（信息与通信工程专业论文）用于工况诊断的示功图特征提取方法研究.pdf

r 乙 s t u d yo nin d i c a t o rc a r d f e a t ur ee x t r a c t i o nm e t h o d f o rw o r k i n gc o n d i t i o nd i a g n o s i s at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：w a n g x i a o h a n s u p e r v i s o r ：p r o f y uy u n h u aa s s o c i a t ep r o f s h ih a i t a o c o l l e g eo fi n f o r m a t i o n & c o n t r o le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 2川7小7， 5 至苎7 帆8iii1洲y 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：至曦函 日期：上p i1 年厂月f0 同 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：至亟垂 指导教师签 日期：1 0 1 年厂月l oe 1 日强：矽( f 年参只| o 弱 摘要 在当前原油生产中，有杆泵采油方式占据很大比重。抽油机等采油设备大多是野外 作业，地理位置分散，自然环境恶劣，而且抽油机的井下工况复杂，导致抽油机的故障 诊断和处理不及时，严重影响油田的产量和效益。因此，及时分析抽油机工况，对提高 原油开采效率和提升油f f l 经济效益具有重要意义。在油田生产中，通常以示功图作为分 析有杆抽油机工况的主要依据，示功图特征提取是进行工况分析和诊断的关键步骤。 l 、论文论述了示功图分析方法的发展以及抽油机和抽油泵工作原理，重点对示功 图的形成过程、典型故障示功图的图形特点和形成原因做出了分析，完成了示功图图形 尺寸和点数归一化预处理，并建立了示功图样本集。 2 、针对示功图特点，选用三种算法进行示功图特征提取，分别为：基于傅里叶描 述子的示功图特征提取算法，基于矩特征向量的示功图特征提取算法和基于灰度矩阵的 示功图特征提取算法。通过算法得到特征值构成分类特征向量，并从计算时间、算法复 杂度等方面对算法进行比较评估。 3 、研究了基于支持向量机( s v m ) 的示功图分类识别方法。使用支持向量机对样 本集进行训练，分析不同核函数及参数下样本识别效果，并根据仿真效果对三种特征提 取算法进行了比较评估。仿真实验数据表明：选择合适的参数，三种特征提取算法都可 以取得较好的分类效果，正确识别率均在9 5 以上。 关键词：抽油机；示功图；特征提取；支持向量机 s t u d yo ni n d i c a t o rc a r df e a t u r ee x t r a c t i o nm e t h o d f o rw o r k i n gc o n d i t i o nd i a g n o s i s w a n gx i a o h a n ( i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o ry u y u n h u aa s s o c i a t ep r o f e s s o rs h ih a i t a o a b s t r a c t t h es u c k e r - r o dp u m p i n ga c c o u n t sf o ral a r g ep r o p o r t i o ni nt h eo i le x t r a c t i o n b e c a u s eo f d i s p e r s e dl o c a t i o na n dc o m p l i c a t e dc i r c u m s t a n c eo f t h eo i lw e l l sa n d e q u i p m e n t s ，s o m e t i m e s t h ed i a g n o s e so fs u c k e r - r o dp u m p i n ga n df a u l tt r e a t m e n ta r ed e l a y e d ，w h i c hm a k e st h e d i a g n o s i so fs u c k e r - r o dp u m p i n gq u i t ead i f f