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示功图分析


示功图的分析和解释

理论示功图 的绘制及泵的工作过程

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。

假 设 条 件

2 3 、抽油设备在工作中,不受砂、蜡、 5、不考虑活塞在上、下冲程中,抽油杆柱所 、油井供液能力充足,泵能够完

1、油井没有连抽带喷现象 、深井泵质量合格,工作正常 4 受到的摩擦力、惯性力、震动载荷与冲击载 水、气等因素的影响,认为进入泵内 全充满 荷等的影响,假设力在抽油杆柱中的传递是
的液体不可压缩
瞬间的,凡尔的起落也是瞬间的

1、理论条件下泵的工作过程和负荷的转移情况
深井泵的活塞在做往复运动。活塞在最低位置时,两

个凡尔之间有一余隙,此余隙内充满了液体。当活塞下行
快接近下死点时,固定凡尔关闭,游动凡尔打开。此时, 活塞上下液体连通,光杆上只承受抽油杆在油中的重量; 油管承受了全部液柱重量。当活塞到达下死点开始上行的 瞬间,游动凡尔立刻关闭,使活塞上下不连通。活塞要推 动其上的液柱向上移动,这个液柱的重量就加在活塞上, 并经抽油杆加在光杆上。

P

B
理论示功图

C

A
S活
S光

D λ

S

在下死点前后,抽油杆柱上多了一个活塞截面以上液 柱的重量 油管上少了一个活塞截面以上液柱的重量。这 时,就要发生弹性变形,油管就要缩短,抽油杆就要伸长。 此时光杆虽然在上移,但活塞相对于泵筒来说,实际未动, 这样就画出示功图中的AB斜直线,它表示光杆负载增加的 过程,称为增载线。

P

B
理论示功图

C

A
S活
S光

D λ

S

光杆和活塞都在上行

P

B
理论示功图

C

A
S活 S光

D λ

S

光杆和活塞都在上行

P

B 理论示功图

C

A
S活 S光

D

S

λ

光杆和活塞都在上行

P

B 理论示功图

C

A
S活 S光

D

S

λ

光杆和活塞都在上行

P

B 理论示功图

C

A
S活 S光

D λ

S

光杆和活塞都在上行

P

B 理论示功图

C

A
S活 S光

D

S

λ

光杆和活塞都在上行

P

B
理论示功图

C

A
S活

D λ
S光

S

光杆和活塞都在上行

P

B 理论示功图

C

A
S活 S光

D

S

λ

光杆和活塞都在上行

P

B

C

理论示功图

A
S活 S光

D

S

λ

光杆和活塞都在上行

P

B
理论示功图

C

A
S活 S光

D λ

S

当弹性变形完毕光杆带动活塞开始上行,固定凡尔打
开,液体进入泵筒并充满活塞所让出的泵筒空间,此时, 光杆出所承受的负载,仍和B点时一样没变化,所以画

出一条直线BC。

P
上 游 动 凡 尔 打 开

B
理论示功图

C

A
S活

D λ
S光

S

下 游 动 凡 尔 打 开

固定凡 尔关闭

当活塞到达上死点,在转入下行程的瞬间,固定凡尔关 闭,游动凡尔打开,活塞上下连通。活塞上原所承受的 液柱重量又加在油管上。抽油杆卸掉了这一载荷,油管 上加上了这一载荷,于是二者又发生弹性变形,此时油 管伸长,抽油杆柱缩短,光杆下行,活塞相对于泵筒没 有移动,于是画出了CD斜线。它表示光杆上负荷减少的 过程。称为减载线。

