抽油机井示功图间接测量方法评价研究

功图量油

抽油机井示功图间接测量方法评价研究

檀朝东 罗小明 赵海涛 张杰

（1 中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室 北京昌平 102249；2 中石油大港油田公司

天津 300280；3 北京雅丹石油技术开发有限公司 北京昌平 102200 ） 1,3233

摘要 本文通过对当前间接测量示功图方法进行了综述，分析了油管受力图转化法、功率转化法、功率损耗转化法等的理论基础、可行性、局限性。研究表明，无论是油管受力图转化法还是功率转化法，由于其理论基础薄弱，使用条件苛刻，在实际应用中都有很大的局限性，致使其在实际应用中很难推广。

关键词 示功图 功率曲线 间接测量 方法评价

1 引言

目前油井开采主要是采用抽油机有杆泵系统，通过测试抽油机井的示功图来诊断油井的工作状况。抽油机井的示功图是通过在悬点夹持载荷传感器直接测得，从而进行油井工况诊断、液量计量等方面的应用。由于受到载荷传感器易老化、使用寿命短、容易飘移以及人为破坏严重等限制，许多学者尝试应用其它间接方法得到示功图。例如：通过油管受力图进行工况诊断和示功图求解；功率曲线图、抽油机的基础参数、转化关系相结合，计算抽油机井的示功图

相结合，应用能量守恒原理，从而得出抽油机井的示功图。 [5][3-4][2][1]；示功图与功率曲线

2 间接示功图转化方法介绍

由于示功图在油田的有着很广泛的应用，为得到准确的示功图，许多学者做了大量的工作。间接测得示功图的方法主要有以下三种。

2.1 油管受力图转化法

油管受力图转化法，采用从油管悬挂器以下测取油管受力图对井下泵的工况进行分析,认为利用油管受力图可以反映井下泵的工况特性，试图开辟认识井下泵工作规律的新途径，产生一种新的测试解释理论，为了解抽油井工作规律提供新的依据。

油管受力图转化法主要原理是根据上冲程时液柱载荷作用在活塞上时，抽油杆柱受力而伸长；下冲程时液柱载荷作用在固定凡尔上时，油管柱受力而伸长。液柱载荷转移时，相应地抽油杆柱或油管柱便缩短或伸长,这种载荷交替出现造成的杆、管柱的长度变化即造成了冲程损失。若将油管柱受力过程按时间展开或按光杆位移展开，则可得到油管上所承受的液柱载荷与时间的关系曲线或与光杆位移的关系曲线(见图1、图2),这些曲线反映出液柱载荷周期出现在油管上的规律。 [2]

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图1 油管所承受的液柱载荷与时间的关系 图2 油管所承受的液柱载荷与光杆位移的关系

2.2 功率转化法

电机功率转化法是采用功率曲线来转化出油井示功图的方法[3-4]，根据实测的功率曲线通过计算得出抽油机井的示功图，部分井修正后可与实测功图大体一致，提供了不停井获得示功图的一种新手段。

悬点载荷与减速箱输出轴的输出扭矩之间存在着一定的关系，根据扭矩系数法，如果不考虑结构不平衡重随曲柄角改变而发生的变化，各运动部件的惯性作用和轴承间的摩擦，则悬点载荷与曲柄轴净扭矩之间的关系为

Tn=T(W B) (QR qr)sinθ （1）

式中，Tn——曲柄轴净扭矩，kg m； W——悬点载荷，kg；

B——结构不平衡重，kg； Q——平衡块重，kg；

R——平衡块重心距离，m； q——曲柄重，kg；

r——曲柄重心距离，m； θ——曲柄转角，о；

T——扭矩系数，m。

扭矩系数与抽油机的几何尺寸和曲柄转角有关，关于扭矩系数T的计算文献[4]中有详细说明这里不再重复。

2.3 功率损耗转化法

由于根据功率曲线与抽油机的尺寸的关系求解示功图时，每口井的抽油机几何尺寸数据不容易获得，并且尺寸误差对结果影响很大，因此，可以采用一组已知的示功图与功率曲线图计算功率损耗来推测其他时间的示功图，主要原理如下：

功率曲线中，功率主要由两部分组成：光杆功率、损耗功率（摩擦损耗、不平衡损耗、皮带打滑损耗等）。 [5]

P=P光杆+P损耗 (2)

事先用手持式测试仪测定一组已知示功图和功率曲线，根据公式(2) 计算P损耗，假设每个冲次的损耗的功率P损耗为一定值，则采集的电功率曲线图去掉其损耗的功率P损耗，则可得到其光杆功率P光杆，根据光杆功率与载荷的对应关系则可得到各位置对应的载荷值，即示功图。

