CN111173500B - 油田抽油机工况无线数据采集与监控*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种油田抽油机工况无线数据采集与监控***，包括监控中心和检测设备，检测设备包括抽油机的电动机噪声检测装置、底座振动检测装置、支架摆动检测装置和支架振动检测装置，监控中心与检测设备无线通讯连接，用于根据检测设备检测到的信号获取抽油机的故障类型，获取方法为：获取抽油机故障模型库；在抽油机工作时检测其电动机的噪声信号，判断电动机的噪声信号是否均匀；如果电动机的噪声不均匀，获取抽油机的抽油机工况频谱图；结合所述抽油机故障模型库中存储的抽油机工况频谱图得到抽油机的故障类型。本发明所提供的技术方案能够对抽油机自身的故障进行自动检测，解决现有技术对抽油机自身故障进行检测时工作效率低的问题。
Description
技术领域
本发明属于油田抽油机的监控技术领域，具体涉及一种油田抽油机工况无线数据采集与监控***。
背景技术
抽油机是开采石油的一种机器设备，俗称“磕头机”。抽油机是有杆抽油***中最主要举升设备，其工作原理是由动力机供给动力，经减速器将动力机的高速转动变为抽油机曲柄的低速转动，并由曲柄—连杆—游梁机构将旋转运动变为抽油机驴头的上、下往复运动，经悬绳器总成带动深井泵工作。
抽油机的主要部件有提供动力的动力机；传递动力并降低速度的减速器；传递动力并将旋转运动变成往复运动的四杆机构；传递动力并保证光杆做往复直线运动的驴头及悬绳器总成；使抽油机能停留在任意位置的刹车装置以及为使动力机能在一个较小的负载变化范围内工作的平衡装置等。
根据抽油机是否有游梁，可分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。游梁式抽油机，也称梁式抽油机、游梁式曲柄平衡抽油机，指含有游梁，通过连杆机构换向，曲柄重块平衡的抽油机，俗称磕头机。从采油方式上为有杆类采油设备，从采油方式上可分为两类，即有杆类采油设备和无杆类采油设备。
目前，对抽油机井的故障判断主要依赖示功图，示功图是悬点载荷同悬点位移之间的关系曲线图，测示功图的工具为动力仪。示功图是指反映深井泵工作状况好坏，由专门的仪器测出，画在坐标图上，被封闭的线段所围成的面积表示驴头在一次往复运动中抽油机所做的功的图纸。
但是示功图是对油田抽油机井的故障检测，并不能反映出抽油机自身的工况，抽油机自身有很多传动和负载设备，一旦出现故障将无法继续抽油。目前对抽油机自身故障的检测方法，是在抽油机出现故障时对其进行人工检测，检测的效率比较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种油田抽油机工况无线数据采集与监控***，以解决现有技术抽油机自身故障时工作效率较低的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
油田抽油机工况无线数据采集与监控***，包括监控中心和检测设备，检测设备包括抽油机的电动机噪声检测装置、底座振动检测装置、支架摆动检测装置和支架振动检测装置，所述监控中心与检测设备无线通讯连接，用于根据检测设备检测到的信号获取抽油机的故障类型，获取方法包括如下步骤：
(1)获取抽油机故障模型库；
所述抽油机故障模型库存储有各类故障状态下抽油机工况频谱图，抽油机工况频谱图包括抽油机支架摆动的频谱图、底座振动的频谱图和支架振动的频谱图；
(2)在抽油机工作时检测其电动机的噪声信号，判断电动机的噪声信号是否均匀；
(3)如果电动机的噪声不均匀，获取抽油机的抽油机工况频谱图；结合所述抽油机故障模型库中存储的抽油机工况频谱图得到抽油机的故障类型。
进一步的，所述抽油机故障模型库中的故障类型包括地基建筑不牢固、底座与基础接触不实有缝隙、支架地板与底座接触不实、驴头-井口对中误差大、悬点载荷过重超载、平衡率不够、井下抽油泵刮卡现象或出砂严重、减速器齿轮打齿。
进一步的，所述步骤(3)中，计算抽油机工况频谱图与抽油机故障类型库中各抽油机工况频谱图之间的相似度，将其中相似度最高的工况频谱图故障类型作为抽油机的故障类型。
进一步的，首先将检测到的抽油机工况频谱图以及抽油机故障类型库中各类故障状态下抽油机的工况频谱图转化为直方图，然后根据直方图计算所述相似度。
