游梁式抽油机示功图检测新方法
游梁式抽油机的状态监测与故障诊断
游梁式抽油机的状态监测与故障诊断摘要：本文试论设备诊断技术在游梁式抽油机上的应用，简要介绍所用仪器、方法和现场开展的步骤。
在石油装备领域实行以状态监测为基础的设备预知维修制度是大势所趋，该技术在油田生产中有着十分广阔的应用前景。
关键词：游梁式抽油机；状态监测与故障诊断技术；应用油田大部分油井停喷后采用机械采油的方式来生产。
当前，机械采油中有杆泵抽油机井占全国油井总数的94%。
有杆抽油技术是一个系统工程，包括油井的完井设计、有杆抽油设备参数选择、设备优选、动态监测、智能诊断及优化设计等。
对油井的井下工况与井下设备的监测与诊断在我国油田开展得较为普遍，而对地面装置则较少涉及。
游梁式抽油机是有杆抽油设备系统的地面装置，以结构简单、制造容易、维修方便而得到广泛应用，是油田生产关键设备。
游梁式抽油机状态监测与故障诊断包括两方面内容，其一为对运行工况的监测与诊断，主要指悬点载荷、减速器扭矩、电动机功率和电流等参数的定期检测，以及平衡情况的检查；其二为对各运转零件的润滑与磨损情况，以及各主要受力零件故障隐患的监测与诊断。
一、抽油机动力与传动装置的监测与诊断目前我采油厂有游梁抽油机120台。
其大多由异步电动机驱动，采用人字齿圆柱齿轮减速器，在野外露天作业。
其动力与传动装置是一个典型的旋转机械系统，适用的状态监测与故障诊断方法有振动、温度、油液分析及电参数诊断法等。
1．抽油机适用的监测与诊断方法(1)振动诊断。
通过测定若干测点的振动信号，以机械振动、冲击、机械导纳和模态参数为检测目标，来检测设备是否正常，常以超过允许值的多少表示故障的严重程度。
(2)油液分析。
油液中所含磨粒的数量、大小、形态以及分布情况，反映了不同的磨损类型和过程；磨粒的材料成分可反映机器磨损的零件和部位以及工作系统的污染程度。
通过对磨屑的检测和分析，可知道机器零件磨损的部位、类型和程度，为设备诊断提供依据。
(3)电气诊断。
针对点多、线长、面广、野外分布的抽油机，适合电动机的诊断方法有三相交流电机诊断技术、电机与电缆绝缘的测量等电气诊断技术。
(完整)抽油机井示功图分析
下步措施: 控气
或调整防冲距
（3）、供液不足: 特点: 其卸载线与气体影响的卸载线相比较，陡而直 下步措施: 间开、优化生产参数或注汽
供液不足
（4）、泵漏失对示功图的影响特点: 游动凡尔漏失: 上冲程悬点载荷不能及时上升到最大值，使加载变缓， 上冲程后半冲程悬点载荷提前卸载
工作筒内衬套乱
结论
1、示功图分析影响因素多，需要结合油井实际生产 资料进行综合分析。
2、示功图分析为管杆优化设计和提高抽油机系统效 率提供参考。
3、抽油机示功图分析是油水井分析的依据，有助于 我们有针对性提出日常科学管理措施。
4、示功图分析结合综合评价软件可实现油井智能化 控制。
2 、抽油机采油系统的工作流程
系统工作时, 电动机通过皮带和减速 器带动曲柄作圆周运动, 曲柄通过连杆机 构的游梁, 以支架上的轴承为支点做上下 摆动, 通过驴头把游梁前端的往复摆动转 变为悬点的上下往复运动, 悬点带动抽油 杆柱、抽油泵柱塞做上下往复直线运动, 实现机械采油。
当活塞上行时, 活塞上的游动阀关闭, 泵筒上的固定阀打开, 井筒中的油液进入 泵筒, 同时柱塞之上的一部分液体排入地 面输油管线, 活塞下行时, 游动阀打开, 固 定阀关闭, 活塞之下抽油泵泵筒内的液体 进入油管内, 如此循环工作, 井液就源源不 断地被采出。
kN kN
80 70 60 50 40 30 20 10 0 80 70 60 50 40 30 20 10 0
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 m
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 m
整改措施:（1）对地层能量不足的井, 要选择合理地 工作制度, 如调小生产参数, 换小泵, 也可采取间隙 抽油的管理方式。（2）根据油层实际条件, 也可以采 取压裂或酸化油层, 提高油层供液能力的方法。
游梁式抽油机示功图检测新方法
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对 于给定 的 Ｏ ０＜Ｏ＜１ ，由 Ｌ（ Ｌ ） Ｐ｛ Ｉ＜Ａ｝＝ １一Ｏ Ｉ Ｌ
此 ，笔者 提 出了一种 利用 电动 机输 出扭 矩 和转数 计 算油 井载荷 和位 移 的油井 示功 图在 线检 测新 方法 。
Ｕ ｓ０ Ａ： — ｍ 一
式中
Ｓ …—— 抽 油机 光杆 的最 大位移 。 于是悬 点 载荷 Ｐ的近似计 算公 式 为 ：
Ｐ ＝
＋
㈩
Ｓ Ｓ 一 ／ …√ ＼
— —
减速 器 曲柄轴扭 矩 ；
ｒ —— 曲柄半径 ； Ｑ｝ — ｆ 柄平 衡 配重 ； 『 ｆ ｛ — Ｈ ｊ
线 ，通 过检 测抽 油杆周 期性 上 、下运 动 时不 同位移
处 抽油 杆上所 承 受 的载 荷 来 反 映 油井 的工 作 状 况 。
西 —— 曲柄 顺 时针转 动 时 其 轴线 与 垂 直 线 的
得
图 １ 系统 总 体 设 计 框 图
