一種皮帶式抽油機實時工況診斷方法與流程
2023-12-09 16:45:26 4
本發明屬於採油設備工況診斷
技術領域：
，具體涉及一種皮帶式抽油機實時工況診斷方法。
背景技術：
：皮帶式抽油機是一種長衝程、慢衝次、純機械傳動的無遊梁抽油機，由於其良好的採油工藝性能和可靠的機械性能，在油田得到了廣泛應用，為油田創造了較好的經濟效益。皮帶式抽油機具有如下特點：重負荷、長衝程、低衝次；整機100％機械傳動，摺疊結構，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。皮帶式抽油機既可以實現探抽，也可以進行大排量提液，還特別適合稠油井的開採，其完善的配套工藝和不斷的技術升級能夠不斷地滿足各種工況的油井，具有高效、安全、可靠和節能的特點。但是，在皮帶式抽油機廣泛應用的同時，由於現場缺乏相應的工況診斷方法，無法對皮帶式抽油機的生產進行實時精細的監測，使得井下及地面的異常情況不能及時發現和判斷處理，給現場帶來極大的損失。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係曲線圖，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於人工或利用簡單的幾何分析來判斷，人工分析嚴重依賴現場工作人員的豐富經驗且效率低下，而幾何分析法無法對複雜的功圖形狀進行準確判斷，因此準確度不高。電功圖由於具備測取方便，安裝及維護成本低，解析度高，信息反應全面，既能反應井下情況，也能反應地面情況，且能夠長期連續測量等諸多優點，因此，它的應用越來越受各油田的重視。然而目前，電功圖在油田的應用狀況較為局限，電功圖的優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。技術實現要素：本發明的目的是提供一種基於電功圖的皮帶式抽油機實時工況診斷方法。為了實現以上目的，本發明所採用的技術方案是：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係，建立皮帶式抽油機的功率和懸點載荷轉化模型；2)根據步驟1)所得的功率和懸點載荷轉化模型，將典型示功圖轉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)採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，抽油機懸點運動方向與往返架運動相反；以懸點位於下死點時為起點，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；由抽油機的衝程、衝次可得主動鏈輪的角速度ω為：式中，Sw為往復架的位移，m；Vw為往復架的速度，m/s；aw為往復架的加速度，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角，rad；S為抽油機的衝程，m；n為抽油機衝次，min-1；在勻速運動段，懸點運動速度等於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係按一個衝程內時間分段，懸點位移、速度、加速度分別為：式中，t1為上衝程時主軸銷運動至被動鏈輪圓心對應基準面時對應的時間，s；t2為上衝程時主軸銷運動至主動鏈輪圓心對應基準面時對應的時間，s；t3為懸點位於上死點對應的時間，s；t4為下衝程時主軸銷運動至主動鏈輪圓心對應基準面時對應的時間，s；t5為下衝程時主軸銷運動至被動鏈輪圓心對應基準面時對應的時間，s；tz為懸點運動一個衝程所用的總時間，s；其中，所得懸點速度與位移的關係按位移d分段，得到速度v與位移d關係如下：懸點位移d的區間為0～R，懸點速度懸點位移d的區間為R～R+H，懸點速度v＝v0；懸點位移d的區間為R+H～S，懸點速度懸點位移d的區間為S～R+H，懸點速度懸點位移d的區間為R+H～R，懸點速度v＝-v0；懸點位移d的區間為R～0，懸點速度其中，S＝H+2R；懸點速度v向上為正。步驟1)中，根據能量守恆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：上衝程W＝W杆+W液柱+F振動+f摩擦下衝程W＝W杆+F振動-f浮力-f摩擦；其中，W杆為抽油杆在油中的重力，KN；W液柱為泵以上液柱的重力，KN；F振動為抽油杆振動載荷，KN；f摩擦為抽油杆柱與液柱之間的摩擦力，KN；f浮力為抽油杆在油中的浮力，KN。步驟2)中，從電功圖工況診斷模型提取典型特徵值，用於對皮帶式抽油機井工況的直接診斷。所述典型特徵值包括如下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)油杆斷脫工況：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)遊動閥漏失工況：(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為上下衝程的平均功率比值；x為歸一化後的位移；k為歸一化後的電功圖斜率；U0為下死點；U1為上衝程段的第一個轉折點，即固定閥開啟點；U2為上衝程段的第二個轉折點；D0為上死點；D1為下衝程段的第一個轉折點，即遊動閥開啟點；D2為下衝程段的第二個轉折點；D3為下衝程段的第三個轉折點；num為滿足括號內條件的數據點個數；N(i)為第i個點的歸一化功率；Nu為上衝程的平均功率。