P

B
理论示功图

C

A
S活

D λ
S光

S

光杆和活塞都在下行

P

B 理论示功图

C

A
S活 S光

D

S

λ

光杆和活塞都在下行

P

B
理论示功图

C

A
S活

D λ
S光

S

光杆和活塞都在下行

P

B
理论示功图

C

A
S活

D λ
S光

S

光杆和活塞都在下行

P

B
理论示功图

C

A
S活

D λ
S光

S

光杆和活塞都在下行

P

B

C

理论示功图

A
S活 S光

D

S

λ

光杆和活塞都在下行

P

B 理论示功图

C

A
S活 S光

D

S

λ

光杆和活塞都在下行

P

B 理论示功图

C

A
S活 S光

D

S

λ

光杆和活塞都在下行

P

B 理论示功图

C

A
S活 S光

D λ

S

当弹性变形完毕,活塞开始上行,液体就通过游 动凡尔向活塞以上转移,此过程中,光杆所受的 负荷不变,于是画出直线DA。

P

B

C

理论示功图

A
S活 S光

D

S

λ

于是画成一个封闭的曲线,即为示功图。

P

B 理论示功图

C

A
S活 S光

D λ

S

光杆从下死点又开始新的上行

光杆冲程 油管缩短和 抽油杆伸长

光 杆 所 受 负 荷

B

活塞冲程

C

活塞截面以 上液柱重量

A
抽油杆在油中的重量

D
抽油杆缩短 和油管伸长

光杆冲程

理论示功图是在五个假设条件之下,仅仅考虑了抽油
杆柱承受静载荷时作出来的,所以功图是规则的平行四边

形。而实测功图是在砂、蜡、气、水和惯性载荷、震动载
荷、冲击载荷与摩擦阻力等因素的综合影响之下测出来的, 除此之外,还要受到漏失、断脱、碰泵、设备故障、仪器 故障的影响,因此实测功图比理论功图复杂的多。为了便 于分析,我们只介绍典型的示功图作为实测功图的理论基 础,然后与实测功图结合起来对比分析,说明分析方法和 各类图形的特征。

典型与实测示功图 的分析和解释

实测正常功图的特点是和理论示功图的差异 不大,均为近似的平行四边形。

沉没度204 泵效47.5

但是由于抽油设备的震动、油井深度使抽油杆柱受到
较大的惯性力,以及冲次的加快,惯性载荷及震动载荷增 加,使图形波动和偏转得更加厉害。一般来说,功图中上 下波形的平均线平行,左右曲线平行,所不同的是:上下 负荷与基线不平行,成一个夹角。

随着冲次的加快,惯性载荷和震动载荷也相应增加。
n=4 n=6

n=9

n=12

对于抽油井来说,油井结蜡可以增加光杆 负荷,引起凡尔失灵、活塞卡死、堵死油管。

因此,研究油井结蜡对于维持油井正常生产,
具有较大的实际意义。由于结蜡部位不同,影

响的严重程度不同,现分为以下几种情况进行
分析。

3.1、凡尔结蜡

游动凡尔和固定凡尔结蜡,凡尔不能灵活
地及时打开,从而引起漏失。并且,由于杆管

结蜡,增大油流阻力。所以,当活塞上行时,
光杆负荷增加,超过了最大理论值,下行时, 光杆负荷不稳定,功图呈现出波浪起伏的变化。

3.2、油管和抽油杆结蜡
油管和抽油杆结蜡,会缩小油流通道,增大油流阻力,增大光

杆负荷,严重时,可将油管全部堵死,迫使油井停产。。
光杆上行时,由于结蜡所引起的附加 阻力,使负荷在整个冲程中都超过了 最大理论值;光杆下行时,由于结蜡 阻碍,负荷立即减小,当到达结蜡严 重部位,负荷就很快降到最小理论值 以下。所以,整个实测功图比理论示

功图显得肥胖。

3.3、固定凡尔被蜡卡死
在上冲程时,由于固定凡尔卡死,井中有蜡影响, 使抽油杆的运动受到了阻碍,所以,实测示功图的最大 负荷线超过了理论值,并有波浪式的变化。当活塞下行 时,由于活塞接触不到工作筒内的液面,游动凡尔打不 开,光杆不能卸载。直到接触到工作筒内液面,光杆才 开始卸载。所以,实测功图的最小负荷线接近于最大理 论负荷线,直到下死点时,负荷才降到理论值。

实测蜡影响示功图

该井2002年8月日产液26吨,日产油1吨,含水96.1%,沉没度 14.24米,上电流/下电流分别为85/76A,日产液逐渐下降,200205日 产液15吨,日产油2吨,含水86.7%,沉没度上升到744米,上下电流分 别61/69A,200306月卡泵检泵,检出蜡堵。

