（机械设计及理论专业论文）基于监测数据的有杆抽油系统效率及特征参数分析.pdf

啼 j1 j1-11 j 摘要 有杆抽油是人工举升采油的主要方式，掌握其系统效率变化趋势和动态特征参数是系 统评价和优化的重要前提。本文基于有杆抽油系统效率监测的数据，提出了利用经验模式 分解和神经网络等方法对系统效率变化情况及特征参数进行分析计算的方法。论文的主要 工作如下： 分析了有杆抽油系统的结构特点和效率监测的基本方法，详细描述了单井测试的主要 内容( 功图数据和电参数) 以及两种不同测试仪器的数据存储格式。结合建立的不同工况 油井的参数数据库开发了相应的数据分析软件，获得被测试油井的各项动态参数。 针对一段时间内的系统效率值呈现不规则的波动情况，利用经验模式分解方法提取油 井在被分析时间段内的变化趋势，并与小波方法分析的结果进行了对比，表明经验模式分 解方法有效实用。 针对经验模式分解方法存在的端点效应问题，论文进一步引入支持向量回归方法对原 始数据进行双边延拓。数值仿真实例和对实际油井系统效率测试数据的分析均表明，支持 向量回归方法可以有效地抑制端点效应，使提取出的数据趋势项更加精确。 在分析现有的简化计算方法和数值模拟方法获取悬点示功图特征参数存在不足的基 础上，提出了将简化计算方法和神经网络相结合获得悬点示功图特征参数的方法。该方法 考虑了振动、摩擦、气体和供液能力等复杂因素的影响，避免了数值计算方法中某些参数 难以确定的问题。分析比较了b p 神经网络和r b f 神经网络对不同参数选择的影响。计 算结果与实测数据对比表明，本文方法是有效和可行的。 关键词：有杆抽油系统；监测数据；经验模式分解；支持向量回归；神经网络 t i t l e ：a n a l ：y s i so fe f f i c i e n c ya n dc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s o f s u c k e rr o dp u m p l n gs y s t e mb a s e do nm o n i t o r i n gd a l a m a j o r ： n a m e ： m e c h a n i c a ld e s i g n t h e o r y h a i f e n gz h a n gs i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r ：p r o f h o n g z h a ol i u a s s o c i a t ep 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 嗽么岛如 s i g 舱t u 怕：毖血吆 s u c k e rr o dp u m p i n gi sal e a d i n gm e a n so fa r t i f i c i a lu f t i ti st h ei m p o r t a n tp r e c o n d i t i o no f s y s t e me v a l u a t i n ga n do p t i m i z a t i o nt om a s t e ri t ss y s t e me 伍c i e n c yt r e n da n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s i nt h i sp a p e r , t h em o v e m e n to fs y s t e me 伍c i e n c ya n di t sd y n a m i c p a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e db yu s oo fe m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o na n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k b a s eo nt h em o n i t o t i n gd a t ao ft h es y s t e r n t h em a i n w o r ki sa sf o l l o w s ： 田地s t r u c t u r et r a i ta n dt h en o r m a lt e c h n i q u eo fe 佑c i e n c ym o n i t o t i n go fs u c k e rr o d p u m p i n gu n i t sa r ee x