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3 间接示功图局限性分析

通过分析研究可以发现，无论是油管受力图转化法还是功率曲线图计算法，由于其理论基础薄弱，使用条件苛刻，在实际应用中都有很大的局限性，致使其在实际应用中很难推广。

3.1 油管受力图转化法局限性

通过研究可以知道，油管上反映出的载荷与光杆位移间的对应关系，很难正确反映悬点载荷的变化。在上冲程时，游动凡尔关闭，液柱作用在柱塞上，流体与油管间的作用力主要是摩擦力；在下冲程时，固定凡尔关闭，液柱作用于泵筒，通过泵筒作用于油管。如果泵筒被锚定的话，油管受力图将更不能够反映泵的真实工况。因此，油管测力短节测得的受力图只能够真实地反映井下油管的受力情况，油管受力图中不能够很好的表明抽油杆和油管柱受液柱载荷而产生的形变对柱塞冲程的影响。同时，在现场实际应用中，工程技术人员普遍参考的是抽油杆悬点的示功图，通过图1、图2可以看出油管的载荷图与示功图有很大差别，因此，参考油管受力图使工作人员很不方便。

通过油管受力图来判断油井工况，与直接通过示功图判断油井工况相比，其实施过程复杂，维修困难，而且油管受力图来判断油井工况其理论基础不强，并且油田现场工作人员实践较少，容易产生误差，给生产带了许多不便。

3.2 功率转化法局限性

由于油田中抽油机井的有功功率普遍不高，因此通过测试电机的输入功率，然后导出抽油机井的示功图与实测示功图之间的误差就会很大。在通过电机的输入功率向光杆功率的转换工程中，往往有很多因素需要考虑，例如：曲柄转角变化时抽油机结构不平衡；各个运动部件的惯性作用和轴承之间的摩擦力、无功补偿等等，这些因素往往都不能够很好地量化，因此，通过多次修正后才能够得到与实际示功图基本一致的功图。

图3 油管所承受的液柱载荷与时间的关系

图3为10-271油井的示功图与功率曲线图，由图3可以看出，示功图发生了很大的变化，然而与其相对应的功率曲线图却没什么变化。分析原因认为，该井平衡率较低，系统效率只有25.28%，有功功率在其总功率所占比重很少，致使虽然功图发生了很大的变化，但是功率曲线图根本反映不出

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其变化。大多数抽油机的工作效率很低，其光杆功率占其总功率的比例很小，尤其对于气体影响大的井，功图变化明显，然而功率曲线图往往都不能灵敏地反映油井的功图变化。从这点可以很明显的看出，对于凡尔漏失等功图变化相对小的现象更是反应不出来。

同时，由于抽油机的几何尺寸对计算结果的影响甚大，必须对抽油机几何尺寸进行精确的实际测量，所以，在实施过程中就存在许多的不便。

3.3 功率损耗转化法局限性

根据功率损耗转化法原理要求，图4为某井已知的示功图（标定）及其相应的功率曲线，根据示功图、功率曲线图数据进行计算，可得出系统的损耗功率。应用此损耗功率进行功率曲线图转化示功图，图5为该井实际采集的两个时刻的功率曲线图，图6为应用功率损耗转化法间接得到的两个示功图，图7位实际采集的两个示功图，从图6、7可以看出，求解得到的间接示功图形状总是受标定的示功图（图4）主导，标定功图的有效冲程在1米左右，通过功率损耗转化法得到的功图也总在1米左右，然而实测的示功图（图6）的有效冲程0.4米、0.1米左右，很显然通过功率损耗转化法得到的功图和实际功图不相符。分析可知，由于油井泵工况变化，载荷在不断变化，事实上，损耗功率也是不断变化的，该方法假定系统的损耗功率不变显然是不正确的。只有油井工况不变时，油井损耗功率不发生变化，才有可能转化出比较与实际相符的示功图。因此，通过功率曲线图转化的示功图来判断井的工况，很难达到工程技术的要求。

图4 已知的示功图和功率曲线图

图5 实际采集的功率图

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图6 由功率曲线图转化的功图

图7 实际采集的功图

4 结束语

通过研究发现，间接计算得到的示功图，在功图转化的过程中要么是理论基础薄弱、要么是出现这样那样的前提条件，由于这些条件在油田的实际生产中十分苛刻，并且即使达到其要求，所得示功图也只能够达到一定的准确性或者相似性，致使这些方法只能在理想条件下或者很小范围内适用，没有太大的实际应用前景。由于间接示功图是利用其它数据计算得出，在使用原始数据时滤掉许多工况因素，再对其二次利用很难达到预期效果，所得间接示功图意义也十分有限。

参考文献

[1] 檀朝东，罗小明，檀朝銮.油水井远程监控液量自动计量及分析系统.石油矿场机械. 2007，

36(1):49-52.

[2] 陈镭.油管“示功图”与井下泵工况的关系研究.油气井测试，2000，9（3）：22-24.

[3] 李虎君，张继芬，支连友.利用抽油机井实测功率曲线预测示功图.大庆石油地质与开发，1991，

10（4）：63-67.

[4] 李虎君，李英，龙黔胜，支连友.用实测功率曲线计算前置式抽油机井的示功图.石油矿场机械，

1992，21（5）：33-37.

[5] 张世荣，李昌禧.游梁式抽油机示功图的间接测量.华中科技大学学报（自然科学版），2004，32

（11）：62-64.

作者简介：檀朝东（1968-），男， 安徽望江县人，副研究员，博士，从事石油工程教学及科研工作，E-mail：。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/85vi.html