检 测 系统 以高 性 能 微 处 理 器 Ｓ Ｃ ９ ５ ６ Ｄ＋ Ｔ ８ Ｃ １Ｒ 芯片 为核心 （ ２ ，采 用 ４ ５现 场 总 线 以 标 准 帧 图 ） ８ 方式进 行微 处理器 和变 频器 之 问的通讯 ，获 得变频 器驱动 电动机 的输 出扭 矩 ，以 ３ ０×２ ０冈 形 点 阵 ２ ４ 液 晶显 示屏 作为 系统 显 示 屏 ，以 ４× ５键 盘 作 为参
一种游梁式抽油机示功图测量方法
D O I :10.3969/j.i s s n .1001-5337.2023.3.065 *收稿日期:2022-08-17基金项目:曲阜师范大学科技项目(k j2021h x 054).通信作者:田海峰,男,1976-,博士,副教授;研究方向:物联网技术㊁大数据技术;E -m a i l :w m t h f @163.c o m.一种游梁式抽油机示功图测量方法*田海峰, 陈 默, 张 藤, 邱茂顺(曲阜师范大学网络空间安全学院,273165,山东省曲阜市) 摘要:游梁式抽油机广泛应用于石油开采工作中.针对游梁式抽油机工况的诊断存在不能兼顾准确性与可靠性的问题,提出了一种新型游梁式抽油机示功图测量方法.该方法根据抽油机的机械结构和运动学公式计算出抽油机单个工作周期内的位移数据,保存至云端服务器.利用加速度传感器和载荷传感器,同步采集抽油机的加速度数据和载荷数据.通过对加速度数据进行均值滤波处理,截取出单个完整周期内的载荷数据,并上传至云端服务器,采用云计算绘制出抽油机示功图.实验证明,该方法优于现有的方法,具有精确度高㊁可靠性高㊁易于安装维护㊁成本低廉的优点.关键词:示功图;游梁式抽油机;加速度传感器;均值滤波中图分类号:T E 937 文献标识码:A 文章编号:1001-5337(2023)03-0065-060 引 言游梁式抽油机是目前国内油田广泛使用的抽油机类型之一[1].抽油机的工况影响着采油的效率,示功图是一种常用的诊断抽油机工况的方法.示功图是光杆的载荷随位移变化的关系曲线所构成的封闭图形,其坐标纵轴为光杆的负载,坐标横轴为光杆的位移,其面积表示了泵在一个行程中做功的量,可以反映深井泵工作状况的好坏.绘制示功图最直接的办法是分别测量出载荷和位移,载荷数据可以通过载荷传感器直接获得,但是位移数据较难测得[2],所以光杆位移测量是相关研究的重点.目前测量位移的主要方法有4种.第1种是利用拉绳位移传感器[3]直接测量位移,这种方法准确度高,但是拉绳容易磨损,需要频繁更换;第2种是使用加速度传感器[4]间接测得,这种方法受机械振动和冲次的影响,对于冲次小于2次/分钟的低冲次油井很难完成示功图的采集;第3种是使用倾角传感器[5],这种方法的采集精度不高;第4种是利用电功率等电参数反演示功图[6],这种方法容易受到噪声干扰,很难反演出真实示功图.本文提出一种使用载荷传感器测量载荷数据,利用加速度传感器确定采油周期,通过机械关系和运动学公式计算每个周期光杆位移变化曲线的示功图采集方法.1 方法设计1.1 游梁式抽油机结构游梁式抽油机主要由电机㊁曲柄㊁连杆㊁游梁㊁支点㊁驴头㊁悬绳器㊁支架㊁减速箱和皮带轮组成[7],如下页图1所示.光杆负载随位移的变化曲线形成封闭图形的面积表示驴头在一次往复运动中抽油机所做的功.往复运动中的最高点称为上死点,最低点称为下死点,驴头从下死点出发经过上死点回到下死点的过程可以定义为一个运动周期.光杆运动的位移大小等于驴头沿圆弧往复运动时的弧长.这个弧长可以通过抽油机的机械结构和运动学公式解得.国内的一些学者[8]在抽油机位移计算方面提出了很多算法,本文提出了一种算法(下称间接法),具体如下文.1.2 位移的推导游梁式抽油机结构简图如图1所示.设曲柄的运动中心为A ,支点为D ,连杆与曲轴的连接点为B ,连杆与游梁的连接点为C .以A 为原点,AD 所在直线为X 轴建立平面直角坐标系,游梁后臂C D第49卷 第3期2023年7月 曲阜师范大学学报J o u r n a l o f Q u f u N o r m a l U n i v e r s i t yV o l .49 N o .3J u l y 2023与曲轴A B 的运动关系如图2所示.图1游梁式抽油机结构简图图2 游梁后臂与曲轴的运动关系1(a)情况一(b)情况二图3 游梁后臂与曲轴的运动关系2图2中的C 1㊁C 2分别为上死点和下死点.设曲柄A B 的长度为a ,连杆B C 的长度为b ,游梁后臂C D 的长度为c ,空间中A D 的长度为d ,游梁前臂D E 的长度为f ,悬点位移为s .规定θ角均从X 轴开始,以沿逆时针旋转为正方向,沿B D 做一条辅助线.在抽油机运动过程中,规定起始点为下死点C 2,曲柄A B 以A 点为中心逆时针匀速旋转.当曲柄A B 在一㊁二象限运动时,曲柄连杆的状态如图2中的四边形A B CD 所示,øA D C =øB D C +øB D A ;(1)当曲柄A B 在三㊁四象限运动时,曲柄连杆的状态如图3两种情况中的多边形A B C D 所示,øA D C =øB D C -øB D A .