CN116427904A - 一种基于载荷因子和摩阻因子的抽油杆断脱诊断方法 - Google Patents

一种基于载荷因子和摩阻因子的抽油杆断脱诊断方法 Download PDF

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CN116427904A CN202211452685.4A CN202211452685A CN116427904A CN 116427904 A CN116427904 A CN 116427904A CN 202211452685 A CN202211452685 A CN 202211452685A CN 116427904 A CN116427904 A CN 116427904A
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刘少胡
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Abstract

该基于载荷因子和摩阻因子的抽油杆断脱诊断方法，只需通过计算光杆上冲程悬点载荷、下冲程悬点载荷得到光杆悬点载荷差理论值，并对比光杆悬点载荷差理论值与实际监测光杆悬点载荷差，优选出抽油泵载荷因子
Figure DEST_PATH_IMAGE001
和井筒内抽油杆摩阻因子
Figure 888545DEST_PATH_IMAGE002
对抽油杆进行断脱诊断，当抽油泵载荷因子
Figure 813776DEST_PATH_IMAGE001
和井筒内抽油杆摩阻因子
Figure 975767DEST_PATH_IMAGE002
为1时，抽油泵和井筒工况均良好，当抽油泵载荷因子
Figure 302843DEST_PATH_IMAGE001
和井筒内抽油杆摩阻因子
Figure 259298DEST_PATH_IMAGE002
小于1且越接近0时，抽油泵和井筒工况越恶劣，抽油杆越容易断脱。该基于载荷因子和摩阻因子的抽油杆断脱诊断方法，操作简单且无需其他额外参数信息，从而解决了现有抽油杆评价和断脱诊断方法需要获取的参数信息较多，实际操作较为繁琐，实现困难的问题，特别适合油田生产使用的需要。

Description

一种基于载荷因子和摩阻因子的抽油杆断脱诊断方法
技术领域
本发明公开的基于载荷因子和摩阻因子的抽油杆断脱诊断方法，属于管柱寿命安全诊断领域。
背景技术
有杆抽油技术作为我国油田开采的主要技术，具有成本低、适应性好等特点，被广泛用于我国各大油田。有杆抽油设备一般包括抽油机1、光杆2、井筒3、抽油杆4和抽油泵5（参见说明书附图2）。其中，抽油杆4包括扶正器4-1、短节4-2和接箍4-3三部分，相邻的短节4-2之间通过接箍4-3相互连接；短节4-2外部安装扶正器4-1确保抽油杆4处于井筒3中心位置（参见说明书附图4）。抽油泵5包括抽油泵筒5-1、衬套5-2、游动阀5-3、柱塞5-4和固定阀5-5，上冲程时，抽油杆4带动柱塞5-4向上运动，柱塞5-4上的游动阀5-3受阀球自重和管内压力作用关闭。抽油泵5内容积增大压力降低，固定阀5-5在环形空间液柱压力与抽油泵5内压力差的作用下被打开，井液进入抽油泵5，同时井口排出液体。下冲程时，抽油杆4带动柱塞5-4向下运动，固定阀5-5关闭，柱塞5-4挤压抽油泵5中液体使抽油泵5内压力升高到高于柱塞5-4上方压力时，游动阀5-3被顶开，抽油泵5中液体排到柱塞5-4上方的井筒中（参见说明书附图5）。
井筒3上端井口处设置有抽油机1、井筒3的内部装有抽油杆4；抽油杆4的底部装有抽油泵5；抽油杆4的上端通过光杆2与抽油机1相连接。有杆抽油设备工作时通过抽油机1的四连杆机构将电机产生的旋转运动变为驴头的往复运动，带动光杆2做上下往复直线运动，进一步带动与光杆2连接的抽油杆4在井筒3内做往复运动，通过抽油杆4往复运动带动抽油泵5的柱塞运动将井底油液采出，完成采油作业。
随着油田开采进入高含水后期，开采难度增加，机械强采力度进一步加大，抽油杆断脱事故的发生频率也随之增加，给油田的正常生产管理带来诸多困难，不仅维护性措施工作量增大，原油成本增加，经济效益降低，同时还影响原油产量。
目前已有抽油杆评价和防断脱方法相关专利，如申请公布号为CN103499501A的发明专利申请公开的一种基于井液润滑效果的抽油杆磨损评价方法和装置；申请公布号为CN115015639A的发明专利申请公开的一种油井抽油杆防断脱的操作方法；上述方法虽然能够在一定程度上评价和提前预防抽油杆断脱，但需要获取的参数信息较多，实际操作较为繁琐，实现困难。
因此有必要研发一种新的抽油杆断脱诊断方法，解决现有抽油杆评价和断脱诊断方法需要获取的参数信息较多，实际操作较为繁琐，实现困难的问题。
发明内容
本发明的目的是：提供一种基于载荷因子和摩阻因子的抽油杆断脱诊断方法，解决现有抽油杆评价和断脱诊断方法需要获取的参数信息较多，实际操作较为繁琐，实现困难的问题。
本发明的技术方案是：
一种基于载荷因子和摩阻因子的抽油杆断脱诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，计算光杆上冲程悬点载荷、下冲程悬点载荷得到光杆悬点载荷差理论值，并对比光杆悬点载荷差理论值与实际监测光杆悬点载荷差；
第二步，引入抽油泵载荷因子
Figure 98774DEST_PATH_IMAGE001
；
第三步，引入井筒内抽油杆摩阻因子
Figure 833512DEST_PATH_IMAGE002
；
第四步，通过优选抽油泵载荷因子
Figure 442348DEST_PATH_IMAGE001
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 54988DEST_PATH_IMAGE002
调整光杆悬点载荷差理论值吻合实际监测光杆悬点载荷差；
第五步，以光杆悬点载荷差为特征指标，通过优选的抽油泵载荷因子
Figure 3352DEST_PATH_IMAGE003
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 971308DEST_PATH_IMAGE002
对抽油杆进行断脱诊断：工况良好时，抽油泵载荷因子/>
Figure 5123DEST_PATH_IMAGE001
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 388831DEST_PATH_IMAGE002
为1，工况不良时，抽油泵载荷因子/>
Figure 690237DEST_PATH_IMAGE001
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 829095DEST_PATH_IMAGE002
小于1。
本发明的优点在于：
该基于载荷因子和摩阻因子的抽油杆断脱诊断方法，只需通过计算光杆上冲程悬点载荷、下冲程悬点载荷得到光杆悬点载荷差理论值，并对比光杆悬点载荷差理论值与实际监测光杆悬点载荷差，优选出抽油泵载荷因子
Figure 350206DEST_PATH_IMAGE004
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 537605DEST_PATH_IMAGE005
对抽油杆进行断脱诊断，当抽油泵载荷因子/>
Figure 522878DEST_PATH_IMAGE004
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 504741DEST_PATH_IMAGE005
为1时，抽油泵和井筒工况均良好，当抽油泵载荷因子/>
Figure 575465DEST_PATH_IMAGE004
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 68020DEST_PATH_IMAGE005
小于1且越接近0时，抽油泵和井筒工况越恶劣，抽油杆越容易断脱。该基于载荷因子和摩阻因子的抽油杆断脱诊断方法，操作简单且无需其他额外参数信息，从而解决了现有抽油杆评价和断脱诊断方法需要获取的参数信息较多，实际操作较为繁琐，实现困难的问题，特别适合油田生产使用的需要。
附图说明
图1为基于载荷因子和摩阻因子的抽油杆断脱诊断方法的流程图；
图2为抽油杆上冲程轴向受力示意图；