i c u l tp r o b l e mi nt h eo i lp r o d u c t i o nf i e l d t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt od i a g n o s et h ef a u l to ft h ep u m p i n gu n i t sr e l i a b l ya n dp r o v i d e o p e r a t i o na d v i c e st i m e l y ，w h i c hm e a n sal o tf o ri m p r o v i n gt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n d e c o n o m i c a lo p e r a t i o ni n o i lf i e l d t h ei n d i c a t o rc a r di st h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ep u m p i n g c o n d i t i o nw h i c hr e f l e c t st h ew o r k i n gc o n d i t i o no fs u c k e r - r o dp u m p i n gu n i ti n t u i t i v e l ya n d f e a t u r ee x t r a c t i o ni st h ek e ys t e pf o rw o r k i n gc o n d i t i o nd i a g n o s i s 1t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dm a i nm e t h o do ff a u l td i a g n o s i s ，d e s c r i b e s t h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo fp u m p i n gu n i ta n dt h es h a p i n gp r o c e s so fi n d i c a t o rc a r d t h e nt h e c h a r a c t e r i s t i ca n dt h en o r m a l i z a t i o n p r e p r o c e s s i n g f o ri n d i c a t o rc a r da r ed i s c u s s e d p a r t i c u l a r l y as e to fi n d i c a t o rd i a g r a ms a m p l e si se s t a b l i s h e d 2t h r e ef e a t u r ee x t r a c t i o na l g o r i t h m so ft h ei n d i c a t o rc a r da r er e s e a r c h e di nt h ep a p e r f o u r i e rd e s c r i p t o r s ( f d ) a r ea d o p t e da st h ef i r s ta l g o r i t h m ；c h o o s i n gc h a r a c t e r i s t i cm o m e n t s o fi n d i c a t o rc a r di sa n o t h e ra l g o r i t h ma n dt h el a s to n ef o r m sag r a ym a t r i x ，c a l c u l a t i n gt h e g r a ys t a t i s t i c sc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n d i c a t o rc a r d t h e nt h e ya r ec o m p a r e di nt e r m so ft i m e a n dc o m p l e x i t y 3a sas o r to fs t a t i s t i c a ll e a r n i n gm e t h o d ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) i sa p p