（机械电子工程专业论文）基于bs架构的有杆抽油系统数字化软件开发.pdf

摘要 论文题目：基于b s 架构的有杆抽油系统数字化软件开发 学科名称：机械电子工程 i i i i i i iii i i i i i iiiiiii i i i i iiii y 2 12 8 0 7 1 研究生：强力签名：墟2 指导老师：原大宁教授 摘要 签名： 有杆采油在国内外石油行业被广泛使用，结合计算机网络及数据库技术对其系统 效率进行实时监测分析以及优化仿真能有效的提高石油企业生产效益及工人工作效 率。本文结合油田现场需求设计开发了一套面向油田数字化管理平台的基于b s 架构 的有杆抽油系统数字化软件。主要内容有： 在有杆抽油系统组成及工作原理基础上，对抽油系统进行了实测及仿真理论研究。 分析了抽油系统效率预测算法。在建立的抽油系统波动方程仿真模型基础上，运用有限 差分法求解此双曲线偏微分方程，最后利用c 撑及c + + 语言编程得到了有杆抽油系统实测 及仿真算法程序。 在解决了软件开发中的各种技术难题及进行软件需求分析后，制定了详细的软件开 发方案。本文选择b s ( 浏览器j j l 务器) 体系作为软件系统网络架构，设计完成了后 台s q l s e r v e r 数据库w p c h q ，并开发了面向不同数据库连接的统一数据库操作类 d b o p e r a t i o n ，同时制定了实测文件存储的二进制接口文件标准，最终在n e t 支持下利 用c # 语言开发完成了一套有杆抽油系统实时监测及仿真优化数字化网络软件，其主要包 括实时监测分析、实时智能调参、地面机电系统及井下工况评判图、仿真优化分析、敏 感性因素分析以及系统效率日报以及软件帮助等功能模块。 经过现场调研及详细的用户需求分析，设计实现了负责油田现场大量实时分析及数 据同步任务的客户端软件。按照制定的软件功能组成开发完成了数据库连接状态监测、 实测数据采集监测、实测分析以及数据同步四大功能，同时应用户要求开发了诸如软件 选项设置，运行日志等辅助功能。 关键词：有杆抽油系统，b s 架构，数字化软件，s o l s e r v e r 数据库，软件开发 a b s t r a c t t i t l e ： m a j o r ： n a m e ： d i g l l - a ls o f t w a r ed e v e l o p m e n to fr o dp u m p i n g s y s t e mb a s e do nb ，sa r c h i t e c t u r e m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g l iq i a n g s i g n a t u r e ：丝：函蚴 s u p e r v i s o r ：p r o f d a n i n gy u a n a b s t r a c t s i g n a t u r e ： 一 r o dp u m p i n gi sw i d e l yu s e di nt h eo i li n d u s t r ya th o m ea n da b r o a d u s i n gc o m p u t e n e t w o r ka n dd a t a b a s ed e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yt om o n i t o ra n do p t i m i z es y s t e me f f i c i e n c y c o u l de f f e c t i v e l yr a i s ep r o d u c t i v i t ya n dw o r ke f f i c i e n c yo fo i le n t e r p r i s e i nt h i s p a p e r , a c c o r d i n gt oa c t u a lr e q u i r e m e n to fo i lf i e l d ，as e to fr o dp u m p i n gs y s t e md i g i t a ls o f t w a r ei s d e v e l o p e df o rt h i sp u r p o s e ，t h i ss o f t w a r ef a c et od i g i t a lm a n a g e m e n ts t a t i o no fo i lc o m p a n y , a n di sb a s e do nb sa r c h i t e c t u r e t h em a i nc o n t e n ta sf o l l o w s ： b a s e do