一种抽油机井光杆示功图测算系统的制作方法

本实用新型属于抽油机井综合应用技术领域，具体涉及一种抽油机井光杆示功图测算系统，适用于常规型及异相型抽油机。

背景技术：

光杆示功图是反映抽油机悬点的载荷量随其位移值变化规律的图形。在油田生产中用其推导泵功图来计算油井产量、监测油井生产运行状况。目前，我国各大油田均采用载荷、位移传感器来采集光杆示功图，一井一套，生产成本较大。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种脱离载荷及位移传感器，利用抽油机井电动机电参数据来测算光杆示功图的系统，大幅降低生产成本。

为此，本实用新型提供了一种抽油机井光杆示功图测算系统，包括安装在抽油机控制柜中的电参数采集单元、安装在井场室外防爆箱中的数据处理单元、上位计算机；

所述的电参数采集单元电连接数据处理单元，采集电参数据并转换后传输给数据处理单元；

所述的数据处理单元电连接上位计算机，将接收的数据处理后传递给上位计算机，实现功图数据的展示。

所述的电参数采集单元由数据采集单元采样模块、数据采集单元通信模块及数据采集单元电源模块依次电连接组成，所述的数据采集单元采样模块实时采集电参数据。

所述的数据采集单元采样模块由电量互感器、模数转换器AD7657构成；所述的数据采集单元通信模块采用WLAN、NFC、WIFI- Dircet、bump、2G、4G、蓝牙、wifi、zige-bee、GPRS、3G、USB模块中的一种。

所述的数据采集单元采样模块实时采集电参数据包括电机的电流值、电压值及输入功率值模拟信号。

所述的数据采集单元电源模块采用5V直流电源。

所述的数据处理单元由数据处理单元数据处理模块、数据处理单元通信模块、数据处理单元存储模块及数据处理单元电源模块依次电连接组成。

所述的数据处理单元电源模块采用LPC2138型处理芯片；所述的数据处理单元数据处理单元通信模块采用WLAN、NFC、WIFI- Dircet、bump、2G、4G、蓝牙、wifi、zige-bee、GPRS、3G、USB模块中的一种。

所述的数据处理单元数据处理单元通信模块采用CAT1025-JI30型存储芯片。

所述的数据处理单元电源模块采用12V直流电源。

本实用新型的有益效果：本实用新型提供的这种抽油机井光杆示功图测算系统，利用抽油机运动学分析法对数据进行处理，得到光杆示功图的系统。该系统不使用载荷及位移传感器，省去了载荷及位移传感器费用，可大幅降低油田生产成本。

附图说明

以下将结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

图1是光杆示功图测算系统的结构示意图。

图2是光杆示功图测算系统的信号传输示意图。

图3是常规型、异相型游梁式抽油机机构运动简图。

图4是常规型、异相型游梁式抽油机平衡分析简图。

附图标记说明：1、电参数采集单元；2、数据处理单元；3、上位计算机；4、数据采集单元采样模块；5、数据采集单元通信模块；6、数据采集单元电源模块；7、数据处理单元数据处理模块；8、数据处理单元通信模块；9、数据处理单元存储模块；10、数据处理单元电源模块。

具体实施方式

实施例1：

本实施例提供一种抽油机井光杆示功图测算系统，如图1所示，包括安装在抽油机控制柜中的电参数采集单元1、安装在井场室外防爆箱中的数据处理单元2、上位计算机3；

电参数采集单元1电连接数据处理单元2，采集电参数据并转换后传输给数据处理单元2；

数据处理单元2电连接上位计算机3，将接收的数据处理后传递给上位计算机3，实现功图数据的展示。

这种抽油机井光杆示功图测算系统，由电参数采集单元1采集电参数据并转换后传输给数据处理单元2，再由数据处理单元2将接收的数据处理后传递给上位计算机3，实现功图数据的展示。整个过程不使用载荷及位移传感器，省去了载荷及位移传感器费用，可大幅降低油田生产成本。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上对电参数采集单元1进一步说明，结合图2所示，电参数采集单元1由数据采集单元采样模块4、数据采集单元通信模块5及数据采集单元电源模块6依次电连接组成，所述的数据采集单元采样模块4实时采集电参数据。

数据采集单元采样模块4由电量互感器、模数转换器AD7657构成；所述的数据采集单元通信模块5采用WLAN、NFC、WIFI- Dircet、bump、2G、4G、蓝牙、wifi、zige-bee、GPRS、3G、USB模块中的一种。

