阮晶琦，梁宏寶

(東北石油大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶163318)

示功圖反映了抽油設(shè)備工作狀況的好壞。目前，分析示功圖是抽油系統(tǒng)進行故障診斷的最常用方法。對抽油機井的井下故障診斷一直是國內(nèi)外技術(shù)人員研究的重要內(nèi)容，并且進行了大量的理論研究和應(yīng)用研究［1－8］。最開始，抽油井的故障診斷是以地面示功圖為基礎(chǔ)，依靠經(jīng)驗進行定性分析和判斷。由于實測示功圖大部分在圖表中查不到，工作人員因經(jīng)驗不同致使分析結(jié)果也有所不同，誤差很大。后來，在波動方程的基礎(chǔ)上，建立有桿抽油系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對地面示功圖進行數(shù)學(xué)處理，得到井下功圖和其他某些參數(shù)來進行故障的診斷。這種方法在建立數(shù)學(xué)模型時沒有考慮油管變形，其次對于不同故障引起的功圖圖形相近也無法判別。近幾年來，國外引入人工智能專家系統(tǒng)的方法，將專家經(jīng)驗和示功圖樣板輸入到計算機，利用模式識別的技術(shù)和知識對現(xiàn)場的抽油系統(tǒng)進行故障診斷。故障樣板的選擇受到地區(qū)的限制，不同的地況和不同的采油條件下，故障樣板也不相同，而且對匹配相近的故障沒有進一步的判別。因此后來發(fā)展的兩種方法都具有一定的局限性。針對以上方法的缺點，本文通過對16 種出故障時的典型示功圖進行分析，分析其示功圖形狀特征，進行數(shù)學(xué)描述;對特征相近的功圖，給出了結(jié)合油井參數(shù)進行判斷的方法。對抽油系統(tǒng)的故障診斷研究和提高經(jīng)濟效益具有重要意義。

1 理論示功圖

示功圖［9］是由縱坐標(biāo)載荷隨橫坐標(biāo)位移變化的關(guān)系曲線圖。地面示功圖表示懸點載荷隨位移變化的示功圖，也稱為光桿示功圖。

1.1 在靜載荷作用下的理論示功圖

彈性抽油桿在靜載荷作用下的理論示功圖如圖1，是一個平行四邊形。A 是下死點，上沖程開始點，AB 是加載線，B 點加載完畢，BC 段為上行線;加載過程中，游動凡爾和固定凡爾都處于關(guān)閉狀態(tài)。BC 段固定凡爾開始打開。C 是上死點，下沖程開始點，CD 是卸載線，D 點卸載完畢，DA 段為下行線。卸載過程中，游動凡爾和固定凡爾都處于關(guān)閉狀態(tài)。DA 段固定凡爾處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖1 靜載荷作用下的理論示功圖

圖2 考慮慣性載荷和振動載荷后的理論示功圖

1.2 考慮慣性載荷和振動載荷后的理論示功圖

考慮慣性載荷和振動載荷后的理論示功圖［10－11］，如圖2，為一近似的平行四邊形。左右平行、上下曲線平均線平行。上下曲線出現(xiàn)逐漸減弱的波浪線，振動越嚴重，變化幅度越大。

2 典型示功圖分析

使抽油井舉升系統(tǒng)的各部分產(chǎn)生事故因素有抽油桿斷脫、游動凡爾漏失、固定凡爾漏失、油層供液能力不足、油中含氣、油井含砂和原油粘度高等故障［12－14］。抽油設(shè)備的工作狀況會反應(yīng)在示功圖上［15－18］，下面對這些因素影響的16 種典型示功圖進行分析。

2.1 固定凡爾漏失

從密封角度來分析，固定凡爾在BC 段一直處于打開狀態(tài)，出現(xiàn)故障應(yīng)反映在CDA 的形狀上。同理，ABC 的形狀代表游動凡爾的工作狀態(tài)。固定凡爾漏失，相當(dāng)于固定凡爾提前打開，加載比正常情況快，因此AB 段斜率變大，漏失越嚴重越接近垂線;卸載比正常情況慢，CD 段斜率變小。增載提前的結(jié)果是使圖形左下角變圓;卸載時間延遲的結(jié)果是使圖形右下角變圓，圖形如3 所示。圖4為實測示功圖。圖形特征為兩下角缺失，卸載線為一向上凹的曲線。

