抽油井示功图的分析及应用

抽油井示功图的分析及应用有杆泵抽油系统工况诊断与优化实践Contents课程目录抽油井示功图的分析及应用01示功图基本概念与理论基础02测试方法与仪器设备03典型示功图识别与分析04示功图远传技术与量油应用05泵效诊断与产能优化06实战案例与综合应用CHAPTER01示功图基本概念与理论基础从定义、坐标体系到理论图形特征的系统认知INDICATORDIAGRAM什么是示功图示功图是由动力仪实测绘制的封闭曲线图，其面积表征驴头一次往复运动中抽油机所做的功，是诊断深井泵工作状况最直接、最有效的技术手段，被誉为有杆抽油系统的"心电图"。01示功图由专用动力仪实测获得，以封闭线段围成的面积表示驴头在一次完整往复运动中抽油机所做的功02直观反映光杆受力与位置的对应关系，揭示井下泵工作状况与运动位置间的动态关联03作为工况诊断核心工具，可帮助判断泵阀状态、供液能力、杆柱完整性等关键参数04理论示功图呈规则平行四边形，实测受砂、蜡、气、粘度等因素影响，图形变化复杂油田现场抽油机设备实拍CoordinateSystem示功图坐标体系与图形构成示功图以悬点载荷W为纵坐标、光杆位移S为横坐标，通过上下冲程的负荷线、增载线和卸载线四条关键线段构成封闭图形，其形态变化直接映射井下泵的工作状态。01坐标轴定义纵坐标为抽油机悬点载荷W（单位kN），反映光杆在上下冲程中承受的力；横坐标为光杆冲程S（单位m），反映光杆的位移距离。两轴共同建立完整的力学分析坐标系。02四线构成原理正常示功图由四条关键线段构成：上负荷线（上冲程最大载荷）、下负荷线（下冲程最小载荷）、增载线和卸载线，四线闭合形成近似平行四边形，完整描述一个抽汲周期。03形态特征与偏转正常图形中上下负荷线与基线基本平行，增载线与卸载线斜率一致；存在惯性影响时图形按顺时针偏转一个角度，冲次越大偏转角度越大，这是识别工况的重要依据。04面积与功的关系图形面积大小直接表征抽油机做功多少，面积异常缩小往往意味着泵效降低或存在漏失、断脱等故障，是定量诊断井下状况的关键指标。THEORETICALANALYSIS理论示功图的特征分析理论示功图基于理想工况假设计算得出，呈规则平行四边形，是实测示功图对比分析的基准。通过将实测图与理论图叠加对比，可以精确定位泵阀、供液、杆柱等环节的具体问题。01理论示功图假设泵筒完全充满、无气体影响、凡尔开关及时、杆柱无弹性伸缩，在此理想条件下呈现标准平行四边形形态平行四边形02理论图的最大载荷等于液柱载荷加抽油杆柱重量，最小载荷仅为抽油杆柱在液体中的重量，二者之差即为有效举升载荷有效举升载荷03将实测示功图叠加在理论图上对比分析，图形偏差的位置和程度直接指向故障类型——左上角异常对应游动凡尔问题，右下角异常对应充满程度问题偏差定位04标准地面示功图还需考虑抽油杆柱弹性变形、惯性载荷和振动载荷的修正，才能与井下泵功图进行精确对照三维修正CHAPTER02测试方法与仪器设备从机械式到电子式示功仪的技术演进与实操要点INSTRUMENTEVOLUTION示功仪类型与技术演进示功仪从机械式发展到电子式再到综合测试仪，测试精度和功能不断提升。理解不同仪器的原理和特点，有助于在现场选择合适设备并确保数据可靠性。