CN108979623A - 一种异常示功图的识别方法 - Google Patents
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Abstract
一种异常示功图的识别方法，属于自动化采油技术领域，其特征在于包括：建立抽油机工作运动模型，对悬点载荷及位移进行仿真得出其变化规律；与一个完整周期内的实测悬点载荷及位移的变化规律进行比较判断，识别异常示功图。通过建立抽油机的运行模型获取变化规律，同一个完整周期内的实测数据变化规律进行判断分析进行异常示功图的识别，可有效的剔除异常示功图，为油田的示功图数据分析奠定基础，对于示功图采集设备的开发提供理论支撑，为油田安全高效生产提供了保障，能够大幅度提高示功图判断井下工况的准确度，操作简单，适于推广应用。
Description
技术领域
本发明属于自动化采油技术领域，尤其涉及一种异常示功图的识别方法。
背景技术
油井示功图是油井工作状态的重要表征，作为记录抽油机井泵工况的曲线载体，示功图可以反映出深井泵发生的各类异常现象，同时结合地质情况、井下技术状况等，就可以找出井下泵发生故障的主要原因，最后依据示功图的诊断分析结果，有针对性的解决油井故障，保证油井正常生产，提高油田效率。
在使用示功图进行工况诊断的过程中，准确提取示功图的特征参数，识别异常示功图的原因，关系到油井故障能否及时准确的得以诊断。因此研究所测示功图是否为异常示功图对准确判断井下工况有十分重要的意义。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，克服现有技术的缺陷，提供一种有效的异常示功图的识别方法。
本发明所述的异常示功图的识别方法，包括：建立抽油机工作运动模型，对悬点载荷及位移进行仿真得出其变化规律；与一个完整周期内的实测悬点载荷及位移的变化规律进行比较判断，识别异常示功图。
本发明所述的异常示功图的识别方法，包括以下步骤：
S1、建立抽油机工作运行模型，对悬点载荷和位移进行仿真，得出变化规律；
S2、在一个完整周期内实测悬点载荷及位移的变化，得出其变化规律；
S3、通过将上述步骤S1与S2的变化规律进行比较判断识别异常示功图。
本发明所述的异常示功图的识别方法，步骤S1、S2具体包括如下步骤：
1)计算抽油机的理论位移变化模型；
2)计算理论悬点静载荷；
上冲程悬点静载荷：
Wj1＝W'r+W'L (2-1)
下冲程悬点静载荷：
Wj2＝W'r (2-2)
其中，Wr'＝(ρr-ρL)gLpAr为抽油杆柱在井液中的重力，单位为KN；
W'L＝(ρLgLf+Pt-Pc)Ap-Pt Ar为动液面深度全柱塞面积上的液柱载荷，单位为KN；其中Lf为油井动液面深度，单位为m；Lp油井下泵深度，单位为m；
3)计算实测示功图的上下行程静载荷；
3.1)在悬点位移变化曲线上任取一区间，采用等距取样法，取五个样本点ti-2，ti-1，ti，ti+1，ti+2，分别对应悬点位移为Si-2，Si-1，Si，Si+1，Si+2；
3.2)根据公式(3-1)、公式(3-2)计算速度和加速度
3.3)根据公式(3-3)计算相邻位移绝对值差
|ΔS|＝|Si-Si-1| (3-3)
3.4)计算实测载荷
3.4.1)使用五点平均法求泵示功图任一离散点的横坐标平均值；
3.4.2)通过位移数据上离散点的横纵坐标的最大值和最小值：Xmax,Ymax；将泵示功图位移根据公式(3-5)进行归一化处理；
3.4.3)根据公式(3-6)计算泵示功图上各离散点的加速度ki；
3.4.4)采用五点法求加速度的平均值
以此提高算法的准确度；
3.4.5)分别求取上下冲程中ki＝0处对应的i的值，如果ki＞0,ki+1＜0或ki+1＞0,ki＜0，则求解出Fd和Fu；
4)计算理论变形量
4.1)在静载荷作用下抽油杆柱伸或缩的变形量可根据虎克定律确定：
其中为抽油杆弹性常数，单位kN-1；Ar为抽油杆柱截面积，m2，Lp位抽油杆柱长度，m2，对于m级组合杆柱，其平均值为
4.2)求取油管柱在静载荷作用下的变形量为
