采用电参数测量示功图的装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种采用电参数测量示功图的装置及方法。包括数据分析处理模块、数据存储模块、抽油机上下死点识别模块、电参数采集模块、通讯模块、电源模块。通过采集抽油机电机三相电压、电流参数得到实时功率，结合上下死点识别模块计算或测量出实时悬点位移，得到功率与悬点位移的关系，进而根据扭矩与功率及扭矩与悬点载荷的关系，最终得出一个完整冲程内各时刻悬点位移与悬点载荷的关系，即示功图。本发明有效地解决了传统采用传感器测量示功图的弊端，在进行电参数监测的同时就实现了示功图的测量。其结构简单，体积小，可直接安装于油井配电箱内，维护方便，可与油田的远程监控系统进行数据实时交换与历史数据读取。
【专利说明】
采用电参数测量示功图的装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种测量示功图的装置及方法，特别是一种采用电参数测量示功图的 装置及方法。属于石油测试仪器技术领域。
【背景技术】
[0002] 示功图作为表征油井工作状态的重要手段，可以全面反映抽油机的运行状况及原 油的开采情况。在考察油井单位时间的产量、跟踪地下油藏区块的动态情况、测评油井区块 的开发潜力、总体分析和把握油田的全局产能情况等方面，示功图数据不可或缺。
[0003] 目前，常用的测量示功图的方法大致可分为两类，即手持式测量和在线式测量。两 类方法均采用位移传感器和载荷传感器直接测量悬点位移和悬点载荷，具有如下弊端:传 感器体积大，价格昂贵，安装、维护工作量大;其传感器损耗问题突出，使用寿命短;与数据 采集处理装置之间采用电缆传输数据，电源采用充电电源的方式，后期维护不便。
[0004] 手持式测量系统位移传感器常采用拉线的方式，通过拉收线来检测光杆位移，其 发条盒中的弹簧质量、预紧的大小直接影响其测试精度，而载荷传感器常采用应变式测量 原理，装在抽油机悬绳器上、下夹板之间，重量较大，安装和拆卸不方便，安装载荷传感器还 要求抽油机停机，即停机后安装，启动后手持终端开始测量，几个冲程后拆卸，再起机，这样 不仅会造成测量繁琐，还会增加机器损耗，减少抽油机寿命;再有，定期测量不能实时反映 井下液面状况、抽油机工作状况及光杆载荷的变化，无法实时维护，进而影响产油量。两类 传感器结构寿命短，难以满足抽油机长期野外工作的需要。
[0005]在线式测量系统位移传感器采用光电、磁电测相位得到位移，载荷传感器则采用 压力传感器测压力得到载荷的方式。此方法中，载荷传感器仍需停机一次性安装，并需要定 期校准。所用传感器均采用充电电源的供电方式。虽然可实现实时测量，但传感器长期连续 工作导致寿命缩短、偏差较大，以及带来的成本、维护问题不可规避。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的不足，本发明提供一种采用电参量测量示功图的装置及方法。其 目的在于克服位移传感器和载荷传感器在系统中的应用带来的上述弊端，采用测量电参量 的方法间接得到悬点位移和悬点载荷之间的关系来绘制示功图，从根源上解决传感器在示 功图测量中产生的诸如成本高，损耗大，安装、维护不便、实时性不强等问题。
[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案具体如下： 本发明提出的采用电参数测量示功图的装置，包括数据分析处理模块(1)、数据存储模 块(2)、抽油机上下死点识别模块(3)、电参数采集模块(4)、通讯模块(5)、电源模块(6)。
[0008] 抽油机上下死点识别模块(3)测量或计算到达上下死点的时刻信息，由数据分析 处理模块(1)计算出各时刻的悬点位移，并在数据存储模块(2)中保存。
[0009] 假定条件为，抽油机游梁恒速摆动，光杆运动的轨迹近似为正弦曲线。