p l a i n e d , a n dt h ec h i e fc o n t e n to fs i g n a lw e l lt e s tc o n t a i n i n gh a n g i n g - p o i n t d a t aa n de l e c t r i cp a r a m e t e r s a sw e l la st h e i r 丘l ef o r m a t , a r ed i s c u s s e d t h ec o r r e s p o n d i n g s o f t w a r ew i t hd a t a b a s ei sd e v e l o p e dt oc a l c u l a t ei t sd y n a m i cp a r a m e t e r s i na l l u s i o nt ot h ep r o b l e mt h a tt h es y s t c me f 6 c i e n c ya p p e a r si na ni r r e g u l a rf l u c t u a t i o n t h e e m dm e t h o dw a si n t r o d u c e dt oa n a l y z et h em o n i t o r i n gs i g n a lo fs u c k e rr o dp u m p i n gu n i t s ，a n d t h et r e n do fs y s t e me f f i c i e n c yo fo i lw e l lw a se x t r a c t e d c o m p a r e dw i t ht h ew a v e l e tm e t h o d , i t c a ne x t r a c tt h et r e n dm o r ee f f e c t i v e l y i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fe n de f f e c t s0 fe m d t h eb i l a t e r a le x t e n s i o no fs y s t e r n e 丘c i e n c ym e a s u r e m e n td a t ai sc a r r i e do u tb ym e a n so ft h es v rm e t h o d t l h er e s u l to fs i m u l a t e a n dt h er e a ls y s t e me 伍c i e n c ym o n i t o r i n gd a t as h o w st h a tt h ee n de f f e c t so fe m dc a nb e o v e r c o m ee f f e c t i v e l ya n dt h es y s t c mc 伍c i e n c yt r e n dp r e d i c t i o na c c u r a c yo fo i lw e l lc a l lb e i n c r e a s e db yu s i n gt h es 唿m e t h o d a f t e rd i s c u s s i n gt h es c a n t i n e 鲻o ft h es i m p l i f i e dc a l c u l a t em o d e la n dn u m e r i c a lv a l u e s i m u l a t i o n , t h em e t h o dc o m b i n e ds i m p l i f i e dc a l c u l a t ew i t ha r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki s - i n t r o d u c e dt og e tt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro fh a n g i n g - p o i n tc a r dw h i c hc o n s i d e r st h ef a c t o r s 摹 s u c ha so s c i l l a t i o n ，f r i c t i o n ，g a sa n dc a p a b i l i t yo fo i l ，a v o i d i n gt oc o n f i