抽油井示功图分析理论与技术课件

抽油井示功图分析理论与技术采油工程技术培训课件·有杆泵抽油井工况诊断与泵效分析Contents课程目录示功图分析从入门到实战的系统化学习路径01示功图基础概念与抽油系统原理02理论示功图绘制与泵工作过程03典型异常示功图分析与诊断04示功图数据采集与远传技术05泵效影响因素与提升策略06综合诊断案例与实战应用CHAPTER01示功图基础概念与抽油系统原理从示功图定义到抽油系统工作原理的全面认知WELLDIAGNOSTICS示功图定义与核心应用示功图是通过测井仪器记录的抽油井功、压力、位移随时间变化的曲线，被称为油井的"心电图"，是判断井下工况、诊断设备故障和优化生产参数的核心依据。01示功图以光杆位移为横轴、悬点载荷为纵轴，完整记录一个抽汲周期内的载荷变化轨迹，直观反映泵的工作状态02通过示功图可诊断抽油泵漏失、气体影响、供液不足、抽油杆断脱等十余种常见井下故障，为检泵维修提供精准依据03结合示功图数据与油层参数分析，可优化冲程冲次组合、调整沉没度，实现泵效提升与检泵周期延长的双重目标油田抽油机井口设备实拍SystemOverview抽油系统组成与工作原理有杆泵抽油系统由地面抽油机、井下抽油杆和深井泵三大核心部分组成，通过机械能的逐级传递实现原油举升，理解其工作原理是分析示功图的物理基础。游梁式抽油机·地面设备深井泵·井下设备地面设备抽油机通过曲柄-连杆-游梁机构将电动机旋转运动转化为光杆往复运动，是动力传递的起点减速箱与电动机配合调节冲次，平衡块用于平衡上下冲程的载荷差异，降低电机峰值功率井下设备抽油杆柱连接地面光杆与井下深井泵，传递往复运动动力，其弹性变形直接影响示功图形状深井泵由泵筒、柱塞、游动凡尔和固定凡尔组成，凡尔的交替开闭实现吸液和排液的周期循环MECHANICS&OPERATION抽油机运转规律与力学特征抽油机的周期性往复运动是示功图形成的物理基础，其运转规律受油井条件、设备特性和工艺参数三重因素影响，理解力学平衡关系是准确解读示功图的前提。抽油机井场实拍·周期性往复运动01光杆做周期性往复运动，速度在上下死点处为零、中点处最大，每个完整冲程周期在示功图上形成一条闭合曲线02上冲程光杆承受抽油杆自重加液柱载荷，下冲程仅承受杆柱在液体中的重量，载荷差即为示功图的纵轴跨度03运转受油井深度、油层压力、原油黏度等井下条件与冲程冲次、杆柱组合等工艺参数的综合影响04平衡块的作用是减小上下冲程的电机载荷差异，平衡不良会导致示功图形态畸变并降低系统效率TECHNOLOGYEVOLUTION示功图数据采集方法演进示功图采集技术从传统机械式手动采集发展到现代智能化自动采集，实现了从单点离线检测向连续在线监控的跨越，为油井工况的实时诊断和预警提供了技术基础。01传统机械式采集：示功仪需现场手动安装，单次仅记录一个冲程数据，采集周期长、效率低且存在安全风险02无线传感器网络：井口载荷与位移传感器实时采集，经ZigBee等协议传至地面控制中心03远程数据采集：借助4G/5G通讯实现跨区域监控，调度中心可查看千里之外的井口工况04智能采集系统：集成传感器、数据处理与AI诊断，实现采集-处理-分析-预警全流程自动化油田井口传感器与数字化监控设备CHAPTER02理论示功图绘制与泵工作过程从理想假设出发理解示功图的标准形态与力学本质理论基础理论示功图的定义与假设条件理论示功图建立在五个理想化假设之上，虽然实际工况不可能完全满足这些条件，但理论图提供了标准参照基准——实际示功图与理论图的形态偏差正是诊断井下故障的核心依据。