本發明的皮帶式抽油機實時工況診斷方法，是基於皮帶式抽油機的懸點運動模型得出懸點速度與位移的關係，建立皮帶式抽油機功率和載荷轉化模型，從而將典型示功圖轉化為電功圖，建立電功圖工況診斷模型，實現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測和工況診斷，提高了皮帶式抽油機的生產效率；該方法可從電功圖工況診斷模型中提取典型特徵值，便於實時電功圖的比較和工況判斷，易於實現自動化診斷，準確度高、速度快，有利於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構示意圖；圖2為主軸銷的旋轉運動示意圖；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為皮帶式抽油機油杆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為皮帶式抽油機遊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為診斷實例中現場油井的實測電功圖。具體實施方式下面結合具體實施方式對本發明作進一步的說明。具體實施方式中，皮帶式抽油機的結構如圖1所示，包括動力傳動系統、換向系統、平衡系統、懸掛系統、剎車系統10和機架底座系統；所述動力傳動系統包括電動機19、皮帶傳動裝置和減速箱18；所述換向系統包括主動鏈輪11、從動鏈輪5、上鏈輪門15、軌跡鏈條6、曲拐、滑車架、導向輪7、往返架9；所述平衡系統包括平衡箱8等；所述懸掛系統包括滾筒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減速後帶動主動鏈輪11轉動，使軌跡鏈條6和從動鏈輪5發生上下運動，軌跡鏈條6上有一個特殊鏈節，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，從而帶著抽油杆做上下往復運動。在皮帶式抽油機油井上安裝電參數採集傳感器，採集抽油機井運行的功圖數據。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，抽油機懸點運動方向與往返架運動相反；如圖2所示，A—D為上衝程，D—A為下衝程；以懸點位於下死點時為起點，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)；由抽油機的衝程、衝次可以推導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角，rad；S為抽油機的衝程，m；n為抽油機衝次，min-1；在勻速運動段，懸點運動速度等於簡諧運動段的最大速度，即：Vw＝Rω(5)；aw＝0(6)。依據上述分析和計算，得到懸點速度與位移的關係，如下：i)按一個衝程內時間分段，懸點位移、速度、加速度分別為：式中(如圖2所示)，t1為上衝程時主軸銷運動至被動鏈輪圓心對應基準面時(B點)對應的時間，s；t2為上衝程時主軸銷運動至主動鏈輪圓心對應基準面時(C點)對應的時間，s；t3為懸點位於上死點(D點)對應的時間，s；t4為下衝程時主軸銷運動至主動鏈輪圓心對應基準面時(E點)對應的時間，s；t5為下衝程時主軸銷運動至被動鏈輪圓心對應基準面時(F點)對應的時間，s；tz為懸點運動一個衝程所用的總時間，s；其中，由上面的皮帶式抽油機的運動規律可以看出，這種抽油機加速運動的時間段較小，加速度運動規律容易分析，懸點運動比較平穩，產生的動載荷較小。ii)位移d分段，得到速度v與位移d關係如下：懸點位移d的區間為0～R，懸點速度懸點位移d的區間為R～R+H，懸點速度v＝v0；懸點位移d的區間為R+H～S，懸點速度懸點位移d的區間為S～R+H，懸點速度懸點位移d的區間為R+H～R，懸點速度v＝-v0；懸點位移d的區間為R～0，懸點速度其中，S＝H+2R；懸點速度v向上為正。依據上述的懸點速度與位移的關係，根據能量守恆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：上衝程W＝W杆+W液柱+F振動+f摩擦下衝程W＝W杆+F振動-f浮力-f摩擦(11)；其中，W杆為抽油杆在油中的重力，KN；W液柱為泵以上液柱的重力，KN；F振動為抽油杆振動載荷，KN；f摩擦為抽油杆柱與液柱之間的摩擦力，KN；f浮力為抽油杆在油中的浮力，KN。2)根據步驟1)所得的功率和懸點載荷轉化模型，將典型示功圖轉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並提取典型特徵值；所述電功圖工況診斷模型及典型特徵值包括以下12種工況：⑴當皮帶式抽油機處於正常工況時，皮帶式抽油機的電功圖如圖3所示。圖中，U0為下死點；U1為上衝程段的第一個轉折點，即固定閥開啟點；U2為上衝程段的第二個轉折點；D0為上死點；D1下衝程段的第一個轉折點，即遊動閥開啟點；D2為下衝程段的第二個轉折點。