r m i n gs o m ep a r a m e t e ri n t h em o d e l t h et r a n s f o 珊a t i o no ft h eb pn e u r a ln e t w o r ka n dr b fn e u r a ln e t w o r ki sd i s c u s s e d w h e ni t s p a r a m e t e r sa r ec h a n g e d i ti ss h o wt h a tt h en e u r a ln e t w o r kc a np r e d i c tt h e c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro fh a n g i n g p o i mc a r do ft h eo i lw e l li nv a r i e sc o n d i t i o ne f f e c t i v e l y t h r o u g ht r a i n i n g , a n di ti se f f e c t i v ea n df e a s i b l e k e yw o r d s ：s u c k e rr o dp u m p i n gs y s t e m ；m o n i t o r i n gd a t a ；e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ； s u p p o r tv e c t o rr e g r e s s i o n ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 一jl_ 目录 目录 l 者论1 1 1 课题研究的背景及意义l 1 2 有杆抽油系统的研究现状l 1 3 本文的主要工作5 2 有杆抽油系统效率监测与软件开发6 2 1 有杆抽油系统简介。6 2 2 有杆抽油系统的效率7 2 3 有杆抽油系统效率监测技术7 2 4 有杆抽油系统单井监测技术8 2 4 1 地面测试8 2 4 2 井下测试简介j ：。1 0 2 5 测试数据存储格式说明1 0 2 5 1 明德测试数据文件结构l l 2 5 2 枫火测试数据文件结构l l 辛一、 2 6 测试数据分析计算1 2 2 7 数据组织与软件开发”1 3 _ 澎酗 2 7 1 数据组织1 3 2 7 2 测试数据分析软件的开发1 4 2 8 本章小结18 。“ 3e m d 方法在有杆抽油系统效率监测数据分析中的应用。1 9 3 1 小波分析及其在信号趋势项提取中的应用1 9 3 1 1 小波和小波变换1 9 3 1 2 基于小波分析的信号趋势项提取2 l 3 2 经验模式分解2l 3 3 仿真信号分析2 2 3 4e m d 方法在抽油机井系统效率监测数据分析中的应用2 4 3 5 本章小结2 5 4s v r 在抽油机井系统效率e m d 分析中的应用。2 6 4 1e n d 端点效应2 6 4 2 支持向量机2 7 4 3 支持向量回归。3 0 4 4 支持向量机超参数的确定。3 2 4 5 时间序列预测的支持向量机回归3 4 4 5 1s v r 时间序列预测建模3 4 i 西安理工大学硕士学位论文 4 5 2s v r 在处理e m d 端点效应中的应用3 5 4 6 抽油机井系统效率实例分析3 6 4 7 本章小结。j 3 7 5 基于a n n 的有杆抽油系统悬点示功图特征参数的计算3 8 5 1 悬点示功图特征参数3 8 5 2 悬点载荷的计算方法。3 9 5 2 1 悬点静载荷与静力示功图3 9 5 2 2 不考虑弹性振动和摩擦的悬点动载荷及动力示功图4 l 5 2 3 考虑杆柱弹性振动和摩擦的悬点动载荷及动力示功图4 3 5 2 a 气体和油层供液能力对示功图的影响“4 5 5 3 人工神经网络4 6 5 3 1b p 神经网络4 8 5 3 2r b f 神经网络。4 9 5 a 基于a n n 的有杆抽油系统悬点示功图特征参数的计算4 9 5 4 1 基本步骤4 9 5 4 2 网络输入输出数据的确定5 0 5 4 3 建模工具的选择5 3 5 4 4 网络设计与结果分析。5 3 5 4 5 不同网络参数对网络性能的影响5 6 5 5 本章小结。5 9 6 全文工作总结6 0 致谢6 l 参考文献。6 2 附录t ；! i j l 绪论 l 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 提高现有油田的开采率，降低生产成本作为未来石油工业技术发展的主要目标之一， 越来越成为油田技术人员和管理人员的工作重点。