l i e dt o i n d i c a t o rc a r dc l a s s i f i c a t i o n b a s i ct h e o r ya n dm e t h o d so fs v ma l ed e s c r i b e d t h es a m p l e s a r et r a i n e db ys u p p o r tv e c t o rc l a s s i f i c a t i o na n dr e s e a r c h e sa r ed o n eo nt h ei n f l u e n c e so ft h e s e l e c t i o no fk e r n e lf u n c t i o n sa n dp a r a m e t e r so fs v m t h et h r e ef e a t u r ee x t r a c t i o n s a l g o r i t h m sa r ec o m p a r e da c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h ec o r r e c tr e c o g n i t i o nr a t ei sa b o v e9 5 k e yw o r d s ：p u m p i n g ；i n d i c a t o rc a r d ；f e a t u r ee x t r a c t i o n ；s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 适用于有杆抽油泵工况诊断的示功图分析识别方法1 1 3 论文内容安排3 第2 章有杆泵及示功图背景知识介绍5 2 1 有杆泵及抽油原理一5 2 1 1 抽油机工作原理5 2 1 2 抽油泵工作原理5 2 2 示功图7 2 2 1 示功图的定义7 2 2 2 理论示功图的形成7 2 3 本章小结8 第3 章故障示功图样本库的建立9 3 1 典型故障示功图分析9 3 2 示功图预处理1 4 3 2 1 示功图坐标数字化15 3 2 2 示功图尺寸归一化1 6 3 2 3 示功图点数归一化。1 6 3 3 本章小结1 8 第4 章示功图特征提取方法的研究与仿真1 9 4 1 基于傅里叶描述子的示功图特征提取2 0 4 1 1 傅里叶描述子基本原理2 0 4 1 2 示功图傅罩叶描述子提取过程2 0 4 1 3 仿真结果2 5 4 2 基于矩特征向量的示功图特征提取2 6 4 2 1 矩特征向量基本原理2 6 4 2 2 示功图矩特征向量提取过程2 7 4 2 3 仿真结果3 0 4 3 基于灰度矩阵统计量的示功图特征提取3 l 4 3 1 灰度矩阵统计量基本原理3 1 4 3 2 灰度矩阵统计量提取过程31 4 3 3 仿真结果3 4 4 4 三种示功图特征提取算法分析比较3 7 4 5 本章小结3 8 第5 章基于支持向量机的示功图分类方法研究3 9 5 1 支持向量机理论基础3 9 5 1 1 支持向量机概述3 9 5 1 2 支持向量分类机3 9 5 1 3 特征空间映射与核函数4 3 5 2 支持向量机的选择4 4 5 2 1l i b s v m 简介4 4 5 2 2 核函数类型的选择4 4 5 2 3 算法评价一4 5 5 3 支持向量机的训练与分类4 6 5 3 1 样本训练与分类过程4 6 5 3 2 结果分析对比4 9 5 4 本章小结4 9 第6 章总结与展望5 0 参考文献51 攻读硕士学位期间取得的学术成果5 4 致谢5 5 中国，f i 油人学( 华东) 硕十学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第1 章绪论 我国的石油蕴含量非常丰富，但是随着经济的发展，尤其是在加入w t o 以后，我 国的石油工业信息化和自动化面临着越来越严峻的挑战。 及时地掌握油井运行情况，准确得到油井运行资料是合理制定油田生产方案以及总 体分析把握油田的全局产能情况的重要依据1 2 j 1 3 】。因此，需要实时准确地对抽油机运行 状态进行监测，这对于油田生产管理有着非常重要的意义。 在目前常用的采油方法中，有杆泵往复抽油方式具有综合成本低、设备简单、操作 方便等优点，在石油工业问世初期就得到了广泛的应用，迄今，这种抽油方法在机械采 油方法中仍居首位。我国约9 0 的油井、全世界约8 0 的油井都采用有杆泵往复抽油 方式进行生产【4 】。但这种方法也存在着一定的缺陷，有杆抽油设备在工作过程中需要延 伸至地下数千米，周围环境恶劣，设备故障率较高，因此，及时准确地进行有杆抽油设 备的工况诊断成了一个亟待解决的问题。 