ns y s t e mc o m p o n e n ta n dw o r kp r i n c i p l eo fr o dp u m p i n g ，r e a l - t i m em o n i t o r i n g a n ds i m u l a t i o nt h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fr o dp u m p i n gi s f i n i s h e d t h e n s y s t e me 伍c i e n c y p r e d i c t i o na l g o r i t h ma n ds i m u l a t i o nw a v ee q u a t i o no fr o dp u m p i n ga r ee s t a b l i s h e d ，f i n i t e d i f f e r e n c em e t h o di sd i s c u s s e dt os o l v et h eh y p e r b o l i cp a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n f i n a l l y , t h e r e a l - t i m em o n i t o r i n ga n ds i m u l m i o na l g o r i t h mp r o g r a ma r eo b t a i n e db yc 撑a n dc + + p r o g r a m m i n g v a r i o u ss o f t w a r ed e v e l o p m e n tt e c h n i c a lp r o b l o ma r er e s o l v e da n ds o f t w a r er e q u i r e m e n t a n a l y s i si sf i n i s h e d a f t e rt h a t s o f t w a r ed e v e l o p m e n ts c h e m ei sd e t e r m i n e d b r o w s e r s e r v e r a r c h i t e c t u r ei sc h o s e na ss o f t w a r en e t w o r ka r c h i t e c t u r e as u p p o r t i v es q l s e r v e rd a t a b a s e n a m e dw p c h qi s d e s i g n e d ，s i m u l t a n e o u s l yau n i f i e dd a t a b a s eo p e r m i o nc l a s sn a m e d d b o p e r a t i o ni sd e v e l o p e d ，w h i c hs u p p o r tk i n d so fw i d e l yu s e dd a t a b a s en o w a d a y s i n t e r f a c e f i l es t a n d a r du s e df o rr e a l t i m em o n i t o r i n gf i l et r a n s m i s s i o ni s g i v e n l a s t l y , b a s e do n a s p n e ta n d n e tc l a s sl i b r a r y , as e to fd i g i t a ln e t w o r ks o f t w a r eo fe f f i c i e n c yr e a l t i m e m o n i t o r i n ga n ds i m u l a t i o no fr o dp u m p i n gi sd e v e l o p e d t h ed i g i t a ls o f t w a r ec o n t a i n se i g h t m a i nf u n c t i o n s ，s u c ha sr e a l t i m em o n i t o r i n ga n da n a l y s i s ，i n t e l l i g e n tp a r a m e t e ra d j u s t m e n t ， g r o u n da n du n d e r g r o u n ds y s t e mw o r kc o n d i t i o ne v a l u