图3为抽油杆连接示意图；
图4为抽油抽油泵工作示意图；
图5为抽油杆下冲程轴向受力示意图；
图6为光杆悬点载荷差理论计算值与实际监测值对比曲线图；
图7为SN区块油井悬点载荷差实际监测值与调整后理论计算值曲线图；
图中：1、抽油机；2、光杆；3、井筒；4、抽油杆；4-1、扶正器；4-2、短节；4-3、接箍；5、抽油泵；5-1、抽油泵筒；5-2、衬套；5-3、游动阀；5-4、柱塞；5-5、固定阀。
具体实施方式
该基于载荷因子和摩阻因子的抽油杆断脱诊断方法，包括以下步骤：
第一步，计算光杆上冲程悬点载荷、下冲程悬点载荷得到光杆悬点载荷差理论值，并对比光杆悬点载荷差理论值与实际监测光杆悬点载荷差；
光杆悬点载荷差理论值计算方法和实际监测光杆悬点载荷差方法如下：
1）理论悬点载荷差
光杆悬点载荷差理论值为光杆上冲程悬点载荷与下冲程悬点载荷之差，方向均向上（参见说明书附图2、附图3）；
上冲程时，由于游动阀孔关闭，使悬点承受抽油杆自重W r和柱塞上液柱载荷W l，作用方向都向下；同时，由于固定阀孔打开，使井筒外一定沉没度的液柱和套压克服抽油泵泵口阻力，通过抽油泵泵内液体而对柱塞下表面产生方向向上的载荷p p；因此，上冲程时，悬点载荷P js计算方法为：
Figure 907800DEST_PATH_IMAGE006
式中：H－油井垂深，m；A p－柱塞截面积，m 2 ，
Figure 326143DEST_PATH_IMAGE007
；d p为柱塞直径，m；A r－抽油杆截面积，m 2 ，/>
Figure 618584DEST_PATH_IMAGE008
；d r为抽油杆直径，m；ρ r－抽油杆材料密度，7850kgˑm-3；L－抽油杆长度，m ；p p－抽油泵内气体压力，Pa；ρ l－液体密度，kgˑm-3；g－重力加速度，N·kg-1。
抽汲含水原油时，液体密度应采用混合液的密度，可按下式来近似计算：
Figure 413364DEST_PATH_IMAGE009
式中：ρ 0－原油密度，kgˑm-3；ρ w－水的密度，kgˑm-3；f w－原油含水率。
下冲程时，由于固定阀孔关闭，使液柱重量移到固定阀和井筒上；游动阀孔打开，使悬点只承受抽油杆在液柱中的重量W r′；因此，下冲程时悬点的载荷P jx计算方法为：
Figure 107651DEST_PATH_IMAGE010
则光杆悬点载荷差理论值为：
Figure 431316DEST_PATH_IMAGE011
2）实际监测悬点载荷差
目前实际监测采用直接在抽油机悬点安装载荷传感器的方法测量上冲程和下冲程的悬点载荷，进而得到光杆悬点载荷差的实际值；载荷传感器在悬点载荷作用下产生弹性变形，使粘贴于其表面的电阻应变片也随同产生变形，变形的电阻应变片其阻值也将发生变化，经过相应测量电路，电阻变化信号将会被数字化，从而完成光杆悬点载荷的测量。
对比光杆理论计算悬点载荷差和实际监测悬点载荷差，分析其存在偏差。
第二步，引入抽油泵载荷因子
Figure 476632DEST_PATH_IMAGE012
；
在第二步中，引入抽油泵载荷因子
Figure 308060DEST_PATH_IMAGE012
，影响载荷因子/>
Figure 856853DEST_PATH_IMAGE012
的因素有：
1）泵充满度
抽油泵充满程度为每冲程吸入抽油泵内的液体体积与上冲程柱塞让出的体积之比，用η c表示，并且采用以下方法表示：
Figure 616999DEST_PATH_IMAGE013
式中：V y－每冲程吸入抽油泵内的液体体积，m3；V p－上冲程柱塞让出的容积，m3；R－进入抽油泵泵筒的气油比；k－余隙系数，常可忽略；
上式中，R值可根据地面所测得油气比R s进行计算，将R s扣除抽油泵吸入时溶解到原油中的气体体积，并将所得的差值换算到抽油泵吸入处的状态而得到，R计算表达式为：
Figure 352873DEST_PATH_IMAGE014
式中： R s－地面气油比，m3·m-3；α－溶解系数，m3·m-3·MPa-1；p c－抽油泵内气体压力，Pa；p 0－标准压力，Pa；b 0－原油体积系数；f w－为含水率，小数；T－抽油泵入口温度，K；T 0－地面温度，K；Y－天然气压缩因子。
将公式(6)代入公式(5)，并忽略余隙系数k，可得抽油泵充满系数η c 计算表达式为：
Figure 20615DEST_PATH_IMAGE015
上式中得到的充满系数只考虑了气体对抽油泵的影响，没有考虑油液粘度、抽油泵泵径、抽汲参数等因素的影响，其结果必然偏小，因此对该方程进行修正；
流体在进抽油泵过程的运动中，遵守能量守恒定律，Bernoulli方程表达式为：
Figure 892756DEST_PATH_IMAGE016
式中：s y－抽油泵内液面高度，m；p p－抽油泵内气体压力，Pa；ρ－流体密度，kg·m-3；p c－沉没度造成的液体压力，Pa；p t－套压，Pa；ΔH－流体流过固定阀孔的水头损失，m；g－重力加速度，N·kg-1。
局部水力损失计算为：
Figure 110287DEST_PATH_IMAGE017
式中： t s－上冲程时间，s；v－流体通过固定阀孔的速度，m·s-1；μ－流量系数，无因次；A p－抽油泵腔截面积，m2；A v－固定阀孔截面积，m2；t s－上冲程的进液时间，s；s y－抽油泵内液面高度，m。
所以，油液通过抽油泵固定阀的水力损失计算公式为：
Figure 333458DEST_PATH_IMAGE018
将地面所测得油气比R s，扣除抽油泵内溶解到原油中的气体体积，并将所得的差值换算到抽油泵内的状态，可得到抽油泵内气油比R p，R p计算表达式为：
Figure 539311DEST_PATH_IMAGE019
根据抽油泵内气油比定义，R p又可以表示为：
Figure 797117DEST_PATH_IMAGE020
式中，s p—抽油泵有效冲程，m；
联立方公式(12)和(13)，可以解出抽油泵内气体压力：
Figure 695803DEST_PATH_IMAGE021
综上所述，Bernoulli方程可写为：
Figure 140691DEST_PATH_IMAGE022
该方程中的未知量为抽油泵内液面高度s y，分子上s y的最高次为2，分母上最高次为1，所以该方程为关于s y的一元三次方程，可解；根据定义，我们有抽油泵充满度：
Figure 150235DEST_PATH_IMAGE023
2）泵阀开度
固定阀开关度直接影响井液入抽油泵的压力损失，从而影响抽油泵内压力，游动阀的开关度直接影响流体流动阻力的大小，因此抽油泵阀的开度会对抽油泵载荷产生影响，即对抽油泵载荷因子产生影响。
3）泵间隙
抽油泵柱塞与抽油泵泵筒之间的间隙直接影响二者的摩擦，进而影响抽油泵载荷，即对抽油泵载荷因子产生影响；根据抽油泵标准，在未标注间隙等级的抽油泵，其间隙为0.02-0.07mm。
抽油泵柱塞与抽油泵泵筒间隙越大，二者摩擦力越小，这有利于延长抽油杆服役时间，但过大的间隙会导致抽油泵漏失量增加，不利于采油生产；另一方面，抽油泵柱塞与抽油泵泵筒间隙过小，将导致抽油杆下行阻力增大，抽油杆下部分容易发生屈曲，加剧偏磨；
4）井液性质
抽油泵载荷是指采油过程中作用在抽油泵柱塞上的载荷，井液入抽油泵时的密度、粘度性质对抽油泵载荷产生影响，即对抽油泵载荷因子产生影响；
第三步，引入井筒内抽油杆摩阻因子
Figure 262548DEST_PATH_IMAGE024
；
在第三步中，引入井筒内抽油杆摩阻因子
Figure 66556DEST_PATH_IMAGE024
，影响摩阻因子/>
Figure 762854DEST_PATH_IMAGE024
的因素有：
1）单位长度抽油杆的重力
抽油杆的重力在上下冲程中均存在，方向铅直向下，沿抽油杆均匀分布（参见说明书附图2、附图3）；假设接箍与短节使用同种材料，密度相同，则单位长度抽油杆的重力为：
Figure 310510DEST_PATH_IMAGE025
式中：q r－单位长度抽油杆的重力，N·m-1；ρ r－抽油杆材料的密度，kg·m-3；ρ f －扶正器材料的密度，kg·m-3；A r －抽油杆的截面积，
Figure 277329DEST_PATH_IMAGE026
，m2；d r －抽油杆直径，m；A s －接箍的截面积，/>
Figure 252238DEST_PATH_IMAGE027
，m2；d s －接箍直径，m；A f －扶正器的截面积，/>