活塞上行时,油气混合物 进入泵内,并且随着活塞

继续向上运动,泵内压力
降低,溶解在石油中的气 体大量分离出来,同时气

体产生膨胀,使光杆载荷
不能很快地增加到最大理论值。因此,增载过程变慢, 直到B1点时,增荷才结束,固定凡尔才打开。所以,增

载线AB1较AB的斜率小。

当活塞下行时,泵内气体受 到压缩,压力逐渐增大,直 到被压缩的气体压力大于活 塞上面的液柱压力时,游动 凡尔打开。从图上CD1线的 变化情况来看,由于有个活 塞压气体的过程,光杆卸载 较正常卸载缓慢,到了D1点时,游动凡尔被打开。光杆载 荷才降到最小理论值。因此,减载线CD1较增载线AB1平缓, 成为一条向右下方弯曲的弧线。

气体压力大,光杆卸载
快,弧线曲率小。反之,

则弧线曲率大。曲率中心
位于弧线的右下方。这条 弧线是气体影响示功图的 显著特征。

4.1

气体使泵的充满系数降低
气体影响实测示功图在油井油气比、 动液面高,而在泵井口处部分气体仍

然溶解于石油中的情况下抽油时,只
有少量的气泡状游离气和油、气混合 物一起进入泵内。活塞上行时分离出

的溶解气占据活塞所让出的空间。因
此,泵内原油的充满系数大大降低。

4.2
4.2.1

凡尔“气锁”,泵不排油
当泵的排量大于油井在该泵挂深度的供液能力时,

在抽油过程中,动液面逐渐降低,直至动液面降低到泵 吸入口附近,套管气进入泵内。在整个上冲程中,泵内 气体膨胀,固定凡尔打不开,在下冲程中,由于工作筒 内无液面活塞压缩气体,运行到下死点,泵内气体压力 仍然小于活塞面积以上的液柱压力。所以游动凡尔打不 开,泵不排油。

4.2
4.2.2

凡尔“气锁”,泵不排油
在油气比很高的抽油井中,由于原油中的大量游

离气进入泵内,并随着活塞向上运动而膨胀占据活塞所

让出的体积,致使游动凡尔、固定凡尔不能正常打开,
泵不排油,整个图形靠近最大理论载荷线,减载线平缓,

仍具有气体影响的特征。即平常所说的气锁时的功图,
功图形状和严重供液不足时的功图形状比较相象。

当深井泵装置完好时,抽汲过程中,液体不能及时充满泵的工作筒,

致使泵的充满系数下降,排量降低,称之为供液能力差。
造成供液能力差的原因有两种: a) 深井泵的工作制度或抽汲参数组合不合理,泵的排出能力大于油 层的供液能力,造成沉没度太小,液体充满不了泵筒。 b) 为了防止砂、气体影响泵的正常工作,在泵的下边装有砂锚、气

