一种皮带式抽油机实时工况诊断方法与流程

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一种皮带式抽油机实时工况诊断方法与制造工艺

本发明属于采油设备工况诊断技术领域,具体涉及一种皮带式抽油机实时工况诊断方法。



背景技术:

皮带式抽油机是一种长冲程、慢冲次、纯机械传动的无游梁抽油机,由于其良好的采油工艺性能和可靠的机械性能,在油田得到了广泛应用,为油田创造了较好的经济效益。皮带式抽油机具有如下特点:重负荷、长冲程、低冲次;整机100%机械传动,折叠结构,具有操作简单,安装、运输方便,运行安全的特点;手刹车可靠性高,操作方便;节能效果好;管理简单、维护方便;皮带机具有电磁自动刹车保护系统。皮带式抽油机既可以实现探抽,也可以进行大排量提液,还特别适合稠油井的开采,其完善的配套工艺和不断的技术升级能够不断地满足各种工况的油井,具有高效、安全、可靠和节能的特点。

但是,在皮带式抽油机广泛应用的同时,由于现场缺乏相应的工况诊断方法,无法对皮带式抽油机的生产进行实时精细的监测,使得井下及地面的异常情况不能及时发现和判断处理,给现场带来极大的损失。

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。通过示功图可以测出抽油泵在提升过程中的最大载荷和最小载荷,以及增载、卸载等的变化情况,且利用示功图也可以判断出抽油机故障情况。但是,目前对示功图的分析主要依赖于人工或利用简单的几何分析来判断,人工分析严重依赖现场工作人员的丰富经验且效率低下,而几何分析法无法对复杂的功图形状进行准确判断,因此准确度不高。

电功图由于具备测取方便,安装及维护成本低,分辨率高,信息反应全面,既能反应井下情况,也能反应地面情况,且能够长期连续测量等诸多优点,因此,它的应用越来越受各油田的重视。然而目前,电功图在油田的应用状况较为局限,电功图的优点没有得到充分的普及与利用,尤其是在油井工况诊断方面。



技术实现要素:

本发明的目的是提供一种基于电功图的皮带式抽油机实时工况诊断方法。

为了实现以上目的,本发明所采用的技术方案是:

一种皮带式抽油机实时工况诊断方法,包括下列步骤:

1)对皮带式抽油机的悬点运动模型进行分析和计算,得到悬点速度与位移的关系,建立皮带式抽油机的功率和悬点载荷转化模型;

2)根据步骤1)所得的功率和悬点载荷转化模型,将典型示功图转化为以位移为横坐标、电机功率为纵坐标的电功图曲线,建立电功图工况诊断模型;

3)采集皮带式抽油机的实时电功图,与步骤2)所得电功图工况诊断模型比较,实现实时工况诊断。

步骤1)中,对悬点运动模型进行分析和计算为:

抽油机的主动链轮以角速度ω顺时针旋转,抽油机悬点运动方向与往返架运动相反;以悬点位于下死点时为起点,在间谐运动段悬点位移Sw、速度Vw、和加速度aw分别为:

Sw=R(1-cosθ);

Vw=Rωsinθ;

aw=Rω2cosθ;

由抽油机的冲程、冲次可得主动链轮的角速度ω为:

式中,Sw为往复架的位移,m;

Vw为往复架的速度,m/s;

aw为往复架的加速度,m/s2

R为主动链轮的半径,m;

ω为主动链轮角速度,rad/s;

θ为主轴销偏离基准线的转角,rad;

S为抽油机的冲程,m;

n为抽油机冲次,min-1

在匀速运动段,悬点运动速度等于简谐运动段的最大速度,即:

Vw=Rω;

aw=0。

所得悬点速度与位移的关系按一个冲程内时间分段,悬点位移、速度、加速度分别为:

式中,t1为上冲程时主轴销运动至被动链轮圆心对应基准面时对应的时间,s;

t2为上冲程时主轴销运动至主动链轮圆心对应基准面时对应的时间,s;

t3为悬点位于上死点对应的时间,s;

t4为下冲程时主轴销运动至主动链轮圆心对应基准面时对应的时间,s;

t5为下冲程时主轴销运动至被动链轮圆心对应基准面时对应的时间,s;

tz为悬点运动一个冲程所用的总时间,s;

其中,

所得悬点速度与位移的关系按位移d分段,得到速度v与位移d关系如下:

悬点位移d的区间为0~R,悬点速度

悬点位移d的区间为R~R+H,悬点速度v=v0

悬点位移d的区间为R+H~S,悬点速度

悬点位移d的区间为S~R+H,悬点速度

悬点位移d的区间为R+H~R,悬点速度v=-v0

悬点位移d的区间为R~0,悬点速度

其中,S=H+2R;悬点速度v向上为正。

步骤1)中,根据能量守恒和皮带式抽油机的运行特点,得到如下的功率和悬点载荷转化模型:

P·η电机·η传动=(W-W)·v;

式中,P为电机功率,KW;

W为平衡重,KN;

W为悬点载荷,KN;

η电机为电机效率,无因次;

η传动为传动效率,无因次;

ν为悬点运动速度,m/s;

悬点载荷W如下:

上冲程W=W+W液柱+F振动+f摩擦

下冲程W=W+F振动-f浮力-f摩擦

其中,W为抽油杆在油中的重力,KN;

W液柱为泵以上液柱的重力,KN;

F振动为抽油杆振动载荷,KN;

f摩擦为抽油杆柱与液柱之间的摩擦力,KN;

f浮力为抽油杆在油中的浮力,KN。

步骤2)中,从电功图工况诊断模型提取典型特征值,用于对皮带式抽油机井工况的直接诊断。

所述典型特征值包括如下12种工况:

1)正常工况:0.8<Rpjgl<1.2;

2)欠平衡工况:Rpjgl<0.8;

3)过平衡工况:Rpjgl>1.2;

4)供液不足工况:(xD0-xD3)-(xU2-xU0)>0.1,||kU1,U2|-|kD2,D3||<0.5,|kD1,D2|<0.1;

5)抽空工况:(xD0-xD3)-(xU2-xU0)>0.1,||kU1,U2|-|kD2,D3||<0.5,|kD1,D2|<0.1,xD2<0.2;

6)气体影响工况:(xD0-xD3)-(xU2-xU0)>0.1,||kU1,U2|-|kD2,D3||<0.5,xD2<0.85,|kD1,D2|≥0.1;

7)气锁工况:(xD0-xD3)-(xU2-xU0)>0.1,||kU1,U2|-|kD2,D3||<0.5,|kD1,D2|≥0.1,xD2<0.2;

8)出砂工况:Num(k(i)·k(i+1)﹤-0.5δ0.02﹤N(i)-N(i+1)﹤0.05)﹥20;

9)油杆断脱工况:Rpjgl>2;

10)减速机故障工况:Num(k(i)·k(i+1)﹤-5δ|N(i)-N(i+1)|﹥0.05)﹥20;

11)游动阀漏失工况:(xU2-xU0)-(xD0-xD2)>0.1,|kD1,D2|-|kU1,U2|>1;

12)固定阀漏失工况:(xD0-xD2)-(xU2-xU0)>0.1,|kU1,U2|-|kD1,D2|>1;

其中,Rpjgl为上下冲程的平均功率比值;

x为归一化后的位移;

k为归一化后的电功图斜率;

U0为下死点;

U1为上冲程段的第一个转折点,即固定阀开启点;

U2为上冲程段的第二个转折点;

D0为上死点;

D1为下冲程段的第一个转折点,即游动阀开启点;

D2为下冲程段的第二个转折点;D3为下冲程段的第三个转折点;

num()为满足括号内条件的数据点个数;

N(i)为第i个点的归一化功率;Nu为上冲程的平均功率。

本发明的皮带式抽油机实时工况诊断方法,是基于皮带式抽油机的悬点运动模型得出悬点速度与位移的关系,建立皮带式抽油机功率和载荷转化模型,从而将典型示功图转化为电功图,建立电功图工况诊断模型,实现利用电功图对皮带式抽油机井工况的直接诊断。该方法加强了对皮带式抽油机的实时监测和工况诊断,提高了皮带式抽油机的生产效率;该方法可从电功图工况诊断模型中提取典型特征值,便于实时电功图的比较和工况判断,易于实现自动化诊断,准确度高、速度快,有利于加强油田的智能化管理。

附图说明

图1为皮带式抽油机的结构示意图;

图2为主轴销的旋转运动示意图;

图3为皮带式抽油机正常工况下的电功图;

图4为皮带式抽油机欠平衡工况下的电功图;

图5为皮带式抽油机过平衡工况下的电功图;

图6为皮带式抽油机供液不足工况下的电功图;

图7为皮带式抽油机抽空工况下的电功图;

图8为皮带式抽油机气体影响工况下的电功图;

图9为皮带式抽油机气锁工况下的电功图;

图10为皮带式抽油机出砂工况下的电功图;

图11为皮带式抽油机油杆断脱工况下的电功图;

图12为皮带式抽油机减速机故障工况下的电功图;

图13为皮带式抽油机游动阀漏失工况下的电功图;

图14为皮带式抽油机固定阀漏失工况下的电功图;