01深井泵质量合格且工作正常，游动凡尔和固定凡尔开闭灵活、密封可靠，无漏失和卡阻02忽略抽油杆柱的摩擦力、惯性力、震动载荷与冲击载荷，假设力在杆柱中的传递和凡尔起落均为瞬间完成03不受砂、蜡、水、气等因素影响，进入泵内的液体被视为不可压缩的理想流体04油井不存在连抽带喷现象，即地层能量不足以使液体自动喷出井口05油井供液能力充足，泵在每一冲程中都能被液体完全充满，不存在充不满的情况WORKINGPROCESS理论示功图四阶段与泵工作过程理论示功图由ABCD四点构成平行四边形，分别对应增载、上冲程加载、卸载、下冲程减载四个阶段，每个阶段的载荷变化都与泵内凡尔的开闭和杆管弹性变形密切相关。AB增载过程活塞从下死点上行瞬间，游动凡尔关闭，液柱重量从油管转移到抽油杆，光杆载荷逐渐增加此阶段油管弹性缩短、抽油杆弹性伸长，光杆虽在移动但活塞相对泵筒未动，形成斜直线BC上冲程加载弹性变形完成后光杆带动活塞上行，固定凡尔打开，液体进入泵筒充满活塞让出的空间光杆承受最大载荷（杆柱重量+液柱重量）并保持不变，示功图呈现水平直线段CD卸载过程活塞到达上死点开始下行，游动凡尔打开，液柱重量从抽油杆转移回油管，载荷逐渐减小与AB段相反，此阶段抽油杆缩短、油管伸长，光杆移动但活塞相对泵筒仍未动DA下冲程减载弹性变形完成后光杆带动活塞下行，游动凡尔保持打开状态，泵内液体经凡尔排出光杆承受最小载荷（仅杆柱在液体中的重量）并保持不变，示功图呈现下方水平直线段STROKELOSSANALYSIS冲程损失与杆管弹性变形杆管弹性变形导致的冲程损失是影响泵效的关键因素，深井冲程损失可达光杆冲程的20%以上。准确计算冲程损失是优化抽汲参数和提高泵效的必要前提。抽油杆与油管井下管柱实物01冲程损失是光杆冲程与泵柱塞实际有效冲程之差，由抽油杆和油管在交变载荷下的弹性伸缩引起02上冲程液柱载荷加到杆柱上时杆柱伸长、油管缩短，下冲程载荷转移到油管时则反向变形03冲程损失量与井深、液柱载荷成正比，与杆柱和油管的截面积成反比，深井中尤为显著04实际生产中可通过选用大直径抽油杆、减小液柱载荷或增加光杆冲程来降低冲程损失对泵效的影响DIAGNOSIS理论示功图与实际示功图差异理论示功图是理想化的平行四边形，而实测示功图因惯性力、摩擦力、气体、漏失等多种非理想因素的影响产生形态偏差，这些偏差恰恰是诊断井下故障的关键信息来源。油田技术人员正在分析示功图数据01惯性力圆角化四角变圆滑，高速运转时尤为明显，冲次越高圆角越大，图形趋于椭圆形02摩擦力线形畸变增载线变陡、卸载线变缓，严重时可导致图形扭曲变形03气体影响圆弧缺口卸载线右移，右下角出现圆弧缺口，反映泵内气体膨胀占据了部分泵筒容积04泵阀漏失载荷损失最大载荷段出现下凹或倾斜，漏失越严重偏离理论线越远，载荷损失越明显CHAPTER03典型异常示功图分析与诊断掌握各类故障的示功图"指纹"特征，实现精准井下诊断异常工况诊断供液不足与气体影响示功图供液不足和气体影响是最常见的两类异常工况，两者在示功图右下角均表现为圆弧形变化，但成因和图形细节有显著差异，准确区分对制定调整措施至关重要。