本發(fā)明屬于采油設(shè)備工況診斷
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種皮帶式抽油機實時工況診斷方法。
背景技術(shù)：
：皮帶式抽油機是一種長沖程、慢沖次、純機械傳動的無游梁抽油機，由于其良好的采油工藝性能和可靠的機械性能，在油田得到了廣泛應(yīng)用，為油田創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟效益。皮帶式抽油機具有如下特點：重負荷、長沖程、低沖次；整機100％機械傳動，折疊結(jié)構(gòu)，具有操作簡單，安裝、運輸方便，運行安全的特點；手剎車可靠性高，操作方便；節(jié)能效果好；管理簡單、維護方便；皮帶機具有電磁自動剎車保護系統(tǒng)。皮帶式抽油機既可以實現(xiàn)探抽，也可以進行大排量提液，還特別適合稠油井的開采，其完善的配套工藝和不斷的技術(shù)升級能夠不斷地滿足各種工況的油井，具有高效、安全、可靠和節(jié)能的特點。但是，在皮帶式抽油機廣泛應(yīng)用的同時，由于現(xiàn)場缺乏相應(yīng)的工況診斷方法，無法對皮帶式抽油機的生產(chǎn)進行實時精細的監(jiān)測，使得井下及地面的異常情況不能及時發(fā)現(xiàn)和判斷處理，給現(xiàn)場帶來極大的損失。目前，對抽油機井的故障判斷主要依賴示功圖，示功圖是懸點載荷同懸點位移之間的關(guān)系曲線圖，測示功圖的工具為動力儀。通過示功圖可以測出抽油泵在提升過程中的最大載荷和最小載荷，以及增載、卸載等的變化情況，且利用示功圖也可以判斷出抽油機故障情況。但是，目前對示功圖的分析主要依賴于人工或利用簡單的幾何分析來判斷，人工分析嚴重依賴現(xiàn)場工作人員的豐富經(jīng)驗且效率低下，而幾何分析法無法對復(fù)雜的功圖形狀進行準確判斷，因此準確度不高。電功圖由于具備測取方便，安裝及維護成本低，分辨率高，信息反應(yīng)全面，既能反應(yīng)井下情況，也能反應(yīng)地面情況，且能夠長期連續(xù)測量等諸多優(yōu)點，因此，它的應(yīng)用越來越受各油田的重視。然而目前，電功圖在油田的應(yīng)用狀況較為局限，電功圖的優(yōu)點沒有得到充分的普及與利用，尤其是在油井工況診斷方面。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種基于電功圖的皮帶式抽油機實時工況診斷方法。為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種皮帶式抽油機實時工況診斷方法，包括下列步驟：1)對皮帶式抽油機的懸點運動模型進行分析和計算，得到懸點速度與位移的關(guān)系，建立皮帶式抽油機的功率和懸點載荷轉(zhuǎn)化模型；2)根據(jù)步驟1)所得的功率和懸點載荷轉(zhuǎn)化模型，將典型示功圖轉(zhuǎn)化為以位移為橫坐標、電機功率為縱坐標的電功圖曲線，建立電功圖工況診斷模型；3)采集皮帶式抽油機的實時電功圖，與步驟2)所得電功圖工況診斷模型比較，實現(xiàn)實時工況診斷。步驟1)中，對懸點運動模型進行分析和計算為：抽油機的主動鏈輪以角速度ω順時針旋轉(zhuǎn)，抽油機懸點運動方向與往返架運動相反；以懸點位于下死點時為起點，在間諧運動段懸點位移Sw、速度Vw、和加速度aw分別為：Sw＝R(1-cosθ)；Vw＝Rωsinθ；aw＝Rω2cosθ；由抽油機的沖程、沖次可得主動鏈輪的角速度ω為：式中，Sw為往復(fù)架的位移，m；Vw為往復(fù)架的速度，m/s；aw為往復(fù)架的加速度，m/s2；R為主動鏈輪的半徑，m；ω為主動鏈輪角速度，rad/s；θ為主軸銷偏離基準線的轉(zhuǎn)角，rad；S為抽油機的沖程，m；n為抽油機沖次，min-1；在勻速運動段，懸點運動速度等于簡諧運動段的最大速度，即：Vw＝Rω；aw＝0。