示功图与油井供液能力定量化分析

钟张起，侯读杰，张春梅，王 军，侯风玉

（1.中国地质大学（北京）能源学院，北京海淀100083；2.中国石化中原油田分公司采油五厂）

游梁式抽油机在油田应用广泛，测取抽油机井示功图是分析、诊断抽油机井是否正常生产的一种有效手段，也是抽油机井日常管理工作的一个重要组成部分［1－3］。近年来，随着油田信息化的快速发展，我国各大油田已相继进入智能化、自动化、可视化和实时化的数字化阶段。油井工况智能诊断是数字化油田发展的一个重要方面，但目前的应用缺乏对油井重要参数的考虑，工况诊断结果不全面，时效性差，而且在工况的批量诊断方面研究不够［4－6］。示功图诊断是通过示功图曲线的形状来研究抽油机井工况信息，本文就示功图与油井供液能力的关系进行了探索。

1 理论油井示功图

示功图是抽油机光杆载荷与位移的关系曲线，通过检测抽油杆周期性上、下运动时不同位移处抽油杆上所承受的载荷来反映油井的工作状况。抽油机井的情况较为复杂，在生产过程中，抽油泵将受到砂、蜡、水、气、稠油和腐蚀等多种因素的影响，所以，实测示功图的形状很不规则。为了正确分析和解释示功图，常需要以理论示功图及典型示功图为基础分析和解释实测示功图［7－8］。

静载荷作用的理论示功图为平行四边形ABCD，考虑惯性载荷的理论示功图是将惯性载荷叠加在静载荷上，惯性载荷的影响使静载荷理论示功图被扭曲一个角度，变为不规则四边形 A′B′C′D′，如图1所示。当考虑振动载荷时，则将由抽油杆振动引起的悬点载荷叠加在四边形A′B′C′D′上。在粘性液体中，抽油杆柱的振动为阻尼振动，因此振动载荷的影响将逐渐减弱。另外，振动载荷的方向具有对称性，反映在示功图上的振动载荷也是按上、下冲程对称的。

图1 考虑惯性和振动后的理论示功图

2 示功图参数分析

典型示功图是指某一因素影响十分明显，示功图的形状反映了该因素影响的基本特征。尽管实际情况很复杂，但总是存在一个最主要因素，因此可根据示功图判断泵的工作状况［9］。一般来说，示功图都有加载过程和卸载过程，都会对应有最大载荷点和最小载荷点，图2为研究区A96－4井实测示功图。

2.1 参数定义

为了克服人为因素的影响，使参数取值更客观，定义以下4个参数。

图2 研究区A96－4井实测示功图

（1）加载冲程：示功图中，光杆位移从零到最大悬点载荷对应位移的距离，称为加载冲程，即图2中A点对应的横坐标。

（2）卸载冲程：示功图中，光杆位移从最大点到最小悬点载荷对应位移的距离，称为卸载冲程，即图2中B、C两点横坐标的差值。

（3）卸载比：卸载冲程与光杆冲程的比值，称为卸载比。

（4）加卸比：加载冲程与卸载冲程的比值，称为加卸比。

对同一口井来说，卸载冲程越大，示功图中显示的刀把越长，油井供液能力越低。同理，卸载比越大，油井供液能力也越低。加卸比越大，油井供液能力越高。

2.2 影响因素分析

理论上，卸载冲程、卸载比和加卸比都能定量化表示油井供液能力，而它们又存在一些干扰因素，不能完全反映油井的供液能力。

（1）惯性载荷的影响。惯性载荷使静载荷理论示功图扭曲一个角度，惯性载荷越大，示功图扭曲的角度也越大，对应加载冲程和卸载冲程增大。同样供液能力条件下，泵深大的井卸载冲程较大。惯性载荷对加卸比的影响相对较小，因为它使加载冲程和卸载冲程同时增大。

（2）振动载荷的影响。振动载荷使理论示功图的上下冲程变成波浪线。振动载荷越大，加载冲程和卸载冲程也越大，振动载荷对加卸比的影响较小。

（3）气体的影响。气体很容易被压缩，使加载冲程和卸载冲程增加。下冲程末抽油泵余隙内存有溶解气，上冲程开始后泵内的压力因气体膨胀而不能很快降低，使固定阀打开滞后，加载缓慢。下冲程由于气体压缩，泵内压力不能迅速提高，游动阀打开滞后，因此卸载缓慢。气体含量越高，加载冲程和卸载冲程越大。气体对加卸比的影响相对较小。