(2)由此可得到曲柄旋转角度θ1与游梁旋转角度θ2的关系:|B D |2=a 2+d 2-2㊃a ㊃d ㊃c o s θ1,(3)øB D C =a r c c o s|B D |2+c 2-b 22㊃|BD |㊃c ,(4)øA D B =a r c c o s|BD |2+d 2-a 22㊃|BD |㊃d ,(5)θ2=π-øA D C .(6)在三角形A D C 2中,根据余弦定理可知øA D C 2=a r c c o s c 2+d 2-(b +a )22㊃c ㊃d,(7)当驴头处于下死点时,游梁后臂从X 轴逆时针旋转角度θ2'=π-øA D C 2,(8)曲柄从X 轴逆时针旋转角度θ1'=øD A C 2.(9)曲柄的运动可以近似看成匀速圆周运动,当驴头从下死点开始运动时,θ1=θ1'+ω㊃t ,(10)其中,t 为工作时间;ω为角速度,可通过冲次计算得出.再根据公式(6)可计算得出θ2,游梁旋转角度θ3=θ2-θ2',(11)根据弧长公式可求得悬点位移s =θ3㊃f .(12)通过带入不同冲次(即不同ω)进行计算可知,冲次不同会影响一个周期内计算出位移点的个数,但位移曲线不会发生变化,即冲程大小与抽油机冲次无关.由于抽油机运行期间其机械结构不变,所以往复运动的周期不变.而同工厂加工的同一批次的抽油机机械结构参数往往是相同的,能在一定范围内调整的部件只有曲柄半径A B ,当抽油机正常运行一段时间后一般也不再调整.1.3 周期的计算为了获得一个完整周期,需要获得2个相邻的下死点.我们在悬绳器处安装加速度传感器.在驴头的往复运动中,加速度传感器可以实时监测加速度的瞬时变化,进而获得加速度变化曲线.曲线的极大值点为下死点,极小值点为上死点,周期值为相邻2个极大值序号之差的绝对值.所以我们只需要在加速度变化曲线中寻找2个相邻的极大点,便可找到66 曲阜师范大学学报(自然科学版) 2023年一个完整周期.于是本文提出了算法1,其核心思想是先寻找曲线内最特殊的极大值点 最大值,然后寻找与最大值相邻的极大值,进而可以获得一个完整周期.后面的实验也基于这个算法展开.算法1 寻找极值点序号及周期输入: A r r a y 加速度值的数组,n 数组大小输出: 最大值㊁极大值㊁极小值的序号㊁周期1: f u n c t i o n G e t C y c l e (A r r a y,n )2: l a r g e s tѳ遍历A r r a y,获得其中最大值的序号3: i f l a r ge s t<n /2 t h e n 4: m i n i m u m ѳ从l a r g e s t 开始向右遍历剩余A r r a y ,找到第一个比其右边50个点都小的值,这个值就是最大值右边第一个极小值,获得其序号5: m a x i m u m ѳ从m i n i m u m 开始向右遍历剩余A r r a y ,找到第一个比其右边50个点都大的值,这个值就是极小值右边第一个极大值,获得其序号6: c y c l eѳm a x i m u m-l a r g e s t 7: e l s e8: m i n i m u m ѳ从l a r g e s t 开始向左遍历剩余A r r a y,找到第一个比其左边50个点都小的值,这个值就是最大值左边第一个极小值,获得其序号9: m a x i m u m ѳ从m i n i m u m 开始向左遍历剩余A r r a y ,找到第一个比其左边50个点都大的值,这个值就是极小值左边第一个极大值,获得其序号10: c y c l eѳl a r g e s t m a x i m u m11: e n d i f12: r e t u r n l a r g e s t ,m a x i m u m ,m i n i m u m ,c y c l e 13: e n d f u n c t i o n由于机械振动,从加速度传感器直接采集的数据有较多的离群点,无法直接获得极大值点和极小值点.为解决此问题,引入均值滤波的思想,对每个点的值都与其周围N 个点取平均值.实验过程如图4所示.图4中的圆点是使用上述算法计算出的极值点,该图展示了N 在不同取值下曲线的光滑程度及极值点情况.图4 均值滤波实验过程76第3期 田海峰,等:一种游梁式抽油机示功图测量方法如图5所示,实验中通过对N 的不同取值发现:当N 过小时,无法找到极值点,进而无法算出准确的周期值;当N 过大时,找到的极值点有较大误差,周期值也有较大误差.为了兼顾实用性和尽可能小的误差,在本文中取N =15.图5 均值滤波实验结果在悬绳器处安装加速度传感器得到驴头往复运动时加速度的变化曲线,对该曲线进行15点的均值滤波,寻找相邻的2个极大值,即可得到周期值和一个完整周期的起始位置.1.4 示功图绘制载荷数据由悬绳器处安装的载荷传感器直接采集获得.为了进行示功图绘制,需要使用上述方法预先计算出抽油机一个完整周期内等时间间隔的固定200个点的位移值,并保存在云端服务器中.再将载荷与加速度同步采集,使其一一对应,每隔20m i n 采集3个以上完整周期,采集频率要远远大于每周期200个点.