圖3 固定凡爾漏失時的示功圖

圖4 實測固定凡爾漏失時的示功圖

由于固定凡爾漏失的圖形為兩下角缺失，兩下角變圓，所以不存在以下的點:

(1)下沖程，x∈［0，xmin(ymin))，y=ymin

(2)下沖程，x∈(xmax(ymin)，xmax )，y=ymin

因此，如果同時滿足以上兩個條件，即為固定凡爾漏失。式中:ymin 為圖形的最小載荷，xmin(ymin)為圖形最小載荷對應(yīng)的最小x 值(橫坐標(biāo)值)，

xmax(ymin)為圖形最小載荷對應(yīng)的最大x 值(橫坐標(biāo)值)，

2.2 游動凡爾漏失

因游動凡爾漏失，加載變得緩慢，使ab 段斜率變小;卸載時游動閥漏失相當(dāng)于提前打開，卸載加速，cd段斜率變大，漏失嚴重時接近垂線。增載滯后的結(jié)果是使圖形左上角變圓;卸載提前的結(jié)果是使圖形右上角變圓，漏失量越大，其圓滑程度越厲害，如圖5所示，圖6為實測示功圖。圖形特征為兩上角缺失，增載線為一條向下方彎曲圓弧線。

圖5 游動凡爾漏失時的示功圖

圖6 實測游動凡爾漏失時的示功圖

由于游動凡爾漏失的圖形為兩上角缺失，兩上角變圓，所以不存在以下的點:

(1)上沖程，x∈［0，xmin(ymax))，y=ymax

(2)下沖程，x∈(xmax(ymax)，xmax)，y=ymax

因此，如果同時滿足以上兩個條件，為游動凡爾漏失。

式中:ymax 為圖形的最大載荷，xmin(ymax)為圖形最大載荷對應(yīng)的最小x 值(橫坐標(biāo)值)，

xmax 為圖形沖程，xmax(ymax)為圖形最大載荷對應(yīng)的最大x 值(橫坐標(biāo)值)。

2.3 游動凡爾和固定凡爾同時漏失(簡稱雙漏)

雙凡爾漏失是游動凡爾與固定凡爾同時都漏失，最顯著的特征是加載線和卸載線在與上、下行程線連接處比較平滑，整個圖類似橢圓形，如圖7示，與油稠的示功圖十分相似。圖8為實測示功圖。圖形特征為四角消失，四角變圓，中間粗;兩頭尖。

圖7 實測雙凡爾漏失時的示功圖

圖8 雙凡爾漏失時的示功圖

2.4 泵工作正常但油稠

當(dāng)原油粘度升高，會使液體磨擦阻力增大，載荷也隨之增大，示功圖變得“肥胖”。同時油稠導(dǎo)致泵凡爾關(guān)閉不嚴，形狀與雙凡爾漏相似。如圖9所示，圖10為實測示功圖。圖形特征為圖形肥胖，四角圓滑。上負荷線高于最大理論負荷線，下負荷線低于最小理論負荷線。

圖9 油稠時的示功圖

圖10 實測油稠時的示功圖

由于雙漏失和油稠的圖形均為四角消失，四角變圓;中間粗，兩頭尖。因此，兩種示功圖的曲線相近。根據(jù)圖形，不存在以下的點:

(1)下沖程，x∈［0，xmin(ymin))，y=ymin

(2)下沖程，x∈(xmax(ymin)，xmax)，y=ymin

(3)上沖程，x∈［0，xmin(ymax))，y=ymax

(4)下沖程，x∈(xmax(ymax)，xmax)，y=ymax

如果同時滿足上面四個條件，為固定凡爾漏失和游動凡爾漏失同時漏失(雙漏失)或油稠。對于確定是雙漏和油稠中的哪一種，主要根據(jù)井口蹩泵情況進行判斷。如果井口蹩泵起壓較慢，但壓力下降速度快，就判定為雙漏;蹩泵起壓較快，壓力下降較慢，就判定為油稠。