在平衡狀況良好時，上、下衝程電功率平臺高度、長度基本相等，平衡良好時，兩個平臺高度基本一致。典型特徵值：上下衝程的平均功率比值介於0.8～1.2之間，即0.8＜Rpjgl＜1.2。⑵當皮帶式抽油機處於欠平衡狀態時，皮帶式抽油機的電功圖如圖4所示。欠平衡時，下衝程電功率平臺明顯低於上衝程電功率平臺。典型特徵值：Rpjgl＜0.8。⑶當皮帶式抽油機處於過平衡狀態時，皮帶式抽油機的電功圖如圖5所示。過平衡時，下衝程電功率平臺明顯高於上衝程電功率平臺。典型特徵值：Rpjgl＞1.2。⑷當皮帶式抽油機處於供液不足狀態時，皮帶式抽油機的電功圖如圖6所示。供液不足時，下衝程電功率有兩個平臺：下衝程開始的低平臺對應泵空的一段，接著是對應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，對應卸載過程。典型特徵值：(xD0-xD3)-(xU2-xU0)＞0.1，||kU1,U2|-|kD2,D3||＜0.5，|kD1,D2|＜0.1。其中，x為歸一化後的位移；k為歸一化後的電功圖斜率；D3為下衝程的第三個轉折點。⑸當皮帶式抽油機處於抽空狀態時，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，下衝程的高平臺縮短到只剩一個峰。典型特徵值：(xD0-xD3)-(xU2-xU0)＞0.1，||kU1,U2|-|kD2,D3||＜0.5,|kD1,D2|＜0.1，xD2＜0.2。⑹當皮帶式抽油機處於氣體影響狀態時，皮帶式抽油機的電功圖如圖8所示。下衝程有兩個平臺：低平臺對應泵空的一段。與供液不足的區別在於：下衝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。典型特徵值：(xD0-xD3)-(xU2-xU0)＞0.1，||kU1,U2|-|kD2,D3||＜0.5,xD2＜0.85，|kD1,D2|≥0.1。⑺當皮帶式抽油機處於氣鎖狀態時，皮帶式抽油機的電功圖如圖9所示。氣鎖時，上、下衝程各有一個平臺，兩個平臺均有傾斜。典型特徵值：(xD0-xD3)-(xU2-xU0)＞0.1，||kU1,U2|-|kD2,D3||＜0.5,|kD1,D2|≥0.1，xD2＜0.2。⑻當皮帶式抽油機處於出砂狀態時，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則的小毛刺。典型特徵值：num(k(i)·k(i+1)＜-0.5&0.02＜N(i)-N(i+1)＜0.05)＞20。num為滿足括號內條件的數據點個數；N(i)為第i個點的歸一化功率。⑼當皮帶式抽油機處於油杆斷脫狀態時，皮帶式抽油機的電功圖如圖11所示。油杆斷脫時，上衝程電功率平臺或平均功率比油杆斷脫前明顯降低。典型特徵值：Rpjgl＞2。其中，Nu為上衝程的平均功率。⑽當皮帶式抽油機處於減速箱故障狀態時，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，電功率頻譜上對應該齒輪轉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抽油機特徵頻率的異常變化可推斷異常發生的部位。典型特徵值：num(k(i)·k(i+1)＜-5&|N(i)-N(i+1)|＞0.05)＞20。⑾當皮帶式抽油機處於遊動凡爾漏失狀態時，皮帶式抽油機的電功圖如圖13所示。遊動凡爾漏失時，上衝程電功率的上升變慢、電功率平臺比正常時縮短。典型特徵值：(xU2-xU0)-(xD0-xD2)＞0.1，|kD1,D2|-|kU1,U2|＞1。⑿當皮帶式抽油機處於固定凡爾漏失狀態時，皮帶式抽油機的電功圖如圖14所示。固定凡爾漏失時，下衝程電功率的上升變慢，下衝程只有一個電功率平臺且比正常時縮短。典型特徵值：(xD0-xD2)-(xU2-xU0)＞0.1，|kU1,U2|-|kD1,D2|＞1。3)採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徵值比較，實現實時工況診斷。診斷實例以現場一口井為例，關於該井的抽油機參數及油井生產參數如表1所示，實測電功圖圖如圖15所示。表1現場油井參數表抽油機型號平衡重(kN)衝程(m)衝次(min-1)鏈輪半徑(m)600型皮帶式抽油機604.82.10.46採用實施例1的皮帶式抽油機實時工況診斷方法進行診斷。結合實測電功圖(如圖15所示)，下衝程電功率有兩個平臺-下衝程開始的低平臺對應泵空的一段，接著是對應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。典型特徵值計算(軟體模型特徵值自動提取，同時計算出以下結果)：(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。軟體模型分析特徵值屬性：(1)油井供液不足特徵值：(xD0-xD3)-(xU2-xU0)＝0.64＞0.1；||KU1,U2|-|KD2,D3||＝0.41＜0.5；|KD1,D2|＝0.03＜0.1；(2)抽油機欠平衡特徵值：Rap＝0.4＜0.8。得出診斷結果：診斷結果：油井供液不足與抽油機欠平衡。當前第1頁1 2 3