a t i o nf i g u r e ， s y s t e me f f i c i e n c y s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n a n a l y s i s ，s e n s i t i v i t yf a c t o ra n a l y s i s ，d a i l yr e p o r ta n dh e l p d o c u m e n t a f t e ro i lf i e l ds u r v e y i n ga n dd e t a i l e du s e rr e q u i r e m e n ta n a l y z i n g ，as e to fc l i e n ts o f t w a r e n a m e ds y s e f f c l i e n ti sd e v e l o p e df o rr e a l t i m ed a t aa n a l y s i sa n dc o m p u t e a c c o r d i n gt o a c c o m p l i s h e dc l i e n ts o f t w a r e f u n c i o nc o m p o n e n t ，s a m ei m p o r t a n ts o f t w a r ef u n c t i o ni s a c c o m p l i s h e d ，s u c ha sd a t e b a s ec o n n e c t i o ns t a t u sr e a l t i m em o n i t o r , r e a l t i m ea c q u i s i t o nd a t a m o n i t o r , r e a l - t i m ec o m p u t e ，d a t as y n c h r o n o u sf u n c t i o n a tt h es a m et i m e ，a c c o r d i n gt ou s e r r e q u i r e m e n t ，s o f t w a r eo p t i o n ss e r i n ga n dl o gf i l ef u n c t i o ni s d e v e l o p e d k e yw o r d s ：r o dp u m p i n gs y s t e m ，b sa r c h i t e c t u r e ，d i g i t a ls o f t w a r e ，s q l s e r v e rd a t a b a s e ， s o f t w a r ed e v e l o p m e n t 目录 目录 1 绪论1 1 1 课题背景及研究意义1 1 2 国内外研究现状综述2 1 2 1 有杆抽油系统动态参数分析研究现状2 1 2 2 有杆抽油系统分析软件发展现状4 1 3 本文主要研究内容5 2 系统开发理论及主要算法研究6 2 1 研究对象及其工作原理6 2 2 系统体系结构7 2 3 实测理论及算法8 2 3 1 实测分析流程9 2 3 2 实测理论基础及算法9 2 4 仿真理论及算法1 4 2 4 1 仿真流程15 2 4 2 仿真理论基础及算法1 5 2 。5 本章小结18 3 有杆抽油系统数字化软件开发l9 3 1 软件需求分析及开发方案设计1 9 3 1 1 软件功能组成1 9 3 1 2 软件网络架构1 9 3 1 3 后台数据库设计2 1 3 1 4 接口文件标准制定2 5 3 1 5 数据库操作类开发3 0 3 1 6 系统开发关键技术研究31 3 2 软件主要功能模块开发3 4 3 2 1 实时监测分析模块3 4 3 2 2 实时智能调参模块3 8 3 2 3 抽油系统地面工况评判图模块3 8 3 2 4 抽油系统井下工况评判图模块3 9 3 2 5 系统效率仿真优化模块4 0 3 2 6 系统效率敏感性因素分析模块4 1 3 2 7 系统效率日报模块4 3 3 3 本章小结一4 4 4 客户端实时分析软件开发4 5 4 1 客户端软件组成4 5 4 2 客户端软件功能开发一4 6 4 2 1 启动界面4 6 4 。2 。2 数据库连接状态实时监测4 7 4 2 3 实测数据采集实时监测4 8 4 2 4 实测系统效率实时分析4 9 4 2 5 数据同步51 目录 4 2 6 软件选项设置5 2 4 2 7 软件运行日志5 3 4 3 本章小结5 4 5 全文工作总结与展望5 5 5 1 全文工作总结5 5 5 2 展望5 5 致谢5 7 参考文献5 8 在校学习期间所发表的论文6 1 2 绪论 l 绪论 本文以有杆抽油系统为研究对象，在有杆抽油系统效率实时监测及优化仿真理论基 础上结合现有网络技术，利用a s r n e t 以及s q l s e r v e r 数据库技术，以c 撑作为后台编 程语言开发完成了一套面向油田数字化管理平台的基于b s 架构的有杆抽油系统效率监 测及仿真优化网络服务系统。