作为占主导地位的人工举升采油方式， 有杆抽油系统在完成采油的同时也消耗了大量的电能，其能耗约占油田生产总能耗的三分 之了而其系统效率却不足3 昕啪井长期处于低效运行状态，造成了相当大的浪费。因 此，提高有杆抽油系统的系统效率，对提升油田的生产管理水平、提高企业的经济效益和 降低原油开采成本具有十分重要的战略意义。 计算机信息技术和网络技术的发展为提高有杆抽油系统的效率提供了可能。一方面， 利用计算机强大的数值计算功能求解复杂的系统动力学模型，通过模拟有杆抽油系统的运 行过程对系统进行仿真，分析各个动态参数对系统的影响效率，从而优化系统生产参数， 提高系统的开采效率；另一方面，各种形式的监测技术和数据传送方式，将生产现场的设 备运行状态的测试数据记录并保存下来，在专业化的软件分析基础上，分析系统的动态性 能，掌握系统的运行状况。 一， 由于井下工况的复杂性和不可预见性，目前有杆抽油系统的数值仿真和优化都是在建 立部分简化和近似线性化的系统动力学模型的基础上完成的，相关参数不能准确的确定导 致计算出的结果和系统实测的参数值之间存在一定的误差。如何减小误差，提高模型的仿 真精度一直是科研人员和现场技术人员努力的目标。与此同时，随着存储的数据量的增加， 如何有效地利用这些历史数据将是一项比较有意义的工作。 ， 因此本文将从大量监测的历史数据着手，通过计算获得反映有杆抽油系统的动态特征 参数，以便为有杆抽油系统的评价和优化，提高系统的效率从而节约生产成本提供有效的 参考依据。 1 2 有杆抽油系统的研究现状 有杆抽油系统是一个包括地面系统和井下系统的机电液耦合的复杂系统【l 】，无论是系 统的设计还是系统的匹配优化、系统诊断以及系统的智能控制，其前提都必须对有杆抽油 系统本身的特点和性能有足够的认识。为了获得系统的动力学性能，国内外研究人员从上 世纪4 0 年代开始就进行了包括试验井和计算机数值模拟与仿真的相关研究。由于试验井 的成本较高以及对生产的影响，阻碍了物理模拟实验的进一步发展。因此关于计算机数值 模拟和仿真的研究一直是科研人员关心的主要内容和研究重点。 对有杆抽油系统进行计算机仿真，。对不同工况条件下的有杆抽油系统各部分进行动 态分析，获得系统的动态参数，可以为系统设计和优化提供参考。有杆抽油系统的动态参 数包括：抽油机的悬点载荷、抽油杆柱任意截面的载荷、减速箱曲柄轴扭矩、光杆功率、 井下效率、地面效率和系统效率等参数。为了获得这些动态参数，国内外在分析系统结构 西安理工大学硕士学位论文 予 j l 绪论 算机仿真技术适用于组合抽油杆柱，但并没有提出多杆柱的有限差分求解方法。在以后相 当长的一段时间里，围绕直井的波动方程的数值解法开展很多研究。 d r d o 够和s c h m i d t 于1 9 8 3 年提出了同时考虑液体运动和抽油杆柱运动的二维 预测数学模型。在浅井、大泵和大排量情况下，液柱的惯性负荷影响可能比较大。凡e l a i n e 等人1 于1 9 9 0 年提出了解决此类问题的数学模型，j e c h a c i n 和j c p u r c u p i l e 8 l 提出了垂直井中考虑油管振动、液柱运动的三维预测数学模型。 j e c h a c i n 和j c p u r c u p i l e 对中西部研究所模拟机械系统采用的离散模型( 即将质量 集中于端部) 用数字计算机进行了计算，在计算过程中使用了a p i 的有关参数( 如质量和弹 簧常数等) ，取得了较好的结果；t n i c o l 1 采用了有限元的方法求解描述抽油杆柱纵向振 动的波动方程取得了很好的效果。这两种设计方法在设计玻璃钢杆钢杆混合抽油杆时同 样有效，因为玻璃钢抽油杆的接箍重量约占每根抽油杆柱杆重的1 5 。 进入9 0 年代以后，随着人工智能理论的发展，国外开发了用于有杆抽油系统设计的 专家系统。例如j o h ngs v i n o s 介绍了第一个用于有杆抽油系统设计的专家系统一 r o d s t a r 。该系统将二维预测技术与人工智能理论相结合，利用不同抽汲参数下的系统 动态预测结果对系统进行智能设计。每0 j 进入9 0 年代后期，有杆抽油系统的预测技术随着定向井在石油开采中的大量应用逐 步发展到定向井、斜直井和水平井的有杆抽油系统预测技术。由于在定向井和斜直井中， 抽油杆柱与油管之间存在非线性的刚体摩擦力( 库仑摩擦力) ，使得描述抽油杆柱动态特 性的偏微分方程变成了非线性，给偏微分方程的求解带来了一定困难。s qg i b b sn 提 出了定向井有杆抽油系统动态预测的一维数学模型，该模型选取了曲线坐标描述抽油杆柱 的任意一点，建立了描述抽油杆柱纵向振动的偏微分方程，该方程仍然属于波动方程的求 解，在所建立的方程除了含有与抽油杆柱运动速度成正比的粘滞阻尼系数项外，还增加了 抽油杆柱和油管之间的库仑摩擦力，在该项中只考虑了井眼井斜角和方位角变化率对库仑 摩擦力的影响，没有考虑沿抽油杆柱节点方向井身轨迹参数对库仑摩擦力的影响。