油井示功图是油井工作状态的重要表征，示功图数据由专门的仪器测出，在坐标纸 上描出示功图。通过分析示功图曲线可以解释抽油井的工作是否合理，判断深井泵在井 下工作是否存在异常以及杆、泵参数组合与油井是否适应1 5 j 。 在目前技术的支持和前人研究的基础上进行广泛和深入的分析，可以确定，在目前 以及以后一段时间内，地面示功图分析法仍然是进行抽油机工况诊断的主要方法。 在进行抽油机工况诊断过程中，提取出的示功图特征参数是否能够准确表征图形曲 线的特征对于诊断结果有着决定性的作用。通过选取适用于工况诊断的示功图特征提取 算法对地面示功图进行分析，可以及时准确地明确故障类型，从而采用针对性的措施解 除故障，这对提高原油生产效率以及油田经济效益都有着非常重要的意义【6 1 。 1 2 适用于有杆抽油泵工况诊断的示功图分析识别方法 地面示功图分析法是通过油杆动力仪测得油杆位移和载荷数据，在坐标纸上绘n - 者关系曲线，获得油井的地面示功图，通过对其分析解释来判断采油设备的工作状态是 否合理。为了使油杆动力仪监测方法更加方便准确，许多国家进行了大量的研究工作， 不断改进动力仪，研制出诸如机械式、电气式、水力式等多种类型的动力仪，并提高其 第1 章绪论 检测精度；同时，为了使地面示功图的分析和解释更加广泛、准确，在过去的几十年罩， 国内外不断改进示功图的解释方法，扩大解释范围，使这种方法有了相当大的发展，并 已基本走向成熟，被许多油田广泛使用。 就其内容与发展来说，国内外地面示功图分析识别方法主要包括以下四种：人工识 别、深井泵故障诊断专家系统、人工神经网络识别以及支持向量机应用于示功图识别。 1 ) 人工识别方法 在将计算机用于示功图识别之前，人工识别方法是油田有杆抽油泵示功图分析的主 要方法。该方法主要是凭借油田工作人员关于有杆抽油泵的专业知识和丰富的现场经 验，将得到的示功图与理沦示功图进行比较，通过人工识别，将其进行分类。但是这种 方法十分原始，并且受到多种限制，随着计算机识别方法的普及，该方法使用的越来越 少。 2 ) 深井泵故障诊断专家系统 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) ，又称专家咨询系统( e x p e r tc o n s u l t i n gs y s t e m ) ，是指 建立在某一特定领域专家丰富知识的基础上，自动进行逻辑演绎和推理，以解决该领域 中问题的一种计算机系统。相比与传统的计算机程序设计方法，它的基本特征是，专家 系统工作的过程是借助计算机模拟人类专家，运用专f - 矢h 识和推理方法来解决问题【7 1 。 2 0 世纪8 0 年代后期，美国阿尔柯( a r c o ) 油气公司和赛伏隆( c h e n v r o n ) 公司分 别研制出一种有杆泵抽油机工况诊断专家系统以及专家咨询程序( e x p r o d ) 。1 9 8 8 年， s v i n o s 开发出一种有杆泵诊断专家系统，由五个模块组成，这个由b a s i c 语言编译的系 统基于产生式法则建立规则库，可以对典型示功图进行识别并计算出其有关数据进行有 杆抽油系统故障诊断。随后p s c h i r m e r 等人建立了可以诊断七种井下抽油泵故障的专 家系统，并首次将模式识别技术运用到示功图的形状分析【8 1 。8 0 年代末期，我国自主开 发出抽油井集成化智能诊断系统和有杆抽油机故障诊断专家系统( e s r o f d ) 1 9 】。该系 统优点是功能较全，便于使用，但是其模式识别能力较低，且本身面临着知识和信息获 取的“瓶颈”问题，搜索知识库的速度较慢。实践表明，应用专家系统对有杆泵抽油设 备进行诊断虽然可行，但是如何进一步完善和充实其知识库仍然是一个亟待研究和解决 的问题。 3 ) 人工神经网络识别示功图 人工神经网络是通过模拟生物神经网络的结构而进行模式识别的一种人工系统，二 二十世纪九十年代，u t e c h t e x a s 开发出对游梁式抽油机示功图进行分类识别的人工神 2 中国，r i 油大学( 华东) 硕士学位论文 经网络。该神经网络采用的是反传神经网络模型以及s 型非线性激活函数，可对十五类 示功图进行分类识别。随后委内瑞拉u c e n t r a ld ev e n e z u e l a 和c o r p o v e n s a 公司也采 用人工神经网络联合开发了有杆泵抽油机专家诊断系纠j 。 尽管神经网络在许多应用领域都取得了重要成果，但神经网络是一个通用模型，设 计神经网络过程中，能否有效利用经验和先验知识，对系统的性能有至关重要的影响。 在具体建模时候，激活函数类型、接点选择大多依靠人的主观判断，缺乏理论基础。