机械式示功仪通过弹簧片感受载荷变化，带动记录笔在卡片上描绘封闭图形，结构简单、操作便捷，适合常规巡检精度受机械传动间隙和弹簧疲劳影响，长期使用需定期标定校准，图形分辨率相对较低电子式示功仪采用载荷传感器和位移传感器数字化采集数据，精度和分辨率显著优于机械式，支持数据存储与回放可实现无线数据传输和远程监控，配合软件自动绘制示功图，大幅提升测试效率和数据管理水平油井综合测试仪集示功图测试、动液面测量、电流测试等多功能于一体，一次下井获取多维度工况数据配套诊断软件可自动计算泵效、识别典型故障模式，为技术人员提供智能化辅助诊断支持FIELDPROTOCOL示功图测试操作规范规范的测试操作是获取准确示功图的前提。从仪器安装、采集时机到数据校验，每个环节的操作质量直接影响诊断结论的可靠性。01传感器安装载荷卡与光杆卡紧到位避免打滑；位移传感器固定牢靠，防止振动偏移02稳定运行确认抽油机稳定运行至少3-5个完整冲程，载荷波动规律后再启动采集03实时监测观察光杆运行状态，发现异常跳动、碰挂声或载荷突变应暂停排查04数据校验检查示功图完整闭合、基线归零，图形异常应当场复测确保可靠油田现场示功图测试操作实拍CHAPTER03典型示功图识别与分析掌握正常、气体影响、供液不足、出砂、断脱、漏失等典型图形的判读方法DIAGNOSTICMETHOD正常示功图与四区域分析法将示功图分割为左上、右上、右下、左下四个区域进行逐一对比分析，是诊断井下泵故障的系统化方法。TOP-LEFT左上角：游动凡尔区域缺损表现为游动凡尔关闭不及时，导致上冲程初期液体回流；多出一块则提示出砂卡泵或凡尔卡阻现象TRAVELINGVALVETOP-RIGHT右上角：活塞配合区域少一块表示活塞拔出工作筒造成严重漏失；多一块提示近上死点时存在碰挂现象，需检查防冲距设置PISTONFITBOTTOM-RIGHT右下角：充满程度区域缺损表示泵筒未充满，原因可能是供液不足或气体影响；右上右下角都多一块则为衬套上部过紧或盘根过紧FILLDEGREEBOTTOM-LEFT左下角：固定凡尔区域缺损反映固定凡尔打开滞后或关闭不严；形态异常可辅助判断泵入口堵塞或沉砂等井下问题STANDINGVALVEPUMPDIAGNOSIS气体影响示功图分析气体影响是导致泵效降低的常见因素，其示功图特征为增载和卸载均变缓慢，图形四角圆滑。严重时出现气锁现象导致固定阀和游动阀同时失灵，产量急剧下降甚至归零。上冲程气体膨胀使泵内压力降低缓慢，固定阀推迟打开，增载缓慢、左上角呈圆弧形而非锐角，泵内气体越多增载越滞后增载滞后下冲程泵内气体被压缩使压力升高缓慢，游动阀推迟打开，卸载线变缓、右下角圆滑，严重时游动阀完全打不开卸载变缓气锁现象固定阀打开但游动阀关不上，或游动阀打开但固定阀关不上，泵完全失去抽汲作用，产量急剧下降阀门失灵应对措施控制套管气以降低套压；在泵下安装气锚或井下油气分离器，减少气体进入泵筒气锚分离示功图诊断供液不足示功图分析供液不足示功图的典型特征是右下角出现'刀把'状缺口，反映泵筒未被液体充满。泵效通常低于40%，需从调小工作参数、加深泵挂或加强注水等方面综合治理。01上冲程图形基本正常，但泵筒未充满液体；下冲程因液面低，悬点载荷在活塞碰到液面之前不降低，卸载线出现明显拐点02右下角呈现'刀把'状缺失区域，充满程度越差刀把越长，卸载线与理论卸载线基本平行，下行程线与上行程线也保持平行03该类井产量不高、泵效通常低于40%，随抽油时间增长缺口会逐渐增大，提示地层供液能力持续不足04油井措施：调小工作参数（降低冲次或冲程）、加深泵挂、换小泵径、实施压裂酸化改造；连通水井：加强注水补充地层能量DIAGNOSIS出砂与卡泵示功图分析出砂井示功图以负荷线不规则齿状波纹为标志特征；卡泵时图形出现双斜率段，反映杆柱在卡死点前后的不同受力状态。及时识别并采取防砂措施对延长检泵周期至关重要。出砂井示功图负荷线表现为不规则的齿状波纹，砂粒在泵筒与柱塞间产生不规则摩擦阻力，导致载荷线上下抖动。