然后使用前述方法对加速度数据进行处理,找出一个完整周期,对这个完整周期取等时间间隔的200个载荷值并上传至云端服务器,进而在云端服务器绘制示功图.2 实验与结果2.1 实验环境本实验中使用消息队列遥测传输协议(m e s -s a g e q u e u i n g t e l e m e t r y t r a n s p o r t ,MQ T T )将传感器采集的数据通过窄带物联网(n a r r o wb a n d i n t e r -n e t o f t h i n gs ,N B -I o T )传输至云服务器.MQ T T 协议由I B M 和E u r o t e c h 公司于1999年开发,是一套轻量级跨平台的基于发布/订阅的消息传输协议[9],以其轻量㊁简单㊁开放和易于实现的特点广泛运用于物联网领域.作为众多低功耗广域网通信技术的一种,N B -I o T 是由我国华为公司联合国际相关通信公司共同制定的窄带物联网技术标准,已成为被运营商广泛推广的商用技术[10],以其超低功耗㊁低成本等优点广泛应用于智慧城市㊁智慧农业等新兴物联网系统的搭建.本实验硬件系统选用兼顾运算能力和低功耗的S T M 32F 103系列微控制器作为主控芯片,驱动一个加速度传感器和一个载荷传感器,分别用来确定一个完整周期和检测负载数据.选用移远B C 260Y -C N 的N B -I o T 通信模块,将数据通过N B -I o T 网络发送至云端服务器.微控制器程序分为3个层次.硬件抽象层(h a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a ye r ,H A L ):H A L 是位于上层服务组件与硬件电路之间的接口层,其目的在于将硬件抽象化.S e r v i c e :服务组件,对H A L 进行服务化抽象和管理.S e r v i c e 的重点是为上层提供服务.T a s k :是满足用户需求的任务,主要是完成加速度与载荷的同步采集㊁通过加速度判断一个完整周期㊁200个等时间间隔载荷的发送.主程序则是按照20m i n 分钟的时间间隔循环顺序调度上述任务.2.2 实验过程在油田选取了使用C Y J 8-3-26H Y 型号抽油机的4口油井Z P 24-X 42,Z P 24-44,Z P 19-35,Z P 19-X 37.首先使用本文提出的间接法测得一组位移数据,再使用拉绳位移传感器收集一组位移数据(下称传统法)并进行对比,如图6所示.(a )Z P 19-35(b )Z P 19-X 3786 曲阜师范大学学报(自然科学版) 2023年(c)Z P24-X42(d)Z P24-44图6实验结果为了进行定量评价,分析不同油井2种方法测得位移数据的差别,选取了2组数据的最大值(即冲程)之间的相对误差作为衡量标准,带入4口井的位移数据得冲程误差如表1所示.表1冲程误差井名Z P19-35Z P19-X37Z P24-X42Z P24-44传统法测冲程/m3.0133.0133.0133.013间接法测冲程/m2.9973.0022,9952.985相对误差/%0.530.350.590.95由表1可见,这些井冲程的相对误差均小于1%,误差在可接受的范围之内.2种方法绘制出的示功图如图7所示.(a)Z P19-35(b)Z P19-X37(c)Z P24-X42(d)Z P24-44图7示功图示功图的面积表示泵在一个行程中做功的量,是抽油机工况的诊断重要指标.我们计算出了2种方法绘制的示功图的面积,并计算了其相对误差,结果如表2所示.结果显示,4口井的相对误差均小于2%,所以间接法的测量精度与传统法相当.表2示功图面积及误差井名Z P19-35Z P19-X37Z P24-X42Z P24-44间接法面积/(k N㊃m)52.78876.13046.48653.003传统法面积/(k N㊃m)52.80775.93845.97552.552相对误差/%0.040.251.110.8696第3期田海峰,等:一种游梁式抽油机示功图测量方法3总结本文提出了一种游梁式抽油机示功图测量方法,通过抽油机的机械尺寸和运动学公式计算出抽油机一个工作周期内等时间间隔200个点的位移,保存在云端服务器上.使用加速度传感器和载荷传感器同步采集数据并一一对应,对加速度数据处理得到一个周期内等时间间隔的200个加速度,将200个加速度对应的载荷上传至云端服务器,便可在云端服务器绘制示功图.本方法位移数据由计算所得,所以不受抽油机的运动及环境因素影响,精确度和可靠性高;使用低功耗㊁低成本和传输距离远的N B-I o T网络,所以安装维护成本低廉.参考文献:[1]刘昕晖,李春爽,陈琳,等.游梁式抽油机节能技术综述[J].吉林大学学报(工学版),2021,51(1):1-26. 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基于神经网络的游梁式抽油机示功图软测量研究
Research on Dynamometer Cards Soft － sensing of Walk － beam Oil － pumping Based on Neural Network
