抽油泵示功图故障诊断方法研究

摘要：目前,大多数油田的开采进入中后期,开采难度及成本上升,对抽油泵的可靠性要求也越来越高。油井下情况复杂多变,因此抽油泵在运行过程中会发生故障。快速准确地利用示功图诊断出抽油泵故障,这将会极大提高石油的产量、开采效率,对保障油田生产有着重要意义。抽油泵的故障诊断是通过传感器收集抽油机悬点的载荷及位移数据,制出示功图,对示功图的特征进行判断,诊断出抽油泵故障并及时进行修复。

关键词：抽油泵；示功图；故障诊断；方法研究

地面抽油机设备可以通过对其工作中，电流、电压、温度、示功图等参数变化对抽油机以及抽油泵的工作状态进行评估和判断，为后续的生产措施实施以及生产管理计划的制定提供重要的决策数据。也可以第一时间发现采油设备装置的异常，及时采取相应的处理措施，避免故障问题的进一步扩大。但在实际的生产过程中示功图的显示结果容易受到多种因素的影响，如油井的出砂情况、原油粘稠度、井下抽油管线的结蜡情况、水体以及气体的运动状态、惯性载荷变化、管线以及抽油光杆的弹性载荷变化、井下设备的振动以及冲击载荷变化、摩擦阻力变化等等。也容易受到油藏能量以及设备故障等因素的影响。因此通过示功图分析泵工况，需要充分考量上述影响因素，从而客观准确的判断泵况。

1正常示功图的简要分析

1.1惯性载荷影响较大的示功图分析

伴随抽油机井深的不断增加，抽油泵举升距离显著增加，抽油泵在生产过程中需要承担更大的载荷，同时抽油光杆在往复的运动过程中受到更大的惯性影响，此时该抽油机井的示功图出现波动和严重偏转并存在一定的冲程损失，符合正常的示功图特征。

1.2肥胖形示功图的形成

原油的粘稠度、流动性也是影响示功图的重要因素。原油的粘稠度会直接影响示功图的负荷曲线，上负荷线向上位移，下负荷线向下位移。伴随原油粘度的不断提高，逐步出现凡尔的开关滞后逐步出现凡尔不严的现象，此时示功图四角会趋于圆滑。油井在发生结蜡现象以后，抽油光杆在井筒内活动的摩擦阻力显著提高，光杆在上行运动阶段载荷增加，下行运动阶段载荷减少，导致示功图整体向四周扩散，出现变“胖”的现象，因此在示功图出现上述形态时应根据实际生产情况安排热洗作业。

2示功图故障诊断方法研究

2.1供液不足

在泵体活塞向下运动的过程中，泵体内部液体液位较低，没有产生足够的向上应力，不足以抵消游动凡尔受到的重力作用，活塞下行时撞击到液面，在液体推动下凡尔发生唯一此时光杆会突然失去载荷，该图的增载情况是正常的，光杆突然失去载荷后，卸载滞后。在一般情况下，示功图中增载线应与卸载线处于相互平衡的位置。如果示功图中卸载线存在明显的向左位移现象，说明泵体内部液位较低，导致光杆出现卸载滞后的现象，可以认定为该井存在供液不足的问题，属于典型的供液差示功图，基本没有沉没度，抽油泵工作异常或工作效率严重降低。抽油泵出现液位不足时，活塞在上行过程中，由于液位较低，液体吸入量十分有限，活塞在做下行运动时需要触底位置才可以接触到液面，如前文所述光杆会出现突然卸载的问题，活塞在短暂接触液面后马上会进行上行运动，导致上行携夜能力进一步下降逐步形成恶性循环导致泵效降低。

通过示功图判定出现严重供液不足现象时应及时的调整生产参数，如果存在极度不供液的情况，需要根据实际的动液面情况进项进一步的检查分析，采取憋压等相关检查方法分析是否存在地层出砂或卡泵、井眼阻塞的情况，从而制定下一步的处理措施。

2.2气锁

气锁是常见的抽油泵故障之一。抽油泵伴随使用年限的不断增加，在机械磨损以及腐蚀因素的作用下，抽油泵柱塞以及泵桶间隙不断加大，密封效果逐渐降低。活塞在上行过程中井内混合气体会通过柱塞和泵桶间隙不断进入泵桶内部，对活塞产生一个垂直向上的应力，导致游动凡尔在关闭时受到的阻力增加不能及时关闭，上行载荷不能达到理论数值，上行增载速度显著降低。在活塞下行运动时，活塞作用于井筒内部空间，让空间内气体发生压缩压力逐步增加，当压缩气体产生的压力大于上液柱压力时，游动凡尔才可以被打开。因此，在光杆卸载缓慢时，示功图的卸载线一般为弯曲弧线，曲线的曲率与油井的油气比值呈正相关关系，可以认为，卸载曲线的曲率越大，抽油泵的工作效率越低。气锁现象是指，伴随活塞与泵桶之间的间隙不断增加，活塞上限运动时会带入气体量逐步增加，当上行带入气体含量完全充满泵体内部空间以后，抽油泵的固定凡尔在气体压缩产生的压力作用下无法打开，活塞下行时管柱以及游动凡尔在气体压力作用下无法打开，导致活塞在往复运动时只是带动内部气体做上下运动，泵不排液，该现象被称为气锁。