砂粒浓度越高齿状波纹越明显，严重时可导致凡尔球卡阻、泵筒拉伤，表现为图形局部缺损或突变。齿状波纹卡泵示功图上冲程：悬点载荷先缓慢增加，到达卡死点后杆柱受拉伸成比例伸长，图形出现两个不同斜率段。下冲程：杆柱先弹性缩短，过卡死点后受压弯曲，同样表现为双斜率特征，原因多为砂卡或蜡卡。双斜率段处理措施出砂井：洗井清除井筒积砂、检泵探冲砂、下防砂泵或防砂筛管。卡泵井：先尝试洗井解卡，无效则进行检泵作业。日常管理中应加强出砂井监测，建立示功图档案，结合动液面变化综合判断工况，提前干预避免恶化。洗井·检泵FaultDiagnosis抽油杆断脱与泵漏失分析抽油杆断脱导致示功图整体下移至接近基线位置，图形位置可反算断脱深度；泵漏失则表现为右上角斜坡状缺损，反映活塞与衬套间隙过大造成的液体回流。抽油杆断脱01示功图整体向基线靠近，断脱位置距井口越近图形越贴近基线，图形越向上表示断脱位置越深02通过悬点载荷大小结合抽油杆组合参数，可精确计算断脱位置深度，此时油井产液量为零首先尝试对扣恢复连接，如对扣失败则需起出管柱作业更换抽油杆泵漏失01活塞与衬套磨损导致间隙过大，上行程时液体从间隙漏失，光杆负荷减小，右上角呈斜坡状缺失一块面积典型特征：卸载线提前出现，右上角斜向缺损02漏失量越大右上角缺损越明显，泵效随之下降；固定凡尔漏失则表现为左下角异常，卸载提前且不完全后果：产液量持续降低，需及时检泵作业DYNAMOMETERCARD结蜡影响示功图分析油管结蜡使上下冲程摩擦阻力均增大，示功图表现为最大载荷偏高、最小载荷偏低的"肥大"形态。结合油井结蜡史和生产数据可准确识别，需通过热洗清蜡或化学防蜡恢复。油田热洗清蜡作业现场实拍载荷偏移：由于油管内壁结蜡，上冲程时摩擦阻力增大导致最大载荷高于理论值，下冲程时摩擦阻力反向增大导致最小载荷低于理论值图形特征：整张示功图表现为"肥大"形态——面积比正常图形明显偏大，四个角基本完整、线条平滑，区别于出砂的齿状波纹演变趋势：结蜡程度越重图形越肥大，当蜡堵严重时可能出现载荷突变或卡泵，图形从"肥大"演变为卡泵特征治理措施：制定定期热洗清蜡制度，使用化学防蜡剂或清蜡剂，严重井可下入刮蜡片或采用电热杆防蜡技术DIAGNOSTICREFERENCE典型示功图故障速查表将常见示功图异常类型按图形特征、诊断结论和处理措施进行系统汇总，便于现场技术人员快速对照判读和制定针对性治理方案。异常类型图形特征诊断结论处理措施气体影响增载卸载均缓慢，四角圆滑气体进入泵筒，严重时气锁控制套压，加装气锚供液不足右下角"刀把"状缺口地层供液能力不足，泵效<40%调小参数，加深泵挂出砂负荷线不规则齿状波纹砂粒进入泵筒造成异常摩擦洗井，下防砂筛管杆断脱图形整体靠近基线抽油杆在某一深度断裂对扣或作业换杆泵漏失右上角斜坡状缺损活塞衬套间隙过大检泵更换泵组件结蜡图形"肥大"，载荷偏高油管内壁结蜡增大摩擦热洗清蜡，化学防蜡六种最常见示功图异常的图形特征、诊断结论与处理措施对照表DIAGNOSIS·示功图诊断柱塞脱出与碰击示功图分析柱塞脱出工作筒和下冲程碰击均与防冲距设置不当有关，前者表现为右上角严重缺失，后者在图形底部出现载荷突变。