Figure 937297DEST_PATH_IMAGE028
，m2；d f －扶正器直径，m；L－抽油杆长度，m；L s －接箍长度，m；L f －扶正器长度，m；g－重力加速度，N·kg-1。
2）单位长度抽油杆所受浮力
抽油杆所受浮力在上下冲程中都存在，方向铅直向上（参见说明书附图2、附图3）；单位长度抽油杆所受的浮力为：
Figure 554224DEST_PATH_IMAGE029
式中：ρ l－液体密度，kgˑm-3；
3）单位长度抽油杆惯性力
抽油机运转时，驴头带着抽油杆做变速运动，因而产生抽油杆惯性力（参见说明书附图2、附图3）。
单位长度抽油杆的惯性力f Ir为：
Figure 375549DEST_PATH_IMAGE030
式中：a－抽油杆的加速度，m·s-2；
悬点加速度在上下冲程中，大小和方向是变化的；因而，惯性载荷的大小和方向也将随悬点加速度而变化；设向上作为坐标的正方向，在上冲程中，前半冲程加速度为正，即加速度向上，则惯性力向下；后半冲程中加速度为负，即加速度向下，则惯性力向上；在下冲程中，情况刚好相反，前半冲程惯性力向上，后半冲程惯性力向下；
4）单位长度抽油杆与液柱之间的摩擦阻力
抽油杆与液柱之间的摩擦阻力（参见说明书附图3），方向沿抽油杆向上。包括三部分，一是短节和液柱之间的摩擦阻力；二是接箍和液柱之间的摩擦阻力；三是扶正器和液柱之间的摩擦阻力。
井液对单位长度抽油杆摩擦阻力的计算公式为：
Figure 786939DEST_PATH_IMAGE031
其中：
Figure 195180DEST_PATH_IMAGE032
Figure 84638DEST_PATH_IMAGE033
式中：f rl－井液对单位长度抽油杆的摩擦阻力，N；v r －抽油杆运动速度，m/s；η－动力粘度系数；U rt－井液在抽油杆和井筒组成的环形空间中的平均流速，m·s-2，可由
Figure 291629DEST_PATH_IMAGE034
求得：
Figure 608341DEST_PATH_IMAGE035
f r－井液对抽油杆的无量纲阻尼因子，当抽油杆和井液的运动方向相同时，取“-”，反之，取“+"；Rer、Rer ׳－分别与抽油杆和井筒组成环形空间中的井液流速、抽油杆运动速度有关的雷诺数。
同理可得井液对单位长度接箍的摩擦阻力的计算公式
Figure 2413DEST_PATH_IMAGE036
其中：
Figure 695562DEST_PATH_IMAGE037
井液对单位长度扶正器的摩擦阻力的计算公式
Figure 491480DEST_PATH_IMAGE038
其中：
Figure 244672DEST_PATH_IMAGE039
式中：f sl，f fl－井液对单位长度接箍、扶正器的摩擦阻力，N；f s，f f－井液对接箍、扶正器的无量纲阻尼因子；U st－井液在接箍和井筒组成的环形空间中的平均流速，m·s-2；U ft－井液在扶正器和井筒组成的环形空间中的平均流速，m·s-2；Res、Ref－与接箍、扶正器和井筒组成环形空间中的井液流速有关的雷诺数。
则井液对单位长度抽油杆的等效摩擦阻力f mz为：
Figure 391620DEST_PATH_IMAGE040
式中：L r－整个抽油杆中除去接箍和扶正器的长度，m，
Figure 121416DEST_PATH_IMAGE041
。
5）井液流动对单位长度抽油杆的作用力，即压差力
井液在抽油杆和井筒组成的环状空间中流动时对抽油杆产生的作用力简称为压差力（参见说明书附图2、附图3）。
因为接箍和扶正器的外径都大于短节的直径，压力损失
Figure 771841DEST_PATH_IMAGE042
和/>
Figure 695934DEST_PATH_IMAGE043
会对接箍和扶正器产生作用力。
井液流动在上下冲程中对整个抽油杆产生的作用力F lss、F lsx分别为：
Figure 64599DEST_PATH_IMAGE044
式中：P lss、P lsx—井液流动在上下冲程中产生的压力损失，Pa；n s—整个抽油杆中接箍的个数；n f－整个抽油杆中扶正器的个数；
Figure 99551DEST_PATH_IMAGE045
—接箍处的承压面积，等于接箍与抽油杆截面积之差，m2；/>
Figure 604481DEST_PATH_IMAGE046
—扶正器的承压面积，等于扶正器与抽油杆截面积之差，m2。
单位抽油杆在上下冲程中所受的压差力f lss、f lsx分别为：
Figure 965056DEST_PATH_IMAGE047
Figure 555437DEST_PATH_IMAGE048
6）抽油杆与井筒之间的摩擦力
如果抽油杆与井筒接触，在它们之间会产生摩擦力。对抽油杆来说，该摩擦力的方向与抽油杆运动方向相反，上冲程方向向下，下冲程方向向上（参见说明书附图2、附图3）。
Figure 629966DEST_PATH_IMAGE049
式中：
Figure 254982DEST_PATH_IMAGE050
－单位抽油杆与井筒之间的摩擦力，N；/>
Figure 786457DEST_PATH_IMAGE051
－抽油杆与井筒之间的摩擦系数；/>
Figure 129714DEST_PATH_IMAGE052
－井筒对单位抽油杆的支撑力，N。
7）井口回压对抽油杆施加力
液流在地面管线中的流动阻力所造成的井口回压对抽油杆将产生附加的载荷。其性质与油管内液体产生的载荷相同（参见说明书附图2、附图3）。
Figure 303206DEST_PATH_IMAGE053
式中：f hu－井口回压在上冲程中引起的抽油杆载荷，N；f hd－井口回压在下冲程中引起的抽油杆载荷，N；p h－井口回压，Pa。
第四步，通过优选抽油泵载荷因子
Figure 251571DEST_PATH_IMAGE054
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 219527DEST_PATH_IMAGE055
调整光杆悬点载荷差理论值吻合实际监测光杆悬点载荷差；
在第四步中，抽油泵载荷因子
Figure 315659DEST_PATH_IMAGE054
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 433788DEST_PATH_IMAGE055
均在0到1内取值，优选后的泵载荷因子/>
Figure 564555DEST_PATH_IMAGE054
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 139630DEST_PATH_IMAGE055
能够使光杆悬点载荷差理论值吻合实际监测光杆悬点载荷差，吻合效果越好，泵载荷因子/>
Figure 723058DEST_PATH_IMAGE054
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 644878DEST_PATH_IMAGE055
越优。
第五步，以光杆悬点载荷差为特征指标，通过优选的抽油泵载荷因子
Figure 630151DEST_PATH_IMAGE054
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 939910DEST_PATH_IMAGE055
对抽油杆进行断脱诊断：工况良好时，抽油泵载荷因子/>
Figure 213897DEST_PATH_IMAGE054
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 267303DEST_PATH_IMAGE055
为1，工况不良时，抽油泵载荷因子/>
Figure 779187DEST_PATH_IMAGE054
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 259847DEST_PATH_IMAGE055
小于1。
在第五步中，以光杆悬点载荷差为特征指标对抽油杆进行断脱诊断：
当优选的抽油泵载荷因子
Figure 991436DEST_PATH_IMAGE054
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 848534DEST_PATH_IMAGE055