[0010] 作为测量模块应用时，抽油机上下死点识别模块(3)采用两个微动开关测量上下 死点时刻信息，亦可采用角位移传感器替换，可精确测量实时角位移数据，送至数据分析处 理模块（1)，利用抽油机的数学模型推导出悬点位移与曲柄转角之间的对应关系，精确折算 出实时悬点位移信息，并在数据存储模块(2)中预保存。
[0011] 作为程序模块应用时，抽油机上下死点识别模块(3)为数据分析处理模块(1)的子 模块，完全实现了无传感器测量示功图。抽油机处于周期运行状态，随着光杆载荷的变化， 油井机械部分做功以及拖动电机的输出功率也呈周期性变化。根据脉动功率变化曲线，一 般情况下，下死点时实测功率值在最小值附近。为了测量方便，现场测得的功率曲线的起始 点与上死点对应，考虑到经常存在滞后现象，可近似判断出功率曲线上的下死点的位置。根 据功率曲线上两个相邻低谷时刻可确定一个完整冲程的时间序列。假定抽油机游梁恒速摆 动，则光杆运动的轨迹可近似看作正弦曲线。利用抽油机上下死点识别模块(3)已设定好的 程序，得到实时悬点位移信息，并在数据存储模块(2)中保存。
[0012] 电参数采集模块(4)实时测量抽油机电机的三相电压和电流，送给数据分析处理 模块(1 )，计算出各时刻的实时功率，并在数据存储模块(2)中保存。
[0013] 数据分析处理模块（1)根据相邻上下死点的时刻信息，确定一个完整冲程的时间 序列，建立该时间序列各时刻点的实时功率与悬点位移的对应关系曲线，由数据分析处理 模块(1)再根据功率和扭矩的对应关系，建立悬点载荷与悬点位移的关系曲线，即得到示功 图。
[0014] 数据分析处理模块（1)根据实时功率和曲柄净扭矩、曲柄净扭矩与悬点载荷的对 应关系，建立实时功率与悬点载荷的对应关系曲线； 数据分析处理模块(1)再根据计算出的实时功率与悬点位移、悬点载荷的对应关系，最 终得到悬点位移与悬点载荷的对应曲线关系。
[0015] 数据分析处理模块（1)、数据存储模块(2)电参数采集模块(4)，通讯模块(5)、电源 模块(6 )安装在抽油机的配电箱内，电参数采集模块(4)和电源模块(6 )连接到抽油机电机 的进线端。
[0016] 数据分析处理模块（1)经通讯模块(5)与上位机或外部存储设备进行数据交换，进 行工作参数设定，测量数据和历史数据上传。其中，上位机可为网络服务器，外部存储设备 可为PDA或U盘。
[0017] 电源模块(6)为整个装置提供电源。
[0018] 本发明同样涉及一种采用电参数测量示功图的方法，其特征在于:通过采集电参 数，以实时功率为媒介，间接测得悬点位移与悬点载荷对应的曲线关系，进而绘制出示功 图。
[0019] 利用扭矩系数法近似推导出曲柄净扭矩与悬点载荷的对应关系，悬点载荷与减速 箱输出轴悬点载荷与减速箱输出轴的输出扭矩之间存在着一定的关系，根据扭矩系数法， 如果忽略结构不平衡重随曲柄转角的改变而发生的变化、各运动部件的惯性作用和轴承间 的摩擦，则悬点载荷与曲柄轴净扭矩之间的关系为
(1) 式中，? -曲柄轴净扭矩，kg · m;W-悬点载荷，kg;B-结构不平衡重，kg;Q-平衡块 重，kg;R-平衡块重心距尚，m; q -曲柄重，kg ;r-曲柄重心距尚，m;S -曲柄转角，° ; T一扭 矩系数，m，T与抽油机的几何尺寸和曲柄转角i有关。
[0020] 利用抽油机电机数学模型推导出实时功率与曲柄净扭矩之间的对应关系为
(2) 式中，N -电机功率，kW; η-光杆冲次，time/min;l|-电机效率，无因次。
[0021] 结合(1)和(2)式得出电机功率与悬点荷载之间的对应关系
(3) 利用上式可以求出不同曲柄转角Θ时电机功率对应的悬点载荷。因为示功图是悬点载 荷随光杆位置变化的闭合曲线，所以必须用下式先求出曲柄转角0所对应的光杆位移后才 胃艮全合,Μ-? T~h阅.