所得懸點速度與位移的關(guān)系按一個沖程內(nèi)時間分段，懸點位移、速度、加速度分別為：式中，t1為上沖程時主軸銷運動至被動鏈輪圓心對應(yīng)基準面時對應(yīng)的時間，s；t2為上沖程時主軸銷運動至主動鏈輪圓心對應(yīng)基準面時對應(yīng)的時間，s；t3為懸點位于上死點對應(yīng)的時間，s；t4為下沖程時主軸銷運動至主動鏈輪圓心對應(yīng)基準面時對應(yīng)的時間，s；t5為下沖程時主軸銷運動至被動鏈輪圓心對應(yīng)基準面時對應(yīng)的時間，s；tz為懸點運動一個沖程所用的總時間，s；其中，所得懸點速度與位移的關(guān)系按位移d分段，得到速度v與位移d關(guān)系如下：懸點位移d的區(qū)間為0～R，懸點速度懸點位移d的區(qū)間為R～R+H，懸點速度v＝v0；懸點位移d的區(qū)間為R+H～S，懸點速度懸點位移d的區(qū)間為S～R+H，懸點速度懸點位移d的區(qū)間為R+H～R，懸點速度v＝-v0；懸點位移d的區(qū)間為R～0，懸點速度其中，S＝H+2R；懸點速度v向上為正。步驟1)中，根據(jù)能量守恒和皮帶式抽油機的運行特點，得到如下的功率和懸點載荷轉(zhuǎn)化模型：P·η電機·η傳動＝(W-W平)·v；式中，P為電機功率，KW；W平為平衡重，KN；W為懸點載荷，KN；η電機為電機效率，無因次；η傳動為傳動效率，無因次；ν為懸點運動速度，m/s；懸點載荷W如下：上沖程W＝W桿+W液柱+F振動+f摩擦下沖程W＝W桿+F振動-f浮力-f摩擦；其中，W桿為抽油桿在油中的重力，KN；W液柱為泵以上液柱的重力，KN；F振動為抽油桿振動載荷，KN；f摩擦為抽油桿柱與液柱之間的摩擦力，KN；f浮力為抽油桿在油中的浮力，KN。步驟2)中，從電功圖工況診斷模型提取典型特征值，用于對皮帶式抽油機井工況的直接診斷。所述典型特征值包括如下12種工況：1)正常工況：0.8＜Rpjgl＜1.2；2)欠平衡工況：Rpjgl＜0.8；3)過平衡工況：Rpjgl＞1.2；4)供液不足工況：(xD0-xD3)-(xU2-xU0)＞0.1，||kU1,U2|-|kD2,D3||＜0.5，|kD1,D2|＜0.1；5)抽空工況：(xD0-xD3)-(xU2-xU0)＞0.1，||kU1,U2|-|kD2,D3||＜0.5，|kD1,D2|＜0.1，xD2＜0.2；6)氣體影響工況：(xD0-xD3)-(xU2-xU0)＞0.1，||kU1,U2|-|kD2,D3||＜0.5，xD2＜0.85，|kD1,D2|≥0.1；7)氣鎖工況：(xD0-xD3)-(xU2-xU0)＞0.1，||kU1,U2|-|kD2,D3||＜0.5，|kD1,D2|≥0.1，xD2＜0.2；8)出砂工況：Num(k(i)·k(i+1)﹤－0.5δ0.02﹤N(i)－N(i+1)﹤0.05)﹥20；9)油桿斷脫工況：Rpjgl＞2；10)減速機故障工況：Num(k(i)·k(i+1)﹤－5δ|N(i)－N(i+1)|﹥0.05)﹥20；11)游動閥漏失工況：(xU2-xU0)-(xD0-xD2)＞0.1，|kD1,D2|-|kU1,U2|＞1；12)固定閥漏失工況：(xD0-xD2)-(xU2-xU0)＞0.1，|kU1,U2|-|kD1,D2|＞1；其中，Rpjgl為上下沖程的平均功率比值；x為歸一化后的位移；k為歸一化后的電功圖斜率；U0為下死點；U1為上沖程段的第一個轉(zhuǎn)折點，即固定閥開啟點；U2為上沖程段的第二個轉(zhuǎn)折點；D0為上死點；D1為下沖程段的第一個轉(zhuǎn)折點，即游動閥開啟點；D2為下沖程段的第二個轉(zhuǎn)折點；D3為下沖程段的第三個轉(zhuǎn)折點；num()為滿足括號內(nèi)條件的數(shù)據(jù)點個數(shù)；N(i)為第i個點的歸一化功率；Nu為上沖程的平均功率。