（4）漏失的影响。漏失越严重，对示功图影响越大。冲次越快，漏失的影响就越小。游动阀漏失的影响只发生在上冲程，使加载冲程增加。固定阀漏失的影响只发生在下冲程，使卸载冲程增加。

惯性载荷、振动载荷和气体这3种因素对示功图的影响是广泛存在的，而漏失对示功图的影响范围较小。理论上分析，同样供液能力条件下，上述各种因素对卸载冲程和卸载比的影响较大，对加卸比的影响较小。

3 矿场应用分析

3.1 研究区概况

研究区位于东濮凹陷西斜坡带中段，主要含油层位为沙3中及沙3下，含油面积4.5 km2，石油地质储量1 073×104t，可采储量296×104t，标定采收率27.65%。储层平均孔隙度20.54%，平均渗透率220×10－3μm2，原油密度0.85～0.87 g／cm3，原油粘度2.98～9.11 mPa·s，为常温常压中渗复杂断块油藏。

3.2 参数评价

2013年4月，研究区共有可对比示功图井89口，213井次示功图数据。通过软件把示功图数字化，得到各个示功图的卸载冲程、卸载比和加卸比等示功图参数。正常生产情况下，根据实测示功图是否出现刀把形状，技术人员把抽油机井分为供液正常和供液不足两类。结合实测示功图的解释结果，确定供液正常和和供液不足的界限。然后，根据各参数划定的界限，再重新解释实测示功图。不同参数解释的结果有一部分与技术人员解释的结果相矛盾，矛盾井次最少的参数，就是表征供液能力最好的参数，统计结果如表1所示。由表1可知，加卸比判断供液能力误差井次最少，且误差在10%以内，满足工程需要。

表1 不同参数判断供液能力统计

3.3 供液能力分级

理论分析和实测示功图数据表明，与卸载比和卸载冲程相比，用加卸比来评价油井供液能力更有优势。根据加卸比的取值范围，把油井供液能力分为4级。供液能力、加卸比、泵效、沉没度以及动液面的关系，如表2所示。由表2可知，随着供液级别的增加，加卸比、平均泵效和沉没度也在增加，平均动液面与之相反。对90%以上的油井，加卸比与供液能力对应关系较好。但对某些特殊井，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，可以根据油井的实际情况，单独进行供液能力分级。

表2 加卸比分级与其他参数的关系

3.4 区块动态分析

目前，进行区块分析时，评价区块供液能力高低的指标就是动液面。抽油机井动液面测试方法是利用声波反射原理，井口测试仪器记录下声波反射曲线，经过分析计算得到动液面数据。该方法存在的问题主要有3个：①当套管没有气体或者动液面深度大于2 500 m时，动液面很难测试出来；②对顶部有封隔器的抽油机井，不能测量动液面；③对含气量高的井，由于存在泡沫段，动液面测量不准。

随着油田信息化的快速发展，示功图测试技术不断进步，用示功图参数来衡量油井供液能力有很大优势。2013年4月，利用泵效、动液面、沉没度和加卸比进行油井供液能力分析，统计结果如表3所示，由表3可知，与上半月相比，区块下半月的泵效、沉没度和加卸比都有所降低，动液面有所增加，这些指标的变化都说明区块整体的供液能力有所降低。从各指标的变化幅度可知，泵效和加卸比的变化较接近。因此，从某种程度上说，与动液面和沉没度相比，用加卸比来衡量油井的供液能力更可靠。

表3 区块抽油井不同指标对比

4 结论

（1）在实测示功图中，确定了评价油井供液能力的3个参数，即卸载冲程、卸载比和加卸比。卸载冲程和卸载比越大，供液能力越低；加卸比越大，供液能力越高。

（2）分析了惯性载荷、振动载荷、气体和漏失4种因素对示功图参数的影响，它们对卸载冲程和卸载比影响较大，对加卸比影响较小。

（3）结合研究区资料，对卸载冲程、卸载比和加卸比参数进行统计分析表明，加卸比是表征油井供液能力最好的指标。

（4）根据加卸比的大小，把油井供液能力分为4级。加卸比与供液能力对应关系较好。

（5）通过不同时期泵效、沉没度、动液面和加卸比4项指标判断油井供液能力变化，泵效和加卸比的比较接近，用加卸比来衡量油井的供液能力变化较为可靠。

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