均为1，说明抽油泵工作状态和井筒环境均良好，抽油杆不存在断脱风险。当优选的抽油泵载荷因子/>
Figure 480503DEST_PATH_IMAGE054
为1且井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 132064DEST_PATH_IMAGE055
小于1时，说明抽油泵工作状态良好，但井筒环境不良，抽油杆有断脱风险，井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 115064DEST_PATH_IMAGE055
越接近于0，井筒环境越恶劣，抽油杆断脱风险越大；当优选的井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 510273DEST_PATH_IMAGE055
为1且抽油泵载荷因子/>
Figure 59066DEST_PATH_IMAGE054
小于1时，说明井筒环境良好，但抽油泵工作状态不良，抽油杆有断脱风险，抽油泵载荷因子/>
Figure 819212DEST_PATH_IMAGE054
越接近于0，抽油泵工作状态越差，抽油杆断脱风险越大。当优选的抽油泵载荷因子/>
Figure 86245DEST_PATH_IMAGE054
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 455784DEST_PATH_IMAGE055
均小于1时，说明抽油泵工作状态和井筒环境均不良，抽油泵载荷因子/>
Figure 124663DEST_PATH_IMAGE054
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 321289DEST_PATH_IMAGE055
越接近0，抽油泵工作状态越差，井筒环境越恶劣，抽油杆断脱风险越大。
为了验证本申请的正确性，申请人在SN区块16口井进行了具体应用，具体方式如下：
基于载荷因子和摩阻因子的抽油杆断脱诊断方法，包括以下步骤：
第一步，计算光杆2上冲程悬点载荷、下冲程悬点载荷得到光杆2悬点载荷差理论值，并对比光杆2悬点载荷差理论值与实际监测光杆2悬点载荷差；
第二步，引入抽油泵5载荷因子
Figure 544460DEST_PATH_IMAGE056
；
第三步，引入井筒3内抽油杆4摩阻因子
Figure 750314DEST_PATH_IMAGE057
；
第四步，通过优选抽油泵5载荷因子
Figure 273699DEST_PATH_IMAGE056
和井筒3内抽油杆4摩阻因子/>
Figure 623251DEST_PATH_IMAGE057
调整光杆2悬点载荷差理论值吻合实际监测光杆2悬点载荷差；
第五步，以光杆2悬点载荷差为特征指标，通过优选的抽油泵5载荷因子
Figure 864877DEST_PATH_IMAGE056
和井筒3内抽油杆4摩阻因子/>
Figure 343263DEST_PATH_IMAGE057
对抽油杆4进行断脱诊断：工况良好时，抽油泵5载荷因子/>
Figure 721154DEST_PATH_IMAGE056
和井筒3内抽油杆4摩阻因子/>
Figure 259583DEST_PATH_IMAGE057
为1，工况不良时，抽油泵5载荷因子/>
Figure 722925DEST_PATH_IMAGE056
和井筒3内抽油杆4摩阻因子/>
Figure 67319DEST_PATH_IMAGE057
小于1。
在第一步中，光杆悬点载荷差理论值计算方法和实际监测光杆悬点载荷差方法如下：
1）理论悬点载荷差
光杆悬点载荷差理论值为光杆上冲程悬点载荷与下冲程悬点载荷之差，方向均向上（参见说明书附图2、附图3）；
上冲程时，由于游动阀孔关闭，使悬点承受抽油杆自重W r和柱塞上液柱载荷W l，作用方向都向下；同时，由于固定阀孔打开，使井筒外一定沉没度的液柱和套压克服抽油泵泵口阻力，通过抽油泵泵内液体而对柱塞下表面产生方向向上的载荷p p；因此，上冲程时，悬点载荷P js计算方法为：
Figure 237400DEST_PATH_IMAGE006
式中：H－油井垂深，m；A p－柱塞截面积，m 2 ，
Figure 743468DEST_PATH_IMAGE007
；d p为柱塞直径，m；A r－抽油杆截面积，m 2 ，/>
Figure 395904DEST_PATH_IMAGE008
；d r为抽油杆直径，m；ρ r－抽油杆材料密度，7850kgˑm-3；L－抽油杆长度，m ；p p－抽油泵内气体压力，Pa；ρ l－液体密度，kgˑm-3；g－重力加速度，N·kg-1。
抽汲含水原油时，液体密度应采用混合液的密度，可按下式来近似计算：
Figure 950513DEST_PATH_IMAGE009
式中：ρ 0－原油密度，kgˑm-3；ρ w－水的密度，kgˑm-3；f w－原油含水率。
下冲程时，由于固定阀孔关闭，使液柱重量移到固定阀和井筒上；游动阀孔打开，使悬点只承受抽油杆在液柱中的重量W r′；因此，下冲程时悬点的载荷P jx计算方法为：
Figure 302997DEST_PATH_IMAGE010
则光杆悬点载荷差理论值为：
Figure 183229DEST_PATH_IMAGE011
2）实际监测悬点载荷差
目前实际监测采用直接在抽油机悬点安装载荷传感器的方法测量上冲程和下冲程的悬点载荷，进而得到光杆悬点载荷差的实际值；载荷传感器在悬点载荷作用下产生弹性变形，使粘贴于其表面的电阻应变片也随同产生变形，变形的电阻应变片其阻值也将发生变化，经过相应测量电路，电阻变化信号将会被数字化，从而完成光杆悬点载荷的测量。
根据SN区块16口井抽油杆受力情况，计算光杆2悬点载荷差理论值并与现场实际监测的光杆2悬点载荷数据进行了对比，（参见说明书附图6）。对比可见，现场实际监测光杆2悬点载荷差值普遍高于理论计算所得光杆2悬点载荷差，因此可知现场工况与理论计算发生偏离，需引入参数对光杆2悬点载荷差进行一定的调整。
在第二步中，引入抽油泵载荷因子
Figure 621163DEST_PATH_IMAGE012
，影响载荷因子/>
Figure 979463DEST_PATH_IMAGE012
的因素有：
1）泵充满度
抽油泵充满程度为每冲程吸入抽油泵内的液体体积与上冲程柱塞让出的体积之比，用η c表示，并且采用以下方法表示：
Figure 186454DEST_PATH_IMAGE013
式中：V y－每冲程吸入抽油泵内的液体体积，m3；V p－上冲程柱塞让出的容积，m3；R－进入抽油泵泵筒的气油比；k－余隙系数，常可忽略；
上式中，R值可根据地面所测得油气比R s进行计算，将R s扣除抽油泵吸入时溶解到原油中的气体体积，并将所得的差值换算到抽油泵吸入处的状态而得到，R计算表达式为：
Figure 739051DEST_PATH_IMAGE014
式中： R s－地面气油比，m3·m-3；α－溶解系数，m3·m-3·MPa-1；p c－抽油泵内气体压力，Pa；p 0－标准压力，Pa；b 0－原油体积系数；f w－为含水率，小数；T－抽油泵入口温度，K；T 0－地面温度，K；Y－天然气压缩因子。
将公式(6)代入公式(5)，并忽略余隙系数k，可得抽油泵充满系数η c 计算表达式为：
Figure 664282DEST_PATH_IMAGE015
上式中得到的充满系数只考虑了气体对抽油泵的影响，没有考虑油液粘度、抽油泵泵径、抽汲参数等因素的影响，其结果必然偏小，因此对该方程进行修正；
流体在进抽油泵过程的运动中，遵守能量守恒定律，Bernoulli方程表达式为：
Figure 826273DEST_PATH_IMAGE016
式中：s y－抽油泵内液面高度，m；p p－抽油泵内气体压力，Pa；ρ－流体密度，kg·m-3；p c－沉没度造成的液体压力，Pa；p t－套压，Pa；ΔH－流体流过固定阀孔的水头损失，m；g－重力加速度，N·kg-1。
局部水力损失计算为：
Figure 153349DEST_PATH_IMAGE017
式中： t s－上冲程时间，s；v－流体通过固定阀孔的速度，m·s-1；μ－流量系数，无因次；A p－抽油泵腔截面积，m2；A v－固定阀孔截面积，m2；t s－上冲程的进液时间，s；s y－抽油泵内液面高度，m。
所以，油液通过抽油泵固定阀的水力损失计算公式为：