摘 要： 游梁式抽油机示功图是悬点载荷和悬点位移的关系图，示功图可以诊断油井的工作状 况。至今没有一种有效方法实时测量示功图，主要原因是载荷传感器容易老化及使用寿命短。针 对游梁式抽油机的示功图实时测量难问题，总结了现有的示功图间接测量方法后，提出了基于神经 网络的示功图软测量方法。该方法的核心是实时测量游梁式抽油机的相关物理量，如电机功率、游 梁摆动角度，利用神经网络的非线性逼近功能，预测抽油机悬点载荷。通过数据通信手段，把相关 的现场数据传到数据中心，数据中心的示功图测量单元由神经网络预测抽油机悬点载荷，加上悬点 位移，得到抽油机示功图。实验仿真表明基于神经网络的示功图软测量方法是可行的，有推广应用 价值。
数据计算） ； s———悬点位移 / m。
从式（ 1 ） 知 道，计 算 载 荷 时，需 要 除 以 悬 点 速
度，而抽油机上死点和下死点的速度均为零，速度为
零位置不在上死点或下死点的一点，而是有一段区
域。实际情况是抽油机上死点和下死点的载荷变化
·100·
比较大。所以能量守恒法在抽油机上死点和下死点
量方法进行简述。
（ 1） 能量守恒法： 该方法基本原理是悬点功率
等于抽油机的电功率和机械功率合成功率。即抽油
机在运行过程中，悬点在不同的位置满足下列关系。
F（ s） = （ PD（ s） + PQ（ s） ） /V（ s）
油井计量原理及功图分析(1)
油井产液量计量原理目前，我厂已经在40多口抽油井、自喷井以及注水井上推广应用了微功耗无线变送器油水井井口自动计量装置，应用范围涉及6个采油队。
这套系统最基本的求产原理、示功图以及泵功图的定性分析有必要向各采油队技术人员做如下介绍，希望能对各位分析油井的生产状况起到作用。
(一)游梁式抽油机井功图法求产原理抽油井示功图的纵坐标为光杆（露出地面，通过悬绳器与驴头连接的第一根光滑的抽油杆）在抽油过程中受力的载荷坐标，横坐标为抽油杆上、下行程时的位移坐标。
抽油机驴头所悬拄的悬绳器承受光杆和井下全部抽油杆柱，并带动最下部有杆泵的柱塞作上、下运动，即一个周期。
相应地可画出一个载荷与位移的函数关系曲线，即示功图。
抽油井生产情况千变万化，井下泵况相当复杂，只有通过自动量油技术或动力仪、诊断仪测得反映有杆泵工作状况的示功图，只有掌握了诊断技术，才能分析和管理好抽油井。
采油二厂管辖的油田抽油机井目前已经有30多口井采用了“功图法”自动计量，相比较采用分离器求产，由于受各种因素影响求产波动较大，而且求产时间较长，不利于快速、准确、及时掌握油井生产动态，直接关系到油田的稳产，流量计或分离器的检修，也大量增加油气操作成本；以往在油田产量紧张时，大多是技术人员通过繁重的油水井大调查工作来摸清所辖井的生产情况，费时费力，其中个别油井因工程技术人员水平差异而无法进行定论，不但增加了井下作业工作量，也存在一定程度的误诊，漏诊，给油田生产造成极大不便。
通过示功图求产可以解决常期困绕油田的各类机采井求产、诊断和综合评判中存在的问题，在一定程度上不仅解决油井的求产困难，而且减轻采油工作者劳动强度。
自动计量系统油井产量提供了一个快速、准确测算方法，使决策部门能够对我厂所辖油井实现宏观上的控制和决策。
1.理论示功图特征分析在实际的示功图分析工作中，为便于分析常常要拿理论示功图与实测示功图进行对比，从中分析该油井的工作状况。
下面就先来了解一下理论示功图的绘制和解释。
抽油机示功图工况识别智能学习方法的研究与应用
抽油机示功图工况识别智能学习方法的研究与应用摘要：游梁式抽油机示功图的工况识别方法是利用计算机诊断技术绘出示功图，然后由技术人员根据井下标准示功图，进行人工对比识别，以确定工况问题。
人工识别方法，不仅对于常规问题的诊析需要大量的处理时间，而且当需要参比的问题参数增加时，处理的时间也会相应增加，处理效率低；同时，根据人为主观判断，增加了误诊的风险。
本文提供一种工况智能学习识别方法，以实现自动、准确地识别游梁式抽油机示功图工况。
关键字：示功图工况智能学习识别方法1、抽油机示功图在生产中应用及存在问题1.1、抽油机示功图在生产中应用在油气的生产过程中，抽油机示功图录取通过井口远传示功仪测取光杆悬点所承受的载荷拉力和悬点相对于井口的位移，在一个冲次中，测取几十到几百个数据点，由一个完整冲次绘制出的封闭坐标曲线称为示功图，示功图是一种由载荷随位移逐渐变化的关系曲线，游梁式抽油机可以根据示功图的信息，对其工况进行诊断，掌握油井的工作状态，分析判断油井的参数是否合理，并以获取到的油井的工作状态和油井参数为依据，及时有效地对油井进行调整，达到减少损耗、提高油气产量的目的。
1.2、抽油机示功图人工对比识别存在问题目前，游梁式抽油机示功图的工况识别方法是利用计算机诊断技术绘出示功图，然后由技术人员根据井下标准示功图，进行人工对比识别，以确定工况问题。
人工识别方法，不仅对于常规问题的诊析需要大量的处理时间，而且当需要参比的问题参数增加时，处理的时间也会相应增加，处理效率低；同时，根据人为主观判断，增加了误诊的风险。
2.1抽油机示功图工况识别智能学习方法建立游梁式抽油机示功图数据库，并对数据库内的每个游梁式抽油机示功图进行二值化处理，得到若干二值化处理后的示功图之前，根据若干游梁式抽油机中每个抽油机光杆的位移和载荷数据并进行数据预处理，绘制若干游梁式抽油机示功图，并建立所述游梁式抽油机示功图数据库，并对数据库内的每个游梁式抽油机示功图进行二值化处理，得到若干二值化处理后的示功图，绘制最小外接矩形便于后续对示功图的几何特征的提取。