其中Et＝(EAt)-1为油管弹性常数，单位kN-1；At为油管金属截面积，m2；
4.3)求取总的变形量λ
本发明所述的异常示功图的识别方法，步骤S3所述的判断识别异常包括：载荷异常、位移单调性异常、位移载荷变化不一致异常、数据采集不同步异常和载荷波动异常。
本发明所述的异常示功图的识别方法，所述载荷异常的具体识别步骤为：根据公式
|ΔFu|＝|Wj1-Fu| (5-1)
|ΔFd|＝|Wj2-Fd| (5-2)
|ΔS|＝|SAmax-smax| (5-3)
其中SAmax为仿真最大位移，smax为实测最大位移；分析对比完整周期内实测与仿真悬点载荷变化规律和位移变化规律，判定载荷和位移变化的合理性，规定：|ΔS|≤δ1,则认为示功图正常，反之，为异常示功图；|ΔFu|≤δ2,|ΔFd|≤δ2,则认为示功图正常，反之，为异常示功图；δ为最小刻度值。
本发明所述的异常示功图的识别方法，所述位移单调性异常的具体识别步骤为：在悬点位移曲线上行程过程中，采用等时间取样法，任取n个样本点，t1，t2，……，tn，分别对应悬点位移为S1,S2,……,Sn，根据Si+1≥Si判断其单调性；下行程同理；在悬点位移曲线下行程过程中，采用等时间取样法，任取n个样本点，t1，t2，……，tn，分别对应悬点位移为S1,S2,……,Sn，根据Si+1≤Si判断其单调性；若单调则为正常，非单调则为异常。
本发明所述的异常示功图的识别方法，所述位移载荷变化不一致异常的具体识别步骤为：根据示功图得出在发生变形量为λ的情况下的载荷变化ΔF1，与理论示功图
ΔWL＝|Fi+1-Fi| (7-1)
依据公式(4-4)，计算λi
ΔSi＝|si+1-si| (7-2)
δi＝|ΔSi-λi| (7-3)
其中：δF＝10×0.5％·S，若δi＞δr,则认为示功图异常，反之，为正常示功图。
本发明所述的异常示功图的识别方法，通过建立抽油机的运行模型获取变化规律，同一个完整周期内的实测数据变化规律进行判断分析进行异常示功图的识别，可有效的剔除异常示功图，为油田的示功图数据分析奠定基础，对于示功图采集设备的开发提供理论支撑，为油田安全高效生产提供了保障，能够大幅度提高示功图判断井下工况的准确度，操作简单，适于推广应用。
附图说明
图1-1为曲柄背向支架旋转的抽油机四连杆机构简图；
图1-2为曲柄指向支架旋转的抽油机四连杆机构简图；
图2为仿真悬点位移曲线示意图；
图3为仿真悬点载荷曲线示意图；
图4为实测示功图的位移曲线示意图；
图5为实测示功图的载荷曲线示意图；
图6为实测示功图的位移曲线示意图
图7为实测示功图的载荷曲线示意图
图8为异常示功图示意图；
图9为图8所示异常示功图的判定方法示意图；
图10为载荷波动异常识别方法示意图；
其中：A-游梁前臂长度、C-游梁后臂长度、P-连杆长度、R-曲柄半径、I-游梁轴中心到曲柄轴中心的水平距离、χ-C与J的夹角、H-游梁轴中心到底座底部的高度、ρ-K与J的夹角、G-曲柄轴中心到底座底部的高速、ψ-C与K的夹角、K-游梁轴中心到曲柄轴中心的距离、J-曲柄轴中心到游梁轴中心的距离、β-游梁后壁C与连杆P之间的夹角、α-曲柄半径R与连杆P之间的夹角、θ-R与零度线的夹角即曲柄转角(0≤θ≤2π)、φ-零度线与K的夹角(曲柄初相角)、S-光杆位移(悬点位移)、F-光杆载荷(悬点载荷)、t-时间、A-游动凡尔的关闭点B-固定凡尔的开启点、C-固定凡尔的关闭点、D-游动凡尔的开启点、m1-抽油机上行程静载、m2-抽油机下行程静载。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明所述的异常示功图的识别方法进行详细说明。
本发明所述的异常示功图的识别方法，包括以下步骤：
S1、建立抽油机工作运行模型，对悬点载荷和位移进行仿真，得出变化规律；
S2、在一个完整周期内实测悬点载荷及位移的变化，得出其变化规律；
S3、通过将上述步骤S1与S2的变化规律进行比较判断识别异常示功图；判断识别异常包括：载荷异常、位移单调性异常、位移载荷变化不一致异常、数据采集不同步异常和载荷波动异常。
步骤S1、S2具体包括如下步骤：