式中S-某一曲柄转角:0对应的光杆位移，m; -光杆最大冲程，m; -某一曲柄转 角發时光杆位移占光杆最大冲程的比例，无因次/Ρ1?与抽油机的几何尺寸和曲柄转角i有 关。
[0022] 其中，公式(3)可直接应用于配有角位移传感器的装置中去，若装置配备的是微动 开关，则可近似以游梁与支架链接转轴处为中心，模拟游梁作正弦恒速摆动，记录下各时刻 的悬点位移数据，利用公式（4)逆推，将光杆悬点位移转化为各时刻曲柄转角i代入公式 (3)〇
[0023] 利用采集到的三相电压、电流数据，计算出一个冲程内的实时功率。
[0024] 利用计算或测量得到的上下死点时刻信息，得出一个冲程内各时刻的悬点位移。
[0025] 根据抽油机上下死点识别模块(3)，近似以游梁与支架链接转轴处为中心，模拟游 梁作正弦恒速摆动，锁定一个完整冲程时间序列下的各时刻的悬点位移数据，或是通过角 位移传感器测得一个冲程内的各时刻曲柄转角i，利用公式(4)得出一个冲程内各时刻的悬 点位移数据，利用数据分析处理模块(1)编制好的算法软件，与实时功率数据建立对应关系 曲线。
[0026]若抽油机上下死点识别模块(3)用作数据分析处理模块（1)中程序子模块，则根据 已编制好的软件程序，选取功率曲线中两个相邻低谷时刻，确定一个完整冲程的时间序列， 假定游梁作恒速正弦摆动，即可得出一个完整冲程内各时刻的悬点位移信息。
[0027] 利用数据分析处理模块（1)进行计算，完成实时功率与悬点位移、悬点载荷对应关 系的耦合，最终得到闭合曲线，即示功图。
[0028] 抽油机上下死点识别模块(3)为测量模块，安装在抽油机游梁与支架链接处，并经 信号线缆连接到数据分析处理模块（1)，将测得的上下死点时刻值或实时的悬点位移值送 给数据分析处理模块（1);或者为数据分析处理模块（1)中的程序模块，根据计算得到的脉 动功率变化曲线计算得到上下死点时刻值。
[0029] 电源模块(5)为太阳能电池板配合充电锂电池供电，或者从抽油机配电箱直接取 电供电。
[0030] 与现有技术相比较，本发明具有如下优点： 采用电参量测量示功图的装置及方法，省去了载荷传感器，有效地精简了装置的系统 组成，避免了载荷传感器带来的安装、维护不便等问题。
[0031] 抽油机上下死点识别模块可由数据分析处理模块计算代替，从而省去位移传感 器，进而实现完全无传感器测量示功图，从根源上解决了传统测量中传感器带来的种种弊 端，具有结构简单、应用便捷、节能增效等优点，工程实际应用意义突出。
[0032] 应用数学算法计算代替常规传感器测量，可实现数据的电子式自动化采集，抗扰 能力更强，使用寿命更长，具备更高的准确性和可靠性。
[0033] 采用电参量测量示功图的装置及方法，可进行工作参数设定、在线实时监测和无 线数据传输，能够有效配合抽油机油井日常工况管理，提供可靠的数据支持，体现了现代工 业自动化的要求。
【附图说明】
[0034] 图1为采用电参量测量示功图的装置在抽油机中的结构示意图。
[0035]图2为采用电参量测量示功图的装置各模块信号流向结构框图。
[0036]图3为采用电参量测量示功图的方法的工作流程图。
[0037]图中：1一数据分析处理模块，2-数据存储模块，3-抽油机上下死点识别模块， 4 一电参数采集模块，5-通讯模块，6-电源模块，7-驴头，8-支架，9 一基座，10-游梁， 11 一连杆，12-平衡块，13 -曲柄，14 一减速及刹车装置，15-皮带轮，16-电机，17-配电 箱，18-采用电参数测量示功图的装置。