抽油机井示功图量油及诊断精品PPT课件
功图与工况
由于动载荷的影响，示功图的上、下行程不是水平 的，但只要bc//da,而且ab//cd，就是泵工作正常。否则就 是泵出现了问题。
上图中所示的行程线与水平线之间的夹角α越大，说 明动载越大，另外冲数越快，动载也越大。
功图与工况
二、标准地面示功图及生产实例
1. 泵工作正常
此图为最理想的地 面示功图(无气，多水， 供液充足的正常示功图)， 充满系数100％，特征为 平行。
对受气体影响较大的井或 易发生气锁的井应尽可能加深 泵挂，增大泵的沉没度，大泵 径长冲程机抽，特别是防冲距 要调到最小，尽量减小余隙体 积；下高效气锚和防气泵，合 理放套气，控制套压生产，使 之保持在较低值。
功图与工况
气锁现象：属于气体影响的
特殊现象，由于气体大量进入 泵筒，上冲程时气体膨胀，全 部占满柱塞让出的容积，固定 凡尔打不开。下冲程时，气体 压缩，但压力仍低于游动凡尔 上部压力，游动凡尔也打不开， 柱塞运动只是对气体压缩和膨 胀，泵不排油，这种现象称为 “气锁”。
此图为气体影响严重时发 生“气锁”而不出油或无沉没 压力时的示功图。
功图与工况
6.阀尔漏失：
6.1 固定阀尔漏失
此图是为泵固定阀漏失的 示功图。 特征:为示功图左下方呈圆形缺 损(无气体影响时右下角也呈圆 形)。 如果阀或阀座被严重刺坏时， 不出油，下行曲线呈图中虚线 形状。
功图与工况
6.2 游动阀尔漏失
功图与工况
3. 油稠
此图的上、下行曲 线呈凸状。 原因系油稠，由于上、 下冲程的行程中间速度 较快，阻力增大所致。
对于油稠的抽油井应采 取降粘措施，这样有利于生 产。
功图与工况
4. 油井出砂
此图是柱塞受油井出砂影 响，容易卡泵时的示功图。 特征为上、下曲线没有明显的 “阻尼”状，而是呈“小牙齿” 状的不规则，不重复的示功图。
游梁式抽油机井井下泵功图测试方法
游梁式抽油机井井下泵功图测试方法贾德利;刘合;裴晓含;王国庆;杨清海;王尧【摘要】提出了一种利用加速度传感器测量抽油泵冲程从而得到游梁式抽油机井井下泵功图的直接测试方法,并进行了实验验证和现场测试.分析了加速度传感器输出的带有冲击干扰的低频弱信号的特性,对周期信号及其漂移进行了建模分析,得出了长时间积分累计误差及其对测量结果的影响.根据消去原理设计了隔直去噪滤波器,建立了其数学模型,通过隔直去噪滤波器可将漂移分量从采集信号中分离出来.实验验证及现场测试结果表明:原始加速度数据经隔直去噪滤波器滤波和二次积分后能够得到无漂移位移信号,从而得出井下泵功图,数据测量精度在士2.0％以内,且测量误差随着冲次增大而减小;提出的井下泵功图测试方法可实现对泵效的计算和冲程损失直接测量,为游梁式抽油机工艺分析提供依据.【期刊名称】《石油勘探与开发》【年(卷),期】2015(042)001【总页数】6页(P111-116)【关键词】抽油机;井下泵功图;冲程;加速度;滤波器【作者】贾德利;刘合;裴晓含;王国庆;杨清海;王尧【作者单位】中国石油勘探开发研究院;哈尔滨理工大学;中国石油勘探开发研究院;中国石油勘探开发研究院;大庆油田采油工程研究院;中国石油勘探开发研究院;哈尔滨理工大学【正文语种】中文【中图分类】TE355.5游梁式抽油机井井下泵功图能够直接反映抽油泵工况，是油井故障分析、举升工艺参数优化的重要依据。
现有的井下泵功图都是在地面光杆处进行测试，获取光杆示功图（也称悬点示功图或地面示功图）[1]，再根据抽油杆弹性数学模型计算得出，间接反映抽油泵工况[2]。
然而，由于抽油杆和油管间存在强烈库仑摩擦，是1个机电液耦合的复杂非线性过程[3-6]，加上井下工况的复杂性和不可预见性，很难建立准确的数学模型，导致基于数学模型的地面间接测试结果与真实泵况之间存在误差，得出的是近似泵功图。
因此，本文提出新的游梁式抽油机井井下功图测试方法，利用MEMS（微机电系统）传感器测量抽油泵上端的加速度，再通过二次积分计算出抽油泵冲程，从而准确判断抽油泵工况。
游梁式抽油机平衡检测及调整平衡的方法概述
游梁式抽油机平衡检测及调整平衡的方法概述作者：于洋来源：《中国科技博览》2016年第30期[摘要]目前在游梁式抽油机的平衡技术方面，主要有机械平衡和气动平衡两种平衡方式。
对于游梁式抽油机的上述两种平衡方式来讲，它们都有着相同的基本平衡原理，当抽油机在在下冲程过程中，抽油杆柱在油柱中的重量和抽油机拖动电机的驱动力矩一起作用来举升平衡系统，并且平衡系统将抽油杆柱释放出来的能量以及抽油机拖动电机所给出的能量以某种方式存储起来；当抽油机在上冲程过程中，抽油机的平衡系统将存储的能量释放出来，帮助抽油机的拖动电机做功，来举升抽油杆柱和油柱。
由游梁式抽油机的基本平衡原理可见，只要抽油机的平衡系统设计合理，就有可能使抽油机拖动电机在上下冲程过程中都对外做功，避免出现抽油机在负扭矩的情况下工作的现象[1]。
本文介绍几种抽油机调整平衡的方法及其优缺点。