数据采集单元采样模块4实时采集电参数据包括电机的电流值、电压值及输入功率值模拟信号。数据采集单元电源模块6采用5V直流电源。

本实施例的电参数采集单元1中，数据采集单元采样模块4实时采集电参数据模拟信号，包括电机的电流值、电压值及输入功率值模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号，通过数据采集单元通信模块5传输至数据处理单元2。

实施例3：

本实施例在实施例1的基础上对数据处理单元2进一步说明，结合图2所示，数据处理单元2由数据处理单元数据处理模块7、数据处理单元通信模块8、数据处理单元存储模块9及数据处理单元电源模块10依次电连接组成。

数据处理单元电源模块6采用LPC2138型处理芯片；所述的数据处理单元数据处理单元通信模块8采用WLAN、NFC、WIFI- Dircet、bump、2G、4G、蓝牙、wifi、zige-bee、GPRS、3G、USB模块中的一种。

数据处理单元数据处理单元通信模块8采用CAT1025-JI30型存储芯片。数据处理单元电源模块10采用12V直流电源。

本实施例的数据处理单元2中，数据处理单元数据处理模块7利用电参数据信号，通过内部运算处理，得到光杆示功图数据，光杆示功图数据由数据处理单元存储模块9存储数据后，经数据处理单元通信模块8传输至上位计算机3，实现功图数据的展示。