同 时，神经网络容易陷入局部最优，并且模型的优劣过分依赖训练样本的数量和质量，该 方法依然有待改进。 4 ) 支持向量机应用于示功图识别 1 9 9 5 年，v a p n i k 完整地提出了支持向量机( s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ) 理论方法，并 在模式识别等人工智能领域获得成功应用，受到极为广泛的关注。支持向量机( s v m ) 理论提供了一种直接利用空间的内积函数( 核函数) ，将高维空间的决策问题转化为对应 的线性空间的问题进行求解，避开了高维空间的复杂性。当核函数已知的情况下，可以 大大简化高维空间问题的求解难度及复杂度。同时s v m 的基础是小样本统计理论，这 不仅符合机器学习的目的，还使支持向量机比神经网络具有更好的泛化和推广能力。 目前，支持向量机应用于电动潜油螺杆泵工况诊断，其改进模型，模糊支持向量机 ( f s v m ) 被应用于抽油机典型示功图故障分析，取得了较好效剁】。 1 3 论文内容安排 首先，介绍了课题研究背景和研究意义，列出了课题研究内容，总结了国内外适用 于有杆抽油泵工况诊断的示功图分析识别方法，并对文章结构进行了说明。 抽油机和抽油泵是油田主要生产设备，文章在第二章分析了其工作原理，并从泵的 工作过程详细讨论了示功图的具体形成过程。在此基础上，根据故障严重程度及出现故 障概率对十二种典型故障示功图的形成原因和图形特征进行分析。完成了示功图图形尺 寸和像素点数的归一化预处理，方便进行后续示功图特征提取。通过比较三种示功图特 征提取算法，完成示功图特征提取，建立示功图样本集，为进行示功图识别算法提供丰 富的训练样本和测试样本。 再次，介绍了支持向量机基本理论和多值分类方法，阐述了特征空间映射与核函数 相关理论，以示功图为研究对象，完成了基于支持向量机的分类识别算法，在m a t l a b 下使用支持向量机训练样本集，对核函数及其参数的选择进行了讨论，研究了特征向量 3 第1 章绪论 选取和参数变化对识别效果的影响，并根据分类效果对三种特征提取算法进行了比较评 估 最后，对课题进行了总结，指出包括支持向量机在内的传统模式在示功图分类识别 中仍然存在的问题，并对其进一步提高和改进提出了建议。 4 中国干i 油大学( 华尔) 硕十学位论文 第2 章有杆泵及示功图背景知识介绍 2 1 有杆泵及抽油原理 2 1 1 抽油机工作原理 有杆泵采油方法结构简单，操作方便，综合成本较低，是目前国内外应用最广泛的 机械采油方法。典型的有杆抽油装置如图2 1 所示，主要组成部分有抽油泵、抽油机和 抽油杆【1 2 】。抽油机按照其基本结构可分为无游梁式抽油机和游梁式抽油机，它是常规有 杆泵采油的主要地面设备： ( 1 ) 无游梁式抽油机。无游梁式抽油机主要包括链条式抽油机以及带传动抽油机两 种。链条式抽油机与其他类别的抽油机相比，更适合于深井以及稠油井抽取，其特点有 冲程长、冲次低、悬点匀速运动、动载荷小、平衡程度好、节电、负荷能力大、系统效 率高。 ( 2 ) 游梁式抽油机。游梁式结构简单、可靠性高、使用维护方便、适应现场工况， 在今后相当长的时间内仍将是油田的首选设备。 游梁式抽油机的工作过程是由动力机经传动皮带将高速旋转运动传递给减速器，经 三轴两级减速后，由曲柄连杆机构将旋转运动变为游梁的上、下摆动。挂在驴头上的悬 绳器通过抽油杆带动抽油泵柱塞做上、下往复运动，将井内液体抽汲至地面。 4 悬点： 5 油管： 6 抽油杆柱5 7 柱塞： 8 泵筒； 9 光轩 2 1 2 抽油泵工作原理 1 游动阀2 柱塞 3 泵简4 同定月 图2 - 1 抽油机井泵示意图 f i 9 2 - 1p u m p i n gw e l l sp u m p i n gd i a g r a m 抽油泵安装在油管柱的下部，沉没在井液中，是有杆抽油系统的井下关键设备，抽 油泵主要由泵筒、衬套、柱塞、游动凡尔和固定凡尔组成。它通过抽油机、抽油杆传递 5 第2 章有杆泵及示功图背景知识介绍 的动力抽汲井内的原油。泵筒又称缸套，其内装有柱塞，柱塞上连有游动凡尔。游动凡 尔为泵的排出阀，随柱塞运动，在泵筒与柱塞之问产生密闭的空间，从而将泵筒内的液 体排出到泵筒外。固定凡尔是泵的吸入阀，大多数情况下是一个球座型单流阀，它的位 置在抽油的过程中是固定的。一个抽汲周期就是指柱塞上下运动一次，一般也将其称为 一个冲程。 抽油泵的工作过程可具体分为上下两个冲程进行分析，分别是【1 3 1 ：上冲程时，如图 2 2 ( a ) ( b ) 所示，地面抽油机经传动皮带、减速箱与连杆一曲柄机构带动抽油杆向上运动， 活塞上行，游动凡尔受油管内液柱压力作用而关闭并排出活塞冲程的一段液体。同时， 活塞下面泵筒空间罩压力降低，在环形空间的液柱压力作用下，井内液体顶开固定凡尔 进入泵内。 