Figure 437700DEST_PATH_IMAGE018
将地面所测得油气比R s，扣除抽油泵内溶解到原油中的气体体积，并将所得的差值换算到抽油泵内的状态，可得到抽油泵内气油比R p，R p计算表达式为：
Figure 522331DEST_PATH_IMAGE019
根据抽油泵内气油比定义，R p又可以表示为：
Figure 550329DEST_PATH_IMAGE020
式中，s p—抽油泵有效冲程，m；
联立方公式(12)和(13)，可以解出抽油泵内气体压力：
Figure 404016DEST_PATH_IMAGE021
综上所述，Bernoulli方程可写为：
Figure 859268DEST_PATH_IMAGE022
该方程中的未知量为抽油泵内液面高度s y，分子上s y的最高次为2，分母上最高次为1，所以该方程为关于s y的一元三次方程，可解；根据定义，我们有抽油泵充满度：
Figure 195309DEST_PATH_IMAGE023
2）泵阀开度
固定阀开关度直接影响井液入抽油泵的压力损失，从而影响抽油泵内压力，游动阀的开关度直接影响流体流动阻力的大小，因此抽油泵阀的开度会对抽油泵载荷产生影响，即对抽油泵载荷因子产生影响。
3）泵间隙
抽油泵柱塞与抽油泵泵筒之间的间隙直接影响二者的摩擦，进而影响抽油泵载荷，即对抽油泵载荷因子产生影响；根据抽油泵标准，在未标注间隙等级的抽油泵，其间隙为0.02-0.07mm。
抽油泵柱塞与抽油泵泵筒间隙越大，二者摩擦力越小，这有利于延长抽油杆服役时间，但过大的间隙会导致抽油泵漏失量增加，不利于采油生产；另一方面，抽油泵柱塞与抽油泵泵筒间隙过小，将导致抽油杆下行阻力增大，抽油杆下部分容易发生屈曲，加剧偏磨；
4）井液性质
抽油泵载荷是指采油过程中作用在抽油泵柱塞上的载荷，井液入抽油泵时的密度、粘度性质对抽油泵载荷产生影响，即对抽油泵载荷因子产生影响；
在第三步中，引入井筒内抽油杆摩阻因子
Figure 761420DEST_PATH_IMAGE058
，影响摩阻因子/>
Figure 735192DEST_PATH_IMAGE058
的因素有：
1）单位长度抽油杆的重力
抽油杆的重力在上下冲程中均存在，方向铅直向下，沿抽油杆均匀分布（参见说明书附图2、附图3）；假设接箍与短节使用同种材料，密度相同，则单位长度抽油杆的重力为：
Figure 95766DEST_PATH_IMAGE025
式中：q r－单位长度抽油杆的重力，N·m-1；ρ r－抽油杆材料的密度，kg·m-3；ρ f －扶正器材料的密度，kg·m-3；A r －抽油杆的截面积，
Figure 217306DEST_PATH_IMAGE026
，m2；d r －抽油杆直径，m；A s －接箍的截面积，/>
Figure 524791DEST_PATH_IMAGE027
，m2；d s －接箍直径，m；A f －扶正器的截面积，/>
Figure 680965DEST_PATH_IMAGE028
，m2；d f －扶正器直径，m；L－抽油杆长度，m；L s －接箍长度，m；L f －扶正器长度，m；g－重力加速度，N·kg-1。
2）单位长度抽油杆所受浮力
抽油杆所受浮力在上下冲程中都存在，方向铅直向上（参见说明书附图2、附图3）；单位长度抽油杆所受的浮力为：
Figure 917168DEST_PATH_IMAGE029
式中：ρ l－液体密度，kgˑm-3；
3）单位长度抽油杆惯性力
抽油机运转时，驴头带着抽油杆做变速运动，因而产生抽油杆惯性力（参见说明书附图2、附图3）。
单位长度抽油杆的惯性力f Ir为：
Figure 526004DEST_PATH_IMAGE030
式中：a－抽油杆的加速度，m·s-2；
悬点加速度在上下冲程中，大小和方向是变化的；因而，惯性载荷的大小和方向也将随悬点加速度而变化；设向上作为坐标的正方向，在上冲程中，前半冲程加速度为正，即加速度向上，则惯性力向下；后半冲程中加速度为负，即加速度向下，则惯性力向上；在下冲程中，情况刚好相反，前半冲程惯性力向上，后半冲程惯性力向下；
4）单位长度抽油杆与液柱之间的摩擦阻力
抽油杆与液柱之间的摩擦阻力（参见说明书附图3），方向沿抽油杆向上。包括三部分，一是短节和液柱之间的摩擦阻力；二是接箍和液柱之间的摩擦阻力；三是扶正器和液柱之间的摩擦阻力。
井液对单位长度抽油杆摩擦阻力的计算公式为：
Figure 106021DEST_PATH_IMAGE031
其中：
Figure 116702DEST_PATH_IMAGE032
Figure 22341DEST_PATH_IMAGE033
式中：f rl－井液对单位长度抽油杆的摩擦阻力，N；v r －抽油杆运动速度，m/s；η－动力粘度系数；U rt－井液在抽油杆和井筒组成的环形空间中的平均流速，m·s-2，可由
Figure 118473DEST_PATH_IMAGE034
求得：
Figure 830077DEST_PATH_IMAGE035
f r－井液对抽油杆的无量纲阻尼因子，当抽油杆和井液的运动方向相同时，取“-”，反之，取“+"；Rer、Rer ׳－分别与抽油杆和井筒组成环形空间中的井液流速、抽油杆运动速度有关的雷诺数。
同理可得井液对单位长度接箍的摩擦阻力的计算公式
Figure 898528DEST_PATH_IMAGE036
其中：
Figure 37385DEST_PATH_IMAGE037
井液对单位长度扶正器的摩擦阻力的计算公式
Figure 525873DEST_PATH_IMAGE038
其中：
Figure 41168DEST_PATH_IMAGE039
式中：f sl，f fl－井液对单位长度接箍、扶正器的摩擦阻力，N；f s，f f－井液对接箍、扶正器的无量纲阻尼因子；U st－井液在接箍和井筒组成的环形空间中的平均流速，m·s-2；U ft－井液在扶正器和井筒组成的环形空间中的平均流速，m·s-2；Res、Ref－与接箍、扶正器和井筒组成环形空间中的井液流速有关的雷诺数。
则井液对单位长度抽油杆的等效摩擦阻力f mz为：
Figure 26441DEST_PATH_IMAGE040
式中：L r－整个抽油杆中除去接箍和扶正器的长度，m，
Figure 273883DEST_PATH_IMAGE041
。
5）井液流动对单位长度抽油杆的作用力，即压差力
井液在抽油杆和井筒组成的环状空间中流动时对抽油杆产生的作用力简称为压差力（参见说明书附图2、附图3）。
因为接箍和扶正器的外径都大于短节的直径，压力损失
Figure 79028DEST_PATH_IMAGE042
和/>
Figure 70118DEST_PATH_IMAGE043
会对接箍和扶正器产生作用力。
井液流动在上下冲程中对整个抽油杆产生的作用力F lss、F lsx分别为：
Figure 909898DEST_PATH_IMAGE044
式中：P lss、P lsx—井液流动在上下冲程中产生的压力损失，Pa；n s—整个抽油杆中接箍的个数；n f－整个抽油杆中扶正器的个数；
Figure 328241DEST_PATH_IMAGE045
—接箍处的承压面积，等于接箍与抽油杆截面积之差，m2；/>
Figure 886261DEST_PATH_IMAGE046
—扶正器的承压面积，等于扶正器与抽油杆截面积之差，m2。
单位抽油杆在上下冲程中所受的压差力f lss、f lsx分别为：
Figure 916927DEST_PATH_IMAGE047
Figure 611214DEST_PATH_IMAGE048
6）抽油杆与井筒之间的摩擦力
如果抽油杆与井筒接触，在它们之间会产生摩擦力。对抽油杆来说，该摩擦力的方向与抽油杆运动方向相反，上冲程方向向下，下冲程方向向上（参见说明书附图2、附图3）。
Figure 262775DEST_PATH_IMAGE049
式中：
Figure 980195DEST_PATH_IMAGE050
－单位抽油杆与井筒之间的摩擦力，N；/>
Figure 375405DEST_PATH_IMAGE051
－抽油杆与井筒之间的摩擦系数；/>
Figure 861881DEST_PATH_IMAGE052
－井筒对单位抽油杆的支撑力，N。/>
7）井口回压对抽油杆施加力
液流在地面管线中的流动阻力所造成的井口回压对抽油杆将产生附加的载荷。其性质与油管内液体产生的载荷相同（参见说明书附图2、附图3）。