进一步的，获取抽油机故障模型库的方法为：
在各类故障状态下每间隔设定时间对抽油机的支架摆动幅值、支架的振动幅值和底座的振动幅值进行一次检测；
在第一检测周期内对抽油机进行第一设定次数的检测，得到抽油机在一个第一检测周期内的支架摆动幅值、支架的振动幅值和底座的振动幅值；
获取连续第二设定次数第一检测周期内抽油机支架摆动幅值、支架的振动幅值和底座的振动幅值，计算各第一检测周期对应检测检测时刻支架摆动幅值、支架的振动幅值和底座的振动幅值的平均值，将其作为抽油机故障模型库中相应的幅值。
进一步的，判断电动机噪声是否均匀的方法为：
对发动机的噪声信号进行检测，判断连续两个第二检测周期内噪声信号是否一致，如果不一致则继续进行检测；
如果连续第三设定数量的第二检测周期内噪声信号都不一致，则判断为发动机的噪声不均匀。
进一步的，所述支架振动检测装置、电动机噪声检测装置、底座振动检测装置和支架摆动检测装置均包括相应的控制器，各控制器连接有无线通讯模块及相应的检测传感器。
进一步的，还包括用于检测抽油机电动机电压和电流的电动机供电检测装置，所述监控中心还用于根据电动机的电压和电流判断其供电状态十分异常；所述步骤(2)中检测到电动机的噪声信号是否均匀后先判断电动机的供电状态十分异常，当电动机的供电状态正常时再执行所述步骤(3)。
本发明所提供的技术方案，根据抽油机的支架摆动信号、底座振动信号和支架振动信号判断抽油机的故障类型，能够准确得到抽油机自身的类型。本发明所提供的技术方案能够对抽油机自身的故障进行自动检测，解决现有技术对抽油机自身故障进行检测时工作效率低的问题。
附图说明
图1是本发明实施例中油田抽油机工况无线数据采集与监控***的结构示意图；
图2是本发明实施例中判断抽油机故障类型的流程图。
具体实施方式
本实施例提供一种油田抽油机工况无线数据采集与监控***，根据抽油机底座的振动信号、支架的摆动信号和振动信号判断抽油机的故障类型，解决现有技术抽油机自身故障时工作效率较低的问题。
本实施例所提供的油田抽油机工况无线数据采集与监控***，其结构如图1所示，包括监控中心、电动机噪声检测装置、底座振动检测装置、支架摆动检测装置和支架振动检测装置。监控中心设置有上位机，上位机连接有总无线通讯模块，通过总无线通讯模块与电动机噪声检测装置、底座振动检测装置、支架摆动检测装置和支架振动检测装置无线通讯连接。
电动机噪声检测装置设置在抽油机的电动机处，用于检测电动机的噪声信号；底座振动检测装置设置在抽油机的底座上，用于检测抽油机底座的振动信号；支架摆动检测装置和支架振动检测装置设置在抽油机的支架上，分别用于检测抽油机支架的摆动信号和振动信号。
监控中心的上位机从电动机噪声检测装置、底座振动检测装置、支架摆动检测装置和支架振动检测装置获取抽油机电动机的噪声信号、底座的振动信号以及支架的振动信号和摆动信号，并根据这些信号判断抽油机的故障类型。
上位机根据底座的振动信号以及支架的振动信号和摆动信号判断抽油机故障类型的方法的流程如图2所示，包括如下步骤：
(1)获取抽油机故障模型库。
抽油机故障模型库中存储有各类故障状态下抽油机的工况频谱图，其中故障的类型包括地基建筑不牢固、底座与基础接触不实有缝隙、支架地板与底座接触不实、驴头-井口对中误差大、悬点载荷过重超载、平衡率不够、井下抽油泵刮卡现象或出砂严重、减速器齿轮打齿。
抽油机的工况频谱图包括在上述各类型故障状态下抽油机支架摆动的频谱图、底座振动的频谱图和支架振动的频谱图。
获取抽油机故障模型库中各类故障状态下抽油机的工况频谱图的方法是：
在上述各类故障状态下，每间隔设定时间对抽油机的支架摆动幅值、支架振动幅值和底座振动幅值进行一次检测；
一个第一检测周期内对抽油机的支架摆动幅值、支架振动幅值和底座振动幅值进行第一设定数量的检测，从而得到一个第一检测周期内抽油机的支架摆动幅值、支架振动幅值和底座振动幅值；
按照上述方法连续监测到第二设定数量第一检测周期内的抽油机的支架摆动幅值、支架振动幅值和底座振动幅值，将各第一检测周期内相应检测时间点的数据进行平均求解，从而得到一个第一检测周期内抽油机的支架摆动幅值、支架振动幅值和底座振动幅值，进而得到抽油机的工况频谱图。