在下冲程过程中，如图2 2 ( c ) ( d ) 所示，柱塞向下运动压缩泵腔内的液体，使得泵 腔内压力升高，当其升高到可以抵消环形空间内液柱压力的时候，固定凡尔由于自身的 重量关闭，在这个过程中，柱塞继续向下运动，因此泵腔内压力继续升高，当泵腔内的 压力升高到大于柱塞上的液柱压力时，在压力作用下游动凡尔被冲开，泵腔内的液体就 顶开游动凡尔进入到油管内。 如上文描述，在柱塞不断的上下往复运动中，固定凡尔与游动凡尔也反复地关闭打 开，进而使油管内的液面可以不断上升，最终升到井口，排入地面的出油管线中，完成 原油抽汲过程。 (1)ao( o )毋 图2 - 2 泵的抽油原理 f i 9 2 - 2p r i n c i p l eo fp u m p i n g 6 中国彳i 油人学( 华东) 硕十学位论文 2 2 示功图 2 2 1 示功图的定义 有杆泵抽油系统的井下抽油泵往往在地下一千米甚至更深的位置工作，直接进行其 工况诊断难度很大，因此在实际工作中将示功图作为进行抽油泵工况诊断的重要依据。 在抽油机的上下往复运动中，运动的最底端被称为下死点，最顶端则被称为上死点。 在一个冲程中，以抽油机相对于下死点的位移s 为x 轴，以抽油机向上所施加的拉力f 为y 轴，就可以绘制出一张关于拉力f 一位移s 的闭合曲线，称其为示功副1 钔。 示功图分析是进行抽油机井下工况诊断的最好手段，通过分析得到数据并结合相关 资料，可以查找出影响泵效或不出油的原因，从而采取相应措施，针对性地解除故障； 同时分析判断抽油设备与油层和原油的性质是否适应等，对保障抽油机安全稳定高效生 产有着至关重要的意义。 2 2 2 理论示功图的形成 假设抽油杆光杆承受的仅为活塞面积与抽油杆柱液柱上的静载倚时，可以得到抽油 机的理论示功图。如图2 3 所示【1 5 】。理论示功图曲线形状接近于平行四边形，其围成的 面积可以反映一个冲程内泵所做功的值，横坐标表示光杆发生的位移，纵坐标表示加在 光杆上的载荷。 图2 - 3 静载荷作用下理论示功图 f i 9 2 - 3t h e o r e t i c a li n d i c a t o rc a r du n d e rs t a t i cl o a d 前文已经讨论过在理想情况下，深井泵的工作过程。下面结合泵的个冲次过程中 光杆上的载荷和光杆的位移变化来分析示功图各条线段的意义l 话1 ： ( 1 ) 图中的a b 斜线段被为增载线，它开始于活塞达到下死点开始向上运动的瞬间。 由于游动凡尔关闭，油管上面的液柱受活塞的推动向上运动，抽油杆柱和油管上都增加 了一个活塞截面以上的液柱重量，抽油杆柱和油管发生弹性形变，油管缩短，抽油杆伸 长。相对于泵筒的活塞运动，光杆的向上运动的位移并没有发生变化。 7 第2 章有杆泵及示功图背景知识介绍 ( 2 ) 随着光杆上载荷的增大，抽油杆柱和油管的弹性形变过程结束，开始绘制示功 图中的b c 线段，表示活塞的向上匀速运动过程。固定凡尔打开，液体在压力作用下进 入泵筒内并占据活塞让出的空问，这时光杆上承受的载荷保持不变。 ( 3 ) 斜线段c d 是卸载线，它表示了光杆上载荷逐渐减少的过程。当活塞达到上死 点开始向下运动的瞬问，上冲程结束，固定凡尔关闭，游动凡尔打开。油管和抽油杆又 都发生弹性形变，抽油杆柱缩短，油管伸长，光杆向下运动，相对于泵筒活塞没有发生 位移。 ( 4 ) 线段d a 描述了活塞和光杆向下做匀速运动的过程，在d 点游动凡尔打开，抽 油杆和油管的弹性形变过程结束，油管内液体通过游动凡尔向活塞以上转移，光杆上所 承受的载荷保持不变。 但油f f l 生产环境并非理想情况，在实际生产过程中，要考虑惯性载倚和振动的影响。 惯性载荷的产生是因为抽油杆柱和液柱在驴头带动下做的是变速运动，会产生一定的惯 性力；后者产生原因为，原油具有一定的粘性，会导致抽油设备发生小幅度的阻尼运动， 即呈现出不断衰减的波浪线。考虑二者影响，在实际测量中得到的示功图与理论示功图 相比会有一定的变形，但依然保持着图形曲线的对称性。将惯性载荷与振动引起的效果 叠加到静载荷作用下的示功图，得到示功图如图2 4 所利1 7 j 。 2 3 本章小结 图2 - 4 考虑惯性和振动影响下的理论示功图 f i 9 2 4t h e o r e t i c a li n d i c a t o rc a r du n d e ri n e r t i a la n dv i b r a t i o n 虚线静载荷作用下的理论示功图； 实线考虑振动和惯性载荷影响下的理论示功图 抽油机是油田是主要生产设备，本章选取游梁式抽油机作为研究对象，分析了其工 作原理。给出示功图的定义，并从抽油泵的工作过程详细讨论了示功图的具体形成过程。 