图15为诊断实例中现场油井的实测电功图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式中,皮带式抽油机的结构如图1所示,包括动力传动系统、换向系统、平衡系统、悬挂系统、刹车系统10和机架底座系统;所述动力传动系统包括电动机19、皮带传动装置和减速箱18;所述换向系统包括主动链轮11、从动链轮5、上链轮门15、轨迹链条6、曲拐、滑车架、导向轮7、往返架9;所述平衡系统包括平衡箱8等;所述悬挂系统包括滚筒2、顶罩1、负荷皮带3、吊绳和悬绳器4;所述机架底座系统包括塔基与底座13、前平台12、中平台16、顶平台14和梯子17。

皮带式抽油机是电动机19通过减速箱18减速后带动主动链轮11转动,使轨迹链条6和从动链轮5发生上下运动,轨迹链条6上有一个特殊链节,其上装有主轴销,通过滑块带动往返架9做上下运动,其中,高强度的负荷皮带3一端在往返架9上,一端连着悬绳器4,从而带着抽油杆做上下往复运动。

在皮带式抽油机油井上安装电参数采集传感器,采集抽油机井运行的功图数据。

实施例1

本实施例的皮带式抽油机实时工况诊断方法,包括下列步骤:

1)对皮带式抽油机的悬点运动模型进行分析和计算,具体为:

抽油机的主动链轮以角速度ω顺时针旋转,抽油机悬点运动方向与往返架运动相反;如图2所示,A—D为上冲程,D—A为下冲程;以悬点位于下死点时为起点,在简谐运动段悬点位移Sw、速度Vw、和加速度aw分别为:

Sw=R(1-cosθ) (1);

Vw=Rωsinθ (2);

aw=Rω2cosθ (3);

由抽油机的冲程、冲次可以推导出主动链轮的角速度ω为:

式中,Sw为往返架的位移,m;Vw为往返架的速度,m/s;aw为往返架的加速度,m/s2;R为主动链轮的半径,m;ω为主动链轮角速度,rad/s;θ为主轴销偏离基准线的转角,rad;S为抽油机的冲程,m;n为抽油机冲次,min-1

在匀速运动段,悬点运动速度等于简谐运动段的最大速度,即:

Vw=Rω (5);

aw=0 (6)。

依据上述分析和计算,得到悬点速度与位移的关系,如下:

i)按一个冲程内时间分段,悬点位移、速度、加速度分别为:

式中(如图2所示),t1为上冲程时主轴销运动至被动链轮圆心对应基准面时(B点)对应的时间,s;t2为上冲程时主轴销运动至主动链轮圆心对应基准面时(C点)对应的时间,s;t3为悬点位于上死点(D点)对应的时间,s;t4为下冲程时主轴销运动至主动链轮圆心对应基准面时(E点)对应的时间,s;t5为下冲程时主轴销运动至被动链轮圆心对应基准面时(F点)对应的时间,s;tz为悬点运动一个冲程所用的总时间,s;

其中,

由上面的皮带式抽油机的运动规律可以看出,这种抽油机加速运动的时间段较小,加速度运动规律容易分析,悬点运动比较平稳,产生的动载荷较小。

ii)位移d分段,得到速度v与位移d关系如下:

悬点位移d的区间为0~R,悬点速度

悬点位移d的区间为R~R+H,悬点速度v=v0

悬点位移d的区间为R+H~S,悬点速度

悬点位移d的区间为S~R+H,悬点速度

悬点位移d的区间为R+H~R,悬点速度v=-v0

悬点位移d的区间为R~0,悬点速度

其中,S=H+2R;悬点速度v向上为正。

依据上述的悬点速度与位移的关系,根据能量守恒和皮带式抽油机的运行特点,建立皮带式抽油机的功率和悬点载荷转化模型:

P·η电机·η传动=(W-W)·v (10);

式中,P为电机功率,KW;

W为平衡重,KN;

W为悬点载荷,KN;

η电机为电机效率,无因次;

η传动为传动效率,无因次;

ν为悬点运动速度,m/s;

悬点载荷W如下:

上冲程W=W+W液柱+F振动+f摩擦

下冲程W=W+F振动-f浮力-f摩擦 (11);

其中,W为抽油杆在油中的重力,KN;

W液柱为泵以上液柱的重力,KN;

F振动为抽油杆振动载荷,KN;

f摩擦为抽油杆柱与液柱之间的摩擦力,KN;

f浮力为抽油杆在油中的浮力,KN。

2)根据步骤1)所得的功率和悬点载荷转化模型,将典型示功图转化为以位移为横坐标、电机功率为纵坐标的电功图曲线,建立电功图工况诊断模型并提取典型特征值;

所述电功图工况诊断模型及典型特征值包括以下12种工况:

⑴当皮带式抽油机处于正常工况时,皮带式抽油机的电功图如图3所示。

图中,U0为下死点;U1为上冲程段的第一个转折点,即固定阀开启点;U2为上冲程段的第二个转折点;D0为上死点;D1下冲程段的第一个转折点,即游动阀开启点;D2为下冲程段的第二个转折点。在平衡状况良好时,上、下冲程电功率平台高度、长度基本相等,平衡良好时,两个平台高度基本一致。

