淺談示功圖在油田節(jié)能監(jiān)測工作中的應(yīng)用

熊文（大慶石油管理局有限公司技術(shù)監(jiān)督中心）

目前的節(jié)能監(jiān)測工作中，示功圖是分析抽油機(jī)工作狀況、計算系統(tǒng)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(jié)能工作人員必備的專業(yè)知識。示功圖是隨懸點(diǎn)載荷隨位移變化而繪制的封閉曲線，橫坐標(biāo)是懸點(diǎn)位移，縱坐標(biāo)是懸點(diǎn)載荷[1]。在油田采油實(shí)際生產(chǎn)工作中，經(jīng)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(tài)，并計算地面效率和井下效率，是分析系統(tǒng)效率的基礎(chǔ)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(biāo)紙上。圖上封閉的線所圍成圖形得面積表示抽油機(jī)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(tài)狀況以及抽油機(jī)的各項設(shè)備參數(shù)的選擇是否合理。

根據(jù)抽油機(jī)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(guān)鍵參數(shù)， 目前計算光桿功率的公式， 根據(jù)GB/T 33653—2017《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：

式中：P光桿為抽油機(jī)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(shí)測平均沖次，min-1。

在實(shí)際計算運(yùn)用中，先采用求積儀計算出示功圖面積，再根據(jù)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(shí)際示功圖進(jìn)行比較，從中找出負(fù)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(shè)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(rèn)為進(jìn)入泵內(nèi)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(wǎng)、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(dāng)活塞上行時，游動凡爾因為受到油管內(nèi)部活塞上面的液柱壓力而關(guān)閉。固定凡爾由于泵筒內(nèi)壓力下降，被井筒環(huán)形空間液柱壓力頂開，井內(nèi)液體進(jìn)入泵筒內(nèi)，將活塞上行后所流出的空間充滿。當(dāng)活塞下行時，使得泵筒內(nèi)液柱的壓力增高，固定凡爾關(guān)閉[4]。當(dāng)泵筒內(nèi)的壓力超過油管內(nèi)部液柱壓力時，游動凡爾被頂開，液體從泵筒內(nèi)通過活塞上行進(jìn)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(jìn)、一次出?；钊粩噙\(yùn)動，游動凡爾與固定凡爾就不斷進(jìn)入工作筒，從而上行進(jìn)入油管，最后達(dá)到地面[5]。如圖3所示。

4 分析幾種典型抽油機(jī)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(shí)際工作狀態(tài)，從而進(jìn)行分析，對于出現(xiàn)的狀況加以應(yīng)對。下面分析幾種典型的抽油機(jī)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(dǎo)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(nèi)的液面時才得以打開，因此，示功圖在下沖程的途中出現(xiàn)“撞擊拐點(diǎn)”[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(dāng)深井泵受氣體影響時，游動凡爾不能及時打開，導(dǎo)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(xiàn)內(nèi)向凹陷的“圓弧”，并不是拐點(diǎn)，這是與供液不足示功圖4最明顯區(qū)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(dāng)固定凡爾失靈時，導(dǎo)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(fā)生，整個圖形始終圍繞著上理論負(fù)荷線附近運(yùn)行，這是固定凡爾失靈示功圖的最明顯的標(biāo)志。當(dāng)油井出現(xiàn)固失靈時，應(yīng)首先進(jìn)行碰泵和洗井，如果無效，就應(yīng)上修井作業(yè)[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(dǎo)致活塞以上液柱的負(fù)荷與正常狀態(tài)時相比有所減少，從而使得管漏示功圖的上負(fù)荷線與正常示功圖的上負(fù)荷線相比，出現(xiàn)一個“落差L”，這落差“L”的大小就應(yīng)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(xiàn)場應(yīng)用情況

某油田某礦某小隊共有抽油機(jī)井132 口，本次測試數(shù)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(tǒng)效率措施前后測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 抽油機(jī)井系統(tǒng)效率措施前、后測試結(jié)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(yīng)當(dāng)重新調(diào)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(shù)條件的抽油機(jī)井對比發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)，說明影響3 口異常井抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的主要因素為井下部分設(shè)備。經(jīng)過進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)3 口井的沖程，沖速和泵徑匹配不合理，導(dǎo)致抽油桿傳動效率下降，并且發(fā)現(xiàn)1#、3#井存在光桿彎曲的情況，導(dǎo)致抽油桿摩阻增加，能耗增大，從而導(dǎo)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(tǒng)效率均有所提高，平均提高1.59%，平均每天節(jié)電量為33.52 kWh，年平均節(jié)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(jié)電量約為99 542.50 kWh。

6 結(jié)語

在節(jié)能工作中，分析示功圖時不但要觀察示功圖的形狀，還要結(jié)合實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)、井下參數(shù)來判斷深井泵的工作狀態(tài)是正常還是異常，如若分析出現(xiàn)異常狀況，需要立刻分析原因，聯(lián)系該井的采油單位進(jìn)行修復(fù)。在通過分析示功圖主要參數(shù)，可以準(zhǔn)確的計算抽油機(jī)光桿功率、井下效率、地面效率以及系統(tǒng)效率，為監(jiān)測報告編寫時提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，也能夠為采油生產(chǎn)提供更多具有針對性的節(jié)能方法以及節(jié)能措施，達(dá)到更好更實(shí)際的節(jié)能效果。