本章主要介绍本课题的背景，研究意义，国内外相关研究 现状及主要研究内容。 1 1 课题背景及研究意义 石油是现今社会的主要能源之一，被广泛运用于交通运输、石化等各行各业，被称为 经济乃至整个社会的“黑色黄金”、“经济血液”，石油的流动改变着世界政治经济的格局 它在国民经济建设中发挥着十分重要的作用。我国油田常用的机械采油方式为有杆抽油、 潜油电泵抽油和螺杆泵抽油等，有杆抽油在我国1 0 万多口机采井中，约占9 0 。但国内 各大油田有杆采油系统效率一般不足3 0 。1 9 8 7 年，大庆油田曾经组织力量测试了1 0 0 口未上任何节能措施的抽油机井，机采系统平均效率仅为1 8 1 ，虽然经这些年国内外专 家的探索，系统效率有所上升，但与国外油田系统效率相比差距仍然很大。若系统效率提 高1 0 ，就全国1 0 万台抽油机计算，每天可以节电7 1 4 x 1 0 6 k w h ，即7 1 4 万度电。这 在能源如此紧张的今天，对一个国家的国民经济发展具有十分重要的战略意义1 1 1 。 我国油田大量的抽油设备长期运行在低效率水平，浪费能源，给油田带来了极大的经 济损失。随着油田的发展，抽油井将越来越多，如何提高机械采油井的系统效率，节约能 源，成为一个亟待解决的重大问题。抽油系统的效率，综合反映了油田的技术和管理水平。 利用计算机和信息技术来提高抽油系统效率受到了各油田的普遍重视。 随着信息技术的飞速发展，石油需求的急剧增加和经济信息全球化的逐步加深，为 了提高油田企业工作效率、工作质量、增加企业经济和社会效益，使企业信息资源得到 最大限度地共享和有效利用，数字油田的概念逐步出现了。1 9 9 9 年，中国石油大庆油田 有限责任公司在国内首次提出了数字油田的概念，并将数字油田作为企业发展的一个战 略目标。数字油田( 见图1 - 1 ) 就是以油田资源的数字化为基础，以网络为依托，以信 息技术为手段，以优化生产运行和规范经营管理为目的的综合系统，是现实油田的虚拟 数字化，它在油田的信息交流和管理决策中发挥着越来越重要的作用。建设数字油田就 是将油田所需的各类信息资源转化为数字描述，信息通过网络传输到统一平台，进行统 一编码、统一标准、统一管理，通过数据自动采集、处理解释以及仿真与虚拟现实等信 息技术的应用，改变数据管理模式，支持专业应用发展，促进管理创新，提升油田核心 竞争力1 2 1 。 经过深入研究对有杆抽油系统组成及工作原理进行了分析，结合油田生产实际需求， 利用油田企业优良的数字化网络管理平台，本文开发了一套面向油田数字化管理平台的有 杆抽油系统效率实时监测及仿真软件系统，旨在提高抽油系统效率，加快长庆油田信息化 西安理工大学硕士学位论文 管理以及提高油田人员工作效率。本软件系统主要包括有杆抽油系统效率仿真优化分析， 油井动态实时监测，影响系统效率的敏感性因素分析，以及地面及井下系统工况评价等多 种功能。该软件系统的完成有效的指导了油田采油生产，为抽油系统的优化改进提供依据， 提高了企业工作效率，达到了油田节能及资源整合的最终目的。 d i g i t a lo i l 图1 1 数字油田 f i g 1 1d i g i t a lo i l f i e l d 1 2 国内外研究现状综述 1 2 1 有杆抽油系统动态参数分析研究现状 有杆抽油系统是一个包括地面机电系统和井下杆柱泵系统的多参数复杂系统。系统 的井下部分，由于不可见和易测量参数少等特点，使系统不可预见的因素太多，系统控 制难度加大。而无论是抽油系统的仿真优化和系统工况诊断，还是系统的自动化节能控 制，其前提都是以对抽油系统动态参数的计算为基础的。因此，抽油系统动态参数计算 方法在有杆抽油系统的设计及分析计算中占重要地位。国内外学者对此作了大量深入研 究，使有杆抽油系统动态参数计算方法不断得到提高及完善。从各个时期所应用的计算 方法和特点来看，主要可以分为以下计算方法1 3 - 8 1 。( 1 ) 经验公式计算方法：经验公式 的特点是，将抽油机悬点的运动简化成简谐运动，并且只考虑抽油杆柱与油柱的静负荷 和惯性负荷，从而给出悬点最大负荷、最小负荷、曲柄轴最大扭矩的计算公式，以此为 基础设计机、杆、泵系统。( 2 ) 经典动力分析方法：该方法考虑了抽油杆柱与油柱的静 负荷和惯性负荷，应用简化方法或精确地机构分析方法研究抽油机悬点的运动规律，从 而给出悬点示功图与曲柄轴扭矩曲线，以此为基础对有杆抽油系统进行设计和分析。