Figure 120561DEST_PATH_IMAGE053
式中：f hu－井口回压在上冲程中引起的抽油杆载荷，N；f hd－井口回压在下冲程中引起的抽油杆载荷，N；p h－井口回压，Pa。
在第四步中，通过优选抽油泵载荷因子
Figure 325278DEST_PATH_IMAGE054
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 524178DEST_PATH_IMAGE055
调整光杆悬点载荷差理论值吻合实际监测光杆悬点载荷差；
抽油泵载荷因子
Figure 599581DEST_PATH_IMAGE054
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 61787DEST_PATH_IMAGE055
均在0到1内取值，优选后的泵载荷因子/>
Figure 284958DEST_PATH_IMAGE054
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 21970DEST_PATH_IMAGE055
能够使光杆悬点载荷差理论值吻合实际监测光杆悬点载荷差，吻合效果越好，泵载荷因子/>
Figure 503942DEST_PATH_IMAGE054
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 137049DEST_PATH_IMAGE055
越优。
对SN区块16口油井的抽油泵5载荷因子
Figure 847516DEST_PATH_IMAGE059
和井筒3内抽油杆4摩阻因子/>
Figure 857060DEST_PATH_IMAGE060
进行优选，使光杆2悬点载荷差理论计算值与现场实际检测值吻合；（参见说明书附图7）。经过抽油泵5载荷因子/>
Figure 969373DEST_PATH_IMAGE059
和井筒3内抽油杆4摩阻因子调节，悬点载荷差理论计算值与现场实际测量值较好吻合。
在第五步中，以光杆2悬点载荷差为特征指标对抽油杆4进行断脱诊断：
当优选的抽油泵5载荷因子
Figure 38960DEST_PATH_IMAGE061
和井筒3内抽油杆4摩阻因子/>
Figure 971144DEST_PATH_IMAGE062
均为1，说明抽油泵5工作状态和井筒3环境均良好，抽油杆4不存在断脱风险。当优选的抽油泵5载荷因子/>
Figure 784379DEST_PATH_IMAGE061
为1且井筒3内抽油杆4摩阻因子/>
Figure 984154DEST_PATH_IMAGE062
小于1时，说明抽油泵5工作状态良好，但井筒3环境不良，抽油杆4有断脱风险，井筒3内抽油杆4摩阻因子/>
Figure 224643DEST_PATH_IMAGE062
越接近于0，井筒3环境越恶劣，抽油杆4断脱风险越大；当优选的井筒3内抽油杆4摩阻因子/>
Figure 909702DEST_PATH_IMAGE062
为1且抽油泵5载荷因子/>
Figure 261049DEST_PATH_IMAGE061
小于1时，说明井筒3环境良好，但抽油泵5工作状态不良，抽油杆4有断脱风险，抽油泵5载荷因子/>
Figure 82374DEST_PATH_IMAGE061
越接近于0，抽油泵5工作状态越差，抽油杆4断脱风险越大。当优选的抽油泵5载荷因子/>
Figure 493764DEST_PATH_IMAGE061
和井筒3内抽油杆4摩阻因子/>
Figure 400540DEST_PATH_IMAGE062
均小于1时，说明抽油泵5工作状态和井筒3环境均不良，抽油泵5载荷因子/>
Figure 821157DEST_PATH_IMAGE061
和井筒内3抽油杆4摩阻因子/>
Figure 496989DEST_PATH_IMAGE062
越接近0，抽油泵5工作状态越差，井筒3环境越恶劣，抽油杆4断脱风险越大。
根据悬点载荷差匹配的两个因子调节结果如表1所示。
表1 SN区块油井井下工况诊断
Figure 580745DEST_PATH_IMAGE063
根据表1，单纯由井筒3环境不理想导致抽油杆4断脱的油井有8口，单纯由抽油泵5工况不理想导致抽油杆4断脱的油井有1口，二者均不理想的有7口井。从分布来看，SN区块的16口断脱井中，仅有1口油井的井筒3环境良好，其他油井均存在不同程度的井筒3环境恶化行为。
抽油泵5工作状态不良时，可改变抽油泵5充满度和井液性质，减小抽油杆4断脱风险，延长抽油杆4使用寿命；具体操作方法如下：
（1）抽油泵5充满度公式如下：
Figure 974817DEST_PATH_IMAGE064
其中，s y为抽油泵5内液面高度，m；s p为抽油泵5有效冲程，m；通过增大抽油泵5有效冲程减小抽油泵5充满度，提高抽油泵5载荷因子
Figure 933546DEST_PATH_IMAGE065
；
（2）通过油井注水等方法降低井液密度和粘度，改善抽油泵5工况，提高抽油泵5载荷因子
Figure 729464DEST_PATH_IMAGE065
。
通过抽油泵5充满度和井液性质配合调整，提高抽油泵5载荷因子
Figure 217077DEST_PATH_IMAGE066
，使其更接近于1，改善抽油泵5工况1，减小抽油杆4断脱风险，延长抽油杆4使用寿命。
井筒3环境不良时；可通过改善井筒3环境和井液粘度，减小抽油杆4断脱风险，延长抽油杆4使用寿命；具体操作方法如下：
（1）通过油井注水降低井液粘度，减小井筒3内摩擦系数，进而减小抽油杆4受力，提高抽油杆4摩阻因子
Figure 98445DEST_PATH_IMAGE067
。
（2）油井井筒3垢物成份主要包括沥青、蜡、胶质以及钙化矿物等，通过井下工具清除井筒3内垢物，改善井筒3环境，能有效减小抽油杆4受力，提高抽油杆4摩阻因子
Figure 860865DEST_PATH_IMAGE067
。
通过改善井筒3环境和井液粘度减小抽油杆4受力，提高抽油杆4摩阻因子
Figure 511289DEST_PATH_IMAGE067
，使其更接近于1，减小抽油杆4断脱风险，延长抽油杆4使用寿命。
该基于载荷因子和摩阻因子的抽油杆断脱诊断方法，只需通过计算光杆上冲程悬点载荷、下冲程悬点载荷得到光杆悬点载荷差理论值，并对比光杆悬点载荷差理论值与实际监测光杆悬点载荷差，优选出抽油泵载荷因子
Figure 435383DEST_PATH_IMAGE065
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 804047DEST_PATH_IMAGE067
对抽油杆进行断脱诊断，当抽油泵载荷因子/>
Figure 337534DEST_PATH_IMAGE065
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 108044DEST_PATH_IMAGE067
为1时，抽油泵和井筒工况均良好，当抽油泵载荷因子/>
Figure 203039DEST_PATH_IMAGE065
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 59000DEST_PATH_IMAGE067
小于1且越接近0时，抽油泵和井筒工况越恶劣，抽油杆越容易断脱。该基于载荷因子和摩阻因子的抽油杆断脱诊断方法，操作简单且无需其他额外参数信息，从而解决了现有抽油杆评价和断脱诊断方法需要获取的参数信息较多，实际操作较为繁琐，实现困难的问题，特别适合油田生产使用的需要。/>

Claims (2)

1.一种基于载荷因子和摩阻因子的抽油杆断脱诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，计算光杆上冲程悬点载荷、下冲程悬点载荷得到光杆悬点载荷差理论值，并对比光杆悬点载荷差理论值与实际监测光杆悬点载荷差；
光杆悬点载荷差理论值计算方法和实际监测光杆悬点载荷差方法如下：
1）理论悬点载荷差
光杆悬点载荷差理论值为光杆上冲程悬点载荷与下冲程悬点载荷之差，方向均向上；
上冲程时，由于游动阀孔关闭，使悬点承受抽油杆自重Wr和柱塞上液柱载荷Wl，作用方向都向下；同时，由于固定阀孔打开，使井筒外一定沉没度的液柱和套压克服抽油泵泵口阻力，通过抽油泵泵内液体而对柱塞下表面产生方向向上的载荷p p；因此，上冲程时，悬点载荷P js计算方法为：
