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(fēng)玉

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京海淀100083；2.中國(guó)石化中原油田分公司采油五廠）

游梁式抽油機(jī)在油田應(yīng)用廣泛，測(cè)取抽油機(jī)井示功圖是分析、診斷抽油機(jī)井是否正常生產(chǎn)的一種有效手段，也是抽油機(jī)井日常管理工作的一個(gè)重要組成部分［1－3］。近年來(lái)，隨著油田信息化的快速發(fā)展，我國(guó)各大油田已相繼進(jìn)入智能化、自動(dòng)化、可視化和實(shí)時(shí)化的數(shù)字化階段。油井工況智能診斷是數(shù)字化油田發(fā)展的一個(gè)重要方面，但目前的應(yīng)用缺乏對(duì)油井重要參數(shù)的考慮，工況診斷結(jié)果不全面，時(shí)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(guò)示功圖曲線的形狀來(lái)研究抽油機(jī)井工況信息，本文就示功圖與油井供液能力的關(guān)系進(jìn)行了探索。

1 理論油井示功圖

示功圖是抽油機(jī)光桿載荷與位移的關(guān)系曲線，通過(guò)檢測(cè)抽油桿周期性上、下運(yùn)動(dòng)時(shí)不同位移處抽油桿上所承受的載荷來(lái)反映油井的工作狀況。抽油機(jī)井的情況較為復(fù)雜，在生產(chǎn)過(guò)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(shí)測(cè)示功圖的形狀很不規(guī)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(chǔ)分析和解釋實(shí)測(cè)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(gè)角度，變?yōu)椴灰?guī)則四邊形 A′B′C′D′，如圖1所示。當(dāng)考慮振動(dòng)載荷時(shí)，則將由抽油桿振動(dòng)引起的懸點(diǎn)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(dòng)為阻尼振動(dòng)，因此振動(dòng)載荷的影響將逐漸減弱。另外，振動(dòng)載荷的方向具有對(duì)稱性，反映在示功圖上的振動(dòng)載荷也是按上、下沖程對(duì)稱的。

圖1 考慮慣性和振動(dòng)后的理論示功圖

2 示功圖參數(shù)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(shí)際情況很復(fù)雜，但總是存在一個(gè)最主要因素，因此可根據(jù)示功圖判斷泵的工作狀況［9］。一般來(lái)說(shuō)，示功圖都有加載過(guò)程和卸載過(guò)程，都會(huì)對(duì)應(yīng)有最大載荷點(diǎn)和最小載荷點(diǎn)，圖2為研究區(qū)A96－4井實(shí)測(cè)示功圖。

2.1 參數(shù)定義

為了克服人為因素的影響，使參數(shù)取值更客觀，定義以下4個(gè)參數(shù)。

圖2 研究區(qū)A96－4井實(shí)測(cè)示功圖

（1）加載沖程：示功圖中，光桿位移從零到最大懸點(diǎn)載荷對(duì)應(yīng)位移的距離，稱為加載沖程，即圖2中A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)。

（2）卸載沖程：示功圖中，光桿位移從最大點(diǎn)到最小懸點(diǎn)載荷對(duì)應(yīng)位移的距離，稱為卸載沖程，即圖2中B、C兩點(diǎn)橫坐標(biāo)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(duì)同一口井來(lái)說(shuō)，卸載沖程越大，示功圖中顯示的刀把越長(zhǎng)，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(gè)角度，慣性載荷越大，示功圖扭曲的角度也越大，對(duì)應(yīng)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(duì)加卸比的影響相對(duì)較小，因?yàn)樗辜虞d沖程和卸載沖程同時(shí)增大。

（2）振動(dòng)載荷的影響。振動(dòng)載荷使理論示功圖的上下沖程變成波浪線。振動(dòng)載荷越大，加載沖程和卸載沖程也越大，振動(dòng)載荷對(duì)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(nèi)存有溶解氣，上沖程開始后泵內(nèi)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(nèi)壓力不能迅速提高，游動(dòng)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(duì)加卸比的影響相對(duì)較小。

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

慣性載荷、振動(dòng)載荷和氣體這3種因素對(duì)示功圖的影響是廣泛存在的，而漏失對(duì)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(duì)卸載沖程和卸載比的影響較大，對(duì)加卸比的影響較小。

3 礦場(chǎng)應(yīng)用分析

3.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)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(zhì)儲(chǔ)量1 073×104t，可采儲(chǔ)量296×104t，標(biāo)定采收率27.65%。儲(chǔ)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(fù)雜斷塊油藏。