如以抽油机的支架振动幅值为例，设一个第一检测周期内检测100次抽油机支架的振动幅值，每次检测的间隔为0.01秒，连续检测20个第一检测周期的抽油机支架振动幅值，则计算各第一检测周期内相同检测次数检测到的抽油机支架振动幅值的平均值，从而计算出一个第一检测周期内各次抽油机支架的振动幅值，根据该第一检测周期内抽油机支架的振动幅值得到的频谱图即为抽油机故障模型库中抽油机支架振动的频谱图。
(2)在抽油机工作时检测其电动机的噪声信号，判断抽油机电动机的噪声信号是否均匀。
判断抽油机电动机噪声信号是否均匀的方法为：
对抽油机电动机的噪声信号进行检测，得到一个第二检测周期内抽油机电动机的噪声信号；
判断连续两个第二检测周期内电动机的噪声信号是否一致，如果不一致，则对其进行第三设定数量第二检测周期的噪声信号是否一致；
如果不一致，则判断其为抽油机电动机的噪声信号不均匀。
(3)当抽油机电动机的噪声信号不均匀时，检测抽油机支架的摆动信号、振动信号以及底座的振动信号，得到机支架摆动的频谱图、振动频谱的图以及底座振动的频谱图，将其与抽油机故障模型库中存储的各类故障状态下抽油机工况频谱图进行比对，得到其中相似度最高的故障类型，将其作为抽油机的故障类型。
相似度的计算方法为：
获取抽油机故障模型库中各类型故障下抽油机的工况频谱图，得到各类故障状态下抽油机支架摆动、支架振动和底座振动的直方图；
根据检测到的抽油机支架摆动、支架振动和底座振动的频谱图得到支架摆动、支架振动和底座振动的直方图，结合抽油机故障模型库计算相似度。
根据抽油机支架摆动幅值、支架振动幅值和底座振动幅值与时间的对应关系获取相应的直方图，获取方法是：将第一检测周期划分为连续的第四设定数量的时间间隔，每间隔读取一个相应的幅值，将其作为该时间间隔的幅值，从而得到抽油机支架摆动、支架振动和底座振动的直方图。
以获取抽油机支架振动的直方图为例，将第一检测周期划分为10个时间段，从频谱图上各时间段对应的抽油机支架振动幅值中选取一个振动幅值，将其作为获取该段时间内的抽油机支架的振动幅值，从而得到各时间段的振动幅值，进而得到第一检测周期内支架振动的直方图。
计算两个直方图之间相似度的方法为：
计算两个直方图相应时间段内的相似度，从而得到在检测周期内各时间段直方图的相似度；
设其中一个直方图中一个时间段的幅值为n1，另一直方图中对应时间段的幅值为n2，则两个直方图在该时间段内的相似度为
m＝|n1-n2|/n1
计算两个直方图中各时间段直方图相似度的平均值，将其作为两个直方图整体的相似度。
进一步的，在检测设备中还设置有电动机供电检测装置，电动机供电装置用于检测电动机的供电电压和供电电流，根据电动机的供电电压和供电电流判断其供电是否稳定；判断电动机供电是否稳定的方法是，判断其供电电流是否稳定、供电电压是否稳定以及是否存在三相不平衡；当电动机的供电电流不稳定、供电电压不稳定或者存在三相不平衡时，即可判断为电动机的供电不稳定。上述判断抽油机故障类型的方法中，当检测到抽油机的电动机的噪声信号不均匀时，首先判断其供电是否稳定，如果稳定则执行上述步骤(3)，否则不执行上述步骤(3)。
本实施例中支架振动检测装置包括第一检测控制器，第一检测控制器连接有第一无线通讯模块和第一振动传感器，第一无线通讯模块用于无线通讯连接监控中心；第一检测控制器通过第一振动传感器检测抽油机支架的振动信号，并将其通过第一无线通讯模块发送给监控中心。
本实施例中支架振动检测装置包括第一检测控制器，第一检测控制器连接有第一无线通讯模块和第一振动传感器，第一无线通讯模块用于无线通讯连接监控中心；第一检测控制器通过第一振动传感器检测抽油机支架的振动信号，并将其通过第一无线通讯模块发送给监控中心。
本实施例中底座振动检测装置包括第二检测控制器，第二检测控制器连接有第二无线通讯模块和第二振动传感器，第二无线通讯模块用于无线通讯连接监控中心；第二检测控制器通过第二振动传感器检测抽油机底座的振动信号，并将其通过第二无线通讯模块发送给监控中心。
本实施例中电动机噪声检测装置包括第三检测控制器，第三检测控制器连接有第三无线通讯模块和噪声检测模块，第三无线通讯模块用于无线通讯连接监控中心；第三检测控制器通过噪声检测模块检测抽油机电动机的噪声信号，并将其通过第三无线通讯模块发送给监控中心。
本实施例中支架振动检测装置包括第四检测控制器，第四检测控制器连接有第四无线通讯模块、陀螺仪和位移传感器，第四无线通讯模块用于无线通讯连接监控中心；第四检测控制器通过陀螺仪检测抽油机支架的摆动方向和角度，通过位移传感器检测抽油机支架的摆动幅度，并将其通过第四无线通讯模块发送给监控中心。