本發(fā)明的皮帶式抽油機實時工況診斷方法，是基于皮帶式抽油機的懸點運動模型得出懸點速度與位移的關(guān)系，建立皮帶式抽油機功率和載荷轉(zhuǎn)化模型，從而將典型示功圖轉(zhuǎn)化為電功圖，建立電功圖工況診斷模型，實現(xiàn)利用電功圖對皮帶式抽油機井工況的直接診斷。該方法加強了對皮帶式抽油機的實時監(jiān)測和工況診斷，提高了皮帶式抽油機的生產(chǎn)效率；該方法可從電功圖工況診斷模型中提取典型特征值，便于實時電功圖的比較和工況判斷，易于實現(xiàn)自動化診斷，準確度高、速度快，有利于加強油田的智能化管理。附圖說明圖1為皮帶式抽油機的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為主軸銷的旋轉(zhuǎn)運動示意圖；圖3為皮帶式抽油機正常工況下的電功圖；圖4為皮帶式抽油機欠平衡工況下的電功圖；圖5為皮帶式抽油機過平衡工況下的電功圖；圖6為皮帶式抽油機供液不足工況下的電功圖；圖7為皮帶式抽油機抽空工況下的電功圖；圖8為皮帶式抽油機氣體影響工況下的電功圖；圖9為皮帶式抽油機氣鎖工況下的電功圖；圖10為皮帶式抽油機出砂工況下的電功圖；圖11為皮帶式抽油機油桿斷脫工況下的電功圖；圖12為皮帶式抽油機減速機故障工況下的電功圖；圖13為皮帶式抽油機游動閥漏失工況下的電功圖；圖14為皮帶式抽油機固定閥漏失工況下的電功圖；圖15為診斷實例中現(xiàn)場油井的實測電功圖。具體實施方式下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明作進一步的說明。具體實施方式中，皮帶式抽油機的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括動力傳動系統(tǒng)、換向系統(tǒng)、平衡系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)10和機架底座系統(tǒng)；所述動力傳動系統(tǒng)包括電動機19、皮帶傳動裝置和減速箱18；所述換向系統(tǒng)包括主動鏈輪11、從動鏈輪5、上鏈輪門15、軌跡鏈條6、曲拐、滑車架、導(dǎo)向輪7、往返架9；所述平衡系統(tǒng)包括平衡箱8等；所述懸掛系統(tǒng)包括滾筒2、頂罩1、負荷皮帶3、吊繩和懸繩器4；所述機架底座系統(tǒng)包括塔基與底座13、前平臺12、中平臺16、頂平臺14和梯子17。皮帶式抽油機是電動機19通過減速箱18減速后帶動主動鏈輪11轉(zhuǎn)動，使軌跡鏈條6和從動鏈輪5發(fā)生上下運動，軌跡鏈條6上有一個特殊鏈節(jié)，其上裝有主軸銷，通過滑塊帶動往返架9做上下運動，其中，高強度的負荷皮帶3一端在往返架9上，一端連著懸繩器4，從而帶著抽油桿做上下往復(fù)運動。在皮帶式抽油機油井上安裝電參數(shù)采集傳感器，采集抽油機井運行的功圖數(shù)據(jù)。實施例1本實施例的皮帶式抽油機實時工況診斷方法，包括下列步驟：1)對皮帶式抽油機的懸點運動模型進行分析和計算，具體為：抽油機的主動鏈輪以角速度ω順時針旋轉(zhuǎn)，抽油機懸點運動方向與往返架運動相反；如圖2所示，A—D為上沖程，D—A為下沖程；以懸點位于下死點時為起點，在簡諧運動段懸點位移Sw、速度Vw、和加速度aw分別為：Sw＝R(1-cosθ)(1)；Vw＝Rωsinθ(2)；aw＝Rω2cosθ(3)；由抽油機的沖程、沖次可以推導(dǎo)出主動鏈輪的角速度ω為：式中，Sw為往返架的位移，m；Vw為往返架的速度，m/s；aw為往返架的加速度，m/s2；R為主動鏈輪的半徑，m；ω為主動鏈輪角速度，rad/s；θ為主軸銷偏離基準線的轉(zhuǎn)角，rad；S為抽油機的沖程，m；n為抽油機沖次，min-1；在勻速運動段，懸點運動速度等于簡諧運動段的最大速度，即：Vw＝Rω(5)；aw＝0(6)。