3.2 參數(shù)評(píng)價(jià)

2013年4月，研究區(qū)共有可對(duì)比示功圖井89口，213井次示功圖數(shù)據(jù)。通過(guò)軟件把示功圖數(shù)字化，得到各個(gè)示功圖的卸載沖程、卸載比和加卸比等示功圖參數(shù)。正常生產(chǎn)情況下，根據(jù)實(shí)測(cè)示功圖是否出現(xiàn)刀把形狀，技術(shù)人員把抽油機(jī)井分為供液正常和供液不足兩類。結(jié)合實(shí)測(cè)示功圖的解釋結(jié)果，確定供液正常和和供液不足的界限。然后，根據(jù)各參數(shù)劃定的界限，再重新解釋實(shí)測(cè)示功圖。不同參數(shù)解釋的結(jié)果有一部分與技術(shù)人員解釋的結(jié)果相矛盾，矛盾井次最少的參數(shù)，就是表征供液能力最好的參數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)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(nèi)，滿足工程需要。

表1 不同參數(shù)判斷供液能力統(tǒng)計(jì)

3.3 供液能力分級(jí)

理論分析和實(shí)測(cè)示功圖數(shù)據(jù)表明，與卸載比和卸載沖程相比，用加卸比來(lái)評(píng)價(jià)油井供液能力更有優(yōu)勢(shì)。根據(jù)加卸比的取值范圍，把油井供液能力分為4級(jí)。供液能力、加卸比、泵效、沉沒度以及動(dòng)液面的關(guān)系，如表2所示。由表2可知，隨著供液級(jí)別的增加，加卸比、平均泵效和沉沒度也在增加，平均動(dòng)液面與之相反。對(duì)90%以上的油井，加卸比與供液能力對(duì)應(yīng)關(guān)系較好。但對(duì)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(jù)油井的實(shí)際情況，單獨(dú)進(jìn)行供液能力分級(jí)。

表2 加卸比分級(jí)與其他參數(shù)的關(guān)系

3.4 區(qū)塊動(dòng)態(tài)分析

目前，進(jìn)行區(qū)塊分析時(shí)，評(píng)價(jià)區(qū)塊供液能力高低的指標(biāo)就是動(dòng)液面。抽油機(jī)井動(dòng)液面測(cè)試方法是利用聲波反射原理，井口測(cè)試儀器記錄下聲波反射曲線，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算得到動(dòng)液面數(shù)據(jù)。該方法存在的問(wèn)題主要有3個(gè)：①當(dāng)套管沒有氣體或者動(dòng)液面深度大于2 500 m時(shí)，動(dòng)液面很難測(cè)試出來(lái)；②對(duì)頂部有封隔器的抽油機(jī)井，不能測(cè)量動(dòng)液面；③對(duì)含氣量高的井，由于存在泡沫段，動(dòng)液面測(cè)量不準(zhǔn)。

隨著油田信息化的快速發(fā)展，示功圖測(cè)試技術(shù)不斷進(jìn)步，用示功圖參數(shù)來(lái)衡量油井供液能力有很大優(yōu)勢(shì)。2013年4月，利用泵效、動(dòng)液面、沉沒度和加卸比進(jìn)行油井供液能力分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示，由表3可知，與上半月相比，區(qū)塊下半月的泵效、沉沒度和加卸比都有所降低，動(dòng)液面有所增加，這些指標(biāo)的變化都說(shuō)明區(qū)塊整體的供液能力有所降低。從各指標(biāo)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(shuō)，與動(dòng)液面和沉沒度相比，用加卸比來(lái)衡量油井的供液能力更可靠。

表3 區(qū)塊抽油井不同指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié)論

（1）在實(shí)測(cè)示功圖中，確定了評(píng)價(jià)油井供液能力的3個(gè)參數(shù)，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(dòng)載荷、氣體和漏失4種因素對(duì)示功圖參數(shù)的影響，它們對(duì)卸載沖程和卸載比影響較大，對(duì)加卸比影響較小。

（3）結(jié)合研究區(qū)資料，對(duì)卸載沖程、卸載比和加卸比參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明，加卸比是表征油井供液能力最好的指標(biāo)。

（4）根據(jù)加卸比的大小，把油井供液能力分為4級(jí)。加卸比與供液能力對(duì)應(yīng)關(guān)系較好。

（5）通過(guò)不同時(shí)期泵效、沉沒度、動(dòng)液面和加卸比4項(xiàng)指標(biāo)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(lái)衡量油井的供液能力變化較為可靠。

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