( 3 ) a p i 方法：a p i 方法是在大量假设基础上，首先给定悬点运动边界条件与泵边界负荷条 2 绪论 件，并将抽油杆柱近似地分解为一系列的有阻尼弹簧质量系统，然后以模拟计算机为工 具，研究抽油杆柱的振动特性，从而建立了抽油机悬点最大负荷、悬点最小负荷、曲柄 轴最大扭矩、光杆功率、泵柱塞的有效冲程等动态参数的无量纲计算图表。( 4 ) 动态参 数的预测技术：1 9 6 3 年s g g i b b s 提出了有杆抽油系统动态参数预测的一维模型。为较 精确的设计有杆抽油系统奠定了理论基础。该模型由描述抽油杆柱纵向振动的一维有阻 尼波动方程、光杆运动边界条件、井下抽油泵工作状况边界条件与初始条件等几部分组 成，借助有限差方法求解该波动方程，从而可以较精确的给出抽油杆柱任意截面示功图 与泵处示功图。随着计算机的普及和应用以及对有杆抽油系统设计与分析精度要求的提 高，a p i 方法的适用范围受到了限制，自2 0 世纪8 0 年代起，有杆抽油系统动态参数的 预测技术不断得到发展和完善，并且由原来的一维模型发展到同时考虑抽油杆住与液柱 振动的二维模型，应用范围也由直井发展到斜直井、定向井。随着有杆抽油系统的设计 与分析计算机软件实用性的提高，这种方法在油田得到了广泛的推广应用。 八十年代以后，我国由于油田开发的需要，定向井越来越多，研究者对于定向井采 油技术的研究一直比较重视，并相应开发了一些应用于定向井的井下工具和分析理论。 近年来，我国学者的研究多与各石油单位联合，研究内容都具有一定的针对性，主要集 中在：有杆抽油系统预测和仿真的动力学模型建立、预测和仿真动力学模型的计算求解算 法、井下工况的诊断、地面设备的仿真、有杆抽油系统的优化匹配以及有杆抽油系统优 化设计等方面t 9 1 。 大庆石油管理局的蔡东升等人在求解有杆抽油系统预测模型时，把抽油泵处的边界 条件处理成一维方程，与求解波动方程第一类初边值问题的隐式差分方程组合并，提出 了求解预测模型的隐式差分法。隐式差分法是无条件稳定的，它可以根据精度要求合理 地选择步长，从而显著节省计算时间。隐式差分法与显示差分法计算结果非常接近，其 中隐式差分法能计算出抽油杆在任一瞬时与任一截面的位移和载荷，适合于各种工况下 的抽油井预测t 1 0 1 。 中国科学院地球物理研究所的吴晓东等人以抽油机井系统为对象建立了数学仿真模 型，模型中除了抽油杆柱和液柱的力学模型和运动模型外，还包括了电机特性模型、抽 油机力学模型和运动模型。将这些数学模型联立求解，更真实地描述了抽油机井系统的 运动规律，从而提供了一种研究不同特性电机驱动下抽油机井的运动和受力的方法t l i l 。 江汉机械研究所的李汉兴等人根据斜直井有杆抽油系统的工作特点，提出了描述抽 油杆、油管和液柱运动的偏微分方程，即预测有杆抽油系统动态参数的三维模型。这个 改进模型综合考虑了抽油杆、油管、液体的轴向振动及抽油杆与油管、抽油杆与波柱、 油管与液柱之间的摩擦力。给出了预测模型的边界条件和初始条件，以及偏微分方程组 数值计算的差分格式。这种三维预测模型可用于有杆抽油系统动态参数预测、诊断和优 化设计t 1 2 1 。 归纳起来，对于有杆抽油系统仿真分析来讲，其动态参数计算就是根据抽油系统组 西安理工大学硕士学位论文 成建立有杆抽油系统动力学模型，由系统地面、井下结构以及运动特性，得到模型的初 始条件和边界条件，运用数值方法利用计算机对有杆抽油系统动力学模型求解，从而得 到某一时刻杆柱任一节点位置的示功图数据，然后再经过地面和井下效率分析，最终得 到有杆抽油机的系统效率。虽然国内外学者在有杆抽油系统效率分析方面已开展了大量 的实验及理论研究，但由于系统效率预测及优化要涉及到抽油井预产模型及抽油机与拖 动设备的相互作用，问题复杂，还有待进一步深入研究。 1 2 2 有杆抽油系统分析软件发展现状 随着国内油田的大量发展以及有杆抽油系统动态参数预测及工况诊断理论的研究 完善，在计算机、网络及数据库技术基础上，各大油田研究院以及高校研究学者纷纷开 发出各种有杆抽油系统分析及诊断软件。这些软件功能各异，包括有杆抽油系统运动及 动力学分析、有杆抽油系统动态参数仿真求解、地面及井下工况诊断以及石油系统信息 化管理等各种功能，为提高有杆抽油系统的采油系统效率，提高石油企业生产效益及工 作人员工作效率起到了重要作用。 由美国奥伯特石油技术公司开发的r o d s t a r 软件，是一种有效的有杆泵抽油系统 模拟和设计工具，功能强大，简便实用。该软件可以用来优化设计新投产的有杆泵抽油 系统，也可用来优化改进老井的各项参数。该软件可对抽油机型号、泵的抽吸速度( 冲 次) 、柱塞尺寸( 泵径) 、油杆组合、电机等因素影响进行敏感性分析。也可分析泵的充 满程度、动液面深度以及不平衡度对抽油系统产生的效应，同时能研究电机转速的变化 以及盘根盒摩擦力等对抽油系统的影响。另外r o d s t a r 能结合复杂的有杆泵抽油系统 模拟出i p r 曲线。但该软件除了价格昂贵，最大的不足就是只适用于直井，不能用于比 直井复杂的多的定向井，同时也就限制了它的大范围应用1 。 