浅谈示功图在油田节能监测工作中的应用

熊文（大庆石油管理局有限公司技术监督中心）

目前的节能监测工作中，示功图是分析抽油机工作状况、计算系统效率的重要手段之一，因此更好的研究与分析示功图是每一个节能工作人员必备的专业知识。示功图是随悬点载荷随位移变化而绘制的封闭曲线，横坐标是悬点位移，纵坐标是悬点载荷[1]。在油田采油实际生产工作中，经常需要依靠示功仪来测出，通过分析示功图来判断深井泵的工作状态，并计算地面效率和井下效率，是分析系统效率的基础手段。

1 示功图的概念和作用

示功图用来反映深井泵工作状况是否良好，通过示功仪测出，并绘制在在坐标纸上。图上封闭的线所围成图形得面积表示抽油机驴头在一个冲速中深井泵所做的功[2]。通过分析，可以了解油井动态状况以及抽油机的各项设备参数的选择是否合理。

根据抽油机井地面效率和井下效率的公式：地面效率=光杆功率/输入功率；井下效率=输出有效功率/光杆功率，可知光杆功率是计算两者的关键参数， 目前计算光杆功率的公式， 根据GB/T 33653—2017《油田生产系统能耗测试和计算方法》标准中规定：

式中：P光杆为抽油机井光杆功率，kW；A为示功图面积，mm2；S 为示功图减程比，m/mm；f 为示功图力比，N/mm；n为光杆实测平均冲次，min-1。

在实际计算运用中，先采用求积仪计算出示功图面积，再根据减程比、力比和冲速计算光杆功率。

2 理论示功图

在理想条件下，若只考虑驴头所承受的静载荷使得抽油杆及抽油管柱的弹性形变，不考虑其他因素的影响，从而所绘制的示功图，称为理论示功图（图1）。

图1 理论示功图

理论示功图是在理想条件下绘制出来的，其作用和目的是通过对理论示功图与实际示功图进行比较，从中找出负荷变化差异，以此判断深井泵的工作状况。

理论示功图的绘制条件如下：1）假设泵、油管没有漏失，正常工作；2）油层供液能力充足，泵充满程度良好；3）不考虑动载荷的影响；4）不考虑砂、蜡、稠油的影响；5）不考虑油井连抽带喷；6）认为进入泵内的液体是不可压缩的，凡尔的打开是瞬间的[3]。

3 深井泵的组成和工作原理

深井泵是由泵下装置（主要是滤网、砂锚、气锚等）、泵筒（固定凡尔总成、衬套等）、活塞（活塞上的防砂槽、游动凡尔和连接抽油杆的拉杆等）、井下管柱。如图2所示。

图2 深井泵示意图

当活塞上行时，游动凡尔因为受到油管内部活塞上面的液柱压力而关闭。固定凡尔由于泵筒内压力下降，被井筒环形空间液柱压力顶开，井内液体进入泵筒内，将活塞上行后所流出的空间充满。当活塞下行时，使得泵筒内液柱的压力增高，固定凡尔关闭[4]。当泵筒内的压力超过油管内部液柱压力时，游动凡尔被顶开，液体从泵筒内通过活塞上行进入到油管中，在一个冲程过程中，深井泵中的液体完成一次进、一次出。活塞不断运动，游动凡尔与固定凡尔就不断进入工作筒，从而上行进入油管，最后达到地面[5]。如图3所示。

4 分析几种典型抽油机井示功图

通过了解示功图、理论示功图以及深井泵工作原理，就可以分析出一个示功图所反映出深井泵的实际工作状态，从而进行分析，对于出现的状况加以应对。下面分析几种典型的抽油机井示功图。

图3 深井泵工作原理示意图

4.1 供液不足井示功图

从图4 可以看出，深井泵由于供液不足的影响，导致游动凡尔不能够及时打开，直到游动凡尔在撞击到泵筒内的液面时才得以打开，因此，示功图在下冲程的途中出现“撞击拐点”[6]。

图4 供液不足示功图

4.2 受气体影响示功图

从图5 可以看出，当深井泵受气体影响时，游动凡尔不能及时打开，导致游动凡尔在下冲程时，压缩气体，缓慢打开，使示功图在下冲程的途中出现内向凹陷的“圆弧”，并不是拐点，这是与供液不足示功图4最明显区别[7]。

图5 受气体影响示功图

4.3 固定凡尔失灵示功图

从图6 可以看出，当固定凡尔失灵时，导致在游动凡尔在下冲程时完全不能打开，使示功图在下冲程的整个过程中都没有卸载的发生，整个图形始终围绕着上理论负荷线附近运行，这是固定凡尔失灵示功图的最明显的标志。当油井出现固失灵时，应首先进行碰泵和洗井，如果无效，就应上修井作业[8]。

图6 固定凡尔失灵示功图

4.4 油管漏失示功图

从图7 可以看出，由于油管漏失，导致活塞以上液柱的负荷与正常状态时相比有所减少，从而使得管漏示功图的上负荷线与正常示功图的上负荷线相比，出现一个“落差L”，这落差“L”的大小就应该是油管漏失的位置，可以通过示功图的比例计算出来[9]。

5 现场应用情况

某油田某矿某小队共有抽油机井132 口，本次测试数量为48口，其中示功图异常井为3口，分别是1#、2#、3#，其示功图分别如图8、图9、图10，系统效率措施前后测试数据见表1。

表1 抽油机井系统效率措施前、后测试结果

异常井1#，该井存在供液不足的情况。

异常井2#，该井存在碰泵的情况，应当重新调整防冲距。

异常井3#，该井存在供液不足的情况。

通过与相同井下参数条件的抽油机井对比发现，3 口功图以异常井的井下效率均偏低，且2#井存在碰泵的显现，说明影响3 口异常井抽油机井系统效率的主要因素为井下部分设备。经过进一步分析，发现3 口井的冲程，冲速和泵径匹配不合理，导致抽油杆传动效率下降，并且发现1#、3#井存在光杆弯曲的情况，导致抽油杆摩阻增加，能耗增大，从而导致井下效率偏低。

图8 1#井油管漏失示功图

图9 2#井油管漏失示功图

图10 3#井油管漏失示功图

通过针对性的整改，3 口井的系统效率均有所提高，平均提高1.59%，平均每天节电量为33.52 kWh，年平均节电量为11 060.28 kWh，若该队所有的示功图异常井都得到及时解决，那么年节电量约为99 542.50 kWh。

6 结语

在节能工作中，分析示功图时不但要观察示功图的形状，还要结合实时生产数据、井下参数来判断深井泵的工作状态是正常还是异常，如若分析出现异常状况，需要立刻分析原因，联系该井的采油单位进行修复。在通过分析示功图主要参数，可以准确的计算抽油机光杆功率、井下效率、地面效率以及系统效率，为监测报告编写时提供可靠的数据支撑，也能够为采油生产提供更多具有针对性的节能方法以及节能措施，达到更好更实际的节能效果。