1)计算抽油机的理论位移变化模型；
根据下述公式计算，建立抽油机工作运动模型，仿真悬点位移变化规律，如图1-1、图1-2、图2所示；
ψ＝χ+ρ (1-4)
SA＝TA(ψb-ψ) (1-8)
式中，D—曲柄旋转方向指数(规定以悬点处于下死点，曲柄背向支架旋转D＝1；曲柄指向支架旋转D＝-1；T--机型指数，常规性抽油机T＝1；前置式T＝-1)；如图1-1、图1-2所示的常规型抽油机和前置式抽油机的四连杆机构简图，参数获取为A—游梁前臂长度(m)；C—游梁后臂长度(m)；P—连杆长度(m)；R—曲柄半径(m)；I—游梁轴中心到曲柄轴中心的水平距离(m)；H—游梁轴中心到底座底部的高度(m)；G—曲柄轴中心到底座底部的高度(m)；
2)计算理论悬点静载荷；
上冲程悬点静载荷：Wj1＝W'r+W'L (2-1)
下冲程悬点静载荷：Wj2＝W'r (2-2)
其中，W'r＝(ρr+ρL+gLp)Ar为抽油杆柱在井液中的重力，单位为KN；
W'L＝ρLgLfAp为动液面深度全柱塞面积上的液柱载荷，单位为KN；Lf＝Lp-h；其中Lf为油井动液面深度，单位为m；Lp油井下泵深度，单位为m；
3)计算实测示功图的上下行程静载荷；
3.1)在悬点位移变化曲线上任取一区间，采用等距取样法，取五个样本点ti-2，ti-1，ti，ti+1，ti+2，分别对应悬点位移为Si-2，Si-1，Si，Si+1，Si+2；
3.2)根据公式(3-1)、公式(3-2)计算速度和加速度
3.3)根据公式(3-3)计算相邻位移绝对值差
|ΔS|＝|Si-Si-1| (3-3)
3.4)计算实测载荷
3.4.1)使用五点平均法求泵示功图任一离散点的横坐标平均值；
3.4.2)通过位移数据上离散点的横纵坐标的最大值和最小值：Xmax,Ymax；将泵示功图位移根据公式(3-5)进行归一化处理；
3.4.3)根据公式(3-6)计算泵示功图上各离散点的加速度ki；
3.4.4)采用五点法求加速度的平均值以此提高算法的准确度；
3.4.5)分别求取上下冲程中ki＝0处对应的i的值，如果ki＞0,ki+1＜0或ki+1＞0,ki＜0，则求解出Fd和Fu；
4)计算理论变形量
4.1)在静载荷作用下抽油杆柱伸或缩的变形量可根据虎克定律确定：
其中为抽油杆弹性常数，单位kN-1；Ar为抽油杆柱截面积，m2，Lp位抽油杆柱长度，m2，对于m级组合杆柱，其平均值为
4.2)求取油管柱在静载荷作用下的变形量为
其中Et＝(EAt)-1为油管弹性常数，单位kN-1；At为油管金属截面积，m2；
4.3)求取总的变形量λ
结合抽油机上下形成静载、建立抽油机理论载荷曲线，如图3所示，并进一步形成理论示功图。
载荷异常的具体识别步骤为：根据公式
|ΔFu|＝|Wj1-Fu| (5-1)
|ΔFd|＝|Wj2-Fd| (5-2)
|ΔS|＝|SAmax-smax| (5-3)
其中SAmax为公式(1-8)所计算出的仿真最大位移，smax为实测最大位移；分析对比完整周期内实测与仿真悬点载荷变化规律和位移变化规律，判定载荷和位移变化的合理性，规定：|ΔS|≤δ1,则认为示功图正常，反之，为异常示功图；|ΔFu|≤δ2,|ΔFd|≤δ2,则认为示功图正常，反之，为异常示功图；δ为最小刻度值。
位移单调性异常的具体识别步骤为：在悬点位移曲线上行程过程中，采用等时间取样法，任取n个样本点，t1，t2，……，tn，分别对应悬点位移为S1,S2,……,Sn，根据Si+1≥Si判断其单调性；下行程同理；在悬点位移曲线下行程过程中，采用等时间取样法，任取n个样本点，t1，t2，……，tn，分别对应悬点位移为S1,S2,……,Sn，根据Si+1≤Si判断其单调性；若单调则为正常，非单调则为异常。
位移载荷变化不一致异常的具体识别步骤为：根据示功图得出在发生变形量为λ的情况下的载荷变化ΔF1，与理论示功图，如图3所示，理论示功图为仿真载荷和仿真位移曲线形成。
ΔWL＝|Fi+1-Fi| (7-1)
依据公式(4-4)，计算λi
ΔSi＝|si+1-si| (7-2)
δi＝|ΔSi-λi| (7-3)