中图分类号：TE933.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）30-0007-011.电流曲线法电流曲线法判别平衡状态就是用电流记录仪记录下抽油机电机的电流变化曲线，根据此电流曲线来判断和调整抽油机的平衡，实际的油田生产中主要的测试抽油机平衡状态的方法是直接采用钳形电流表测出抽油机上下冲程中的最大电流进行比值，将该比值作为平衡率，即：当抽油机上下冲程的电流峰值比，即平衡率大于80%[2]时，则认为抽油机处于平衡状态，否则认为不平衡。
电流法调平衡简便、易用，但是用电流法判断抽油机平衡状态是否良好有很大的局限性：（1）抽油机电机空载时的电流就达到额定电流的30-40%，当负载开始增加时，电流变化并不大，而是功率因数在变化，所以对于大马拉小车的抽油机（油田抽油机上这种情况很普遍）或者抽油机电机负载低的时候，当抽油机不平衡时从电流上也看不出来，这种情况电流对抽油机的平衡状况不敏感；（2）电流法测的电流分不出正负，抽油机电机在发电状态和电动状态都会产生电流，一些严重不平衡的井在发电状态时产生一个很大的电流峰值，但从电流上看还相当平衡，产生虚假平衡的现象；（3）电流法调平衡很难准确读数，误差较大，而且该方法不能直接给出抽油机平衡块调整位置，需要反复测量、调整。
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经验集锦 游梁式抽油机示功图检测新方法姜 浩 张彦廷(中国石油大学(华东)) 摘要 目前的抽油机载荷测量方法是在悬点处加装载荷传感器,位移测量采用拉线式传感器,存在诸多缺点,造成示功图检测现场维护工作量较大,难以实现长期的在线测量。
为此,提出了一种利用电动机输出扭矩和转数计算油井载荷和位移的油井示功图在线检测新方法。
通过测量1个冲程电动机的转数,建立了抽油杆位移和电动机转数的对应关系,将抽油机的冲程长度均匀分成130个采集点,通过输入抽油机配重、曲柄半径、冲程长度等参数,采用总线通讯获取电动机输出扭矩,建立动态悬点载荷的数学模型。
现场应用表明,绘制的油井示功图能够较好地反映油井工况,具有一定的应用价值。
关键词 游梁式抽油机 示功图 冲程 正态分布 区间估计 扭矩0 引 言游梁式抽油机在油田应用广泛,测取抽油井示功图是分析、诊断抽油机井是否正常的一种有效手段,也是抽油井日常管理工作的一个重要组成部分[1]。
示功图是抽油机光杆载荷与位移的关系曲线,通过检测抽油杆周期性上、下运动时不同位移处抽油杆上所承受的载荷来反映油井的工作状况。
目前,载荷的测量使用最多的方法是在悬点处加装载荷传感器,位移测量普遍采用拉线式传感器,二者信号都采用电缆传输,检测传感器的引线随光杆运动。
这种测量方法原理简单,精度较高,缺点是安装载荷传感器时需要打卡,安装后易造成毛辫子打斜,受力不均;位移传感器安装后易受破坏;信号传输线由于风刮、作业等原因易造成缠绕、扯断。
上述因素造成示功图检测现场维护工作量较大,使用不方便,难以实现长期的在线测量。
为此,笔者提出了一种利用电动机输出扭矩和转数计算油井载荷和位移的油井示功图在线检测新方法。
1 示功图检测方案介绍111 检测原理悬点以一定的载荷和抽汲方式工作,减速器曲柄轴就需要给出一定的扭矩,减速器的曲柄扭矩是游梁式抽油机的基本参数。
曲柄平衡的游梁式抽油机悬点载荷可以通过下式求得[2]:P=(M+r Q曲sin<)ω/v(1)式中 P———悬点载荷; M———减速器曲柄轴扭矩; r———曲柄半径; Q曲———曲柄平衡配重; <———曲柄顺时针转动时其轴线与垂直线的夹角; ω———曲柄角速度; v———悬点速度。
光杆上某一点位移SA、速度vA的计算公式为:S A=S max2(1-cos<)(2)v A=ωSmax2sin<(3)式中 Smax———抽油机光杆的最大位移。
于是悬点载荷P的近似计算公式为:P=MS maxS AS max-S AS max2+2r Q曲S max(4) 从式(4)可以看出,对于某一固定抽油机的一个特定位置SA可以近似得出悬点载荷P与减速器曲柄轴扭矩M的函数关系。
112 总体设计方案示功图检测以高性能微处理器为数据检测、处—58—2010年 第38卷 第12期石 油 机 械CH I N A PETROLE UM MACH I N ERY理核心,通过检测电动机的转数,将抽油机的冲程长度均匀分成130个采集点,通过数据总线获得富士FRS30G11S 24CX 变频器的输出扭矩,通过人机接口输入抽油机配重、曲柄半径、冲程长度、传动比、传动效率等参数,直接计算出不同采样点的载荷数据。
系统的总体设计框图如图1所示。
图1 系统总体设计框图113 单片机控制板设计[3]检测系统以高性能微处理器STC89C516RD +芯片为核心(图2),采用485现场总线以标准帧方式进行微处理器和变频器之间的通讯,获得变频器驱动电动机的输出扭矩,以320×240图形点阵液晶显示屏作为系统显示屏,以4×5键盘作为参数输入接口,外置64kRAM 用于存储临时数据,以时钟芯片S D2203计时并检测抽油机的冲次,以MAX I M 25×45芯片内部512字节的EEPROM 存储输入信息,以OMRON 接近开关检测电动机转数。
图2 单片机系统框图2 数据处理方法[4]由于悬点载荷通过计算获得,并在计算过程中采用了近似算法,未考虑振动载荷和惯性载荷的影响,所以在工程应用中有一定的误差。