2.5 泵工作正常但供液不足

當(dāng)從上死點開始下沖程，向下運動一段距離光桿負荷才減小。當(dāng)活塞接觸到液面開始壓縮液體以后，負荷開始轉(zhuǎn)移，光桿才開始卸載。圖型特征為“刀把”形。卸載線和加載線平行。如圖11所示，圖12為實測示功圖。由于充滿程度是可變的，所以卸載線要左右移動，越左移充滿越不好，供液能力越差。

圖11 實測供液不足時的示功圖

圖12 供液不足時的示功圖

由于供液不足的圖形為右下方缺失，所以不存(1)區(qū)間里的點:

(1)下沖程，x∈(xmax(ymin)，xmax )，y=ymin

(2)下沖程，x∈(xmax(ymin)，xmax )區(qū)間，存在一些相同數(shù)值或相差不大的y 值。

如果同時滿足以上兩個條件，為供液不足。

2.6 氣體影響

由于下沖程末余隙內(nèi)留有氣體，致使上沖程開始后，氣體膨脹，泵內(nèi)壓力不能快速降低，固定凡爾打開滯后，加載緩慢;下沖程時氣體壓縮，泵內(nèi)壓力不能迅速提高，游動凡爾打開滯后，卸載變慢。圖型特征∶卸載線成一圓弧狀。含氣量越多，刀把越明顯，弧線曲率小，如圖13所示，圖14為實測示功圖。

圖13 氣體影響時的示功圖

圖14 實測氣體影響時的示功圖

如果同時滿足以下兩個條件，為氣體影響。

氣體影響的圖形為右下方缺失，且卸載線為圓弧曲線。所以不存在(1)區(qū)間里的點:

(1)下沖程，x∈(xmax(ymin)，xmax )，y=ymin

(2)下沖程，x∈(xmax(ymin)，xmax )區(qū)間，y 值呈逐漸下降趨勢。

供液不足與氣體影響的示功圖相似:供液不足時卸載線陡且直，氣體影響時卸載線為圓弧形狀。在對實際功圖進行分析時，由于這兩種功圖的理論界線并不明顯，致使對于同一個功圖不同的人，分析的結(jié)果不同。對于確定是其中的哪一種，可從兩個方面進行判斷。

a.依據(jù)套壓及井口取樣情況再次進行判斷:

如果套壓高且井口取樣放樣時有氣體噴出，就判斷為氣體影響，否則就為供液不足。

b.從水利學(xué)的角度出發(fā)，計算了抽油泵完全充滿所必須的沉沒度的界限:

φ70mm 以下泵，沉沒度大于80 米、泵效大于35%時，為氣體影響，泵效小于35%、沉沒度小于80 米時為供液不足;φ70mm 以上泵，沉沒度大于100 米、泵效大于35%時，為氣體影響，沉沒度小于100 米、泵效小于35%時，為供液不足。

2.7 泵氣鎖(不出液)

如果氣體大量進入泵筒，上沖程時氣體膨脹，全部占滿柱塞讓出的容積，固定凡爾打不開。下沖程時，氣體壓縮，游動凡爾也打不開，所以這種情況下雙凡爾均打不開，柱塞運動對氣體壓縮和膨脹，泵不排油，圖型特征為整個圖形靠近最大理論載荷線，減載線平緩。如圖15所示，圖16為實測示功圖。

圖15 氣鎖時的示功圖

圖16 實測氣鎖時的示功圖

氣鎖時整個圖形靠近最大理論載荷線，不存在以下的點:

(1)下沖程，x∈(xmax(ymin)，xmax )，y=ymin

(2)上沖程，x∈［0，xmin(ymax))，y=ymax

如果同時滿足以上兩個條件，為氣鎖。

2.8 活塞脫出工作筒

上沖程中柱塞上行至某一點時脫出工作筒，液體的漏失量將急劇增加，懸點載荷也急劇下降。卸載結(jié)束時由于突然卸載使柱塞的振動產(chǎn)生不規(guī)則的波狀曲線。圖型特征為右上方缺失，上沖程靠后部分的載荷明顯變小，有的甚至跌至下理論線，并且會產(chǎn)生不規(guī)則波狀曲線，如圖17所示，圖18為實測示功圖。