柱塞脱出工作筒防冲距过大导致活塞在上死点拔出泵筒，右上角出现斜坡状缺失脱出段越长缺失面积越大，有效冲程缩短、排量下降，加剧泵筒磨损防冲距过大下冲程碰击防冲距过小致活塞在下死点撞击凡尔座，底部出现载荷突变尖峰碰击力过大可能损坏凡尔球座或导致活塞碎裂，需重新计算调整防冲距过小调整方法根据泵深、冲程和抽油杆组合计算合理防冲距，通过调节光杆卡子位置实现精确控制，调整后复测示功图验证计算→调节→复测Chapter04示功图远传技术与量油应用从人工巡检到数字化远程监控的技术跨越DigitalMonitoring示功图远传技术原理与优势示功图远传技术将井口传感器采集的载荷和位移数据通过无线网络实时传输至中控平台，实现了从人工逐井巡检到数字化远程监控的跨越，大幅提升油井管理的时效性和覆盖率。01系统架构：井口载荷传感器+位移传感器采集数据→RTU远程终端单元处理→无线网络传输→中控服务器存储与展示02全天候监测：每口井可按设定间隔（如每2小时）自动采集一次示功图，异常工况秒级报警推送03效率提升：过去一个测试班组日测15-20口井，远传系统可同时监控数百口井的实时工况04数据积累：连续采集形成示功图历史曲线库，便于技术人员对比分析工况变化趋势，提前预警潜在故障油田数字化中控室·远程监控平台实景APPLICATION·计量方法示功图量油方法与应用利用示功图的充满程度和有效冲程反算泵的有效排量，可实现无额外仪表的连续量油。该方法在偏远井站和低产井的产液量监测中具有显著的成本优势。基本原理从示功图提取泵的有效冲程长度和充满系数，结合泵径截面积计算单次抽汲量，再乘以日冲次数得到日产液量PRINCIPLE计算精度精度受充满系数判读精度、泵径磨损程度和液体压缩性影响，通常误差在±10%以内，满足日常管理需要±10%应用优势无需额外安装流量计等计量设备，利用远传示功图数据即可实现连续量油，特别适合偏远单井和间歇出油井ADVANTAGE实际案例示功图量油结果与分离器计量数据对比吻合度可达90%以上，已成为数字化油田量油的重要补充手段90%+CHAPTER05泵效诊断与产能优化从工况诊断到措施制定的闭环优化方法论PUMPEFFICIENCYANALYSIS影响泵效的主要因素分析实际泵效受冲程损失、气体影响、漏失和充满程度等多重因素制约。通过示功图可量化各因素对泵效的影响程度，为针对性措施制定提供数据支撑。冲程损失杆柱与油管在交变载荷下弹性伸缩，导致柱塞实际冲程小于光杆冲程，深井损失尤为显著。从示功图量取有效冲程即可计算损失率，通过优化杆柱组合与材料选择，可有效降低弹性变形带来的影响。冲程损失率气体与充满系数气体进入泵筒占据有效容积，沉没压力不足同样导致未充满，二者共同决定容积效率。示功图右下角缺口面积可估算充满系数，指导气锚设计与沉没度优化调整。充满系数漏失与磨损柱塞衬套间隙磨损、凡尔密封面损坏导致内漏，漏失量随磨损加剧增大。示功图右上角缺损反映漏失量，持续跟踪可预判最佳检泵时机，避免非计划停井。检泵周期StrokeLoss·Optimization冲程损失计算与优化策略冲程损失由抽油杆柱和油管的弹性变形引起，深井中可占光杆冲程的20%-30%。通过材料优化、管柱锚定和参数调整可有效降低损失率，提高泵的有效排量。损失机理抽油杆柱在液柱载荷下弹性伸长，油管在交变载荷下弹性伸缩，二者叠加导致柱塞有效冲程缩短。弹性变形量与杆柱长度、材料模量及载荷大小直接相关。深井表现泵挂超过2000m时损失率达20%–30%，示功图增载线与卸载线呈倾斜过渡，损失越大倾斜越明显。深井工况下需重点关注冲程损失对产量的影响。20%–30%材料与锚定采用高强度抽油杆或连续杆减小弹性变形量，使用油管锚将油管锚定在套管上，消除油管伸缩影响。材料升级与机械锚定相结合可显著改善系统刚性。参数优化适当增大冲程长度、降低冲次，在保证排量的前提下使单次冲程损失占比降低，提高有效冲程率。优化后的工作制度可提升系统效率与设备寿命。