大庆石油学院石油工程系的郑俊德等人根据节点系统分析的基本原理，运用水平井 生产系统中流体的流动模型和各种编程技巧，编制出了一套水平井有杆泵抽油生产系统 分析软件。该软件采用模块化结构，菜单选择，全屏幕编辑技术，汉字提示，人机对话。 运用他们开发的系统软件能有效的实现油井流入动态曲线绘制，井筒压力分布预测，以 及流出曲线动态拟合等功能t 1 3 1 。 上海大学应用数学和力学研究所的王文昌等人根据实际井眼轨迹的特征及系统动 力学理论建立了抽油杆柱在实际井眼中的动态仿真模型。应用有限差分法对不同抽油杆 柱组合在实际井眼中各个节点的三维受力特征及位移做出了较详细的分析，在此基础上 利用模块化编程技术开发了具有三维井眼条件下杆柱设计、力学分析及偏磨点位置等功 能的抽油杆柱三维力学分析及设计系统预测软件d a r s 。该软件同时可对抽油杆柱组合 的合理性、杆柱的受力特征、偏磨状况等进行仿真，对现有抽油杆柱系统进行分析并提 出优化方案。软件计算结果与实验井测试数据一致，有较好的预测效果和较高的现场实 用价值k 1 4 1 。 大庆石油学院的冯子明针对有杆抽油系统效率普遍偏低的现象，系统详细地分析了 4 绪论 系统效率的组成，重新建立了一些有杆抽油系统中子系统效率数学计算模型，应用v i s u a l b a s i c6 0 及m a t r i xv b4 5 编制了有杆抽油系统效率计算软件和有杆抽油系统抽汲参数 优化设计软件。该软件利用效率计算模型的计算结果可优化设计出有针对性的方案，同 时将驴头悬点载荷划分为静载荷、惯性载荷、振动载荷、摩擦载荷等四种载荷形式，通 过分析比较这四种载荷对总载荷的影响程度，可以判断出此油田区块的可抽汲状况。该 软件的应用为增加原油产量提高有杆抽油系统效率和油田开发的经济效益提供了科学的 理论依据和行之有效的手段11 5 1 。 中国地质大学( 武汉) 机械与电子工程学院刘川利用v s 2 0 0 5 结合s q l s e r v e r 2 0 0 0 数据 库在有杆抽油泵仿真软件s i m u r o d ( 由西安理工大学机械与精密仪器学院董江峰等人开 发) 基础上，分析有杆抽油系统的数学模型，开发了一套有杆抽油系统网络软件，通过网 络提高了油田数据利用率和油田工作人员效率，弥补了传统有杆抽油系统软件的系统化 和网络化的不足1 6 1 。 虽然现在国内外已有很多有杆抽油系统分析软件，但由于不同石油企业的具体生产 及管理状况等都不尽相同，要开发一套适应某一具体石油企业的有杆抽油系统软件还需 做很多工作。同时随着数字化油田的提出，为了实现油田企业的数字化集中管理，还需 开发出更多面向油田数字化管理平台的网络软件。 1 3 本文主要研究内容 本文主要任务是在研究有杆抽油系统工作原理的基础上，结合油田现场实际需求， 设计开发出一套面向油田数字化平台的基于b s 架构的有杆抽油系统效率监测优化网络 服务系统，论文组织结构如下： ( 1 ) 第1 章对当前主要油田采油效率低及能耗大的现状及存在的问题进行了分析，阐 述了本文的研究背景、及意义。分析研究了国内、外有杆抽油系统效率监测及仿真优化 理论研究现状，介绍了本文的主要研究内容。 ( 2 ) 第2 章介绍了有杆抽油系统的组成及其工作原理，对本文软件系统开发所涉及的 两大抽油系统理论( 实时监测理论和系统效率仿真优化理论) 进行了深入研究，并利用 c 捍及c + + 语言编制了分析算法。 ( 3 ) 第3 章介绍了面向油田远程用户的有杆抽油系统数字化网络软件的设计开发过 程，主要包括系统组织结构，软件需求分析、设计方案，后台s q l s e r v e r 数据库设计， 标准文件接口制定及软件各主要功能模块的开发。 ( 4 ) 由于本软件系统实时监测模块需要大量的实时数据计算，为了减轻本地服务器负 担，提高页面响应速度，本文采取了实时分析计算与数据显示分离的措施，开发专门的 客户端软件进行实时计算。第4 章介绍了该客户端软件的组成及各功能模块的开发。 ( 5 ) 第5 章结论部分，对全文的研究工作进行归纳、总结，给出本文研究的主要结论， 并提出本课题需要迸一步完善的内容，以及对今后研究方向的展望。 西安理工大学硕士学位论文 2 系统开发理论及主要算法研究 有杆抽油系统是一个地面机电系统与井下抽汲系统组成的复杂耦合系统。不管是要 利用油田现场实测数据( 主要包括示功图数据，电参数数据) 及采油基本数据分析得到有 助于现场工作人员分析的数据，还是要对其系统效率进行仿真优化，都需要深入研究有 杆抽油系统仿真模型及数值解法等抽油系统仿真优化理论，以及系统功率及效率计算等 实测理论。同时编制实测及仿真优化相关算法程序为后面数字化软件及客户端软件的开 发打下坚实基础。 2 1 研究对象及其工作原理 本文研究对象为有杆抽油系统，它包括由动力机、减速器、机架和四连杆机构组成 的地面机电抽油机部分( 见图2 1 ) 及井下抽油杆，油管，套管和抽油泵及游动阀，固定 阀等组成的井下系统( 见图2 2 ) 两部分。