油水井常见故障及故障诊断方法研究

油水井常见故障及故障诊断方法研究

杨小静

（长庆油田公司第四采油厂  陕西省延安市）

摘要：在油井开采中，对抽油井井下故障进行预测和诊断，及时了解和掌握采油系统的工况，实现采油系统的自动化监控和科学管理，是当前石油行业迫切需要解决的问题。由于我国各大油田的油井工况不同，抽油设备类型不能满足各类复杂工况，所以国内石油开采现场，油井以及采油装备发生故障的概率很高，导致了我国各大油田生产效率较低。现阶段，采油现场还不能在第一时间发现故障油井，无法及时进行相应的诊断分析，因此造成了油田资源浪费，从而影响油田生产效率及产量。有鉴于此，对油井进行实时故障诊断、优化分析并及时制定故障处理方案，是现阶段提高我国石油产量的有效途径之一。

关键词：油井；常见故障；诊断方法；

前言

近年来，我国对石油资源的需求量正在逐渐增加，仅靠我国国内石油产量已不能满足我国石油需求量的增长速度，石油供需缺口逐渐增大，对外依存度急剧攀升。造成我国石油对外依存度不断飙升的原因主要有两个，其中一个原因是原油资源日益短缺并且需求量不断增加，另外一个重要的原因是我国各大油田生产效率较低，油井产量难以有效提高。采油工程领域内的研究者对抽油机井故障诊断越来越重视，越来越多的石油行业的专家学者都对其进行了深入的研究。有杆泵抽油井故障诊断主要经历了人工分析、计算机诊断和人工智能诊断三个阶段。国内外专家学者在抽油机井故障诊断技术领域做了大量的研究工作，最终形成了多种诊断方法。目前应用在工程实际中的故障诊断方法主要有光杆示功图法、井下示功图法、憋压诊断法、M法以及声测法。在实际生中，各种诊断方法也各有利弊，油田可以根据具体情况，选择合适的诊断方法。因为人工智能诊断技术在油井故障诊断中的应用比较广泛，并且示功图法有明显的图形特征，比较容易提取图形特征值，所以基于示功图识别的人工智能诊断技术逐渐变成了油田技术人员研究的重点。

1油井故障诊断方法研究现状

有杆泵抽油法是当前国内外应用最广泛的传统的机械采油技术。目前，世界上80％到85％的采油井都采用这种采油方式。常规钢抽油杆工作时在油管中上下反复运动，在这种交变载荷的作用下经常会发生一些故障：疲劳断裂事故，接箍外积蜡严重，泵效低，能耗高等。因而每年仅有杆泵抽油井故障诊断，检修就得耗费数以亿计的资金。所以有杆泵井的故障诊断不仅具有巨大的社会效益，更具有巨大的经济效益。抽油井故障诊断技术的研究，一直是国内外采油工程技术人员的一个重要课题。经过几十年的研究和实践，抽油机井故障的分析与诊断技术有了相当大的进展。其中，利用泵示功图对抽油井的各种工作状况进行分析和判断是其基本切入点，随着计算机图像处理技术和模式识别技术的进展，利用计算机诊断是未来的主导趋势。

2油井主要故障

抽油泵井的主要故障目前常规抽油泵井工作现状是：油井供液能力变差，泵挂深度逐年加深，井下管柱更为复杂，管杆偏磨严重。产出液腐蚀性强，矿化度高，化学腐蚀及电化学腐蚀同时存在。目前大多数老油田开发己经进入高含水期，例如油田有的区块综合含水己达94%，含水量增大造成井液润滑性降低，摩擦系数增大，磨损加快。另外地层出砂现象日趋严重，同油田开发初期相比目前的出砂量是开发初期的7至8倍，这样高的含砂量对井下设备的损坏是非常严重的。同时油稠问题突出，随着原油的不断开采，轻组分原油被大量采出，地层中剩余的原油含蜡量比例不断上升，有的区块含蜡量甚至已高达20，油稠导致摩擦阻力不断增大，工作负荷逐渐加重。油井供液不足导致沉没度不够，泵内井液充满度不足，结果导致了液击和气蚀现象。由上述抽油泵井的使用现状，可以清楚地看到目前抽油泵井的工作条件更加恶劣了，其零部件的失效也更加频繁，通过实际广泛的调查，抽油泵井存在的主要失效情况如下：

2.1磨损

泵筒与柱塞是抽油泵井的两个核心部件，二者构成一对移动摩擦副，摩擦副之间的正常磨损是不可避免的。

2.2砂磨砂埋砂卡

目前地层出砂现象日趋严重，导致泵筒与柱塞等摩擦副之间产生非正常磨粒性磨损及划伤拉伤。而常规有杆抽油泵只具备刮砂能力，却不具备防砂能力，大量砂粒的聚集会将固定凡尔填埋，甚至泵筒内被油砂堵塞而产生卡泵现象。抽油泵工作过程中，阀球与阀座频繁启闭，冲击接触，其工作表面布满了被磨粒喷射冲刷而产生的磨痕及麻点，最后导致损坏失效。

2.3腐蚀

井液中的强腐蚀介质，会产生化学腐蚀及电化学腐蚀，造成泵筒、柱塞、阀球及阀座、油管、抽油杆等严重腐蚀，严重者柱塞多处穿孔，在磨损与腐蚀双重作用下，柱塞镀铬层大面积脱落，深达基体。