锚、防砂筛管,当砂、蜡堵塞了部分或大部分进油孔道,致使液体
进入泵筒的流动阻力增大,流量变小,动液面升高,液体不能及时 充满泵筒。

P λ

当从上死点开始下冲程后,光杆
负荷不是立即减小,而是向下运 动一段距离后才减小,这段距离

P大

P小
充 满 极 差 充 满 最 差 充 满 更 差 没 有 充 满

相当于泵筒中的未充满高度。由
S

于这段泵筒中无液体,所以游动 凡尔打不开,负荷仍和上冲程一

S活 S光

样,只是由于摩擦力、动负荷等方向的改变,使负荷有稍许降低。当 活塞接触液面开始压缩液体后,负荷开始转移,光杆开始卸载。

P λ

对一口井来说,抽油杆、油管、泵
等条件是固定不变的,因而,由它

P大

P小
充 满 极 差 充 满 最 差 充 满 更 差 没 有 充 满

们所决定的弹性变形过程中的弹性
S

系数也就随之固定不变。所以,卸 载线和加载线相互平行。

S活 S光

但是由于充满程度是可变的,卸载线要左右移动,卸载线越靠左, 说明泵的充满程度越不好。

P λ

P大

P小
充 满 极 差 充 满 最 差 充 满 更 差 没 有 充 满

S

S活 S光

泵充满程度不好时示 功图图形象一个菜刀 把,因此有人形象地 称此类图形为“刀把” 形。

沉没度 29.71m 沉没度493m
产量下降 611.1m 泵效13.2%

进油部位堵塞,形成供液不足, 应采取热洗解堵,热洗不成功 检泵发现金属防砂筛管被砂堵 如产量下降可采取检泵作业。 死

明显地看出供液不足井示功图的明显特征,所不同的是由 于井深、动负荷增大和力传递的滞后,引起图形的扭转或 波浪明显。

在实际功图分析过程中,由于供液不足和气体影响的 功图理论界线不明显,致使在功图分析时同一功图不同人 的分析结果不同。 为此,从水利学的角度出发,计算了抽油泵完全充满所 必须的沉没度界限:
φ70mm以下泵,沉没度大于80米、泵效大于35%,分析 气体影响,泵效小于35%、沉没度小于80米分析供液不足; φ70mm以上泵,沉没度大于100米、泵效大于35%,分析气 体影响,沉没度小于100米、泵效小于35%,分析供液不足。

6.1

固定凡尔漏失在示功图上的表现
由于固定凡尔与凡尔座配合不严,凡尔座锥体装配

不紧,凡尔罩内落入脏物或结蜡而卡住凡尔球等原因, 都会造成泵的固定凡尔漏失。 泵在下井前,都经过检修、试压等一系列检查。一 般因装配问题造成固定凡尔漏失的情况是比较少见的。

固定凡尔漏失,决大部分的原因是由于油中含有砂蜡造
成的。

6.1

固定凡尔漏失在示功图上的表现

固定凡尔失灵有两种: 一种是长期的 一种是偶尔的失灵

但二者在示功图的表现上都是一样的。

6.1

固定凡尔漏失在示功图上的表现
当光杆从上死点开始下行时, 固定凡尔关闭、活塞开始挤 压泵筒中的液体。活塞挤压 液体给液体一个作用力,使 液体压力升高,液体反过

来又给活塞一个反作用力,使光杆减载。当泵筒中液体 的压力超过油套环行空间液柱在凡尔座处形成的压力后, 泵筒中的液体就从吸入部分的不严密处漏入井中。

6.1

固定凡尔漏失在示功图上的表现

理论卸载线为一条直线,而吸入 由于固定凡尔漏失,使卸载时间

示功图的左下角变圆, 部分漏失时的卸载线为一向上凹 延长。卸载时间延迟的结果是图
的曲线,其倾角(∠ 形右上角变尖、右下角变圆。而 CD1D),且 而且,漏失越厉害,变