根据结构形式及平衡方式的不同，可把抽油 机分为不同的类型。如根据结构形式不同，抽油机可分为游梁式、气动式，斜直井，旋 转抽油机；根据平衡方式不同，可分为曲柄平衡、游梁平衡、复合平衡等机械平衡以及 气平衡抽油机等。由于游梁式抽油机结构简单，制造容易，维修方便，特别适合长期在 油田全天候运转，使用可靠，所以也是各大油田公司使用最多的抽油机型。下面主要以 游梁式抽油机为例来介绍抽油系统工作原理1 1 7 1 8 1 。 6 1 电动机；2 刹车装置；3 减速器；4 输出轴；5 曲柄平衡块；6 连杆； 7 横梁；8 游梁平衡快； 9 支架轴：1 0 游梁：1 1 驴头；1 2 悬绳器；1 3 支架；1 4 底座 图2 1有杆抽油系统地面部分 f i g 2 1g r o u n dp a r to f r o dp u m p i n gs y s t e m 2 系统开发理论及主要算法研究 图2 2 有杆抽油系统井f 部分 f i g 2 2w e l lb e l o wp a r to f r o dp u m p i n gs y s t e m 抽油系统工作原理为：电动机将电能转化为曲柄旋转运动的机械能，在经过减 速箱两次减速后，利用四连杆机构将旋转运动转变为驴头的直线往复运动，通过驴 头、悬绳器、光杆、抽油杆带动深井泵采油。当抽油杆处于上冲程时，抽油泵的游 动阀关闭，来提升柱塞上部的液体。与此同时柱塞下面的泵筒空间里的压力降低， 液体将项开固定阀进入抽油泵活塞上冲程所让出的泵筒空间；当抽油杆下行时，油 泵的固定阀靠自重下落而关闭，泵筒内的液体受到压缩使泵内压力不断增高，当压 力增至超过油管内液柱压力时，将顶开游动阀使泵筒内的液体进入油管。概括地说 就是，上冲程时，将柱塞之上的液体排入输油管线，将泵外的液体吸人泵内；而下 冲程时，将柱塞之下油泵内的液体吸入柱塞之上的油管内 1 9 “2 0 | 。 2 2 系统体系结构 本文在与油田工作人员充分交流，了解软件的功能需求，分析了油田数字化平台结 构模式( 包括平台的网络架构、数据库结构以及前端用户界面风格等) 基础上，经详细 的功能、可行性分析确定系统设计思想为：在n e t 框架、i i s 网络信息服务以及后台 藁 糍 i ! 罐 爱孔 麓 薄箍 建 翟 鞭 哦 棼 辩 文 壤 建 氛 西安理工大学硕士学位论文 s q l s e r v e r 数据库支持下，基于b s 模式，在制定各模块接口标准基础上最终实现一个 与油田数字化平台一致，标准化，高效稳定的系统效率监测仿真网络评价系统。最终确 定系统体系结构如图2 3 所示。整个系统包括采油井场、站点服务器和远程服务器三部 分。采油井场与站点服务器之间通过无线通信技术传输从井场抽油机采集的实测数据， 或是通过站点服务器上的控制软件来控制抽油机的启停及调节抽汲冲次；站点服务器和 远程服务器间通过数据同步技术来达到站点d b ( 数据库) 与远程d b 上数据一致的目的。 可以看到站点站点服务器和远程服务器上各有一个软件，分别为客户端软件和数字化网 络软件，这两个软件正是本课题重点要设计开发的两套软件系统。客户端软件将在第5 章详细介绍，其主要是全天候运行在站点服务器计算机上，不停的从站点d b 读取最新 的实测数据进行分析，并把分析结果存储在站点d b 数据表中，同时将结果数据同步到 远程d b 对应数据表中供数字化网络软件实时监测模块使用。数字化网络软件将在第6 章详细介绍，其主要包括实时监测、仿真优化、系统评判图，系统效率日报等功能模块， 是最接近用户的网络服务系统，它通过与远程d b 的数据交互来完成各种分析计算及分 析结果的展示。 图2 - 3 系统体系结构 f i g 2 - 3s y s t e ma r c h i t e c t u r e 2 3 实测理论及算法 基于油田实时优化采油理念，包括油井动力学和电参数实时监测，数据无线通 信传输和i n t e r n e t 网络组建的有杆抽油系统实时监测系统正逐步在全世界各油田 开发、推广和应用。本文在查阅大量书籍和文献的基础上，研究总结出了利用油田 现场实时动态采集的示功图参数和电参数以及油田数据库中存储的基本参数，对抽 油系统效率进行实时分析与监控的原理与方法1 9 , 2 1 “2 4 1 。 2 系统开发理论及主要算法研究 2 3 1 实测分析流程 油田现用的测试系统能够实时的测试系统的示功图数据( 包括悬点位移，载荷及抽 油机冲次) 和动力机的电参数据( 包括各项电压包括各相相电压、相电流以及有用功率、 无用功率和功率因数等) ，也能测电机和减速器皮带轮转速，并绘制出实时的光杆示功图。 通过对这些实测数据的分析提取，可以得到光杆功率、电机输入功率以及最大最小载荷， 有功功率等其他相关参数，而通过分析油田数据库中的基础数据可得到水功率( 也叫有 用功率) ，从而根据系统效率分析算法便可得到抽油系统系统效率及其他相关数据。