8 中国石油人学( 华东) 硕+ 学位论文 第3 章故障示功图样本库的建立 3 1 典型故障示功图分析 由于我国油藏资源分布广泛，各个油田实际丌采情况复杂，同时受到抽油泵、抽油 机的机械结构等因素的限制，在油田实际的生产过程中，各种机械故障不断地发生，在 一定程度上影响了油田正常高效地采油1 1 8 】。通过对各种不同抽油机故障案例进行分析， 并结合大量的资料及数据统计，可将抽油设备井下故障划分为1 9 种类型，概括如下： 泵工作正常、泵上碰、泵下碰、供液不足、油稠、油井出砂、活塞遇卡、气体影响、气 锁、柱塞脱出工作筒、双凡尔同时漏失、游动凡尔漏失、固定凡尔漏失、油井结蜡、连 抽带喷、抽油杆断脱、油管漏、液击以及冲程损失影响【1 9 】。这些故障大多会造成油井减 产，严重的甚至会损坏设备，造成抽油井停产。因此利用示功图分析对抽油机的运行状 况进行实时监测，及时准确地发现并识别出抽油设备发生的故障，进而制定针对性的解 决方案，及时排除故障，这样有利于保证油f 日的高产稳产1 2 0 】【2 l 】1 2 2 j 【2 3 】【2 4 】。 下面根据故障严重程度以及实际生产中出现故障概率选取其中1 2 种典型示功图， 对其形成原因和图形特征进行具体的阐述。 ( 1 ) 泵下碰 若防冲距设置过小，在下冲程将要结束时，固定凡尔罩与柱塞发生碰撞，使得载荷 突然变得很低。 图形特征：示功图的左下角有凸出，如图3 1 所示。 o s 图3 - 1 泵下碰 f i 9 3 - 1b o t t o mp u m pb u m p i n g ( 2 ) 泵上碰 若防冲距或者卡砂设置过大，在上冲程将要结束时，泵头导环和柱塞帽杆柄发生碰 撞，使得载荷突然变得很大。 9 第3 章故障示功图样本库的建立 图形特征：示功图的右上角有凸出，如图3 2 所示。 0 5 图3 2 泵上碰 f i 9 3 - 2t o pp u m pb u m p i n g ( 3 ) 抽油杆断脱 由于存在弹性疲劳等冈素的影响，抽油杆之间由于未上紧而引发断脱，或者抽油杆 发生断裂，这些都会引起示功图图形有摩擦特征，近于水平条带状，油井不出油。抽油 杆断脱部位不同，示功图所处上、下位置也不同。如果柱塞脱扣、凡尔球球罩断落或是 抽油杆在柱塞附近断脱，示功图靠近最大载荷线位置；如果在光杆附近发生断脱，示功 图则接近于水平坐标线。 图形特征：与标准示功图相比，面积缺失严重，载荷的最小值和最大值相差无几， 增载线和卸载线都不够明显，抽油杆断脱的位置不同，增载线和卸载线的位置也不同。 0s 图3 - 3 抽油杆断脱 f i 9 3 - 3b r o k e n d r o p p e do fs u c k e rr o d ( 4 ) 供液不足 当泵的充满系数低于0 6 时，一般就认为深井泵工沉是不合理的，此时油层的供液 能力要低于泵的排出能力，导致沉没度过小，泵筒内不能充满液体，不能在下冲程丌始 时立即卸载。供液不足是油田生产中最普遍的情况。 图形特征：与标准示功图相比，示功图的右下方缺失或较小，并且卸载线较陡，卸 载过程较快，但斜率是正常的，卸载线与增载线会保持平行，而且拐点明显。抽油泵的 充满程度越差则卸载线越左移，也就表明供液能力越差。形成与“刀把”形状类似的图形。 中国彳i 油人学( 华东) 硕十学位论文 us 图3 - 4 供液不足 f i 9 3 - 4i n s u f f i c i e n tf l u i ds u p p l y ( 5 ) 游动凡尔漏失 由于游动凡尔磨损或者装配不严等原因会使游动凡尔漏失。在上冲程的过程中，泵 内压力明显降低，柱塞上面的液体在柱塞两侧压差的作用下漏到下面的工作筒罩，漏失 的速度伴随着柱塞下面压力的减小而增大，加载过程在漏失到柱塞下面的液体向上的 “顶托”作用下不断减缓。不过随着悬点运动速度的加快，液体的“顶托”作用不断减 小，在柱塞向上运动速度超过漏失速度的瞬间，悬点载荷达到最大值。当柱塞上行到后 半冲程时，上行速度又逐渐减慢。在柱塞上行速度低于漏失速度的瞬f h j ，漏失液体的“顶 托”作用再次出现，造成悬点负荷提前卸载。 图形特征：与标准示功图相比，图形左上区域面积缺失，增载线斜率偏小，并且其 倾角随着漏失增大而减小，由于卸载提前，卸载线斜率为负值。 os 图3 5 游动凡尔漏失 f i 9 3 - 5l e a k a g e so ft r a v e l i n gv a l v e ( 6 ) 固定凡尔漏失 由于结蜡卡住凡尔球、泵筒进砂、凡尔座锥体装配不紧或其他原因使得凡尔座与固 定凡尔之间产生缝隙，引起深井泵的固定凡尔漏失。下冲程的卸载过程由于固定凡尔的 漏失而延缓，泵内压力不能及时被提高，同时又不能及时打开游动凡尔。