示功圖與油井供液能力定量化分析

鐘張起，侯讀杰，張春梅，王 軍，侯風玉

（1.中國地質大學（北京）能源學院，北京海淀100083；2.中國石化中原油田分公司采油五廠）

游梁式抽油機在油田應用廣泛，測取抽油機井示功圖是分析、診斷抽油機井是否正常生產的一種有效手段，也是抽油機井日常管理工作的一個重要組成部分［1－3］。近年來，隨著油田信息化的快速發展，我國各大油田已相繼進入智能化、自動化、可視化和實時化的數字化階段。油井工況智能診斷是數字化油田發展的一個重要方面，但目前的應用缺乏對油井重要參數的考慮，工況診斷結果不全面，時效性差，而且在工況的批量診斷方面研究不夠［4－6］。示功圖診斷是通過示功圖曲線的形狀來研究抽油機井工況信息，本文就示功圖與油井供液能力的關系進行了探索。

1 理論油井示功圖

示功圖是抽油機光桿載荷與位移的關系曲線，通過檢測抽油桿周期性上、下運動時不同位移處抽油桿上所承受的載荷來反映油井的工作狀況。抽油機井的情況較為復雜，在生產過程中，抽油泵將受到砂、蠟、水、氣、稠油和腐蝕等多種因素的影響，所以，實測示功圖的形狀很不規則。為了正確分析和解釋示功圖，常需要以理論示功圖及典型示功圖為基礎分析和解釋實測示功圖［7－8］。

靜載荷作用的理論示功圖為平行四邊形ABCD，考慮慣性載荷的理論示功圖是將慣性載荷疊加在靜載荷上，慣性載荷的影響使靜載荷理論示功圖被扭曲一個角度，變為不規則四邊形 A′B′C′D′，如圖1所示。當考慮振動載荷時，則將由抽油桿振動引起的懸點載荷疊加在四邊形A′B′C′D′上。在粘性液體中，抽油桿柱的振動為阻尼振動，因此振動載荷的影響將逐漸減弱。另外，振動載荷的方向具有對稱性，反映在示功圖上的振動載荷也是按上、下沖程對稱的。

圖1 考慮慣性和振動后的理論示功圖

2 示功圖參數分析

典型示功圖是指某一因素影響十分明顯，示功圖的形狀反映了該因素影響的基本特征。盡管實際情況很復雜，但總是存在一個最主要因素，因此可根據示功圖判斷泵的工作狀況［9］。一般來說，示功圖都有加載過程和卸載過程，都會對應有最大載荷點和最小載荷點，圖2為研究區A96－4井實測示功圖。

2.1 參數定義

為了克服人為因素的影響，使參數取值更客觀，定義以下4個參數。

圖2 研究區A96－4井實測示功圖

（1）加載沖程：示功圖中，光桿位移從零到最大懸點載荷對應位移的距離，稱為加載沖程，即圖2中A點對應的橫坐標。

（2）卸載沖程：示功圖中，光桿位移從最大點到最小懸點載荷對應位移的距離，稱為卸載沖程，即圖2中B、C兩點橫坐標的差值。

（3）卸載比：卸載沖程與光桿沖程的比值，稱為卸載比。

（4）加卸比：加載沖程與卸載沖程的比值，稱為加卸比。

對同一口井來說，卸載沖程越大，示功圖中顯示的刀把越長，油井供液能力越低。同理，卸載比越大，油井供液能力也越低。加卸比越大，油井供液能力越高。

2.2 影響因素分析

理論上，卸載沖程、卸載比和加卸比都能定量化表示油井供液能力，而它們又存在一些干擾因素，不能完全反映油井的供液能力。

（1）慣性載荷的影響。慣性載荷使靜載荷理論示功圖扭曲一個角度，慣性載荷越大，示功圖扭曲的角度也越大，對應加載沖程和卸載沖程增大。同樣供液能力條件下，泵深大的井卸載沖程較大。慣性載荷對加卸比的影響相對較小，因為它使加載沖程和卸載沖程同時增大。

（2）振動載荷的影響。振動載荷使理論示功圖的上下沖程變成波浪線。振動載荷越大，加載沖程和卸載沖程也越大，振動載荷對加卸比的影響較小。

（3）氣體的影響。氣體很容易被壓縮，使加載沖程和卸載沖程增加。下沖程末抽油泵余隙內存有溶解氣，上沖程開始后泵內的壓力因氣體膨脹而不能很快降低，使固定閥打開滯后，加載緩慢。下沖程由于氣體壓縮，泵內壓力不能迅速提高，游動閥打開滯后，因此卸載緩慢。氣體含量越高，加載沖程和卸載沖程越大。氣體對加卸比的影響相對較小。