2.4抽油泵零部件的机械破坏

油井井眼是细长型的，因此井下采油装置的结构特点是直径受限，而长度宽松。抽油泵上游动凡尔罩上方与抽油杆相连，下方与柱塞相连，内装出油阀球与阀座，阀罩外径受井眼所限不能太大，阀罩内径受并液流量所限不能太小，而阀罩沿圆周方向还开有三个尺寸较大的出油槽。现场操作经验表明上游动阀罩断裂基本发生在出油槽顶部，应进一步优化上游动阀罩的尺寸与结构，减少应力集中。固定凡尔总在长尾管的轴向力作用下发生脱落或使固定阀座下端面和外侧密封不严而造成刺漏。有的井固定阀使用10天就会发生刺坏现象。提高有杆抽油泵系统的工作效率已经成为油田最为关注的问题。有杆抽油泵系统是一个由电机、抽油机、抽油杆、抽油泵、油管柱和液柱等组成的复杂系统，其工作效率的高低取决于各个部分的共同作用。有杆抽油泵井是有杆采油机械的最终执行部件，它的性能直接决定了采油效率。由于油田生产条件的复杂性，对采油系统的设计和分析很大程度上仍然采用经验方法，所以对抽油泵工作状况的诊断和改善为整个抽油系统的效率和自动化操作水平的提高起着举足轻重的作用。

3油水井故障诊断方法

3.1地面泵示功图分析法

该方法利用光杆动力仪绘制光杆载荷与位移关系曲线，即光杆泵示功图，然后对光杆泵示功图进行解释，以判断油井与设备故障。光杆动力仪于1927年发明，因它有操作简单，使用方便的优点，早已成为世界各国监测有杆泵抽油井的有效手段，至今仍为许多国家厂泛应用。几十年来，许多国家为了使光杆动力仪检测方法更为简便准确，以及使泵示功图的分析与解释更为方便、准确，解释范邂更加广泛，进行了大量的研究工作：～方面，不断改进动力仪，提高检测精度，如已研制出机械式、水力式、电气式等各种类型的动力仪；另一方面，不断改进泵示功图的解释方法，扩大解释范围。诊断油并工况时，首先用光杆动力仪检侧抽油井光杆泵示功图，然后计算实测泵示功图的Wo／SKt和n／no僮，与相同的蠢量纲参数的标准泵示功图进行对比，如果饔形基本相似，则判骧抽油系统的工作状态正常，如图形差异很大，则说明抽油系统存在故障，这就是所谓的API类眈分析法。这种方法虽然方便、简单，但是由于并下工况复杂，且这种方法是以一系列假设为前提，故许多实测泵示功图在标准泵示功图中找不到，在应用范围上受到一定限制。

3.2井下泵示功图诊断法

这种方法是将井下动力仪随同抽油泵一起下入并内，用其直接测量泵示功匿。这样就可以获得抽油泵工作状态的第一手资料，去除掉了抽油杆等许多不确定因素给分析解释带来的困难。并下动力仪，尽管这种方法可以直接获得泵示功图，但是安装井下动力仪，必须将泵和抽油杆从井下提出，然后再下入井中测量，要观察测量结果，还要将仪器提出。因此这种方法耗资甚巨，工艺也较复杂。

3.3计算机诊断法

该技术根据地面泵示功圈、数学模型和整个抽油系统的机械特性推算出井下泵示功图。其基本原理是把抽油杆柱看作井下动态信号的传导线，抽油泵{笮为发送嚣。泵的工作状况(柱塞上的载蘅变化)以应力波的形式沿抽油杆柱传递到地颟，被作为接受器的动力仪所接收。根据这个原理，建立了带阻尼的波动方程作为描述应力波在抽油杆桂中传递过程的基本微分方程，以光秆动载荷及位移作为边界条件，可以得到抽油杆柱任意截面的位移和载荷计算式，从而绘所需的抽油杆各截面及泵的泵示功图。根据这些泵示功图，可对整个油井生产系统的工作状况进行分析和判断。

3.4工智能诊断技术

人工智能研究如何用计算机来模拟人的思维和行为，即由机器来完成某些与人类智能有关的活动(如判断、推理及学习等)。将人工智能的理论和方法应用于设备的故障诊断，发展智能化的故障诊断技术己成为当今故障诊断技术发展的主派。在抽油井的故降诊断领域，对智能故障诊断技术的研究己取得许多成果。

4结束语

及时掌握油井运行情况，准确得到油井运行资料是合理制定油田生产方案以及总体分析把握油田的全局产能情况的重要依据。因此，需要实时准确地对抽油井运行状态进行监测，对于油田生产管理有着非常重要的意义。在目前技术的支持和前人研究的基础上进行广泛和深入的分析，可以确定，在目前以及以后一段时间内，地面示功图分析法仍然是进行抽油机工况诊断的主要方法。

参考文献

[1] 袁文琪;胡敏.基于示功图的油井故障诊断专家系统研究[J].电子设计工程,2015(18).119-122

[2] 郭凤华.浅析油井故障诊断[J].中国石油和化工标准与质量,2011(02).178-178