当柱塞下行速 度超过漏失速度后，泵内压力才开始逐渐增大，当其压力增加到超过液柱压力时，游动 凡尔才在压力作用下被打开，卸去液柱载荷，下冲程的后半冲程中柱塞下行速度逐渐减 小，当其速度减小到低于漏失速度时，泵内压力丌始降低，游动儿尔被提前关闭。 图形特征：与标准示功图相比，图形卸载线斜率偏小，右下方面积部分缺失。 1 1 第3 章故障示功图样本库的建立 图3 6 同定凡尔漏失 f i 9 3 - 6l e a k a g e so fs t a n d i n gv a l v e ( 7 ) 双凡尔同时漏失 由于磨损和砂蜡等复杂原因会引起游动凡尔和固定凡尔同时漏失。在上冲程的过程 中，游动凡尔的漏失起主要作用，引起示功图的左上角和右上角部分变圆，此时载荷线 还能达到理论值：下冲程中，固定儿尔漏失起主要作用，引起示功图的右下角和左下角 变圆，此时载荷线已经降至理论最小载荷线处。双凡尔漏失会造成油井严重减产。 图形特征：与标准示功图相比，图形四个角均有缺失，增载线初始斜率为负值，超 过明显拐点之后变为j 下值，卸载线初始斜率为负值，超过明显拐点之后斜率为正值。 图3 7 双凡尔同时漏失 f i 9 3 7l e a k a g e so fb o t hv a l v e s ( 8 ) 气锁 在上冲程过程中，由于有大量的气体进入泵筒，气体会迅速膨胀占满全部容积，而 此时由于泵筒内的压力小于油层压力，固定凡尔无法打开；在下冲程过程中，气体在外 力作用下被压缩，此时泵筒内气体压力仍然低于游动凡尔上部压力，因此游动凡尔不能 打开，换言之，在整个冲程中，泵并没有进行排油，只是对气体进行压缩和膨胀，这种 现象在油田生产中称为“气锁”。这时的油井基本上不会出油，油田的产量会大大降低。 图形特征：与标准示功图相比，图形面积缺失，右下角缺失最严重，增载线和卸载 线都具有一定的弧度。 1 2 中国彳i 油大学( 华东) 硕十学位论文 图3 - 8 气锁 f i 9 3 - 8g a sl o c k ( 9 ) 活塞遇卡 活塞遇卡的故障危害性极大。在上冲程的开始一段时间里，被压缩的杆柱逐渐恢复 形变，向上力超过悬点载荷，持续到卡死点，后一段时间，杆柱又被拉伸，悬点载衙在 短时间内急剧增加，持续至上死点；在下冲程的前段时间里，被拉伸的杆柱又逐渐恢复 形变，悬点载荷迅速卸载，后一段时间，杆柱又被压缩引发弯曲，持续至下死点。 图形特征：与标准示功图相比，面积缺失，增载线有明显拐点。 图3 - 9 活塞遇卡 f i 9 3 9s t u c kp i s t o n ( 1 0 ) 液击 上冲程过程中，泵未完全充满，在泵的上部产生一个气穴，下冲程开始后气穴内的 气体被压缩，压力逐渐增大，只有柱塞与泵筒中的液面相碰时，或者当其压力等于或大 于油管中液柱的静压力时，才能打开游动凡尔。 图形特征：标准示功图中下冲程一开始就马上卸载，但是在此示功图中，在光杆下 行到一定位置时后才突然卸载，右下角严重缺失，如图3 1 0 所示。 图3 1 0 液击 f i 9 3 1 0l i q u i dh a m m e r 1 3 第3 章故障示功图样本库的建立 ( 1 1 ) 柱塞脱出工作筒 防冲距过大或者光杆冲程过大时，在上冲程过程中，柱塞向上行进到某位置点时从 工作筒脱出，引起液体漏失量在短时间内急剧增加，致使悬点载荷急剧减少。由于柱塞 的振动突然卸载，卸载结束时还可能产生不规则的波状曲线。 图形特征：与标准示功图相比，图形右上方严重缺失，增载线讵常，但上冲程后半 部分斜率变小，卸载线不太明显。 图3 1 1 柱塞脱出工作筒 f i 9 3 - 11p l u n g e rt a k e so f fp u m pb a r r e l ( 1 2 ) 油井出砂 油层含砂时，小颗粒的砂粒伴随原油被吸进泵筒，同时由于砂子的流动性，分布在 泵简内各处的沙粒大小多少都不同，对整个工作筒的影响大小也不同，最终引起光杆载 荷在短时间内发生多次急剧变化。不过在油井存在轻微出砂时，油井仍能都正常出油。 图形特征：与标准示功图相比，图形不规则的布满“毛刺”，呈现出锯齿状，欠平 滑。 3 2 示功图预处理 图3 1 2 油井出砂 f i 9 3 - 1 2s a n di n f l o w 为了使后续的示功图分类更为准确，预处理过程中要选取列举出的十二种具有代表 性的典型故障示功图建立样本库，现在的示功仪可以直接获得示功图的位移一冲程坐 标，但是早期的示功仪只能获得示功图的图形；而且在油田实际生产中获得的故障类别 比较有限，有些故障，如活塞遇卡，属于严重故障，但并不常出现，因此不易获得样本； 1 4 中国f 瀚打人学( 华东) 硕一l 学位论文 同时由于油藏资源的不同、抽油机和抽油泵的机械结构限制等原因，所得到的示功图可 能会存在干扰，为了保证学习样本的广泛性和准确性，有必要通过扫描获得示功图图形