淺談示功圖在油田節能監測工作中的應用

熊文（大慶石油管理局有限公司技術監督中心）

目前的節能監測工作中，示功圖是分析抽油機工作狀況、計算系統效率的重要手段之一，因此更好的研究與分析示功圖是每一個節能工作人員必備的專業知識。示功圖是隨懸點載荷隨位移變化而繪制的封閉曲線，橫坐標是懸點位移，縱坐標是懸點載荷[1]。在油田采油實際生產工作中，經常需要依靠示功儀來測出，通過分析示功圖來判斷深井泵的工作狀態，并計算地面效率和井下效率，是分析系統效率的基礎手段。

1 示功圖的概念和作用

示功圖用來反映深井泵工作狀況是否良好，通過示功儀測出，并繪制在在坐標紙上。圖上封閉的線所圍成圖形得面積表示抽油機驢頭在一個沖速中深井泵所做的功[2]。通過分析，可以了解油井動態狀況以及抽油機的各項設備參數的選擇是否合理。

根據抽油機井地面效率和井下效率的公式：地面效率=光桿功率/輸入功率；井下效率=輸出有效功率/光桿功率，可知光桿功率是計算兩者的關鍵參數， 目前計算光桿功率的公式， 根據GB/T 33653—2017《油田生產系統能耗測試和計算方法》標準中規定：

式中：P光桿為抽油機井光桿功率，kW；A為示功圖面積，mm2；S 為示功圖減程比，m/mm；f 為示功圖力比，N/mm；n為光桿實測平均沖次，min-1。

在實際計算運用中，先采用求積儀計算出示功圖面積，再根據減程比、力比和沖速計算光桿功率。

2 理論示功圖

在理想條件下，若只考慮驢頭所承受的靜載荷使得抽油桿及抽油管柱的彈性形變，不考慮其他因素的影響，從而所繪制的示功圖，稱為理論示功圖（圖1）。

圖1 理論示功圖

理論示功圖是在理想條件下繪制出來的，其作用和目的是通過對理論示功圖與實際示功圖進行比較，從中找出負荷變化差異，以此判斷深井泵的工作狀況。

理論示功圖的繪制條件如下：1）假設泵、油管沒有漏失，正常工作；2）油層供液能力充足，泵充滿程度良好；3）不考慮動載荷的影響；4）不考慮砂、蠟、稠油的影響；5）不考慮油井連抽帶噴；6）認為進入泵內的液體是不可壓縮的，凡爾的打開是瞬間的[3]。

3 深井泵的組成和工作原理

深井泵是由泵下裝置（主要是濾網、砂錨、氣錨等）、泵筒（固定凡爾總成、襯套等）、活塞（活塞上的防砂槽、游動凡爾和連接抽油桿的拉桿等）、井下管柱。如圖2所示。

圖2 深井泵示意圖

當活塞上行時，游動凡爾因為受到油管內部活塞上面的液柱壓力而關閉。固定凡爾由于泵筒內壓力下降，被井筒環形空間液柱壓力頂開，井內液體進入泵筒內，將活塞上行后所流出的空間充滿。當活塞下行時，使得泵筒內液柱的壓力增高，固定凡爾關閉[4]。當泵筒內的壓力超過油管內部液柱壓力時，游動凡爾被頂開，液體從泵筒內通過活塞上行進入到油管中，在一個沖程過程中，深井泵中的液體完成一次進、一次出。活塞不斷運動，游動凡爾與固定凡爾就不斷進入工作筒，從而上行進入油管，最后達到地面[5]。如圖3所示。

4 分析幾種典型抽油機井示功圖

通過了解示功圖、理論示功圖以及深井泵工作原理，就可以分析出一個示功圖所反映出深井泵的實際工作狀態，從而進行分析，對于出現的狀況加以應對。下面分析幾種典型的抽油機井示功圖。

圖3 深井泵工作原理示意圖

4.1 供液不足井示功圖

從圖4 可以看出，深井泵由于供液不足的影響，導致游動凡爾不能夠及時打開，直到游動凡爾在撞擊到泵筒內的液面時才得以打開，因此，示功圖在下沖程的途中出現“撞擊拐點”[6]。

圖4 供液不足示功圖

4.2 受氣體影響示功圖

從圖5 可以看出，當深井泵受氣體影響時，游動凡爾不能及時打開，導致游動凡爾在下沖程時，壓縮氣體，緩慢打開，使示功圖在下沖程的途中出現內向凹陷的“圓弧”，并不是拐點，這是與供液不足示功圖4最明顯區別[7]。

圖5 受氣體影響示功圖

4.3 固定凡爾失靈示功圖

從圖6 可以看出，當固定凡爾失靈時，導致在游動凡爾在下沖程時完全不能打開，使示功圖在下沖程的整個過程中都沒有卸載的發生，整個圖形始終圍繞著上理論負荷線附近運行，這是固定凡爾失靈示功圖的最明顯的標志。當油井出現固失靈時，應首先進行碰泵和洗井，如果無效，就應上修井作業[8]。

圖6 固定凡爾失靈示功圖

4.4 油管漏失示功圖

從圖7 可以看出，由于油管漏失，導致活塞以上液柱的負荷與正常狀態時相比有所減少，從而使得管漏示功圖的上負荷線與正常示功圖的上負荷線相比，出現一個“落差L”，這落差“L”的大小就應該是油管漏失的位置，可以通過示功圖的比例計算出來[9]。

5 現場應用情況

某油田某礦某小隊共有抽油機井132 口，本次測試數量為48口，其中示功圖異常井為3口，分別是1#、2#、3#，其示功圖分別如圖8、圖9、圖10，系統效率措施前后測試數據見表1。

表1 抽油機井系統效率措施前、后測試結果

異常井1#，該井存在供液不足的情況。

異常井2#，該井存在碰泵的情況，應當重新調整防沖距。

異常井3#，該井存在供液不足的情況。

通過與相同井下參數條件的抽油機井對比發現，3 口功圖以異常井的井下效率均偏低，且2#井存在碰泵的顯現，說明影響3 口異常井抽油機井系統效率的主要因素為井下部分設備。經過進一步分析，發現3 口井的沖程，沖速和泵徑匹配不合理，導致抽油桿傳動效率下降，并且發現1#、3#井存在光桿彎曲的情況，導致抽油桿摩阻增加，能耗增大，從而導致井下效率偏低。

圖8 1#井油管漏失示功圖

圖9 2#井油管漏失示功圖

圖10 3#井油管漏失示功圖

通過針對性的整改，3 口井的系統效率均有所提高，平均提高1.59%，平均每天節電量為33.52 kWh，年平均節電量為11 060.28 kWh，若該隊所有的示功圖異常井都得到及時解決，那么年節電量約為99 542.50 kWh。

6 結語

在節能工作中，分析示功圖時不但要觀察示功圖的形狀，還要結合實時生產數據、井下參數來判斷深井泵的工作狀態是正常還是異常，如若分析出現異常狀況，需要立刻分析原因，聯系該井的采油單位進行修復。在通過分析示功圖主要參數，可以準確的計算抽油機光桿功率、井下效率、地面效率以及系統效率，為監測報告編寫時提供可靠的數據支撐，也能夠為采油生產提供更多具有針對性的節能方法以及節能措施，達到更好更實際的節能效果。