图 2 4 为实测分析流程图，此流程图的输入为：实测数据文件和数据库中生产基本参数， 最终输出为：系统效率、井下效率和地面效率。中间部分为具体的实测分析过程，在其 中也会有其他有用的中间结果输出。( 注：示功图及电参数据都是存储在后台s q l s e r v e r 数据库中，其存储格式及位置将在3 2 4 节接口文件标准一节中详细介绍) 图2 4 实测分析流程图 f i g 2 4f l o wc h a r to fr e a lt i m ea n a l y z i n g 2 3 2 实测理论基础及算法 1 实测分析理论基础t 1 , 9 , 2 5 2 8 1 2 2 1 节给出了实测分析的大体流程，下面将对实测分析过程进行深入的理论研究， 包括输入数据及计算过程两部分。 a 输入数据 在对有杆抽油系统进行实测分析计算的过程中，需要用到如下三部分数据( 其中第 一、二部分为传感器实测数据，分别为示功图和电参相关数据；第三部分为数据库中的 9 西安理工大学硕士学位论文 静态生产参数) ： 1 运动及动力学参数。包括冲次n ( m i n 。1 ) 、悬点位移s ( m ) 变化曲线、悬点载荷三( k n ) 变化曲线； 2 电机输入电参数。包括电动机输入电流j ( a ) 变化曲线、输入功率已，( k w ) 变化曲 线。 3 有杆抽油系统基本生产参数，包括产液量q ( m 3 d a y ) 、开井时间t w o 心( h ) 、抽油 机的几何结构参数、电动机规格参数、泵径d ( m m ) 、油管压力p o ( m p a ) 、套管压力p c ( m p a ) 、 动液面日。( m ) 、含水率叼，矾，( ) 、原油密度p 。，( t m 3 ) 。 b 计算过程 根据抽油机悬点位移变化曲线，可以通过下式计算出所测周期中抽油机悬点的实际 冲程协。： d s 。= m a x ( s ) 一m i n ( s )( 2 1 ) 将比代入下式可近似计算出当前抽油机井的泵效a t p h ( ) - 鳓2 瓦i o 亭 6 0 乙以。b 。( 二 ) ( 2 2 ) 通过下式可计算出液柱的重量甄( 1 ( n ) ： 讲9 8 ( 业竿盟) 哦 ( 2 3 ) ( 其中，d s d 为最末一级杆柱的直径) 由下式可计算得到杆柱总长度的变化量出( m ) ： 7 _ 窆0 生 ( 2 4 ) 一i = 1 巨t d i 、。 ( 其中，厶表示第i 级杆的长度，e 表示第i 级杆的弹性模量，d i 表示第i 级杆的直 径，n 为杆柱的级数) 通过下式可进一步计算得到泵利用率，7 p ( ) ： 旷等 ( 2 5 ) 1 0 根据实测的冲次，可以利用下式得到一个冲程周期的时间丁( s ) ： 丁：6 0 ， ( 2 6 ) n 、。 由抽油机悬点位移及对应的载荷曲线，可以得到抽油机在所测试的冲程周期中的悬 2 系统开发理论及主要算法研究 点示功图。通过对功图的面积运用数值积分算法可得到在一个冲程周期中抽油机对悬点 载荷所做的功( 光杆功) 职( k j ) 。根据下式可得到悬点在一个冲程周期中的平均功率( 平 均光杆功率) e ( k w ) ： 一形 p = 丁 ( 2 7 ) 根据油井的含水率、原油密度，利用下式可以计算得到油水混合液的密度p ，( t i t l 3 ) ： p ，= ( 1 - - 7 7 w g ! 。，) 。p o f f 1 - 7 7 w a l 。， ( 2 8 ) 根据油井动液面深度以及油压与套压的取值，可以通过下式得到液体的有效举升高 度h ( m ) ： 肚警 ( 2 9 ) 在以上分析计算的基础上，可进一步计算得到有杆抽油系统在一个冲程周期中的平 均水功率只( k w ) ： ij d ，o 。h 9 8 ” 3 6 0 0 乙庸 将计算得到的一个冲程周期中的平均水功率与平均光杆功率代入下式， 有杆抽油系统的平均井下效率仉： 一只 玑2 吉 r ( 2 1 0 ) 即可计算出 ( 2 1 1 ) 根据电动机输入功率变化曲线，可利用积分的方法得到电动机平均输入功率 瓦( k w ) ，再由下式可算出有杆抽油系统的平均地面效率瓦： 瓦2 每 ( 2 1 2 ) 根据下式，可得到整个有杆抽油系统的平均系统效率叼驴： 叩，。= 7 7 。1 7 d ( 2 1 3 ) 由电动机的特性参数以及电动机的输入功率，可得到电动机在一个冲程周期中的负 载率a 的变化曲线。根据下式，可以求出电动机的输出功率己。( k w ) 的变化曲线，考虑 减速装置传动效率以及四连杆机构的传动特性，可进一步得到减速箱的输出功率匕随时 间变化的曲线。 p m 。( f ) = p o x ( t ) ( 2 1 4 ) ( 其中，r 表示电动机的额定功率，k w ) 西安理工大学硕士学位论文