其中：δF＝10×0.5％·S，若δi＞δr,则认为示功图异常，反之，为正常示功图。
数据采集不同步异常的具体识别步骤为：
有以下两种情况：
当悬点位移曲线图和对应的悬点载荷曲线图分别如图4和图5所示，出现相差1/2的相位差，当位移曲线增加时，载荷曲线反而下降，出现减载情况，但是示功图显示正常，此种情况也认定其为异常示功图，主要原因是设备调制出错，上下死点位置取错，属于设备故障。
当悬点位移曲线图和对应的悬点载荷曲线图分别如图6和图7所示，出现1/2相位差，当位移曲线下降时，载荷曲线反而上升，出现加载现象，但是示功图能够形成闭合曲线，此种情况也认定其为异常示功图，上、下死点取错，依然属于仪表故障问题。
载荷波动异常的具体识别步骤为：
若实测示功图如图8所示，出现类似波动形状的示功图，判定方法如下：
计算柱塞凡尔开闭点的具体步骤：(1)使用五点平均法求泵示功图任一离散点的坐标平均值；
(2)求出泵示功图上离散点的横纵坐标的最大值和最小值：Xmax,Ymax,Xmin,Ymin；
(3)将示功图进行归一化处理；
(4)把归一化处理后的示功图沿柱塞冲程展开，示功图由闭合曲线变成单值曲线，将原来在区间S∈[0,1]上的闭合曲线单值进行展开成了在区间S∈[0,2]上的单值曲线F(S)。
(5)计算曲率：三点可以近似为连续的曲线，利用泵示功图上任意离散点Xi(xi,yi)和其前一点Xi-1(xi-1,yi-1)与其相邻的后一点Xi+1(xi+1,yi+1)三点之间建立的几何关系来计算出该点的曲率。
式(8-3)为求任一离散点曲率的数学模型，其中任意三角形的面积SΔ可以由海伦公式计算得出；根据公式(8-3)计算示功图上各离散点的曲率值Ki；据此求得任一离散点的曲率Ki及其后一离散点的曲率Ki+1的曲率变化量δi＝|Ki+1-Ki|。
(6)采用五点法根据(8-4)求曲率变化量的平均值，来提高算法的准确度：
(7)按照高低载荷进行了分段，分别寻找曲率变化最大的点，这些点即为阀的开闭点。在区间S∈[0,1],F∈[0.8,1.0]上依次找出曲率变化最大的两个点A(Xma,Yma)和B(Xmb,Ymb)，判定A点为固定阀的开启点，B点为固定阀的关闭点，类似地，在区间S∈[1,2]，F∈[0,0.2]上依次找出曲率变化最大的两个点C(Xmc,Ymc)，D(Xmd,Ymd)，判定C点为游动阀的开启点，D点为游动阀的关闭点。
如图9将示功图等分为三部分，规定：上行程过程中，示功图波动不能低于m1线，下行程过程中，示功图波动不能超过m2线，反之，认定其为异常示功图，其中，m1线为2/3动液面深度全柱塞面积上的液柱载荷W'L，m2线为1/3动液面深度全柱塞面积上的液柱载荷W'L，若W'L≤9kN，则规定上、下冲程的波动范围均不能超过3kN，反之，认定为异常示功图，主要原因是仪表故障。
通过相邻两点之间的载荷波动范围来进行识别的具体操作如下：
如图10所示，任取相邻两波动点(除上下死点位置附近(15％范围以内))，以图10中A、B两点为例，A点对应载荷F1，B点对应载荷F2，计算载荷差：ΔFN＝|F1-F2|；判断ΔFN＜δ3是否成立，若成立，则认为示功图正常，反之，则示功图异常。
其中，规定：δ3＝10％×W'L，单位kN，W'L＝ρLgLfAp，为动液面深度全柱塞面积上的液柱载荷，单位为kN，其中Lf＝Lp-h，为动液面深度，单位为m。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。本领域的普通技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种异常示功图的识别方法，其特征在于包括：建立抽油机工作运动模型，对悬点载荷及位移进行仿真得出其变化规律；与一个完整周期内的实测悬点载荷及位移的变化规律进行比较判断，识别异常示功图。
2.根据权利要求1所述的异常示功图的识别方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、建立抽油机工作运行模型，对悬点载荷和位移进行仿真，得出变化规律；