数据处理单元数据处理模块7利用电机电参数据，得到光杆示功图的具体方法如下：

常规型、异相型游梁式抽油机采用的是单自由度的曲柄摇杆四连杆机构。如附图3所示，驴头在右，引入下列符号：

—抽油机冲次，r/min；

—电动机额定转速，r/min；

—抽油机减速箱总传动比；

d —电动机皮带轮直径，mm；

D —减速箱大皮带轮直径，mm；

I —游梁支撑中心Q到曲柄转动轴心O的水平距离，m；

H —游梁支撑中心Q到底座底面的垂直距离，m；

G —曲柄转动轴心O到底座底面的垂直距离，m；

R —曲柄联接半径，m；

P —连杆长度，m；

C —游梁后臂（即摇杆）长度，m；

A —游梁前臂长度，m；

K —游梁支撑中心Q到曲柄转动轴心O的距离，即机架长度，m；

J —曲柄销轴心D到游梁支撑中心Q的距离，m；

—曲柄转角，rad；

—K与垂直方向的夹角，rad；

—K到R的夹角，逆时针为正，rad；

—K到P的夹角，逆时针为正，rad；

（） —K到C的夹角，逆时针为正，rad；

—K到J的夹角，顺时针为正，rad；

—C与J的夹角，rad；

—驴头处于下死点（即B处于最高极限位置）时的，rad；

—驴头处于上死点（即B处于最低极限位置）时的，rad；

()—曲柄R的角速度，逆时针为正，rad/s；

()—连杆P的角速度，逆时针为正，rad/s；

()—游梁(C和A)的角速度，逆时针为正，rad/s；

()—曲柄R的角加速度，逆时针为正，rad/s2；

()—连杆P的角加速度，逆时针为正，rad/s2；

()—游梁(C和A)的角加速度，逆时针为正，rad/s2。

其中，

、、d 、D、I、H、G、R、P、C、A为抽油机自身参数，可从抽油机出厂说明获得。

冲次。

K、、、可由几何关系求得，且值不随变化而改变。

其它参数可由几何关系求得，且值随变化而改变。

曲柄逆时针方向旋转时取+，相反取-，下同。

1、悬点位移

悬点位移s的最大值S即为冲程：

2、悬点速度

取曲柄摇杆机构所在平面为复平面，向量的方向为实轴正向，虚轴正向与之垂直，并按右手规则确定。根据向量加法可得：

写成相应的复数形式，得

两边对时间t求导得

①

把式①等价地写成

与上式对应的虚部等式为

于是得

把式①等价地写成

与上式对应的虚部等式为

于是得

因，所以得：

悬点速度为

，即可由冲次经计算得出，为定值。

此时有

②

③

④

把式②、③、④的两边再对时间求导得

当曲柄匀速转动时，，，此时有

3、平衡分析

常规型、异相型游梁式抽油机平衡分析简图如附图4所示。引入下列数据符号：

—曲柄重量，；

—曲柄对于其转动轴心的转动惯量，；

—曲柄重心到曲柄转动轴心的距离，；

—平衡块重量，；

—平衡块对于其重心的转动惯量，；

—平衡块重心到曲柄转动轴心的距离，；

—连杆重量，；

—连杆对于其与横梁联接中心的转动惯量，；

—连杆重心到与横梁联接中心的距离，；

—游梁等（包括游梁、横梁和驴头）重量，；

—游梁等（包括游梁、横梁和驴头）对于其转动轴心的转动惯量，；

—游梁等（包括游梁、横梁和驴头）重心到其转动轴心的距离，重心在驴头一侧为正，反之为负，；

以上数据均为抽油机参数，数值恒定，可从抽油机出厂说明及生产厂家处获得。

对抽油机进行平衡分析，由虚功率形式的动力学方程知，抽油机各处在任一瞬时所受的主动力和虚加的惯性力在任一虚速度上所作的元功率之和等于零。

曲柄扭矩的虚功率：

悬点载荷的虚功率：

与曲柄有关的虚功率有两部分，主动力所作虚功率为

曲柄绕定轴转动，惯性力所作虚功率为

与平衡块有关的虚功率有两部分，主动力所作虚功率为

平衡块绕定轴转动，惯性力所作虚功率为

与连杆有关的虚功率有三部分，主动力所作虚功率为

连杆作平面运动，取连杆重心为基点，把连杆的平面运动分解为平动和转动，对于连杆作平动，惯性力所作虚功率为

式中：

对于连杆作转动，惯性力所作虚功率为

与游梁等有关的虚功率有两部分，主动力所作虚功率为

游梁等绕定轴转动，惯性力所作虚功率为

综上所述有

展开上式得

⑤

4、推算载荷F、位移S与曲柄转角的关系式

令曲柄扭矩的虚功率等于电动机的输入功率，则由式⑤有：

⑥

引入扭矩因数：

表示单位悬点载荷在曲柄输出轴上产生的扭矩，m。

引入结构不平衡重：

其值等于连杆与曲柄销脱开时，为了保持游梁水平平衡而需要加在光杆上的力，此力向下时为正，反之为负，可以根据抽油机各构件的重量来计算，。又有：

于是，⑥变为：

因为，有：

上式中，

B、 、、、、、、、g、C、、A为定值。

、、、、、、为随变量变化而改变的变量

所以，F可视为和的函数，即：

⑦

又有：

S可视为的函数，即： ⑧

通过上面的分析，可以得到一个冲次时间内的悬点载荷和悬点位移s相对于曲柄转角的对应关系式。

数据采集单元中采集模块在驴头处于下死点位置开始，驴头再次回到下死点位置结束，以相同时间间隔采集抽油机一个运动周期内的200组电动机的电流值、电压值及输出功率值。

因为大多数抽油机采用常规转差率（转差率小于5%）的电动机驱动，其转速基本上不随外载变化，认为曲柄角速度等于常数。

故200组电参数据所对应的曲柄转角值分别为：（N=1、2、3……200）

将200组采集的输入功率值与对应的曲柄转角值（N=1、2、3……200）

分别带入式④、式⑤中，得到200组悬点载荷和悬点位移s的值，进而得到光杆示功图。

实施例4：

本实施例结合上述几个实施例，提供一种抽油机井光杆示功图测算系统的测算方法，结合图1和图2所示，具体包括如下过程：

数据采集单元采样模块4实时采集电参数据模拟信号，包括电机的电流值、电压值及输入功率值模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号，通过数据采集单元通信模块5传输至数据处理单元2，数据处理单元数据处理模块7利用电参数据信号，通过内部运算处理，得到光杆示功图数据，光杆示功图数据由数据处理单元存储模块9存储数据后，经数据处理单元通信模块8传输至上位计算机3，实现功图数据的展示。

本实用新型对于常规型、异相型游梁式抽油机可以使用本系统测算光杆示功图，但对于其它类型的游梁式抽油机，如前置型、双驴头式等，无法应用该系统推算光杆示功图。

综上所述，本实用新型的这种抽油机井光杆示功图测算系统，利用抽油机运动学分析法对数据进行处理，得到光杆示功图的系统。该系统不使用载荷及位移传感器，省去了载荷及位移传感器费用，可大幅降低油田生产成本。本实用新型可实现常规型及异相型抽油机的光杆示功图测算，得到由200个点构成的光杆示功图，满足了功图计量及抽油机工作状况诊断的要求，省去载荷传感器及位移传感器设备费用及维护费用，大大降低油田生产成本。

以上例举仅仅是对本实用新型的举例说明，并不构成对本实用新型的保护范围的限制，凡是与本实用新型相同或相似的设计均属于本实用新型的保护范围之内。