s a l u k a s i e w i c z 1 幻提出了一种既考虑抽油杆柱轴向振动又考虑抽油杆柱横向振动的预测模 型。 上世纪八十年代初期，随着定向井开采技术的逐步配套以及良好的增产效果和显著的 经济效益，我国也开始进行了定向井的应用和研究。八十年代后期，由于各大油田开发定 向井的数目越来越多，对定向井采油技术的研究取得了一些成效，相应地开发了用于定向 井的井下设备和分析方法。国内学者针对定向井有杆抽油的生产特点，结合油田现场的生 产实际开展了大量的研究。这些研究成果主要是通过考虑建立尽可能精确的系统模型对系 统进行模拟，并开发了配套的软件，在一定范围内取得了很好的效果。 大庆石油学院的李子丰n 3 1 等人与大庆石油管理局合作，根据动力学普遍原理，考虑 井眼轨迹、抽油杆柱构成、抽油杆与油管的滑动摩擦力以及油液的粘滞摩擦力，采用微元 矢量分析方法，建立了定向井抽油杆柱纵向振动的微分方程，并给出了井下动态参数诊断 3 西安理工大学硕士学位论文 的定解条件，编制了计算机软件，并在成功应用与大庆油田采油五厂。同济大学徐俊n 蚰 等人与江苏石油勘探局合作，建立了考虑斜井抽油杆柱三维空间振动及杆管摩擦和井眼轨 迹影响的斜井有杆泵工况分析数学模型，推导了杆柱运动的基本微分方程以及相应的边界 条件。实例计算与实测结果对比表明，在采用垂直井分析方法分析斜井时存在较大的误差， 泵功图会失真；在井斜角和方位角变化较大时，不宜采用二维模型计算斜井空间曲杆；在 考虑杆管摩擦力时，用三维模型应同时考虑轴向载荷的影响，用该方法得到的斜井有杆泵 工况预测和诊断结果可以获得比较好的效果，可以得到摩擦力与井身变化关系曲线，从而 为扶正器间距的设计提供技术依据。徐俊“还对玻璃钢和混合抽油杆动态模拟的解析法 进行了深入研究，在四川资中油田的桂七井和蓬4 6 井应用，理论和实测基本吻合，可直 接用于有杆抽油预测和设计。 董世民等人n 扣”1 针对现有预测和仿真模型的不足和计算方法的问题，对有杆抽油系 统预测和设计的数学模型进行了深入研究，包括针对目前的数学模型没有考虑电动机转速 波动对系统动态预测的影响，建立了电动机转速波动影响的游梁式抽油机系统动态参数预 测数学模型。在计算方法上将系统分为两个单元( 电动机到悬点的地面机械传动单元，井 下抽油杆柱和油管柱与液柱的藕合振动单元) 迭代分段综合求解。对悬点示功图、电动机 瞬时转速及系统的其它动态参数进行模拟计算。该研究是在油井铅直的且抽油杆柱与油管 同心的假设下进行的，对斜并没有考虑。石油大学吴晓东1 8 1 等人对超高转差电机驱动有 杆泵抽油系统的动态特性的计算机模拟进行了深入研究，对综合考虑了超高转差电机驱动 单级抽油杆振动的系统进行了建模，模拟得到了悬点示功图和曲柄的转速，模拟程序具有 较高精度，能够满足一般的工程设计计算要求。 但是从现场使用的情况来看，仍然存在许多问题，目前国内还没有开发出适用于定向 井的有杆泵抽油系统动态参数诊断和精确的预测模型，没有形成系统的分析诊断和优化体 系。 从国内外的研究现状可以得出有杆抽油系统的数值模拟和系统分析的主要方向可以 包含以下几个方面： ( 1 ) 建立考虑各种参数的精确的数学模型。由于有杆抽油系统是一个复杂的非线性系 统，任何参数的取舍都将影响模拟的精度和实用性； ( 2 ) 实井试验与计算机数值模拟相结合。在计算机模拟过程中，很多参数很难确定， 可以通过实验的方法获取，建立实井实验和数值模拟的混合模拟方法是当前复杂系 统模拟的有效途径； 。 ( 3 ) 信息智能化。在有杆抽油系统工作时，井下的供液能力实际是一个动态变化的过 程，从而使得有杆抽油的下边界条件时间不断变化，而边界条件的变化与历史资料 之间存在着一定韵联系，因此通过存储各项监测数据，利用各种智能方法对其进行 分析和预测，将是一项富有挑战性的工作； ( 4 ) 系统预测和优化。计算机模拟的目的是为了更好的掌握系统的特性，它是认识系 4 l 绪论 统的手段，从而可以为系统优化提供有效的参考依据，通过调整系统获得最佳的系 统效率和最大的经济效益。 1 3 本文的主要工作 上述的研究方法是从系统本身的特点出发，由于系统的复杂性特别是地下部分的不可 遇见性等原因，这些方法预测的结果并没有能够真实地反映系统的表现，特别是与现场的 实际测试的结果有一定的差别。另一方面，各种不同类别的监测技术被广泛地应用到现场 生产中，随着这些设备的投入运行，大量的反映系统效率行为的监测数据被获得，如何有 效地利用这些监测数据，是一个值得研究的内容。因此，本文将在分析有杆抽油系统特点 的基础上，利用神经网络预测系统的动态性能。 