、地面示功图分析
示功图：是载荷随位移变化的封闭曲线。

地面示功图：是表示悬点载荷随悬点位移变化的封闭曲线；
减程比：以悬点位移为横坐标，图上冲程与实际冲程之比值称为减程比；
力比：以悬点载荷为纵坐标，每毫米纵坐标表示的载荷称为力比。

实测示功图：若是用动力仪在悬点处测得的示功图，称为实测示功图。

理论示功图：而人工绘制的悬点理论载荷随悬点位移变化的封闭曲线，称为理论示功图。

分析实测示功图的步骤为：
（1）在实测示功图上绘制理论示功图，并将实测示功图与理论示功图对比分析；
（2）与典型示功图对比分析；
（3）结合油井产量，原油粘度等生产资料进行分析。

（一）理论示功图
1．理论示功图的构成
如图3-50，理论示功图是一个在以悬点位移为横坐标，以悬点载荷为纵坐标的直角坐标系中的平行四边形ABCD，其中AB为加载线，在≤时，静载荷逐渐从下冲程的静载荷增加到上冲程的静载荷，在这期间，载荷与形变成正比：，在B点悬点加载完毕，载荷增加到，这时固定阀打开。

≤≤时的BC段为上静载线，在≤的CD段为卸载线，到达
图3-50 静载荷作用下的理论示功图
D点卸载完毕，载荷减小到，游动阀在此时打开。

DA段为下静载线。

冲程损失，活塞有效冲程BC=DA，上冲程载荷变化线ABC与基线（即横坐标）之间夹的面积为悬点上冲程做的功，下冲程载荷变化线CDA与基线之间夹的面积为悬点下冲程做的负功，在一个冲次中悬点做的净功为平行四边形ABCD的面积。

2．理论示功图的绘制
（1）计算出上冲程的静载荷、下冲程的静载荷和冲程损失；
（2）计算上、下静载荷线的高度，即示静载荷，用静载荷除以力比C：
；
（3）计算冲程损失和活塞冲程（或光杆冲程）的图上长度,用实际长度乘以减程比：
（4）画出坐标轴和平行四边形ABCD如图3-50。

（二）典型示功图分析
1．气体和充不满对示功图的影响
1）气体影响充不满的示功图
有气体影响的示功图如图3-51所示，由于在下冲程末泵底部的余隙中含有一定量的溶解气和压缩的自由气，上冲程开始后，由于这部分气体膨胀使泵内压力不能很快降低，使悬点加载缓慢，吸入阀打开滞后到点。

下冲程开始时，由于气体受压缩使泵内压力不能迅速提高，悬点卸载缓慢，排出阀滞后于点才打开。

气体影响越严重，吸入阀和排出阀打开滞后的越大，无效冲程和越长，示功图的“刀把”越明显。

图3-51 气体影响示功图 图3-52 供液不足充不满示功图而当沉没压力很低，进泵气量特别大时，有效冲程段和段接近于零，出现所谓的气锁现象，如图3-51中的点划线所示，活塞的上下运动，只是泵内的气体在膨胀和压缩，吸入阀和排出阀都不打开，泵的排量为零。

气体影响的示功图的特征是卸载线光滑向下凹。

2）供液不足充不满的示功图
如果泵的沉没度过小且原油含气量不大时会使进油速度跟不上活塞向上移动速度，造成供液不足，液体充不满泵筒。

如图3-52，示功图的特点是下冲程开始后悬点不卸载，只有当活塞碰到液面时悬点几乎是垂直急剧卸载。

卸载线下凹有拐点。

常常由于活塞撞击液面产生的冲击载荷引起抽油杆柱的振动载荷，使示功图形状极不规则，出现起伏不定的波浪线。

2．漏失对示功图的影响
1）排出部分漏失
如图3-53所示，上冲程时，随着活塞向上让出体积，泵内压力降低，活塞上下产生压力差，使活塞上面的液体从活塞与衬套间隙及游动阀不严密处漏到活塞下面的泵筒中去，由于漏失到下面的液体对活塞有向上的“顶托”作用，使悬点加载缓慢，随着悬点向上运动的速度加快，“顶托”作用逐渐减小，直到活塞上行速度大于漏失速度时，悬点加载完毕，固定阀滞后于点才打开。

当活塞运行到后半冲程，活塞上行速度减慢到低于漏失速度时，又出现漏失液体的“顶托”作用，使悬点提前卸载，固定阀提前于点就关闭，当悬点运行到上死点时，悬点载荷已降到点。

由于排出部分的漏失，使固定阀滞后于点打开，提前于点关闭，活塞的有效吸入冲程。

图3-53 排出部分漏失影响的示功图 图3-54 排出部分严重漏失的示功图
当排出部分漏失严重时，等于零，固定阀不能打开，活塞的上下运动起不到改变泵内压力的作用，示功图呈细长条形，在下静载线附近，泵的排量为零，如图3-54所示。

