利用電功率曲線對抽油機(jī)井進(jìn)行工況診斷

1、利用電功率曲線對抽油機(jī)井進(jìn)行工況診斷*陳（燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）摘要：針對。關(guān)鍵詞：抽油機(jī)；實測電功率；特征參數(shù)；工況診斷；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1 引言目前對于抽油機(jī)井工況的示功圖診斷技術(shù)已有較多研究，通過示功圖基本能夠判斷出油井的工作狀況1-2。然而示功圖的測量比較繁瑣，因此人們提出了通過測量電參數(shù)直接判斷油井工況的思想3。抽油機(jī)電參數(shù)是比較容易測得的物理量，并且當(dāng)工況發(fā)生變化時，懸點(diǎn)載荷同樣發(fā)生變化，進(jìn)而引起電參數(shù)的變化，所以電參數(shù)與油井工況之間存在著必然的聯(lián)系。文獻(xiàn)3只是對基于實測電參數(shù)的油井工況診斷技術(shù)給出了定性分析，并沒有建立相應(yīng)的模型。筆者通過統(tǒng)計分析，得到了不同工況實測電功率曲線的變化規(guī)

2、律，并建立了描述油井工況的電功率曲線特征參數(shù)計算模型。2 不同工況電功率曲線特征本文根據(jù)某油田數(shù)千口油井的實測數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計分析，將油井不同工況的電功率曲線分類，并與正常工況電功率曲線進(jìn)行對比，得到了不同工況的電功率曲線特征及描述其特征的參數(shù)計算模型。各種工況的電功率曲線特征及其計算模型分別如下。2.1正常工況電功率曲線特征對于正常工作的油井，上沖程時，抽油機(jī)在電動機(jī)和平衡塊的共同作用下提升桿柱；下沖程時，電動機(jī)的能量一部分克服懸點(diǎn)載荷，一部分存儲在平衡塊中。功率曲線如圖1所示。功率曲線在上沖程和下沖程分別有一個峰值，對于平衡度較好的抽油機(jī)，電動機(jī)在抽油機(jī)上沖程和下沖程時所做的功一致，其兩個峰

3、值的比值在0.81.2之間。圖1 正常工況電功率曲線特征2.2供液不足電功率曲線特征供液不足時，抽油機(jī)下沖程懸點(diǎn)載荷無法立即卸載，而是經(jīng)過一段時間后才開始卸載。通過統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)電動機(jī)功率曲線在抽油機(jī)下沖程時發(fā)生突變，為便于對電功率曲線特征做統(tǒng)計分析，將電功率及曲柄轉(zhuǎn)角做歸一化處理，圖2為供液不足電功率歸一化曲線。圖2 供液不足電功率歸一化圖形從圖中可以看到，電功率曲線在曲柄轉(zhuǎn)角歸一化橫坐標(biāo)區(qū)間(0.8,0.9)內(nèi)有一明顯的突變。圖3為電功率的斜率曲線，從斜率曲線可以看到在功率曲線突變處的斜率明顯高于其它點(diǎn)。圖3 供液不足電功率斜率通過分析實測電功率與懸點(diǎn)示功圖，發(fā)現(xiàn)電功率發(fā)生突變的位置與懸點(diǎn)

4、載荷延遲卸載的位置正好對應(yīng)，可見電功率在此發(fā)生的突變的確是懸點(diǎn)載荷延遲卸載引起的。根據(jù)其特征，首先判斷電功率曲線斜率的最大值是否在曲柄轉(zhuǎn)角的歸一化橫坐標(biāo)區(qū)間(0.6,0.9)內(nèi)，用特征參數(shù)TZ1表示，值為1或0；其次計算斜率最大值與平均功率的差值，將此差值與斜率最大值的比值記為特征參數(shù)TZ2。供液不足的判斷依據(jù)為. (1)式中 TZ2min1設(shè)定的邊界值，根據(jù)該油田所給油井?dāng)?shù)據(jù)，統(tǒng)計計算得該值為0.66。2.3柱塞上碰泵電功率曲線特征在抽油機(jī)上沖程結(jié)束時，由于柱塞突然撞擊泵筒，泵筒給柱塞一個沖擊載荷。通過統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)在上沖程對應(yīng)曲柄轉(zhuǎn)角歸一化橫坐標(biāo)區(qū)間(0.4,0.5)內(nèi)，電功率產(chǎn)生了一個尖