增载线比卸载线陡
得越圆

漏失量越大,越比理论卸载线的 且漏失量越严重,图形右上角变

倾角要小。 得越尖、右下角变得越圆。

6.1

固定凡尔漏失在示功图上的表现

日液量由 7 下降到 0, 沉没度由 45 米上升到672米。 停憋不起压、抽憋 5 分钟压力由 0.3↑1.2MPa 、 稳 压 3 分 钟 压 力

降至0.5MPa

6.1

固定凡尔漏失在示功图上的表现

日 产 液 26t→9t, 沉 没 度

157m→1049m
憋 泵 : 21 个冲 程 压 力 0.53MPa2.0MPa, 停 机 5 分 钟 , 压 力 为

1.1MPa, 停机憋泵压力不升不降 ,
泵 漏 失 量 增 量 +260ml/min , 油 管结蜡严重,变形

6.2

排出部分的漏失对示功图的影响

深井泵的排出部分包括游动凡尔和活塞。 因此,该部分产生的漏失主要有两种原因造成: 一是游动凡尔装配不严、磨损造成漏失;二是

活塞和泵的衬套配合不紧密、间隙过大或因沉
砂异物等磨损活塞引起的漏失。

6.2

排出部分的漏失对示功图的影响

当光杆开始上冲程运动时,
活塞下面液体的压力随着抽油杆 的伸长和活塞被提升而逐渐下降,

活塞上下之间随即产生压力差,
使活塞上面的液体经漏失处漏到

活塞下面的工作筒,使得工作筒中的压力升高,与不漏失相比,此
压力对活塞有“顶托”作用,使光杆的负荷不能及时升到最大值,

6.2

排出部分的漏失对示功图的影响

固定凡尔要比不漏失时延迟打开,
表现在示功图上如AB1曲线所示。 AB1曲线的形状与漏失部位有关。 如果是游动凡尔漏失,曲线向上 凹(如AB2)若是活塞漏失, 曲线向下凹(如AB1),但在实际工作中,由于两部分都同时漏失,这 一特点不明显,曲线多数如AB1曲线的形状,比正常工作时的增载线 滞后。

6.2

排出部分的漏失对示功图的影响

增载线的倾角比泵工作正 左上角和右上角圆滑,漏 增载线为一条圆弧线,曲 卸载线比增载线陡 常时要小,倾角越小漏失 失量越大,其圆滑程度越 率中心位于示功图的右下

量越大。 厉害。 方。

6.2

排出部分的漏失对示功图的影响

游动凡尔打开迟缓是由于砂、 蜡或泵筒脏等原因造成,在此 情况下,一般对该井进行热洗, 就能使功图恢复正常

6.3 双凡尔同时漏失的功图
在现场,由于砂蜡及磨损等原因,使游动凡尔和固 定凡尔同时受到影响,区别只是程度不同罢了。

游动凡尔和固定凡尔同时存在漏失时,这两部分还
未达到完全失效或一部分完全失效,油井还在出油,示 功图的四个角变为圆角。如果部分完全失效,另一部分 部分失效时,图形将以主要失效的那一部分而变动。

6.3 双凡尔同时漏失的功图

日 产 液 73t→53t , 沉 没 度

473m→718m。
抽憋 5 分钟压力 1.1MPa ,停机降 到0.6Mpa

泵漏失量增量360ml/min

6.3 双凡尔同时漏失的功图

7.1、活塞装置过高对示功图的影响
活塞装置过高就是指活塞与吸入凡尔之间的防冲距离太大,造
成泵工作不正常或根本不能工作。 当活塞运行到C点时,负荷急剧 下降,原因是活塞在此点开始脱