抽油泵一旦出现气锁以后，基本丧失了原油的举升能力，无法实现原油的举升以及开采。通过示功图判断油井出现气锁现象以后，应及时采取套管收气、洗井碰泵、增加沉没度、加大抽吸力等措施来缓解和解决气锁现象。

2.3碰泵

活塞在下行运动时，如果防冲距离设置不合理，光杆带动活塞在下行过程中没有效的缓冲距离，会直接撞到固定凡尔护罩上，反冲应力会造成光杆负荷的剧烈降低，撞击后活塞迅速进入上行阶段，此时在示功图上会形成不规则的且带环状的小尾巴，该情况一般需要采取上调防冲距的措施进行缓解。

2.4油稠

由于原油粘度较高或结蜡严重，活塞内腔或游动凡尔球被稠油或晶体蜡卡死时，会出现游动凡尔关不严、打不开的故障表现，抽油泵无法通过活塞的上下往复运动实现原油的举升。此时示功图一般呈现窄条状，整体示功图靠近下负荷线位置。在出现该示功图以后，油井几乎丧失产油能力。出现该情况后，一般需要采取高温热洗的相关措施，对井筒进行原油降稠以及除蜡施工，如果热洗无效则需要进行详细的检泵解剖。

2.5刀把形状的示功图

示功图呈现刀把形状时也可以认定该油井出现了供液不足的现象。但在实际的生产实践过程中发现，如筛管阻塞导致井筒内部没有井夜，抽油柱塞卸载延时等情况下爱，示功图也会出现刀把状，但与供液不足使用图相比，条形更不对称。碰泵严重时形成刀把状示功图的原因：活塞猛烈撞击泵筒底部，造成泵筒底部丝扣坏漏失。导致当活塞下行时，使抽油杆不能及时卸载，直到活塞撞击泵筒底部时，才突然卸载。

3.示功图故障诊断面临挑战与未来

示功图故障诊断目前仍存在诸多挑战:(1)在某种特定的工作条件下,几种故障的示功图特征非常相似,诊断模型容易把故障判断混淆,仅凭一张示功图难以诊断。(2)面对多故障耦合时,多种因素同时影响示功图,信号数据间发生交互,变成多维数据,因为耦合情况下的训练数据多样性与复杂性存在不足,因此许多方法诊断多故障耦合不准确,这也对示功图故障诊断技术提出了更高的要求。(3)地面发生故障也会严重影响抽油系统工作效率,抽油泵载荷-位移示功图无法反映地面系统的工作情况,也不能直接、及时得到储层能量的变化,对抽油系统的监控不够全面。(4)示功图质量可能会受到干扰和噪音的影响,包括传感器误差、数据采集问题和信号干扰。周围环境、气候和其他条件不适合采集系统时,在一些油井中也无法测量示功图。

将来,应提高数据预处理能力,事先判断数据的异常,鉴别数据中哪些是非采油系统故障导致的波动,哪些是真实采油系统故障导致的,提高数据质量。积累大量数据,借助先进的数据分析技术,更优秀的人工智能方法将被用于功图故障诊断。多种故障与地面工况耦合诊断是重要方向,将不同的诊断依据,如电机功率-位置图,与示功图故障诊断技术结合,得出新的故障诊断技术,提高在复杂工况下诊断的精确率和效率。

4.结论

出现显示泵况异常的功图时：（1）第一时间落实液面，通过躺井的液面，了解躺井前的地层供液情况，落实躺井液面越早越好（要求动液面）；（2）参照躺井前后的示功图及其他工况资料，分析判断躺井原因，针对性地做好扶井工作；（3）根据躺井原因制定扶井措施：泵漏、油稠、轻微出砂、落物、气体影响不出液的，可以通过洗井碰泵、改变生产参数扶井，扶井不成功就要出方案上作业。示功图是对井下抽油泵工作状态最为直接的评估方法，但在使用示功图时也应充分考虑油井自身情况以及抽油泵的机械状态，对示功图进行综合的判断以及分析，才可以更为精准的评估泵况。