【具体实施方式】
[0038]根据图1所示，采用电参数测量示功图的装置（18)包括数据分析处理模块（1)、数 据存储模块(2)、抽油机上下死点识别模块(3)、电参数采集模块(4)、通讯模块(5)、电源模 块(6)〇
[0039]数据分析处理模块（1)、数据存储模块(2)、电参数采集模块(4)，通讯模块(5)、电 源模块(6)安装在抽油机的配电箱内，电参数采集模块(4)和电源模块(6)连接到抽油机电 机的进线端。
[0040]作为测量模块应用时，抽油机上下死点识别模块(3)由两个微动开关构成，安装在 抽油机游梁与支架链接处，并经信号线缆连接到数据分析处理模块(1)。
[0041 ]实例中亦可采用角位移传感器，安装在游梁与支架链接处，精确测量各时刻对应 的角位移数据，据此直接计算出一个完整冲程的时间序列中各时刻精确的悬点位移，替代 抽油机上下死点识别模块(3)。
[0042]此外，抽油机上下死点识别模块（3)还可由数据分析处理模块（1)的程序模块代 替。
[0043] 根据图2所示，电参数采集模块(4)实时测量抽油机电机的三相电压和电流，送给 数据分析处理模块(1 )，计算出抽油机实时功率，并在数据存储模块(2)中预保存。
[0044] 假定抽油机游梁恒速摆动，则光杆运动的轨迹可近似看作正弦曲线，再根据抽油 机上下死点识别模块(3)测量到达上下死点的时刻信息，送给数据分析处理模块（1)，可近 似计算出各时刻的悬点位移，并在数据存储模块(2)中预保存。
[0045] 各时刻悬点位移的测量亦可选用角位移传感器替代抽油机上下死点识别模块 (3)，把角位移传感器测得的曲柄转角，送至数据分析处理模块(1)，利用抽油机的数学模型 推导出悬点位移与曲柄转角之间的对应关系，精确折算出实时悬点位移，并在数据存储模 块(2)中预保存。
[0046]作为程序模块应用时，抽油机上下死点识别模块(3)为数据分析处理模块(1)的子 模块，完全实现了无传感器测量示功图。抽油机处于周期运行状态，随着光杆载荷的变化， 油井机械部分做功以及拖动电机的输出功率也呈周期性变化。一般情况下，下死点时实测 功率值在最小值附近。为了测量方便，现场测得的功率曲线的起始点与上死点对应，考虑到 经常存在滞后现象，可近似判断出功率曲线上的下死点的位置。根据功率曲线上两个相邻 低谷时刻可确定一个完整冲程的时间序列。假定抽油机游梁恒速摆动，则光杆运动的轨迹 可近似看作正弦曲线。利用抽油机上下死点识别模块(3)已设定好的程序，得到实时悬点位 移信息，并在数据存储模块(2 )中预保存。
[0047]数据分析处理模块（1)进一步提取数据存储模块(2 )中预保存的实时功率与实时 悬点位移信息，根据上下死点的时刻信息，确定一个完整冲程的时间序列，建立该时间序列 各时刻点的实时功率与悬点位移的对应关系曲线。
[0048]数据分析处理模块（1)根据功率和扭矩、扭矩与悬点载荷的对应关系，建立实时功 率与悬点载荷的对应关系曲线。
[0049 ]数据分析处理模块（1)再根据计算出的实时功率与悬点位移、悬点载荷的对应关 系，最终拟定出悬点位移与悬点载荷的对应曲线关系，即示功图，储存在数据存储模块(2) 中。