PUMPOPTIMIZATION泵径选择与沉没压力优化泵径与油井供液能力的匹配程度直接决定充满系数；沉没压力则是液体进入泵筒的驱动力。二者的合理配置是提高泵效的关键环节。THREEDIMENSIONS柱塞直径选择泵径过大导致排量远超地层供液能力，充满系数下降，示功图右下角持续缺损；泵径过小则排量不足，需频繁检泵更换。匹配供液能力沉没压力控制沉没度过低（<100m）泵入口供液不足，加剧气影响；过高（>500m）增加杆柱负荷和冲程损失，需综合流压与泵深确定。100–500m综合优化通过示功图连续监测跟踪充满系数变化，动态调整泵挂深度和工作参数，实现泵效持续优化和检泵周期延长。动态调整WELLDIAGNOSTICS连抽带喷井示功图特征连抽带喷井因井底流压较高，液体对活塞产生额外上推力，示功图表现为最小载荷偏低、图形整体偏"瘦"。识别该特征有助于评估转自喷生产的可行性。01自喷能量与上推力连抽带喷井的井底流压高于泵口压力，地层液体具有一定自喷能量，在下冲程时对活塞产生向上的推力FLOWPRESSURE02示功图"瘦长"形态示功图表现为最小载荷明显低于正常值，下负荷线偏低，图形整体呈现"瘦长"形态，面积小于理论值MINLOAD↓03冲次变化的影响提高冲次后惯性载荷增大但自喷贡献比例降低，降低冲次后自喷特征更加明显SPMSENSITIVITY04转自喷生产评估示功图显示自喷能量充足时，可停抽观察流压恢复，如能维持稳定自喷则及时转产以节约能耗ENERGYSAVINGSCHAPTER06实战案例与综合应用以真实油井案例串联示功图诊断的完整工作流程CASESTUDY·WELLDIAGNOSIS案例一：B62-46井供液不足诊断B62-46井实测示功图右下角呈"刀把"状缺损，充满程度约65%，结合沉没度仅80m的数据，确诊为供液不足。调小冲次后泵效从38%提升至52%，验证了诊断准确性。基础数据冲程3.04m，冲次6.73次/分，最大载荷52.74kN，最小载荷31.57kN日产液量偏低，动液面沉没度仅80m80m沉没度图形分析四区域分析法：左上角正常，游动凡尔工作良好；右上角正常，活塞配合良好右下角明显"刀把"缺损，充满程度约65%增载线正常但卸载线出现拐点，符合典型供液不足特征，伴轻度气体影响65%充满程度措施与效果冲次由6.73调至5次/分，降低泵的理论排量以匹配地层供液能力一个月后复测，泵效显著提升，诊断方案得到验证38→52%泵效提升CASESTUDY案例二：高气油比井气锁故障处理某高气油比井示功图从四角圆滑逐步演变为近水平窄带，诊断为气体影响恶化为气锁。通过紧急放套气和加装气锚两步措施恢复产能，验证了气影响早期干预的重要性。STAGE01初期示功图四角明显圆滑，增载线和卸载线呈缓坡状，气体进入泵筒影响凡尔正常工作，属于典型的气体影响初期特征。泵效45%STAGE02恶化阶段产量持续下降至接近零，示功图变为近水平窄带，固定阀和游动阀同时失灵，气体占据泵筒空间形成气锁。确诊气锁ACTION01应急措施打开放气阀释放套管气，套压降至0.5MPa，两小时后恢复抽油，产量逐步回升，实现快速应急处理。回升60%ACTION02根治措施泵下150m加装高效气锚，分离效率超90%，连续三个月示功图保持正常，泵效稳定在高位运行。泵效70%+CASESTUDY·故障诊断案例三：抽油杆断脱定位与修复某井示功图突然整体下移至接近基线，通过载荷值反算断脱深度为1280m，与实际作业起出的断裂位置（第47根杆接箍）高度吻合，展示了示功图故障定位的精确性。故障发现巡检发现该井产量突然归零，示功图测试显示图形整体下移至基线附近，最大载荷仅为抽油杆柱自重的