本实施例中采用直方图的方式计算频谱图之间的相似度，作为其他实施方式，可以采用其他的方法计算两个频谱图之间的相似度，如对两个频谱图分别进行拟合，分别得到其拟合方程式，然后通过比较两个方程式之间的相似度计算其相似度等。
本实施例中的总无线通讯模块、第一无线通讯模块、第二无线通讯模块、第三无线通讯模块、第四无线通讯模块均为基于ZigBee模块的无线通讯模块。
以上公开的本发明的实施例只是用于帮助阐明本发明的技术方案，并没有尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.油田抽油机工况无线数据采集与监控***，其特征在于，包括监控中心和检测设备，检测设备包括抽油机的电动机噪声检测装置、底座振动检测装置、支架摆动检测装置和支架振动检测装置，所述监控中心与检测设备无线通讯连接，用于根据检测设备检测到的信号获取抽油机的故障类型，获取方法包括如下步骤：
(1)获取抽油机故障模型库；
所述抽油机故障模型库存储有各类故障状态下抽油机工况频谱图，抽油机工况频谱图包括抽油机支架摆动的频谱图、底座振动的频谱图和支架振动的频谱图；
(2)在抽油机工作时检测其电动机的噪声信号，判断电动机的噪声信号是否均匀；
(3)如果电动机的噪声不均匀，获取抽油机的抽油机工况频谱图；结合所述抽油机故障模型库中存储的抽油机工况频谱图得到抽油机的故障类型；
获取抽油机故障模型库的方法为：
在各类故障状态下每间隔设定时间对抽油机的支架摆动幅值、支架的振动幅值和底座的振动幅值进行一次检测；
在第一检测周期内对抽油机进行第一设定次数的检测，得到抽油机在一个第一检测周期内的支架摆动幅值、支架的振动幅值和底座的振动幅值；
获取连续第二设定次数第一检测周期内抽油机支架摆动幅值、支架的振动幅值和底座的振动幅值，计算各第一检测周期对应检测时刻支架摆动幅值、支架的振动幅值和底座的振动幅值的平均值，将其作为抽油机故障模型库中相应的幅值；
判断电动机噪声是否均匀的方法为：
对发动机的噪声信号进行检测，判断连续两个第二检测周期内噪声信号是否一致，如果不一致则继续进行检测；
如果连续第三设定数量的第二检测周期内噪声信号都不一致，则判断为发动机的噪声不均匀。
2.根据权利要求1所述的油田抽油机工况无线数据采集与监控***，其特征在于，所述抽油机故障模型库中的故障类型包括地基建筑不牢固、底座与基础接触不实有缝隙、支架地板与底座接触不实、驴头-井口对中误差大、悬点载荷过重超载、平衡率不够、井下抽油泵刮卡现象或出砂严重、减速器齿轮打齿。
3.根据权利要求1所述的油田抽油机工况无线数据采集与监控***，其特征在于，所述步骤(3)中，计算抽油机工况频谱图与抽油机故障类型库中各抽油机工况频谱图之间的相似度，将其中相似度最高工况频谱图所对应的故障类型作为抽油机的故障类型。
4.根据权利要求3所述的油田抽油机工况无线数据采集与监控***，其特征在于，首先将检测到的抽油机工况频谱图以及抽油机故障类型库中各类故障状态下抽油机的工况频谱图转化为直方图，然后根据直方图计算所述相似度。
5.根据权利要求1所述的油田抽油机工况无线数据采集与监控***，其特征在于，所述支架振动检测装置、电动机噪声检测装置、底座振动检测装置和支架摆动检测装置均包括相应的控制器，各控制器连接有无线通讯模块及相应的检测传感器。
6.根据权利要求1所述的油田抽油机工况无线数据采集与监控***，其特征在于，还包括用于检测抽油机电动机电压和电流的电动机供电检测装置，所述监控中心还用于根据电动机的电压和电流判断其供电状态十分异常；所述步骤(2)中检测到电动机的噪声信号是否均匀后先判断电动机的供电状态十分异常，当电动机的供电状态正常时再执行所述步骤(3)。
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2020
- 2020-01-06 CN CN202010010037.8A patent/CN111173500B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
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