（4）漏失的影響。漏失越嚴重，對示功圖影響越大。沖次越快，漏失的影響就越小。游動閥漏失的影響只發生在上沖程，使加載沖程增加。固定閥漏失的影響只發生在下沖程，使卸載沖程增加。

慣性載荷、振動載荷和氣體這3種因素對示功圖的影響是廣泛存在的，而漏失對示功圖的影響范圍較小。理論上分析，同樣供液能力條件下，上述各種因素對卸載沖程和卸載比的影響較大，對加卸比的影響較小。

3 礦場應用分析

3.1 研究區概況

研究區位于東濮凹陷西斜坡帶中段，主要含油層位為沙3中及沙3下，含油面積4.5 km2，石油地質儲量1 073×104t，可采儲量296×104t，標定采收率27.65%。儲層平均孔隙度20.54%，平均滲透率220×10－3μm2，原油密度0.85～0.87 g／cm3，原油粘度2.98～9.11 mPa·s，為常溫常壓中滲復雜斷塊油藏。

3.2 參數評價

2013年4月，研究區共有可對比示功圖井89口，213井次示功圖數據。通過軟件把示功圖數字化，得到各個示功圖的卸載沖程、卸載比和加卸比等示功圖參數。正常生產情況下，根據實測示功圖是否出現刀把形狀，技術人員把抽油機井分為供液正常和供液不足兩類。結合實測示功圖的解釋結果，確定供液正常和和供液不足的界限。然后，根據各參數劃定的界限，再重新解釋實測示功圖。不同參數解釋的結果有一部分與技術人員解釋的結果相矛盾，矛盾井次最少的參數，就是表征供液能力最好的參數，統計結果如表1所示。由表1可知，加卸比判斷供液能力誤差井次最少，且誤差在10%以內，滿足工程需要。

表1 不同參數判斷供液能力統計

3.3 供液能力分級

理論分析和實測示功圖數據表明，與卸載比和卸載沖程相比，用加卸比來評價油井供液能力更有優勢。根據加卸比的取值范圍，把油井供液能力分為4級。供液能力、加卸比、泵效、沉沒度以及動液面的關系，如表2所示。由表2可知，隨著供液級別的增加，加卸比、平均泵效和沉沒度也在增加，平均動液面與之相反。對90%以上的油井，加卸比與供液能力對應關系較好。但對某些特殊井，加卸比的高低并不能完全代表油井的供液能力。同一口井，加卸比越高，油井供液能力也越高，可以根據油井的實際情況，單獨進行供液能力分級。

表2 加卸比分級與其他參數的關系

3.4 區塊動態分析

目前，進行區塊分析時，評價區塊供液能力高低的指標就是動液面。抽油機井動液面測試方法是利用聲波反射原理，井口測試儀器記錄下聲波反射曲線，經過分析計算得到動液面數據。該方法存在的問題主要有3個：①當套管沒有氣體或者動液面深度大于2 500 m時，動液面很難測試出來；②對頂部有封隔器的抽油機井，不能測量動液面；③對含氣量高的井，由于存在泡沫段，動液面測量不準。

隨著油田信息化的快速發展，示功圖測試技術不斷進步，用示功圖參數來衡量油井供液能力有很大優勢。2013年4月，利用泵效、動液面、沉沒度和加卸比進行油井供液能力分析，統計結果如表3所示，由表3可知，與上半月相比，區塊下半月的泵效、沉沒度和加卸比都有所降低，動液面有所增加，這些指標的變化都說明區塊整體的供液能力有所降低。從各指標的變化幅度可知，泵效和加卸比的變化較接近。因此，從某種程度上說，與動液面和沉沒度相比，用加卸比來衡量油井的供液能力更可靠。

表3 區塊抽油井不同指標對比

4 結論

（1）在實測示功圖中，確定了評價油井供液能力的3個參數，即卸載沖程、卸載比和加卸比。卸載沖程和卸載比越大，供液能力越低；加卸比越大，供液能力越高。

（2）分析了慣性載荷、振動載荷、氣體和漏失4種因素對示功圖參數的影響，它們對卸載沖程和卸載比影響較大，對加卸比影響較小。

（3）結合研究區資料，對卸載沖程、卸載比和加卸比參數進行統計分析表明，加卸比是表征油井供液能力最好的指標。

（4）根據加卸比的大小，把油井供液能力分為4級。加卸比與供液能力對應關系較好。

（5）通過不同時期泵效、沉沒度、動液面和加卸比4項指標判斷油井供液能力變化，泵效和加卸比的比較接近，用加卸比來衡量油井的供液能力變化較為可靠。

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