依據(jù)上述分析和計算，得到懸點速度與位移的關(guān)系，如下：i)按一個沖程內(nèi)時間分段，懸點位移、速度、加速度分別為：式中(如圖2所示)，t1為上沖程時主軸銷運動至被動鏈輪圓心對應(yīng)基準面時(B點)對應(yīng)的時間，s；t2為上沖程時主軸銷運動至主動鏈輪圓心對應(yīng)基準面時(C點)對應(yīng)的時間，s；t3為懸點位于上死點(D點)對應(yīng)的時間，s；t4為下沖程時主軸銷運動至主動鏈輪圓心對應(yīng)基準面時(E點)對應(yīng)的時間，s；t5為下沖程時主軸銷運動至被動鏈輪圓心對應(yīng)基準面時(F點)對應(yīng)的時間，s；tz為懸點運動一個沖程所用的總時間，s；其中，由上面的皮帶式抽油機的運動規(guī)律可以看出，這種抽油機加速運動的時間段較小，加速度運動規(guī)律容易分析，懸點運動比較平穩(wěn)，產(chǎn)生的動載荷較小。ii)位移d分段，得到速度v與位移d關(guān)系如下：懸點位移d的區(qū)間為0～R，懸點速度懸點位移d的區(qū)間為R～R+H，懸點速度v＝v0；懸點位移d的區(qū)間為R+H～S，懸點速度懸點位移d的區(qū)間為S～R+H，懸點速度懸點位移d的區(qū)間為R+H～R，懸點速度v＝-v0；懸點位移d的區(qū)間為R～0，懸點速度其中，S＝H+2R；懸點速度v向上為正。依據(jù)上述的懸點速度與位移的關(guān)系，根據(jù)能量守恒和皮帶式抽油機的運行特點，建立皮帶式抽油機的功率和懸點載荷轉(zhuǎn)化模型：P·η電機·η傳動＝(W-W平)·v(10)；式中，P為電機功率，KW；W平為平衡重，KN；W為懸點載荷，KN；η電機為電機效率，無因次；η傳動為傳動效率，無因次；ν為懸點運動速度，m/s；懸點載荷W如下：上沖程W＝W桿+W液柱+F振動+f摩擦下沖程W＝W桿+F振動-f浮力-f摩擦(11)；其中，W桿為抽油桿在油中的重力，KN；W液柱為泵以上液柱的重力，KN；F振動為抽油桿振動載荷，KN；f摩擦為抽油桿柱與液柱之間的摩擦力，KN；f浮力為抽油桿在油中的浮力，KN。2)根據(jù)步驟1)所得的功率和懸點載荷轉(zhuǎn)化模型，將典型示功圖轉(zhuǎn)化為以位移為橫坐標、電機功率為縱坐標的電功圖曲線，建立電功圖工況診斷模型并提取典型特征值；所述電功圖工況診斷模型及典型特征值包括以下12種工況：⑴當皮帶式抽油機處于正常工況時，皮帶式抽油機的電功圖如圖3所示。圖中，U0為下死點；U1為上沖程段的第一個轉(zhuǎn)折點，即固定閥開啟點；U2為上沖程段的第二個轉(zhuǎn)折點；D0為上死點；D1下沖程段的第一個轉(zhuǎn)折點，即游動閥開啟點；D2為下沖程段的第二個轉(zhuǎn)折點。在平衡狀況良好時，上、下沖程電功率平臺高度、長度基本相等，平衡良好時，兩個平臺高度基本一致。典型特征值：上下沖程的平均功率比值介于0.8～1.2之間，即0.8＜Rpjgl＜1.2。⑵當皮帶式抽油機處于欠平衡狀態(tài)時，皮帶式抽油機的電功圖如圖4所示。欠平衡時，下沖程電功率平臺明顯低于上沖程電功率平臺。典型特征值：Rpjgl＜0.8。⑶當皮帶式抽油機處于過平衡狀態(tài)時，皮帶式抽油機的電功圖如圖5所示。過平衡時，下沖程電功率平臺明顯高于上沖程電功率平臺。典型特征值：Rpjgl＞1.2。⑷當皮帶式抽油機處于供液不足狀態(tài)時，皮帶式抽油機的電功圖如圖6所示。供液不足時，下沖程電功率有兩個平臺：下沖程開始的低平臺對應(yīng)泵空的一段，接著是對應(yīng)泵中液體段的高平臺，從低平臺到高平臺的變化近似為斜的直線，對應(yīng)卸載過程。典型特征值：(xD0-xD3)-(xU2-xU0)＞0.1，||kU1,U2|-|kD2,D3||＜0.5，|kD1,D2|＜0.1。其中，x為歸一化后的位移；k為歸一化后的電功圖斜率；D3為下沖程的第三個轉(zhuǎn)折點。⑸當皮帶式抽油機處于抽空狀態(tài)時，皮帶式抽油機的電功圖如圖7所示。供液不足嚴重到抽空時，下沖程的高平臺縮短到只剩一個峰。