圖17 活塞脫出工作筒時的示功圖

圖18 實測活塞脫出工作筒時的示功圖

活塞脫出工作筒的圖形為右上方缺失，所以不存在以下的點:

上沖程，x∈(xmax(ymax)，xmax )，y=ymax

如果滿足以上條件，為活塞脫出工作筒。

2.9 游動凡爾關(guān)閉遲緩

游動閥關(guān)閉遲緩會使加載過程減緩。圖形特征為左上方缺失，近似為矩形。加載線比較陡。如圖19所示，圖20為實測示功圖。

圖19 游動凡爾關(guān)閉遲緩時的示功圖

圖20 實測游動凡爾關(guān)閉遲緩時的示功圖

游動凡爾關(guān)閉遲緩的圖形為左上方缺失，所以不存在以下的點:

上沖程，x∈［0，xmin(ymax))，y=ymax

如果滿足以上條件，為游動凡爾關(guān)閉遲緩。

2.10 上碰泵(在上死點處有碰掛)

在上沖程快結(jié)束時，柱塞滑桿并帽和泵頭導(dǎo)環(huán)發(fā)生碰撞。圖形特征為右上角有凸出。載荷額增加，如圖21所示，圖22為實測示功圖。

圖21 上碰泵時的示功圖

圖22 實測上碰泵時的示功圖

上碰泵的圖形為右上角有凸出，載荷增加。且右下角缺失。

(1)上沖程，x∈(x1，xmax )，y ＞y 上行min

(2)下沖程，x∈(xmax(ymin)，xmax )，y=ymin

如果同時滿足以上兩個條件，為上碰泵。

式中:x1 為y 取上行線中最大值和最小值中的較小值時所對應(yīng)的橫坐標(biāo)值。y 上行min 為上行線中的最小y 值。

2.11 下碰泵

在下沖程快結(jié)束時，柱塞和固定凡爾罩發(fā)生碰撞，使得載荷額外降低。圖形特征為左下角有凸出，在增載部位的曲線是凹形向上的。如圖23所示，圖24為實測示功圖。

圖23 下碰泵時的示功圖

圖24 實測下碰泵時的示功圖

下碰泵的圖形的左下角有凸出，所以存在幾下的點:

上沖程，x∈［0，x1(y 下行振動平均線))，y ＜y 下行振動平均線。如果滿足以上條件，為下碰泵。

式中:x1(y 下行振動平均線)為下行線振動的平均線對應(yīng)的橫坐標(biāo)值，

y 下行振動平均線為下行線振動的平均線對應(yīng)的縱坐標(biāo)值。

2.12 機械性跳動

出油正常，圖形特征為大齒形，是抽油機變速箱內(nèi)的軸鍵因磨損串動而振動，如圖25所示。

圖25 機械跳動時的示功圖

機械性串動的圖形中的上行線和下行線均出現(xiàn)“大牙齒”，因此存在:

(1)上行線中，y 上行線∈［ymax，ymin］

(2)下行線中，y 下行線∈［ymax，ymin］

如果同時滿足以上兩個條件，為機械性串動。

式中:y 上行線為上行線對應(yīng)的縱坐標(biāo)值，y 下行線為下行線對應(yīng)的縱坐標(biāo)值，

2.13 正常抽油、抽油機平衡重沒有調(diào)整好

如果油井生產(chǎn)平衡，地面示功圖中上、下行曲線應(yīng)為波幅相同的阻尼曲線，如果平衡太輕，則下沖程較快，其下行曲線的波幅較大;如果平衡太重，則桿柱上行較快，其上行曲線的波幅較大。圖形特點為平衡太輕，下行曲線的波幅較大;平衡太重，上行曲線的波幅較大。如圖26和27 所示。