有杆抽油系统在不同工况的下表现出的复杂性和不可预见性给系统的仿真和优化带 来了一定的困难，利用测试获得的大量数据，获取有杆抽油系统运行状态的特征参数，为 系统评价和优化，提高系统效率提供有效的参考。本文在分析监测数据的基础上，利用经 验模式分解和神经网络等方法，对系统进行分析计算，主要包括以下几个方面的内容： ( 1 ) 在分析抽油系统测试技术和监测数据存储格式的基础上，通过计算获得了反映有 杆抽油系统动态性能的特征参数，并编制了相应的分析软件，计算的结果以 l 诳c r o s o l lw o r d 格式导出，便于编辑和存储。 ( 2 ) 对于实时监测的数据，在某一段时间内各个系统效率特征参数呈现不规则的波动， 一一 给系统评价和优化带来了不便，利用经验模式分解方法，对系统效率的变化趋势 项进行提取，反映油井在被分析时间段内的系统效率变化情况。 ( 3 ) 在利用经验模式分解的过程中，由于在数据的两端的点既非极大值又非极小值，。 导致上下极值的包络线发生畸变，在经验模式分解结果的两端出现分解误差，即 产生端点效应。为了解决端点效应对分解结果的影响，利用支持向量回归方法对 原始数据进行双边延拓，有效地抑制了端点效应，分解的结果更加有效。 ( 4 ) 悬点功图上的最大悬点载荷和最小悬点载荷等特征参数是合理选择抽油机的重要 参数，传统的计算方法难于适合于不同的油井工况。不同的设备配置和生产参数 与悬点示功图之间存在复杂的非线性关系，利用神经网络强大的非线性映射的能 力，建立不同工况下的悬点示功图的模型，预测悬点示功图的特征参数。 5 西安理工大学硕士学位论文 2 有杆抽油系统效率监测与软件开发 为了提高油田的管理水平，及时掌握油井的各项动态参数，有必要对抽油机井进行监 测，先进的测试技术和数据传输技术的快速发展和应用为此提供了可能。在目前各大油田 都已经建立了不同类型不同级别的数据中心和监测系统，使处在不同地点的技术人员和管 理人员可以很方便的通过网络查看所管辖的油井和油田采区的运行状况。然而随着时间的 推移，大量的监测数据被保留了下来，如何更加有效地利用这些数据指导生产实际成为各 层技术人员和管理人员关心的主要问题之一。本章将介绍油井系统效率监测数据分析技 术，在对有杆抽油系统效率分析的基础上，针对不同测试仪器的测试数据进行分析计算， 结合油井的硬件配置，得到了地面效率、井下效率和系统效率等反映油井运行的参数，并 开发了配套的分析软件。 2 1 有杆抽油系统简介 图2 1 是目前油田使用最为广泛的游梁式有杆抽油系统的示意图，主要由地面驱动设 备( 电动机和抽油机) 、井下设备( 抽油泵、抽油杆、油管和套管以及辅助设备( 电气控 制柜、井口装置等) 。 有杆抽油系统的运行过程是一个能量 不断传递和转化的过程，目的是将电动机 输入的电能经过抽油的各个硬件环节传递 到井下，实现人工举升采油。其工作原理 是电动机( 或其它动力源) 通过带传动带 动减速箱的输入轴，经减速后通过四连杆 机构，将旋转运动转变为往复摆动再由游 梁顶端的驴头带动抽油杆作上下往复直线 运动，同时抽油杆将这个运动传递给井下 深井泵的活塞。在深井泵内泵缸下部装有 吸入阀( 固定阀) ，活塞上装有排出阀( 游 动阀) 。当活塞上行时，排出阀在油管内液 柱压力下关闭并排出活塞冲程的一段液 图2 - l 游粱式抽油机系统示意图 f i g 2 ls k e t c hm a po f s u c k e r - r o dp u m p i n gu n i t 体，与此同时，泵桶内压力下降( 固定阀与活塞之间的空间) ，在环空间液柱压力的作用 下，吸入阀打开，井内的油液进入泵内活塞所让出来的空间，完成吸入过程。活塞向下运 行时，泵内液体受压缩，压力增高，当此压力等于环形空间压力时，吸入阀靠自重而关闭， 在活塞继续下降中，泵内压力继续升高，当泵内压力超过油管内压力时，泵内液体立即顶 开排出阀并进入活塞上部。这样，在活塞不断上下运动中，吸入阀和排出阀不断地交替开 关，完成吸入油液、排出油液，使油管内液面不断上升，一直到井口排入集油管线。 6 i j 2 有杆抽油系统效率监测与软件开发 2 2 有杆抽油系统的效率 有杆抽油系统在运行时，每一个能量传递和转化的环节都有一定的能量损失，输入系 统的能量与各部分的损失之间的差值为井下液体获得的有效能量，此有效能量与系统输入 能量之比即为有杆抽油的系统效率。有杆抽油系统的效率包括以下几个部分： 1 抽油机的输入功率( 只) 拖动抽油机的电动机的输入功率为抽油机的输入功率。 2 抽油机的光杆功率( r ) 光杆提升液体和克服井下各种阻力所消耗的功率为抽油机的光杆功率。 3 有杆抽油系统的有效功率( 最) 将一定排量的液体从井下提升到地面所需要的功率叫做有效功率，亦称为水功率。 