S2、在一个完整周期内实测悬点载荷及位移的变化，得出其变化规律；
S3、通过将上述步骤S1与S2的变化规律进行比较判断识别异常示功图。
3.根据权利要求2所述的异常示功图的识别方法，其特征在于：步骤S1、S2具体包括如下步骤：
1)计算抽油机的理论位移变化模型；
2)计算理论悬点静载荷；
上冲程悬点静载荷：Wj1＝W′r+W′L (2-1)
下冲程悬点静载荷：Wj2＝W′r (2-2)
其中，W′r＝(ρr-ρL)gLpAr为抽油杆柱在井液中的重力，单位为KN；
W′L＝(ρLgLf+Pt-Pc)Ap-PtAr为动液面深度全柱塞面积上的液柱载荷，单位为KN；其中Lf为油井动液面深度，单位为m；Lp油井下泵深度，单位为m；
3)计算实测示功图的上下行程静载荷；
3.1)在悬点位移变化曲线上任取一区间，采用等距取样法，取五个样本点ti-2，ti-1，ti，ti+1，ti+2，分别对应悬点位移为Si-2，Si-1，Si，Si+1，Si+2；
3.2)根据公式(3-1)、公式(3-2)计算速度和加速度
3.3)根据公式(3-3)计算相邻位移绝对值差
|ΔS|＝|Si-Si-1| (3-3)
3.4)计算实测载荷
3.4.1)使用五点平均法求泵示功图任一离散点的横坐标平均值；
3.4.2)通过位移数据上离散点的横纵坐标的最大值和最小值：Xmax,Ymax；将泵示功图位移根据公式(3-5)进行归一化处理；
3.4.3)根据公式(3-6)计算泵示功图上各离散点的加速度ki；
3.4.4)采用五点法求加速度的平均值以此提高算法的准确度；
3.4.5)分别求取上下冲程中ki＝0处对应的i的值，如果ki＞0,ki+1＜0或ki+1＞0,ki＜0，则求解出Fd和Fu；
4)计算理论变形量
4.1)在静载荷作用下抽油杆柱伸或缩的变形量可根据虎克定律确定：
其中为抽油杆弹性常数，单位kN-1；Ar为抽油杆柱截面积，m2，Lp位抽油杆柱长度，m2，对于m级组合杆柱，其平均值为
4.2)求取油管柱在静载荷作用下的变形量为
其中Et＝(EAt)-1为油管弹性常数，单位kN-1；At为油管金属截面积，m2；
4.3)求取总的变形量λ
4.根据权利要求3所述的异常示功图的识别方法，其特征在于：步骤S3所述的判断识别异常包括：载荷异常、位移单调性异常、位移载荷变化不一致异常、数据采集不同步异常和载荷波动异常。
5.根据权利要求4所述的异常示功图的识别方法，其特征在于：所述载荷异常的具体识别步骤为：根据公式
|ΔFu|＝|Wj1-Fu| (5-1)
|ΔFd|＝|Wj2-Fd| (5-2)
|ΔS|＝|SAmax-smax| (5-3)
其中SAmax为仿真最大位移，smax为实测最大位移；分析对比完整周期内实测与仿真悬点载荷变化规律和位移变化规律，判定载荷和位移变化的合理性，规定：|ΔS|≤δ1,则认为示功图正常，反之，为异常示功图；|ΔFu|≤δ2,|ΔFd|≤δ2,则认为示功图正常，反之，为异常示功图；δ为最小刻度值。
6.根据权利要求4所述的异常示功图的识别方法，其特征在于：所述位移单调性异常的具体识别步骤为：在悬点位移曲线上行程过程中，采用等时间取样法，任取n个样本点，t1，t2，……，tn，分别对应悬点位移为S1,S2,……,Sn，根据Si+1≥Si判断其单调性；下行程同理；在悬点位移曲线下行程过程中，采用等时间取样法，任取n个样本点，t1，t2，……，tn，分别对应悬点位移为S1,S2,……,Sn，根据Si+1≤Si判断其单调性；若单调则为正常，非单调则为异常。
7.根据权利要求4所述的异常示功图的识别方法，其特征在于：所述位移载荷变化不一致异常的具体识别步骤为：根据示功图得出在发生变形量为λ的情况下的载荷变化ΔF1，与理论示功图
ΔWL＝|Fi+1-Fi| (7-1)
依据公式(4-4)，计算λi
ΔSi＝|si+1-si| (7-2)
δi＝|ΔSi-λi| (7-3)
其中：δF＝10×0.5％·S，若δi＞δr,则认为示功图异常，反之，为正常示功图。
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