在抽油机的下死点加装接近开关,通过检测抽油机1个冲程的电动机转数,可以建立抽油杆位移和电动机转数的对应关系。
为了防止数据出现较大偏差,系统示功图显示曲线以6次冲程数据为基础,拟合出示功图的动态曲线。
通过抽油机下死点的接近信号可以知道1个冲程的开始和结束,获得的扭矩和电动机转数数据130个,上、下冲程各65个,可以绘制出油井的示功图。
由于传感器和数据通讯易受到外界干扰,应找到可信度较高的数据参与运算,以此来提高运算数据的准确性。
数据处理采用正态分布参数的区间估计,如果扭矩参数落在置信区间内,可以应用该数据,否则舍弃。
采用位置方差的均值区间估计T =X —-μS 2/n～t (n -1)(5) 可以证明T 的分布密度函数为: f (t )=Γn2(n -1)πΓn -121+t2n -1-n2(6) 对于给定的α(0<α<1),由P{|T |<λ}=1-α(7) 得P{T >λ}=α/2(8) 查t (n -1)分布表可得λ,从而由X —-μS 2/n<λ(9) 得μ的置信度为1-α的置信区间是X —-λS 2/n,X —+λS 2/n 。
其中,X —表示数据均值;S 2表示样本方差;数据处理选择α=0125,置信度r ′=0175,查表得λ=017267。
考虑到抽油机的实际工况和摩擦、动态载荷及惯性载荷的存在,可以对数据进行平滑处理,并进行数值拟合。
3 现场试验示功图在线检测系统在胜利油田东辛采油厂126、134井进行了试验。
表1是在东辛采油厂东辛DX11X126井进行试验获得的1组数据,并在数据处理后获得置信区间。
落在该区间的数据取均值,作为计算悬点载荷的有效数据。
通过计算获得油井悬点载荷,输出数据如图3所示。
图3 DX11X126井1个冲程的悬点载荷输出数据—68— 石 油 机 械2010年 第38卷 第12期表1 DX11X126井部分处理数据冲程1冲程2冲程3冲程4冲程5冲程6均值均方根α=0125r ′=0172置信区间上置信区间下98104105108124100106150912961759911398861051081241001031501215891149411249861051081249093167251771817374112398610543124807915033160241425510339861056912480831832913621134621053985105691248083167291352113362104114978611812410010615014147101529511711497115118121110112150814661151061181149711515712111011910020127141731041331149720919612114014612045195331391121792249720922312117017410054155391641342132249720221112117017018051167371551332081699720216712115015110037141271191231781351472021171691501531302914021136131174831012021111251201231704111829193931538370118111759091117191451411377105835283707570721171114881346380 图4是在图形点阵液晶屏上绘制的油井示功图曲线。
从图中可以看出抽油机上冲程和下冲程的最大电流、平衡度、冲次、冲程的最大和最小载荷等信息,为操作人员提供油井工况分析依据。
图4 绘制出的DX11X126油井示功图4 结束语设计了油井示功图检测的新方法。
通过测量1个冲程电动机的转数,建立了抽油杆位移和电动机转数的对应关系。
将抽油机的冲程长度均匀分成130个采集点,通过输入抽油机配重、曲柄半径、冲程长度、传动比及传动效率等参数,采用总线通讯获取电动机输出扭矩,建立动态悬点载荷的数学模型,采用正态分布参数的区间估计将检测的不稳定数据滤除,并进行滤波,绘制出油井示功图。
现场试验表明,绘制的油井示功图能够较好地反映油井工况,具有一定的应用价值。
参 考 文 献[1] 戴筱妍,白连平1一种抽油机无线示功仪的实现方法[J ]1北京机械工业学院学报,2008,23(4):47-491[2] 万邦烈1采油机械的设计计算[M ]1北京:石油工业出版社,1994:27-311[3] 马忠梅.单片机的C 语言应用程序设计[M ].北京:北京航空航天大学出版社,20071[4] 张世荣,李昌禧1游梁式抽油机示功图的间接测量[J ]1华中科技大学学报:自然科学版,2004,32(11):62-641第一作者简介:姜 浩,讲师,生于1977年,2003年获得中国石油大学(华东)控制理论与控制工程专业硕士学位,现从事机电一体化、计算机测控及智能控制等领域的研究工作。
地址:(257061)山东省东营市。
E -mail:chi 2najh1977@s ohu 1com 。
收稿日期:2010-04-27(本文编辑 王刚庆)—78—2010年 第38卷 第12期姜 浩等:游梁式抽油机示功图检测新方法。