低渗透油田采油井现场供液不足油层供液能力低于泵的排量，泵筒在吸入冲程中无法充满，右下角卸载线向右偏移呈弧形偏移量越大表示供液越不足，严重时图形退化为窄带状，泵效极低甚至出现"空抽"现象常见于低渗透油藏、注水不足或泵挂过深等情况，可通过调小冲次或加深泵挂改善油田伴生气井口现场气体影响原油中溶解的天然气在泵筒低压区析出膨胀，占据泵筒空间，示功图右下角出现圆弧缺口与供液不足不同，气体影响图形整体仍保持平行四边形轮廓，但右下角圆滑且最大载荷有所降低常见于高气油比油井或沉没度过低的情况，可通过安装气锚、加大沉没度或降低冲次来缓解PUMPVALVELEAKAGE泵阀漏失示功图分析泵阀漏失是深井泵最常见的故障类型，游动凡尔漏失导致最大载荷降低、BC段下倾，固定凡尔漏失导致最小载荷升高、DA段上翘，两者可独立或同时发生。深井泵凡尔部件实物游动凡尔漏失上冲程中游动凡尔密封不严，部分液体从凡尔间隙回流至泵筒下方，导致BC段向下倾斜最大载荷降低量与漏失量成正比，严重漏失时图形上半部明显变窄，泵排量显著下降常见原因包括凡尔球与凡尔座磨损、砂粒卡阻或结蜡导致密封面破坏油田检泵作业现场固定凡尔漏失下冲程中固定凡尔关闭不严，泵筒内液体漏回井筒，导致DA段向上倾斜，最小载荷升高严重漏失时BC段与DA段几乎重合，图形呈窄条状，泵效接近于零，需立即安排检泵作业两个凡尔同时漏失时示功图呈"橄榄形"，上下均尖、中间鼓起，是综合漏失的典型特征机械故障诊断抽油杆断脱与柱塞脱出示功图抽油杆断脱和柱塞脱出工作筒是两类严重的机械故障，前者使示功图退化为窄条状水平带，后者在图形右上角形成载荷突降台阶，两者均需立即停机处理。抽油杆断脱修井作业现场实拍01抽油杆断脱后光杆仅承受断裂点以上杆柱重量，示功图变为细长水平带，最大载荷大幅降低02断脱位置越深载荷越小，完全脱扣时图形几乎退化为一条直线，与正常图形差异极为显著03柱塞脱出工作筒时上冲程末端载荷突然下降，示功图右上角出现明显台阶或载荷缺口04柱塞脱出常因泵挂过浅或液面大幅下降导致，反复脱出和冲击可能损坏泵筒和凡尔组件FluidFactors出砂、结蜡与稠油影响示功图出砂、结蜡和稠油是影响示功图形态的三类典型流体因素，分别表现为锯齿波动、图形发胖和椭圆变形，识别这些特征有助于针对性地采取防砂、清蜡和降黏措施。出砂影响砂粒在泵筒内随机卡阻导致载荷突变，示功图边缘出现不规则的锯齿状波动，是出砂的典型标志含砂量越高锯齿越密集，严重时图形上下边缘呈毛刺状，伴随泵效下降和凡尔磨损加速结蜡影响蜡沉积增加杆管摩擦阻力，增载线和卸载线均变缓，图形"发胖"，面积增大且四角更加圆滑严重结蜡时示功图近似椭圆形，最大载荷显著升高，可通过热洗清蜡或添加防蜡剂恢复稠油影响高黏度原油流动阻力大，载荷变化过程延长，示功图呈明显的椭圆或腰鼓形，惯性力影响突出稠油井需配合掺稀降黏、电热杆加热或螺杆泵替用等工艺措施，以改善泵的工作状态CHAPTER04示功图数据采集与远传技术从传统手动采集到智能化远传监控的技术革新EquipmentEvolution示功仪类型与发展历程示功仪从机械式到电子式再到综合测试仪的三代演进，实现了从模拟记录到数字化多参数采集的跨越，设备精度和功能不断提升，为油井综合诊断提供了越来越丰富的数据支撑。