Figure 562480DEST_PATH_IMAGE001
式中：H－油井垂深，m；A p－柱塞截面积，m 2 ，
Figure 528162DEST_PATH_IMAGE002
；d p为柱塞直径，m；A r－抽油杆截面积，m 2 ，/>
Figure 709745DEST_PATH_IMAGE003
；d r为抽油杆直径，m；ρ r－抽油杆材料密度，7850kgˑm-3；L－抽油杆长度，m ； p p－抽油泵内气体压力，Pa；ρ l－液体密度，kgˑm-3；g－重力加速度，N·kg-1；
抽汲含水原油时，液体密度应采用混合液的密度，可按下式来近似计算：
Figure 305942DEST_PATH_IMAGE004
式中：ρ 0－原油密度，kgˑm-3；ρ w－水的密度，kgˑm-3；f w－原油含水率；
下冲程时，由于固定阀孔关闭，使液柱重量移到固定阀和井筒上；游动阀孔打开，使悬点只承受抽油杆在液柱中的重量W r′；因此，下冲程时悬点的载荷P jx计算方法为：
Figure 940186DEST_PATH_IMAGE005
则光杆悬点载荷差理论值为：
Figure 506297DEST_PATH_IMAGE006
2）实际监测悬点载荷差
目前实际监测采用直接在抽油机悬点安装载荷传感器的方法测量上冲程和下冲程的悬点载荷，进而得到光杆悬点载荷差的实际值；载荷传感器在悬点载荷作用下产生弹性变形，使粘贴于其表面的电阻应变片也随同产生变形，变形的电阻应变片其阻值也将发生变化，经过相应测量电路，电阻变化信号将会被数字化，从而完成光杆悬点载荷的测量；
对比光杆理论计算悬点载荷差和实际监测悬点载荷差，分析其存在偏差；
第二步，引入抽油泵载荷因子
Figure 244183DEST_PATH_IMAGE007
；
在第二步中，引入抽油泵载荷因子
Figure 870337DEST_PATH_IMAGE007
，影响载荷因子/>
Figure 929560DEST_PATH_IMAGE007
的因素有：
1）泵充满度
抽油泵充满程度为每冲程吸入抽油泵内的液体体积与上冲程柱塞让出的体积之比，用η c表示，并且采用以下方法表示：
Figure 564940DEST_PATH_IMAGE008
式中：V y－每冲程吸入抽油泵内的液体体积，m3；V p－上冲程柱塞让出的容积，m3；R－进入抽油泵泵筒的气油比；k－余隙系数，常可忽略；
上式中，R值可根据地面所测得油气比R s进行计算，将R s扣除抽油泵吸入时溶解到原油中的气体体积，并将所得的差值换算到抽油泵吸入处的状态而得到，R计算表达式为：
Figure 721115DEST_PATH_IMAGE009
式中：R s－地面气油比，m3·m-3；α－溶解系数，m3·m-3·MPa-1；p c－抽油泵内气体压力，Pa；p 0－标准压力，Pa；b 0－原油体积系数；f w－为含水率，小数；T－抽油泵入口温度，K；T 0－地面温度，K；Y－天然气压缩因子；
[0016] 将公式(6)代入公式(5)，并忽略余隙系数k，可得抽油泵充满系数η c 计算表达式为：
Figure 455853DEST_PATH_IMAGE010
上式中得到的充满系数只考虑了气体对抽油泵的影响，没有考虑油液粘度、抽油泵泵径、抽汲参数等因素的影响，其结果必然偏小，因此对该方程进行修正；
流体在进抽油泵过程的运动中，遵守能量守恒定律，Bernoulli方程表达式为：
Figure 64689DEST_PATH_IMAGE011
式中：s y－抽油泵内液面高度，m；p p－抽油泵内气体压力，Pa；ρ－流体密度，kg·m-3；p c－沉没度造成的液体压力，Pa；p t－套压，Pa；ΔH－流体流过固定阀孔的水头损失，m；g－重力加速度，N·kg-1；
局部水力损失计算为：
Figure 910285DEST_PATH_IMAGE012
式中：t s－上冲程时间，s；v－流体通过固定阀孔的速度，m·s-1；μ－流量系数，无因次；A p－抽油泵腔截面积，m2；A v－固定阀孔截面积，m2；t s－上冲程的进液时间，s；s y－抽油泵内液面高度，m；
所以，油液通过抽油泵固定阀的水力损失计算公式为：
Figure 920966DEST_PATH_IMAGE013
将地面所测得油气比R s，扣除抽油泵内溶解到原油中的气体体积，并将所得的差值换算到抽油泵内的状态，可得到抽油泵内气油比R p，R p计算表达式为：
Figure 888922DEST_PATH_IMAGE014
根据抽油泵内气油比定义，R p又可以表示为：
Figure 627465DEST_PATH_IMAGE015
式中，s p—抽油泵有效冲程，m；
联立方公式(12)和(13)，可以解出抽油泵内气体压力：
Figure 339069DEST_PATH_IMAGE016
综上所述，Bernoulli方程可写为：
Figure 141940DEST_PATH_IMAGE017
该方程中的未知量为抽油泵内液面高度s y，分子上s y的最高次为2，分母上最高次为1，所以该方程为关于s y的一元三次方程，可解；根据定义，我们有抽油泵充满度：
Figure 280797DEST_PATH_IMAGE018
2）泵阀开度
固定阀开关度直接影响井液入抽油泵的压力损失，从而影响抽油泵内压力，游动阀的开关度直接影响流体流动阻力的大小，因此抽油泵阀的开度会对抽油泵载荷产生影响，即对抽油泵载荷因子产生影响；
3）泵间隙
抽油泵柱塞与抽油泵泵筒之间的间隙直接影响二者的摩擦，进而影响抽油泵载荷，即对抽油泵载荷因子产生影响；根据抽油泵标准，在未标注间隙等级的抽油泵，其间隙为0.02-0.07mm；
抽油泵柱塞与抽油泵泵筒间隙越大，二者摩擦力越小，这有利于延长抽油杆服役时间，但过大的间隙会导致抽油泵漏失量增加，不利于采油生产；另一方面，抽油泵柱塞与抽油泵泵筒间隙过小，将导致抽油杆下行阻力增大，抽油杆下部分容易发生屈曲，加剧偏磨；
4）井液性质
抽油泵载荷是指采油过程中作用在抽油泵柱塞上的载荷，井液入抽油泵时的密度、粘度性质对抽油泵载荷产生影响，即对抽油泵载荷因子产生影响；
第三步，引入井筒内抽油杆摩阻因子
Figure 864225DEST_PATH_IMAGE019
；
在第三步中，引入井筒内抽油杆摩阻因子
Figure 317203DEST_PATH_IMAGE019
，影响摩阻因子/>
Figure 36897DEST_PATH_IMAGE019
的因素有：
1）单位长度抽油杆的重力
抽油杆的重力在上下冲程中均存在，方向铅直向下，沿抽油杆均匀分布；假设接箍与短节使用同种材料，密度相同，则单位长度抽油杆的重力为：
Figure 284339DEST_PATH_IMAGE020
式中：q r－单位长度抽油杆的重力，N·m-1；ρ r－抽油杆材料的密度，kg·m-3；ρ f －扶正器材料的密度，kg·m-3；A r －抽油杆的截面积，
Figure 355063DEST_PATH_IMAGE021
，m2；d r －抽油杆直径，m； A s －接箍的截面积，/>
Figure 408470DEST_PATH_IMAGE022
，m2；d s －接箍直径，m；A f －扶正器的截面积，/>
Figure 950047DEST_PATH_IMAGE023
，m2；d f －扶正器直径，m；L－抽油杆长度，m；L s －接箍长度，m；L f －扶正器长度，m；g－重力加速度，N·kg-1；
2）单位长度抽油杆所受浮力
抽油杆所受浮力在上下冲程中都存在，方向铅直向上；单位长度抽油杆所受的浮力为：
Figure 430707DEST_PATH_IMAGE024
式中：ρ l－液体密度，kgˑm-3；
3）单位长度抽油杆惯性力
抽油机运转时，驴头带着抽油杆做变速运动，因而产生抽油杆惯性力；
单位长度抽油杆的惯性力f Ir为：
Figure 926411DEST_PATH_IMAGE025
式中：a－抽油杆的加速度，m·s-2；
悬点加速度在上下冲程中，大小和方向是变化的；因而，惯性载荷的大小和方向也将随悬点加速度而变化；设向上作为坐标的正方向，在上冲程中，前半冲程加速度为正，即加速度向上，则惯性力向下；后半冲程中加速度为负，即加速度向下，则惯性力向上；在下冲程中，情况刚好相反，前半冲程惯性力向上，后半冲程惯性力向下；
4）单位长度抽油杆与液柱之间的摩擦阻力