圖26 平衡偏輕時的示功圖

圖27 平衡偏重量時的示功圖

如果同時滿足以上條件，為抽油機平衡重沒有調(diào)整好。

抽油機平衡重沒有調(diào)整好分為兩種情況:平衡重太輕和平衡重太重。

平衡太輕時功圖的下行線振動幅度較上行線大;平衡太重時功圖的上行線振動幅度較下行線大。

(1)上行線中，y 上行線∈［y 上行max，y 上行min］

(2)下行線中，y 下行線∈［y 下行max，y 下行min］

若y 上行線 ＞y 下行線 為平衡重偏重，

若y 上行線 ＜y 下行線 為平衡重偏輕。

y 上行振動max 為上行線的最大值，y 上行振動min 為上行線的最小值。y 下行振動max 為下行線的最大值，y 下行振動min 為下行線的最小值。

2.14 油井出砂

當(dāng)油中含砂時，一些細小顆粒會進入到活塞與工作筒的間隙，由于砂粒不規(guī)則且分布不均勻，所產(chǎn)生的阻力也在時刻變化，因此反映在示功圖上就會有不規(guī)則的鋸齒狀。圖形特征為負荷線上呈現(xiàn)出不規(guī)則的鋸齒狀尖峰，且尖峰是移動的;或產(chǎn)生不規(guī)則的“小牙齒”形狀的齒形，如圖28所示。圖29為實測示功圖。

圖28 油井出砂時的示功圖

圖29 實測油井出砂時的示功圖

油井出砂功圖的上行線和下行線出現(xiàn)“小牙齒”形的不規(guī)則齒狀，

(1)上行線中，y 上行線∈［y 上行max，y 上行min］

(2)下行線中，y 下行線∈［y 下行max，y 下行min］

(3)若y 上行線與y 下行線接近，相差不大。

如果同時滿足以上三個條件，為油井出砂。

2.15 抽油桿斷脫

抽油桿斷脫后，光桿只承受斷點以上的抽油桿重量，示功圖上載荷很小且面積非常窄，同時油井不出液。

圖形特點∶ 非常窄的圖形，呈水平條帶狀，如圖30所示。圖31為實測示功圖。圖形的位置取決于斷脫點的位置。斷脫的位置越深，圖形越接近最小理論負荷線，斷脫的位置越淺，圖形越接近基線。

圖30 抽油桿斷脫時的示功圖

圖31 實測抽油桿斷脫時的示功圖

2.16 連抽帶噴井

當(dāng)上沖程時，由于油流有自噴能力，頂著活塞往上跑，使游動凡爾被頂開或關(guān)閉不嚴。同時，油氣充分混合，液柱比重減輕，使光桿上的負荷大幅度減輕，小于示功圖的最大理論載荷線。而下沖程時，油流同樣向上頂著活塞，使固定凡爾和游動凡爾均處于開啟狀態(tài)，光桿的負荷沒有什么變化，高于示功圖的最小理論載荷線。

圖形特征:近于水平狀，很少有振動波。圖形兩端有一段曲線近于平行。如圖32所示。圖33為實測示功圖。

示功圖的位置和載荷變化的大小取決于噴勢的強弱及抽汲液體的粘度。

圖32 連抽帶噴井的示功圖

圖33 實測連抽帶噴井的示功圖

抽油桿斷脫或連抽帶噴井的功圖相似，圖形非常窄，為水平條帶狀。因此:y→y min。如果滿足以上條件，為抽油桿斷脫或連抽帶噴井。

要正確區(qū)分是哪種類型的示功圖，還要綜合研究油井生產(chǎn)情況，若油井連抽帶噴時，產(chǎn)液量高，泵效高;

而抽油泵脫落時，產(chǎn)液量低，甚至產(chǎn)液量為零。

3 結(jié) 語

(1)通過分析故障井的典型示功圖，找出其形狀特征，對其進行數(shù)學(xué)描述，得到了數(shù)學(xué)描述的示功圖特征;對于特征相近的功圖，給出了進一步進行判斷的方法。用數(shù)學(xué)描述的示功圖特征可以更方便快速地對故障進行診斷，為示功圖的分析和判別提供了新的手段。

(2)在16 種故障中，有4 種故障會引起示功圖的上、下行線的振動幅度發(fā)生較大變化，這4 種故障是:油井出砂、機械性串動、抽油機平衡重偏重或偏輕。出現(xiàn)上碰泵情況時示功圖的右上角凸出。出現(xiàn)下碰泵情況，其示功圖的左下角凸出。其余10 故障均會使示功圖不同部位出現(xiàn)缺失。

(3)還需要進行大量的實踐工作來完善這種方法。

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