一种基于示功图特征的抽油机井异常工况诊断方法技术

本发明专利技术公开了一种基于示功图特征的抽油机井异常工况诊断方法，该方法首先通过分析抽油机悬点采集的示功图数据的曲线轮廓特征，利用初始点、载荷最大点、位移最大点及载荷最小点四个特征点将示功图数据分为加载、上行程、卸载、下行程四段；然后采用最小二乘法求取上下行程拟合直线斜率、标准误差平方和等特征值，对加载、负载段曲线数据求端点连线与数据点作差得到加载、卸载段特征值；最后结合标定的特征值边界误差阈值建立出抽油机井的异常工况诊断模型，根据该模型进行抽油机的多故障现场诊断。该方法可以实时、高效地管控抽油工程现场，达到自动诊断、提高安全生产性的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种基于示功图特征的抽油机井异常工况诊断方法
本专利技术涉及油田工况诊断领域，具体而言，是通过提取抽油机示功图曲线轮廓特征，诊断抽油机井异常工况的方法。
技术介绍
石油作为一种重要的能源和化工原料，在当前油田资源有限的情况下，开发采油工况故障诊断系统对于管控油田采油作业的安全高效进行具有重要意义。作为采油工程中的关键设备，抽油机通过电机高速旋转带动多级连杆摆动，实现井下活塞作上下、垂直的往复运动，将油抽出井筒。抽油机的安全运行直接影响了油田产量及生产状况，但由于国内各大油田的工况复杂，抽油机出现气体影响、供液不足、活塞上下碰泵等故障的概率很高，图1～4展示了正常、气体影响、供液不足及平衡块过重四类典型工况下的示功图。在采油过程中，仅凭人工观察采集所得憋压曲线或示功图进行故障诊断，或采用声测仪器进行故障判定，从效率和经济性上来说都有待提升。因此，企业需要合适的方法对抽油机井故障进行实时诊断，发现油井问题并及时制定措施，稳定生产。目前国内外采油工程领域内，针对抽油机异常工况的诊断方法实时性和经济性总体偏低。
技术实现思路
针对上述缺陷，本专利技术提供一种抽油机井示功图异常诊断方法，通过分析抽油机悬点采集的实时示功图数据的曲线轮廓特征，以诊断抽油机异常工况类型，从而实时、经济、高效地管控抽油工程现场，达到自动诊断、安全生产的目的。本专利技术提出一种抽油机井示功图异常诊断方法，具有如下步骤：根据历史示功图特征数据建立抽油机井异常工况诊断模型，实时获取单冲次内抽油机示功图数据并提取曲线故障特征，通过诊断模型进行多故障特征诊断与工况分类。进一步地，所述抽油机井异常工况诊断模型的建立步骤如下：(1)获取抽油机历史工况记录的单冲次内n次采样得到的加速度、载荷二维悬点数据；(2)对二维悬点数据进行预处理生成示功图；(3)根据抽油机单冲次示功图加载、卸载曲线分段提取故障特征；(4)建立曲线特征到故障类型的映射模型。建立异常工况诊断模型后，使用该模型进行所述实时多故障特征诊断与工况分类的步骤如下：(1)实时采集抽油机悬点示功图数据；(2)采用前述方法对示功图数据进行预处理；(3)使用诊断模型进行多故障特征诊断与工况分类；(4)针对故障类型给出操作指导方案。进一步地，所述对二维悬点数据进行预处理的步骤如下：(1)采用五点三次平滑方法对二维数据进行滤波；(2)对加速度信号进行二次积分运算获得位移数据；(3)进行线性归一化处理，得到单冲次位移数据集合X＝{xi|i＝1,2,...,n}及对应载荷数据集合Y＝{yi|i＝1,2,...,n}。进一步地，所述示功图加载、卸载曲线分段提取故障特征的步骤如下：(2-1)从示功图数据中确定初始点PA(x1,y1)、载荷最大点PB(xb,yb),yb＝max{Yi}、位移最大点PC(xc,yc),xc＝max{Xi}以及载荷最小点PD(xd,yd),yd＝min{Yi}，其中1<b<c<d<n；(2-2)依据步骤(1)的四个特征点将示功图曲线划分为四个数据集合：(2-3)对于UAB和UCD，得到端点连线直线方程yAB(x)和yCD(x)：求出原始加载、卸载特征值集合σup＝{σi|i＝1,2,...,b}及σdown＝{σk|k＝c+1,c+2,...,d}，其中：依据抽油机示功图误差分布规律标定加载特征值边界误差阈值ThA、ThB和卸载特征值边界误差阈值ThC、ThD，并对特征值集合进行取整截取，得到：(2-4)对于UBC和UDA，采用最小二乘法得到拟合直线yBC(x)和yDA(x)：计算标准误差平方和eBC、eDA：进一步地，所述曲线特征到故障类型的映射关系如下：(7-1)抽油机泵内气体影响产生的故障会导致下冲程卸载缓慢，在示功图卸载段形成一条圆弧线，对应的曲线特征表示为：(7-2)抽油机泵内供液不足会导致下冲程直到活塞碰到液面时才开始卸载，在示功图卸载线形成一个明显拐点，出现刀把现象，对应曲线特征表示为：(7-3)抽油机冲程内由于振动或机械磨损产生的故障，表现为示功图上下行程具有一定程度的波纹，且上下形成波纹度较为接近，对应曲线特征表示为上下行程曲线的标准误差平方和大于振动阈值Thabrase且平衡误差特征值小于平衡阈值Thbalance：(7-4)抽油机平衡问题会导致变速箱输出转速产生滞后。其中，平衡块过轻会导致下行程变速箱输出转速产生滞后，表现为下行程产生大幅度波动，对应曲线特征表示为：eDA-eBC≥Thbalance反之，平衡块过重会导致上行程变速箱输出转速产生滞后，表现为上行程产生大幅度波动，对应曲线特征表示为：eBC-eDA≥Thbalance(7-5)惯性因素导致的抽油机故障在示功图上表现为逆时针旋转，且旋转角度一般不超过α，对应曲线特征表示为：(7-6)当抽油机由于冲程损失、管线堵塞或阀门未开等因素出现加载困难时，对应曲线特征表示为：(7-7)当抽油机由于活塞与泵筒间隔漏损或游动凡尔漏损等因素出现漏损时，对应曲线特征表示为位移最大点PC的载荷小于载荷最大点PB与载荷最小点PD之和与漏损阈值Thleak的乘积，定义漏损特征值如下：优选的，所述通过诊断模型进行的故障特征诊断与工况分类具有如下步骤：(9-1)实时采集抽油机悬点示功图数据；(9-2)对示功图数据进行预处理；(9-3)使用诊断模型进行多故障特征诊断与工况分类。有益效果本专利技术采用上述技术方案，公开了一种基于示功图特征的抽油机井异常工况诊断方法，具有以下有益效果：充分利用抽油机悬点采集的实时示功图数据的曲线轮廓特征，实时、经济、高效地诊断抽油机异常工况类型。相较于传统的诊断方法，该方法具有实时性强、自动化程度高、经济性好等优点，能现场及时反馈抽油机井工作状态，这对于管控抽油机安全生产、提高原油产量具有十分重要的意义。附图说明图1为典型工况下(正常)的示功图图2为典型工况下(气体影响)的示功图图3为典型工况下(供液不足)的示功图图4为典型工况下(平衡块过重)的示功图图5为本专利技术的基于示功图特征的抽油机井异常工况诊断系统流程框图；图6为本专利技术的系统流程框图中特征提取流程的子框图；图7为本专利技术的系统流程框图中故障诊断流程的子框图。具体实施过程下面结合附图以及具体的算例，由具体的操作流程说明本方法在抽油机井故障诊断的实施效果。应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。选取某原油本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于示功图特征的抽油机井异常工况诊断方法，其特征在于包括以下步骤：/n(1)获取抽油机历史工况记录的单冲次内采样得到的加速度、载荷二维悬点数据；/n(2)对二维悬点数据进行预处理，得到单冲次位移数据集合X＝{x