4 抽油机井系统效率 抽油机井的有效功率与输入功率的比值为抽油机井的系统效率，即 = 渊燃= 只p 水1 0 0 ( 2 1 ) 刀 = 一= i ，il y 嗍 抽油机的输入功率 只 卜“， 5 效率分解 根据抽油机系统的工作特点，可以将抽油机系统的效率分为两个部分：地面效率和井 下效率。以光杆悬绳器为界，悬绳器以上的电机效率与机械传动效率的乘积为地面效率； 悬绳器以下到抽油泵的杆柱系统效率和抽油泵到井口的效率为井下效率。因此有 = 詈= 等等= ( 2 2 ) 式中为地面效率，为井下效率。 在抽油机工作过程中，其负荷是不断变化的，因此其瞬时的输入功率、光杆功率和输 出功率等参数也是不断变化的，相应的各种瞬时效率也是一些不断变化的值。但抽油机负 荷的变化又是周期性的，抽油机驴头每上下一次，即为一个冲程周期。为了便于研究，本 文所研究的有杆抽油系统及各部分的效率主要是抽油机在每工作一个冲程周期内的平均 值，所计算的各种功率值也是每一个冲程周期内的平均值。 2 3 有杆抽油系统效率监测技术 有杆抽油机系统是油田重要的生产设备，系统运行的好坏将直接影响采油的产量和效 益，为了及时了解和掌握有杆抽油机井系统的工作状态，需要对其进行监测。 油田的采油现场一般由若干口油井、计量间、管汇阀组，转油站，联合站、原油外输 系统、油罐以及油田的其它分散设施组成。按照不同的生产管理方式，目前常见的系统监 测方式有单井监测系统( 便携式) 、单井计量站自动化监测系统和单井计量站一联合 站自动化监测系统等三种组织方式。 7 西安理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 单井监测系统 单井监测系统，以一口油井为监测对象，通常以单片机或者p c 机作为测试主机，通 过采集抽油机井的各项参数，掌握被测油井的各项动态参数，配合一定的处理程序( 单片 机系统) 和辅助分析软件( p c 系统) ，获得油井的状态特征参数，为单井系统评价和优化 提供一定的参考依据。 ( 2 ) 单井计量站监测系统 单井一计量站监测系统以井区所管辖的若干个单井以及计量站为监测对象，计量站配 置控制室，采用主、从控制，实时或定时采集、分时通讯、有线或者无线的方式进行自动 化监测管理。在控制室和各被监测井之间实现一对多分时分址数据传输。 ( 3 ) 单井一计量站一联合站 在单井监测系统和单井计量站监测系统的基础上，将若干个系统通过网络连接在一 起，并接入i n t e m e t ，实现多级多点远程监控。 在以上三种方式中，单井监测系统是最基础也是最关键的环节，对单井监测的数据进 行分析和处理评价和优化单井性能的主要内容，因此本文将主要介绍单井监测技术的相关 内容。 2 4 有杆抽油系统单井监测技术 根据有杆抽油系统的特点，其系统分为地面和井下两个部分，相应的测试也分为地面 测试和井下测试两部分。 有杆抽油系统的地面测试一般包括电机参数测试( 通常有电机的输入电压、电流、功 率、功率因素以及电机的转速等) 、光杆示功图( 光杆位移和载荷) 、产液量、油液混合物 密度、气油比、含水率等的参数的测试。 井下测试主要包括动液面测试、压力测试、温度等。由于在进行井下测试的时候，通 常是通过套管和油管之间的环行通道完成的，所以井下测试也称为环空测试。 2 4 1 地面测试 8 图2 - 2 抽油机传感器安装示意图 f 弛2 - 2s k e t c hm a po f s e n s o r sa r r a n g e m e n t 量 点 或 苟 p 豇 量点位粕“) 图2 - 3 悬点示功图 f i 吕2 - 3h a n o n g - p o t n tc a r d 2 有杆抽油系统效率监测与软件开发 在油田现场，地面测试最主要的内容是光杆示功图和电参数的测定。光杆示功图的形 状在一定程度上反映了被测油井井下的工作状况；电参数的大小和波动情况反映了系统整 体的能量消耗及运行平稳情况。其余的参数如产液量、油液密度、气油比和含水率等都是 现场工作人员通过查看流量表和取样测定完成的，这里将主要介绍功图数据和电参数的测 试。图2 2 所示的是常见的有杆抽油系统地面部分的传感器安装示意图，主要包括两个部 分：悬点示功图传感器和电参数传感器。 a 功图数据测试 抽油机的悬点示功图显示了一个冲程周期内悬点载荷随位移的变化情况( 如图2 3 所 示) 。有杆抽油机井的井下泵况复杂，而实测示功图在一定程度上反映了泵在井下的工作 状况，结合基础生产数据和对应井的地质情况，利用诊断技术可以找出影响泵效的原因， 从而进一步分析当前生产参数是否合理，并拟定出相应的采油工艺和检泵周期，保证抽油 机井的长期高效运转。因此功图数据是油井效率监测一项重要的内容。