5、峰，如圖4所示。而正常工況的電功率曲線在該區(qū)間內(nèi)比較光滑。圖4 上碰泵電功率歸一化圖形從電功率的斜率曲線上更能清楚得看到此突變處的斜率明顯高于其它點(diǎn)，如圖5所示。圖5 上碰泵電功率斜率根據(jù)其特征，首先判斷功率曲線斜率的最大值是否在曲柄轉(zhuǎn)角的歸一化橫坐標(biāo)區(qū)間(0.4,0.5)內(nèi)，用特征參數(shù)TZ3表示，值為1或0；其次用特征值TZ2描述該斜率最大值與平均斜率的關(guān)系。上碰泵的判斷依據(jù)為 (2)式中 TZ2min2設(shè)定的邊界值，根據(jù)該油田所給油井?dāng)?shù)據(jù)，統(tǒng)計計算得該值為0.5。2.4柱塞卡死電功率曲線特征通過統(tǒng)計分析，柱塞卡死時，電動機(jī)的功率曲線總體呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢，功率最大值出現(xiàn)在上死點(diǎn)附近，

6、如圖6所示。圖6 柱塞卡死電功率歸一化圖形圖7為柱塞卡死時的電功率斜率曲線，從圖中可以看到，在上沖程時，斜率大部分為正值，而下沖程時，斜率大部分為負(fù)值。圖7 柱塞卡死電功率斜率根據(jù)其特征，將上沖程功率曲線的斜率大于零的點(diǎn)與總點(diǎn)數(shù)的比值設(shè)為特征參數(shù)TZ4，將下沖程功率曲線斜率小于零的點(diǎn)與總點(diǎn)數(shù)的比值設(shè)為特征參數(shù)TZ5。柱塞卡死的判斷依據(jù)為 (3)式中 TZ4min設(shè)定的邊界值，根據(jù)該油田所給油井?dāng)?shù)據(jù)，統(tǒng)計計算得該值為0.4。TZ5min設(shè)定的邊界值，根據(jù)該油田所給油井?dāng)?shù)據(jù)，統(tǒng)計計算得該值為0.38。2.4抽油桿斷脫電功率曲線特征通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)抽油桿斷脫時，電動機(jī)的平均功率都比較低，將電動機(jī)

7、平均功率與額定功率的比值TZ6設(shè)為抽油桿斷脫的電功率曲線特征參數(shù)。抽油桿斷脫的判斷依據(jù)為 (4)式中 TZ6max設(shè)定的邊界值，根據(jù)該油田所給油井?dāng)?shù)據(jù)，統(tǒng)計計算得該值為0.2。3 油井工況診斷實例分析4 結(jié)論(1)綜合考慮抽油機(jī)平衡方式、傳動效率、運(yùn)動件慣性對系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)的影響，基于地面?zhèn)鲃友b置等效動力學(xué)模型，建立了懸點(diǎn)載荷與實測電功率之間關(guān)系的仿真模型；以懸點(diǎn)載荷扭矩誤差平方和最小為優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)，建立了懸點(diǎn)載荷扭矩的優(yōu)化模型，建立了以傅里葉級數(shù)形式表示的懸點(diǎn)載荷仿真模。(2)本文擬合得到的懸點(diǎn)示功圖與實測示功圖對比表明，兩曲線相對誤差在10%以內(nèi)。基于最小二乘擬合原理提出的計算懸點(diǎn)示功圖的仿真算法具有較高的仿真精度，并且在懸點(diǎn)上、下死點(diǎn)收斂，能夠滿足工程實際要求。(3)通過對比優(yōu)化前后的擬合示功圖，可以看到優(yōu)化懸點(diǎn)載荷扭矩可以提高示功圖的擬合精度，利用電功率對示功圖進(jìn)行仿真計算時有必要對懸點(diǎn)載荷扭矩進(jìn)行優(yōu)化。參 考 文 獻(xiàn)1 韓國慶，吳曉東，毛鳳英，等. 示功圖識別技術(shù)在有桿泵工況診斷中的應(yīng)用J. 石油鉆采工藝，2003，25（5）：70-74.2 馮娜娜. 抽油機(jī)井泵況智能診斷方法研究D. 秦皇島：燕山大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006：57-66.3 趙海濤，史明義，檀朝東，等. 抽油機(jī)井綜合利用多元數(shù)據(jù)進(jìn)行工況診斷的研究J. 中國石油和化工，2009（3）：48-5