[0050]数据分析处理模块（1)经通讯模块(5)与上位机或外部存储设备进行数据交换，进 行工作参数设定，测量数据和历史数据上传，其中上位机可为网络服务器，外部存储设备可 为roA或u盘。
[0051]根据图3所示，装置工作流程图为:上位机发出开始命令，装置上电，电参数采集与 光杆位置时刻信息采集同步进行，并将数据经处理器预处理后，分别得到实时功率与实时 悬点位移，预存于储存模块中，同时应用已编制好的软件算法对上述两项数据进行分析计 算，最终得到抽油机悬点位移与悬点载荷的关系。本流程还包括死点中断程序，当出现抽油 机每完成一个冲程时，开始执行中断子程序，将先前采集到的电参数数据发送到上位机。发 送结束后，继续采集电参数。即可得到各个冲程的实时示功图。
【主权项】
1. 采用电参数测量示功图的装置，其特征在于:包括数据分析处理模块（1)、数据存储 模块(2 )、抽油机上下死点识别模块(3 )、电参数采集模块(4 )、通讯模块(5 )、电源模块(6 ); 抽油机上下死点识别模块(3)测量或计算到达上下死点的时刻信息，由数据分析处理 模块(1)计算出各时刻的悬点位移，并在数据存储模块(2)中保存； 电参数采集模块(4)实时测量抽油机电机的三相电压和电流，送给数据分析处理模块 (1 )，计算出各时刻的实时功率，并在数据存储模块(2)中保存； 数据分析处理模块（1)根据相邻上下死点的时刻信息，确定一个完整冲程的时间序列， 建立该时间序列各时刻点的实时功率与悬点位移的对应关系曲线，由数据分析处理模块 (1)再根据功率和扭矩的对应关系，建立悬点载荷与悬点位移的关系曲线，即得到示功图； 数据分析处理模块（1)经通讯模块(5)与上位机或外部存储设备进行数据交换，进行工 作参数设定、测量数据和历史数据上传； 电源模块(6)为整个装置提供电源。2. 采用电参数测量示功图的方法，其特征在于:利用电参数计算示功图的方法和步骤 为： 1) 利用扭矩系数法近似推导出曲柄净扭矩与悬点载荷的对应关系； 2) 利用抽油机电机数学模型推导出实时功率与曲柄净扭矩的对应关系； 3) 结合1)和2)得出实时功率与悬点荷载之间的对应关系； 4) 利用采集到的三相电压、电流数据，计算出一个冲程内的实时功率； 5) 利用计算或测量得到的上下死点时刻信息，得出一个冲程内各时刻的悬点位移； 6) 将4)、5)得到的数据以时间序列为媒介，得到一个冲程内悬点位移与实时功率的对 应关系； 7) 结合3)所得结果，最终确定悬点载荷与悬点位移之间的对应关系曲线，即示功图。3. 根据权利要求1所述的采用电参数测量示功图的装置，其特征在于:抽油机上下死点 识别模块(3)为测量模块，安装在抽油机游梁与支架链接处，并经信号线缆连接到数据分析 处理模块（1)，将测得的上下死点时刻值或实时的悬点位移值送给数据分析处理模块（1); 或者为数据分析处理模块（1)中的程序模块，根据计算得到的脉动功率变化曲线计算得到 上下死点时刻值。4. 根据权利要求1所述的采用电参数测量示功图的装置，其特征在于：电源模块(5)为 太阳能电池板配合充电锂电池交替供电，或者从抽油机配电箱直接取电供电。
【文档编号】E21B47/009GK105952439SQ201610565489
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年7月19日
【发明人】周封, 郝婷, 李隆, 刘小可, 崔博闻, 孟庆瑞, 邢方勃
【申请人】哈尔滨理工大学, 周封