抽油杆与液柱之间的摩擦阻力，方向沿抽油杆向上，包括三部分，一是短节和液柱之间的摩擦阻力；二是接箍和液柱之间的摩擦阻力；三是扶正器和液柱之间的摩擦阻力；
井液对单位长度抽油杆摩擦阻力的计算公式为：
Figure 517929DEST_PATH_IMAGE026
其中：
Figure 149899DEST_PATH_IMAGE027
Figure 67039DEST_PATH_IMAGE028
式中：f rl－井液对单位长度抽油杆的摩擦阻力，N；v r －抽油杆运动速度，m/s；η－动力粘度系数；U rt－井液在抽油杆和井筒组成的环形空间中的平均流速，m·s-2，可由
Figure 784459DEST_PATH_IMAGE029
求得：
Figure 179669DEST_PATH_IMAGE030
f r－井液对抽油杆的无量纲阻尼因子，当抽油杆和井液的运动方向相同时，取“-”，反之，取“+"；Rer、Rer ׳－分别与抽油杆和井筒组成环形空间中的井液流速、抽油杆运动速度有关的雷诺数
同理可得井液对单位长度接箍的摩擦阻力的计算公式
Figure 624732DEST_PATH_IMAGE031
其中：
Figure 447195DEST_PATH_IMAGE032
井液对单位长度扶正器的摩擦阻力的计算公式
Figure 714228DEST_PATH_IMAGE033
其中：
Figure 850811DEST_PATH_IMAGE034
式中：f sl，f fl－井液对单位长度接箍、扶正器的摩擦阻力，N；f s，f f－井液对接箍、扶正器的无量纲阻尼因子；U st－井液在接箍和井筒组成的环形空间中的平均流速，m·s-2；U ft－井液在扶正器和井筒组成的环形空间中的平均流速，m·s-2；Res、Ref－与接箍、扶正器和井筒组成环形空间中的井液流速有关的雷诺数；
则井液对单位长度抽油杆的等效摩擦阻力f mz为：
Figure 519690DEST_PATH_IMAGE035
式中：L r－整个抽油杆中除去接箍和扶正器的长度，m，
Figure 450737DEST_PATH_IMAGE036
；
5）井液流动对单位长度抽油杆的作用力，即压差力
井液在抽油杆和井筒组成的环状空间中流动时对抽油杆产生的作用力简称为压差力；
因为接箍和扶正器的外径都大于短节的直径，压力损失和/>
Figure 378297DEST_PATH_IMAGE038
会对接箍和扶正器产生作用力；
井液流动在上下冲程中对整个抽油杆产生的作用力F lss、F lsx分别为：
Figure 167261DEST_PATH_IMAGE039
式中：P lss、P lsx—井液流动在上下冲程中产生的压力损失，Pa；n s—整个抽油杆中接箍的个数；n f－整个抽油杆中扶正器的个数；
Figure 597105DEST_PATH_IMAGE040
—接箍处的承压面积，等于接箍与抽油杆截面积之差，m2；/>
Figure 776414DEST_PATH_IMAGE041
—扶正器的承压面积，等于扶正器与抽油杆截面积之差，m2；
单位抽油杆在上下冲程中所受的压差力f lss、f lsx分别为：
Figure 51538DEST_PATH_IMAGE042
Figure 632692DEST_PATH_IMAGE043
6）抽油杆与井筒之间的摩擦力
如果抽油杆与井筒接触，在它们之间会产生摩擦力；
对抽油杆来说，该摩擦力的方向与抽油杆运动方向相反，上冲程方向向下，下冲程方向向上；
Figure 967858DEST_PATH_IMAGE044
式中：
Figure 696780DEST_PATH_IMAGE045
－单位抽油杆与井筒之间的摩擦力，N；/>
Figure 916539DEST_PATH_IMAGE046
－抽油杆与井筒之间的摩擦系数；/>
Figure 414517DEST_PATH_IMAGE047
－井筒对单位抽油杆的支撑力，N；
7）井口回压对抽油杆施加力
液流在地面管线中的流动阻力所造成的井口回压对抽油杆将产生附加的载荷；
其性质与油管内液体产生的载荷相同；
Figure 186164DEST_PATH_IMAGE048
式中：f hu－井口回压在上冲程中引起的抽油杆载荷，N；f hd－井口回压在下冲程中引起的抽油杆载荷，N；p h－井口回压，Pa；
第四步，通过优选抽油泵载荷因子
Figure 841529DEST_PATH_IMAGE049
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 724035DEST_PATH_IMAGE050
调整光杆悬点载荷差理论值吻合实际监测光杆悬点载荷差；
第五步，以光杆悬点载荷差为特征指标，通过优选的抽油泵载荷因子
Figure 14202DEST_PATH_IMAGE049
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 956750DEST_PATH_IMAGE050
对抽油杆进行断脱诊断：
在第五步中，以光杆悬点载荷差为特征指标对抽油杆进行断脱诊断：
当优选的抽油泵载荷因子
Figure 394685DEST_PATH_IMAGE049
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 752985DEST_PATH_IMAGE050
均为1，说明抽油泵工作状态和井筒环境均良好，抽油杆不存在断脱风险；当优选的抽油泵载荷因子/>
Figure 225554DEST_PATH_IMAGE049
为1且井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 276687DEST_PATH_IMAGE050
小于1时，说明抽油泵工作状态良好，但井筒环境不良，抽油杆有断脱风险，井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 201918DEST_PATH_IMAGE050
越接近于0，井筒环境越恶劣，抽油杆断脱风险越大；当优选的井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 862444DEST_PATH_IMAGE050
为1且抽油泵载荷因子/>
Figure 392782DEST_PATH_IMAGE049
小于1时，说明井筒环境良好，但抽油泵工作状态不良，抽油杆有断脱风险，抽油泵载荷因子/>
Figure 145975DEST_PATH_IMAGE049
越接近于0，抽油泵工作状态越差，抽油杆断脱风险越大；当优选的抽油泵载荷因子/>
Figure 761764DEST_PATH_IMAGE049
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 789763DEST_PATH_IMAGE050
均小于1时，说明抽油泵工作状态和井筒环境均不良，抽油泵载荷因子/>
Figure 909028DEST_PATH_IMAGE049
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 98701DEST_PATH_IMAGE050
越接近0，抽油泵工作状态越差，井筒环境越恶劣，抽油杆断脱风险越大。
2.根据权利要求1所述的一种基于载荷因子和摩阻因子的抽油杆断脱诊断方法，其特征在于：所述的在第四步中，抽油泵载荷因子
Figure 998524DEST_PATH_IMAGE051
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 269362DEST_PATH_IMAGE052
均在0到1内取值，优选后的泵载荷因子/>
Figure 571030DEST_PATH_IMAGE051
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 603708DEST_PATH_IMAGE052
能够使光杆悬点载荷差理论值吻合实际监测光杆悬点载荷差，吻合效果越好，泵载荷因子/>
Figure 990827DEST_PATH_IMAGE051
和井筒内抽油杆摩阻因子/>
Figure 360629DEST_PATH_IMAGE052
越优。
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