图2 2 中使用的是 一个集成式的功图传感器，由载荷传感器和拉线式位移传感器组成，将传感器放置在悬绳 器上下夹板的中间，同时将位移传感器的拉环固定在井口。启动抽油机后，载荷传感器将 夹板受的作用力转化为电信号；驴头的摆动拉动位移传感器的线绳，与线绳连接的轮毂带 动精密旋转感应器旋转，输出一个与拉绳移动距离成比例的电信号。采集的信号经过处理 换为相应 图2 - 4 示功图传感器的安装 f i g 2 - 4i n s t a l l a t i o no fd y n a m o m e t e ri nh a n g i n g - p o i n t b 电参数的测试 抽油机井的电参数主要包括电机电压、电流、三相交流电功率。抽油机电流的波动情 况反映了抽油机机构平衡的变化( 如图2 5 所示) 。 当系统运行平稳时，电流曲线波动相对较小；当系统平衡遭到破坏时，电流曲线波动 相对较大。此外结合测量的电压参数就可以计算电机消耗的有用功率、无用功率和对应油 井的耗电量。因此对测量的电参数的分析为抽油机井工况评价和系统节能降耗提供了重要 的参考依据。采集的电压、电流和功率信号经处理得到相应的参数值。 9 囊睛燃 西安理工大学硕士学位论文 时问t b ) 图2 - 5 电参数实测数据 f i g 2 - 5e l e c t r i cp a r a m e t e rm o n i t o r i n gd a t a c - 单井产量计量简介 图2 - 6 电参数测量 f i g 2 - 6m e a s u r e m e n to fe l e c t r i cp a r a m e t e r 单井产液量是有杆抽油系统工作的最后成果，它在一定的程度上反应了抽油机井的效 能和管理水平。从抽油井采出的油、气、水的三相混合溶液，因此在产油量的计量时，首 先要使用分离器使油、气、水分离。常用的测量装置有玻璃管量油装置和三相计量装置， 配置相应的数据采集和处理单元，就能够获得混合油液的纯油量、含水率、密度和气油比 等油液参数，相关内容可参考相关资料n 。 2 4 2 并下测试简介 抽油机正常生产时，油管和套管环形空间的液面为动液面。测定动液面深度是确定有 杆抽油系统效率的必要数据，根据所测得的动液面还可以计算油层压力和油井的供液能 力，进而分析抽汲参数是否合理、工作状态是否正常等。环空液面测试现场主要采用的方 法是声波法和物质平衡法，以获得被测油井的动液面。此外，安置在井口的压力表可以获 得油液的压力。 通过上述的测试方法可以获得被测油井的功率数据、功图数据、油液数据和井况数据 等反映油井硬件配置和生产运行时的参数，对这些测试数据进行深入的分析就可以评价油 井工作是否正常，从而为系统优化提供重要的依据。 2 5 测试数据存储格式说明 ，j 目前在油田现场，不同的测试仪器除了采集数据，还提供了一些功能简单的辅助配套 软件，其功能相对的比较单一。另外，随着测试数据的增加，如何更好地利用这些数据， 从中提取更多的有用信息，不管是对现场工作人员还是采油工艺技术人员都有很好的指导 意义。因此本文在分析两种常见的测试仪器数据存储结构的基础上，开发了相应的测试数 据分析软件，通过计算获取了被测油井的各项动态参数，为油井的评价和优化提供更加直 观、可靠的依据。测试数据格式是明德( 荆州) 仪器数据和枫火( 北京) 仪器测试数据， 这两种测试仪器保存的数据格式均为文本文件。此外配套的有被测油井的工况参数、井斜 数据和对应油层的参数。 2 有杆抽油系统效率监测与软件开发 2 5 1 明德测试数据文件结构 明德测试数据以文本的形式存储，其内容包括油井名称、测试时间、测试点数、冲程、 冲次、悬点位移数据、悬点载荷数据、电动机输入电流数据、电动机输入电压数据、电动 机有功功率数据、电动机无功功率数据，在每一项测试数据序列之前用相应的字符进行了 标记。图2 7 为一个明德测试文件的格式。每个明德测试文件中包含了一口油井一个冲程 周期的测试数据，对应的标记是井名标记( w e l l n a m e ) 、测试日期标记( t e s t d a t e 】) 、测 试点数标记 c o u n t ) 、功图数据标记( 【喇】) 和功率数据标记( 【9 1 匈】) 。其中功图数据 包含了冲程、冲次、载荷和位移，载荷数据连续写成一行，每个数据占5 位字符，数据不 足在前面补零，单位是k n ；位移数据连续写成一行，每个数据占4 位字符，数据不足在 前面补零，单位为m ；功率数据中包含电流数据、电压数据、有功功率数据和无功功率 数据，电流数据、有功功率数据和无功功率数据的格式与载荷数据的格式相同，单位分别 为a 、k w 和k v a r ；电压数据的格式与位移数据的格式相同，单位为v 。 文件编辑格式 查看1 3 c ) 帮助笾) e e l l n