2）吸入部分漏失
下冲程开始后，由于吸入部分（固定阀）漏失，泵中的液体漏回井中，泵内压力上升缓慢，如图3-55 所示，直到活塞向下移动的速度快于漏失速度，活塞追上了液面，才出现泵内压力升高，悬点卸载完毕，排出阀滞后于点才打开。

当活塞运行到后半冲程，向下移动的速度又慢于漏失的速度时，使泵内压力提前降低，排出阀提前于点就关闭，当活塞运行到下死点时，悬点载荷已经增加到点。

由于吸入部分漏失，排出阀滞后于打开，提前于关闭，使活塞的有效冲程减小仅为。

图3-55 吸入部分漏失影响的示功图 图3-56 吸入部分严重漏失示功图
漏失越严重，越短，当吸入部分严重漏失时，等于零，排出阀一直不能打开，短时间内，示功图呈细长条形，在上静载线附近，如图3-56所示。

但是时间久了以后，由于活塞和衬套间隙漏失，使细长条逐渐下
移，最后停留在下静载线附近，如图3-54所示。

3）吸入部分和排出部分双漏失的示功图
当吸入部分和排出部分都漏失时，示功图是两种漏失示功图的组合，示功图呈近似的椭圆形如图3-57所示。

图3-57 吸入部分、排出部分双漏失的示功图
3．活塞被卡在泵筒中不能动的示功图
由于衬套乱，活塞被卡在泵筒某一位置时，悬点的上下移动，只是抽油杆柱发生变形，活塞不动。

图形形状与被卡位置有关，图3-58为活塞被卡在泵筒中部的实测示功图。

上冲程中，悬点先是把被压弯的抽油杆柱拉直，悬点载荷先是缓慢增加，然后抽油杆柱受拉弹性伸长，悬点载荷急剧升高。

下冲程中，先是抽油杆柱恢复弹性变形，然后抽油杆柱被压缩而发生弯曲，示功图上先急剧卸载后缓慢卸载，示功图呈现两个斜率段
图3-58 活塞卡在泵筒中部示功图 图3-59 喷势强、油稀带喷示功图
4．连喷带抽的示功图
对于具有一定自喷能力的抽油机井抽油泵的抽汲只起诱喷和助喷作用。

在抽汲过程中，游动阀和固定阀处于同时打开状态，液柱载荷基本加不到悬点上去。

示功图的位置和载荷变化的大小取决于喷势的强弱及抽汲液体的粘度。

图3-59和图3-60分别为油粘度低带喷且喷势较强的示
功图和油稠带喷喷势较弱的示功图。

图3-60 喷势弱、油稠带喷示功图 图3-61 抽油杆断脱示功图
5．抽油杆柱断或脱扣的示功图
抽油杆柱在某一位置被拉断或在某一个接箍处脱扣断开后，悬点载荷实际上是断脱点以上的抽油杆柱在液体中的重量，但是由于抽油杆柱与液柱有摩擦力，使上下冲程的载荷线不重合。

示功图呈细长条形，其位置的高低取决于断脱点的位置，断脱点越靠上，示功图越靠下。

图3-61是抽油杆柱在接近中下部断脱的示功图。

根据示功图的位置可以求出断脱点深度，由于悬点载荷，则可得到断脱点的深度为：
（3-95）
式中——断脱点深度，m；
——示功图中心线至基线的距离，mm；
——测示功图的动力仪的力比，N/mm；
——每米抽油杆柱的质量，kg/m；
——抽油杆在液体中的失重系数；
——重力加速度, m/s2。

如果断脱位置靠近活塞，示功图的位置在下静载线附近，这种示功
图与连喷带抽喷势较强的示功图和严重漏失的示功图非常相近，可结合油井产量来区分，带喷示功图有产量，并且产量较高，断脱和严重漏失则没有产量。

要区分抽油杆柱在活塞根部断脱与严重漏失两种示功图比较困难，但严重漏失时的活塞也就相当于一段抽油杆了。

6．其它情况的示功图
1）油井出砂的示功图
砂子在活塞与衬套间隙中摩擦产生不稳定的载荷，示功图载荷线呈锯齿状波动，如图3-62所示。

图3-62 出砂井示功图 图3-63 结蜡井示功图
2）油井结蜡示功图
对于含蜡量高的油井，如果蜡在活塞与衬套间隙集结，引起不均衡载荷，使示功图载荷线出现波浪状波动，由于油比较稠，摩擦力较大使示功图载荷线肥大，超出静载线的范围。

如图3-63所示。

3）上冲程活塞脱出泵筒示功图
图3-64为防冲距太大，活塞位置下得过高，在上冲程中活塞全部脱出泵筒的示功图，活塞脱出泵筒时，悬点突然卸载。

图3-64 活塞脱出泵筒示功图 图3-65 防冲距过小活塞碰固定阀示功图
4）下死点处活塞碰固定阀的示功图
如果防冲距过小，下冲程近下死点处，活塞碰固定阀，引起载荷急剧减小，经常由于冲击载荷引起抽油杆柱的振动载荷，如图3-65所示。