油田测试仪器实物01机械式示功仪利用弹簧-杠杆机构在记录纸上直接绘制图形，结构简单无需电源但精度低且无法数字化02电子式示功仪采用载荷传感器和角位移传感器配合微处理器，实现自动采集和数字化存储，精度可达1%03综合测试仪集成示功图、电流、功率、井口压力等多参数采集功能，支持油井工况的全面综合诊断04现代示功仪正向小型化、低功耗、高精度方向发展，部分产品已具备边缘计算和AI预诊断能力SystemArchitecture现代数据采集系统架构现代示功图采集系统采用"感知-传输-处理-应用"四层架构，通过无线传感器网络和多种通讯协议实现井口数据的自动采集与远程传输，为油田数字化管理奠定数据基础。感知与传输层实时采集井口载荷传感器和角位移传感器实时采集悬点载荷与位移数据，采样频率可达每秒数百次无线组网丛式井组采用ZigBee汇集数据至RTU，偏远单井通过4G/5G模块直接上传广域覆盖大型油田可部署LPWAN低功耗广域网络，实现数千口井的海量接入和长期稳定运行处理与应用层自动处理服务器端自动完成数据清洗、示功图绘制、工况分类和故障识别，异常井自动触发报警推送可视管理管理人员通过可视化看板实时查看全区油井工况，支持历史对比、趋势分析和批量诊断REMOTEMONITORING示功图远传技术与量油方法示功图远传技术实现了井口数据的实时远程监控，基于示功图的量油方法通过计算泵有效排量推算产液量，无需额外计量设备即可评估油井产量，对分散井管理具有重要价值。01远传系统每5–30分钟自动采集一次示功图并上传至管理中心，取代人工巡井实现全天候无人值守监控。5–30min/次02示功图量油通过有效冲程×泵截面积×冲次计算泵排量，再校正含水率和体积系数得到产油量。有效冲程×泵截面积03该方法对正常工况井的计量误差可控制在5%以内，无需安装流量计等额外设备即可实现产量评估。误差≤5%04远传数据还支持历史趋势分析和AI异常检测，可提前发现示功图渐变趋势实现故障预警。AI异常检测油田远程监控中心·示功图数据大屏CHAPTER05泵效影响因素与提升策略系统分析泵效影响机理并制定针对性的优化措施PumpEfficiencyAnalysis泵效影响因素系统分析泵效受冲程损失、气体影响、漏失损失和充满程度四大类因素综合影响，正常井泵效在40%-80%之间，低于30%需重点排查。泵效主要影响因素及机理影响因素影响机理示功图表现应对措施冲程损失杆管弹性变形消耗光杆冲程，使泵实际冲程小于光杆冲程增载线和卸载线斜率增大，图形变窄增大杆柱直径、增加光杆冲程、使用长冲程低冲次气体影响溶解气在泵筒低压区析出膨胀，占据有效泵筒容积右下角圆弧缺口，卸载线右移安装气锚、加大沉没度、降低冲次泵阀漏失凡尔密封不严导致液体回流，减少有效排量BC段下倾、DA段上翘，严重时呈窄条状检泵更换凡尔球和凡尔座、清除砂蜡卡阻供液不足地层供液能力低于泵排量，泵筒无法充满右下角弧形偏移，图形变窄调小冲次、加深泵挂、加强注水补充能量柱塞间隙漏失柱塞与泵筒磨损导致间隙增大，液体从间隙漏失整体载荷降低，图形面积缩小更换柱塞或泵筒，控制含砂量减缓磨损泵效受五大因素综合影响，每种因素在示功图上都有独特的图形表现，可通过示功图分析识别主要矛盾并针对性治理PUMPINGPARAMETERS沉没度与泵效的关系沉没度是影响泵效最关键的工艺参数，过小导致供液不足和气体析出，过大则增加冲程损失和能耗。