典型特征值:上下冲程的平均功率比值介于0.8~1.2之间,即0.8<Rpjgl<1.2。

⑵当皮带式抽油机处于欠平衡状态时,皮带式抽油机的电功图如图4所示。

欠平衡时,下冲程电功率平台明显低于上冲程电功率平台。典型特征值:Rpjgl<0.8。

⑶当皮带式抽油机处于过平衡状态时,皮带式抽油机的电功图如图5所示。

过平衡时,下冲程电功率平台明显高于上冲程电功率平台。

典型特征值:Rpjgl>1.2。

⑷当皮带式抽油机处于供液不足状态时,皮带式抽油机的电功图如图6所示。

供液不足时,下冲程电功率有两个平台:下冲程开始的低平台对应泵空的一段,接着是对应泵中液体段的高平台,从低平台到高平台的变化近似为斜的直线,对应卸载过程。

典型特征值:(xD0-xD3)-(xU2-xU0)>0.1,||kU1,U2|-|kD2,D3||<0.5,|kD1,D2|<0.1。其中,x为归一化后的位移;k为归一化后的电功图斜率;D3为下冲程的第三个转折点。

⑸当皮带式抽油机处于抽空状态时,皮带式抽油机的电功图如图7所示。

供液不足严重到抽空时,下冲程的高平台缩短到只剩一个峰。

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当皮带式抽油机处于气体影响状态时,皮带式抽油机的电功图如图8所示。

下冲程有两个平台:低平台对应泵空的一段。与供液不足的区别在于:下冲程的低平台略微倾斜,低平台向高平台的变化为较明显的弧线。

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当皮带式抽油机处于气锁状态时,皮带式抽油机的电功图如图9所示。

气锁时,上、下冲程各有一个平台,两个平台均有倾斜。

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当皮带式抽油机处于出砂状态时,皮带式抽油机的电功图如图10所示。

出砂时,电功率曲线上有不规则的小毛刺。

典型特征值:num(k(i)·k(i+1)<-0.5&0.02<N(i)-N(i+1)<0.05)>20。num()为满足括号内条件的数据点个数;N(i)为第i个点的归一化功率。

⑼当皮带式抽油机处于油杆断脱状态时,皮带式抽油机的电功图如图11所示。

油杆断脱时,上冲程电功率平台或平均功率比油杆断脱前明显降低。

典型特征值:Rpjgl>2。其中,Nu为上冲程的平均功率。

⑽当皮带式抽油机处于减速箱故障状态时,皮带式抽油机的电功图如图12所示。

电功率曲线上有周期性的、等幅值的振动,电功率频谱上对应该齿轮转动频率的功率幅值比正常时会明显增大。通过分析功率频谱中对应抽油机特征频率的异常变化可推断异常发生的部位。

典型特征值:num(k(i)·k(i+1)<-5&|N(i)-N(i+1)|>0.05)>20。

⑾当皮带式抽油机处于游动凡尔漏失状态时,皮带式抽油机的电功图如图13所示。

游动凡尔漏失时,上冲程电功率的上升变慢、电功率平台比正常时缩短。

典型特征值:(xU2-xU0)-(xD0-xD2)>0.1,|kD1,D2|-|kU1,U2|>1。

⑿当皮带式抽油机处于固定凡尔漏失状态时,皮带式抽油机的电功图如图14所示。

固定凡尔漏失时,下冲程电功率的上升变慢,下冲程只有一个电功率平台且比正常时缩短。

典型特征值:(xD0-xD2)-(xU2-xU0)>0.1,|kU1,U2|-|kD1,D2|>1。

3)采集皮带式抽油机的实时电功图,与步骤2)所得电功图工况诊断模型及典型特征值比较,实现实时工况诊断。

诊断实例

以现场一口井为例,关于该井的抽油机参数及油井生产参数如表1所示,实测电功图图如图15所示。

表1现场油井参数表

抽油机型号平衡重(kN)冲程(m)冲次(min-1)链轮半径(m)600型皮带式抽油机604.82.10.46

采用实施例1的皮带式抽油机实时工况诊断方法进行诊断。

结合实测电功图(如图15所示),下冲程电功率有两个平台-下冲程开始的低平台对应泵空的一段,接着是对应泵中液体段的高平台,从低平台到高平台的变化近似为斜的直线。

典型特征值计算(软件模型特征值自动提取,同时计算出以下结果):

(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。

软件模型分析特征值属性:

(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)抽油机欠平衡特征值:

Rap=0.4<0.8。

得出诊断结果:

诊断结果:油井供液不足与抽油机欠平衡。

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