典型特征值：(xD0-xD3)-(xU2-xU0)＞0.1，||kU1,U2|-|kD2,D3||＜0.5,|kD1,D2|＜0.1，xD2＜0.2。⑹當皮帶式抽油機處于氣體影響狀態(tài)時，皮帶式抽油機的電功圖如圖8所示。下沖程有兩個平臺：低平臺對應(yīng)泵空的一段。與供液不足的區(qū)別在于：下沖程的低平臺略微傾斜，低平臺向高平臺的變化為較明顯的弧線。典型特征值：(xD0-xD3)-(xU2-xU0)＞0.1，||kU1,U2|-|kD2,D3||＜0.5,xD2＜0.85，|kD1,D2|≥0.1。⑺當皮帶式抽油機處于氣鎖狀態(tài)時，皮帶式抽油機的電功圖如圖9所示。氣鎖時，上、下沖程各有一個平臺，兩個平臺均有傾斜。典型特征值：(xD0-xD3)-(xU2-xU0)＞0.1，||kU1,U2|-|kD2,D3||＜0.5,|kD1,D2|≥0.1，xD2＜0.2。⑻當皮帶式抽油機處于出砂狀態(tài)時，皮帶式抽油機的電功圖如圖10所示。出砂時，電功率曲線上有不規(guī)則的小毛刺。典型特征值：num(k(i)·k(i+1)＜-0.5&0.02＜N(i)-N(i+1)＜0.05)＞20。num()為滿足括號內(nèi)條件的數(shù)據(jù)點個數(shù)；N(i)為第i個點的歸一化功率。⑼當皮帶式抽油機處于油桿斷脫狀態(tài)時，皮帶式抽油機的電功圖如圖11所示。油桿斷脫時，上沖程電功率平臺或平均功率比油桿斷脫前明顯降低。典型特征值：Rpjgl＞2。其中，Nu為上沖程的平均功率。⑽當皮帶式抽油機處于減速箱故障狀態(tài)時，皮帶式抽油機的電功圖如圖12所示。電功率曲線上有周期性的、等幅值的振動，電功率頻譜上對應(yīng)該齒輪轉(zhuǎn)動頻率的功率幅值比正常時會明顯增大。通過分析功率頻譜中對應(yīng)抽油機特征頻率的異常變化可推斷異常發(fā)生的部位。典型特征值：num(k(i)·k(i+1)＜-5&|N(i)-N(i+1)|＞0.05)＞20。⑾當皮帶式抽油機處于游動凡爾漏失狀態(tài)時，皮帶式抽油機的電功圖如圖13所示。游動凡爾漏失時，上沖程電功率的上升變慢、電功率平臺比正常時縮短。典型特征值：(xU2-xU0)-(xD0-xD2)＞0.1，|kD1,D2|-|kU1,U2|＞1。⑿當皮帶式抽油機處于固定凡爾漏失狀態(tài)時，皮帶式抽油機的電功圖如圖14所示。固定凡爾漏失時，下沖程電功率的上升變慢，下沖程只有一個電功率平臺且比正常時縮短。典型特征值：(xD0-xD2)-(xU2-xU0)＞0.1，|kU1,U2|-|kD1,D2|＞1。3)采集皮帶式抽油機的實時電功圖，與步驟2)所得電功圖工況診斷模型及典型特征值比較，實現(xiàn)實時工況診斷。診斷實例以現(xiàn)場一口井為例，關(guān)于該井的抽油機參數(shù)及油井生產(chǎn)參數(shù)如表1所示，實測電功圖圖如圖15所示。表1現(xiàn)場油井參數(shù)表抽油機型號平衡重(kN)沖程(m)沖次(min-1)鏈輪半徑(m)600型皮帶式抽油機604.82.10.46采用實施例1的皮帶式抽油機實時工況診斷方法進行診斷。結(jié)合實測電功圖(如圖15所示)，下沖程電功率有兩個平臺-下沖程開始的低平臺對應(yīng)泵空的一段，接著是對應(yīng)泵中液體段的高平臺，從低平臺到高平臺的變化近似為斜的直線。典型特征值計算(軟件模型特征值自動提取，同時計算出以下結(jié)果)：(xD0-xD3)-(xU2-xU0)＝0.64＞0.1；||KU1,U2|-|KD2,D3||＝0.41＜0.5；|KD1,D2|＝0.03＜0.1，Rap＝0.4＜0.8。軟件模型分析特征值屬性：(1)油井供液不足特征值：(xD0-xD3)-(xU2-xU0)＝0.64＞0.1；||KU1,U2|-|KD2,D3||＝0.41＜0.5；|KD1,D2|＝0.03＜0.1；(2)抽油機欠平衡特征值：Rap＝0.4＜0.8。得出診斷結(jié)果：診斷結(jié)果：油井供液不足與抽油機欠平衡。當前第1頁1 2 3