出工作筒,使活塞与工作筒的接
触面急剧减少,漏失量迅速增加, 造成急剧减载。

7.1、活塞装置过高对示功图的影响

7.1、活塞装置过高对示功图的影响

7.1、活塞装置过高对示功图的影响

在现场,有时油井作业后, 油井根本不出油,抽油杆柱丈 量不准确,造成活塞未下入工 作筒,这种情况如图7-6

7.2

活塞装置过低对示功图的影响

活塞装置过低,就是指泵的活塞和固定凡尔间的防冲距离调节 的过小,活塞下行到下死点时,就会发生撞击。 当活塞和固定凡尔罩相撞时,光杆

上负荷急剧降低,但因活塞又紧接
着开始上行,在示功图的右下角形 成一个不规则且带环状的尾巴。同 时,因碰撞引起了抽油杆柱的强烈 跳动,封闭不严,造成漏失。

7.2

活塞装置过低对示功图的影响

图1为轻微撞击,漏失不严重,

看不出来。
图2为撞击严重,动载荷明显, 双凡尔漏失严重。

7.2

活塞装置过低对示功图的影响

图1为轻微撞击,漏失不严重,

看不出来。
图2为撞击严重,动载荷明显, 双凡尔漏失严重。

7.3

上冲程碰挂对示功图的影响

7.4 盘根过紧对示功图的影响

当抽油杆由于弹性疲劳,深 井泵遇卡使抽油杆柱超过拉伸屈

服极限等原因而断裂,或由于抽
油杆之间未上紧而发生脱扣、脱 接器坏断、上凡尔罩断时,示功 图将成为水平条带状。

此时,光杆的负荷,只决定于断脱
部位以上杆柱在液体中的重量和它

与液体、防喷盒等的摩擦阻力。 而图形的位置取决于断脱的位置。断脱的位置越深,图形越接近最小
理论负荷线,断脱的位置越浅,图形越接近基线。

抽油杆柱的断脱位置,可通过对示功图的计算大致推算出来。 设: L为最小理论负荷线距基线的距 离(毫米,按计算最小负荷线的

方法算出);L断为实测断脱图形
上下负荷线的平均中线距基线的 距离(从图中量得,毫米);h 为抽油杆柱的深度(米);h断为 断脱处的深度

根据抽油杆在悬绳器处所形成的负荷和其深度成正比,可得:
L/L断=h/h断

对上式移项整理可得计算断脱部位深度的公式:
h断=(L断× h)/L 该公式的计算结果和实际的断脱部位稍有出入,但基本是符合的

第25根杆脱的实测功图(沉没度1000m)

第104根杆脱的实测功图(沉没度968m)

脱接器断的实测功图(沉没度896m)

上凡尔罩断的实测功图(沉没度906m)

如果油管的丝扣连接处未上紧或丝扣损坏,或因油管被磨损、
腐蚀而产生裂缝和孔洞时,进入油管的液体就会从这些裂缝、孔洞 及未上紧处重新漏入油管套管间的环行空间。 油管漏失所产生的结果,可能是: ⑴当漏失量小于深井泵的排量时,油井仍然出油,但产量比 原来水平降低很多,泵效较低;

⑵当漏失量大于泵的排量时,泵抽吸上来的油,全部漏入井
筒油井不出油。

由于油管漏失不是油井装置本身所致,示功图图形
不发生变异,和正常出油时的示功图一样,只是当漏失 严重,油井不出油时,示功图的最大负荷线较最大理论 负荷线低,所低的这段长度相当于漏失处至井口这段液 柱在光杆处所产生的负荷,若漏失处离井口很近,低出 的这段长度趋于零。

沉没度497m

沉没度846m

第53根油管漏失

第96根油管漏
沉没度840m

油管磨漏

当油管由于弹性疲劳、油管之间未上紧而发生脱 扣时,此时抽油泵工作正常,抽油泵抽汲上来的油全

部漏入进入井筒,油井不出油,憋泵压力不起,示功
图的最大载荷线较理论最大载荷线低,功图有一定的 面积,功图下移到理论最小载荷线附近。

日 产 液 12t→0t , 沉 没 度 0m→1000m

憋泵:起压 0.35 , 40 个冲程压 力为 0.4 ,停机 5 分钟压力为 0.4 , 停机憋泵压力不升不降
检泵发现油管挂断

该井加密量油时,发现不上液, 现 场 憋 泵 30 个 冲 次 , 油 压 0.4MPa不起 检泵发现第91根油管机械扣断

憋泵不起压。 产液0吨,液面井口 检泵发现第2根油管机械扣断

憋泵不起压。 产液0吨,液面井口 第8根φ62mm油管公扣断

油井连抽带喷,当处于上冲程时,由于油流有自喷能
力,它就顶着活塞往上跑,造成游动凡尔被顶开或不能严 密的关闭。同时,油气充分混合,液柱比重减轻,造成光 杆上的负荷大大减轻,达不到示功图的最大理论载荷线。 当下冲程时,油流同样向上顶活塞,并使固定凡尔和 游动凡尔都处于开启的状态,造成光杆的负荷没有什么变 化,负荷仍高于示功图的最小理论载荷线。

该井泵效109.37,
液面井口。

在现场,影响功图的因素很多,活塞弯曲、盘 根过紧、地面管线冻结或部分堵塞、出油管线过长, 动力仪状况不良或操作不当都会使图形发生变形, 给通过功图判断抽油泵工作情况造成困难。但是, 只要我们做过细的工作,判断疑难井功图时,紧密 结合油井的憋泵、量油、液面等资料,就能对油井 的工作状况做出正确的判断。


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示功图与油井供液能力定量化分析 示功图与油井供液能力定量化分析钟张起 1,2 侯读杰 1 张春梅 2 王军 2 侯风玉 2 (1.中国地质大学(北京)能源学院,北京 ...
示功图分析详解-游动凡尔打开迟缓
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抽油机井典型示功图分析
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