经验表明常规井沉没度控制在200-500米之间可实现泵效与能耗的最优平衡。油井动液面测试现场实拍01沉没度是泵固定凡尔距动液面的垂直距离，提供液体进入泵筒所需的压差，是泵效的第一控制阀门02沉没度过小导致泵入口压力不足、充不满泵筒且气体析出严重，示功图右下角出现明显圆弧偏移03沉没度过大虽充满程度好但液柱压力增大冲程损失，杆柱交变载荷增大，系统效率反而下降04常规井推荐沉没度200-500米，低产井可适当降低，高气油比井需加大以抑制气体析出PARAMETEROPTIMIZATION抽汲参数优化与泵径选择"长冲程、低冲次"是提升泵效的基本参数优化原则，泵径选择应与地层供液能力匹配。合理的参数组合能使泵排量与地层供液动态平衡，实现泵效与系统效率的双重提升。SECTION01冲程冲次优化长冲程减小冲程损失占比，低冲次降低惯性力和振动，给液体充分时间充满泵筒，提高充满系数冲次过低则排量不足，需根据产能测试确定最优冲次区间，兼顾泵效与日产液量目标SECTION02泵径匹配选择泵径过大导致理论排量远超供液能力，泵筒充不满、泵效低下；泵径过小则需高冲次补偿应根据产能指数和目标产量匹配泵径-冲程-冲次组合，使泵排量与地层供液能力动态平衡抽油机冲程冲次调整现场操作不同规格深井泵泵径实物对比SYSTEMATICAPPROACH提高抽油井产能的系统方法提高抽油井产能需从消除故障、优化参数和改善地层三个层面系统施策，遵循'先诊断、再调参、后治理'的工作流程，实现泵效与产能的阶梯式提升。消除故障因素通过示功图诊断识别漏失、结蜡、出砂等故障，及时安排检泵、清蜡、防砂等维护作业建立定期诊断制度，对示功图变化趋势进行跟踪分析，在故障恶化前主动干预诊断先行优化抽汲参数根据示功图分析结果和产能测试数据，调整冲程冲次和泵挂深度使工作制度与地层条件匹配采用间抽制度处理严重供液不足井，避免长时间空抽造成的设备磨损和能源浪费参数适配改善地层条件加强注水补充地层能量、酸化压裂改善渗透率，从根本上提高地层供液能力对低渗透油藏实施体积压裂或CO₂驱等增产措施，提高单井产能和采收率地层治理CHAPTER06综合诊断案例与实战应用将理论知识转化为实际诊断能力的案例训练CASESTUDY综合诊断案例：供液不足伴轻微漏失实际井况中多种故障往往同时存在、叠加表现。本案例通过示功图形态特征结合产液量和动液面数据进行综合判断，准确识别出供液不足和轻微漏失两个叠加问题。主因·供液不足示功图右下角圆弧偏移结合动液面下降50米，首先判断主因为地层供液不足导致泵筒充不满次因·凡尔漏失BC段轻微下降提示可能伴随游动凡尔漏失，但载荷降低幅度不大，属于次要问题验证·产液吻合产液量下降30%与示功图诊断结论吻合，验证了供液不足导致泵排量降低的判断建议·综合治理建议先检泵更换凡尔组件消除漏失，再评估是否需调小冲次或加强注水以匹配供液能力油田技术人员现场研讨分析CaseStudy综合诊断案例：结蜡与出砂叠加结蜡和出砂叠加工况在示功图上同时呈现图形发胖和锯齿波动两种特征，需要综合分析各特征的主次关系，制定分步治理方案以实现最佳修复效果。清蜡热洗作业现场诊断分析01图形发胖：蜡沉积增加杆管摩擦阻力，最大载荷升高15%02锯齿波动：砂粒在泵筒