【技术特征摘要】
1.一种基于示功图特征的抽油机井异常工况诊断方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)获取抽油机历史工况记录的单冲次内采样得到的加速度、载荷二维悬点数据；
(2)对二维悬点数据进行预处理，得到单冲次位移数据集合X＝{xi|i＝1,2,...,n}及对应载荷数据集合Y＝{yi|i＝1,2,...,n}；
(3)根据抽油机单冲次示功图曲线数据分段提取故障特征，从示功图数据中确定四个特征点：初始点PA(x1,y1)、载荷最大点PB(xb,yb),yb＝max{Yi}、位移最大点PC(xc,yc),xc＝max{Xi}以及载荷最小点PD(xd,yd),yd＝min{Yi}，其中1<b<c<d<n；
(4)依据步骤(3)的四个特征点将示功图曲线数据划分为加载段数据集合UAB、上行程数据集合UBC、卸载段数据集合UCD、下行程数据集合UDA四个：



式中，ui(xi,yi)表示加载段数据集的点，共b个，i表示第i个；uj(xj,yj)表示上行程数据集的点，共c-b个，j表示第j-b个；uk(xk,yk)表示卸载段数据集的点，共d-c个，k表示第k-c个；ul(xl,yl)表示下行程数据集的点，共n-d个，l表示第l-d个；
(5)对于步骤(4)的加载段数据集合UAB，根据特征点PAPB确定的直线求得加载特征值集合σup＝{σi|i＝1,2,...,b}，其中：



式中，yi表示加载段数据集合UAB中第i个点的纵坐标，yAB(xi)表示直线PAPB在xi处的纵坐标；依据抽油机示功图误差分布规律标定加载特征值边界误差阈值ThA、ThB，对特征值集合进行取整截取，得到σup＝{σi|i＝[b·ThA],...,[b·(1-ThB)]}；对卸载段数据集合UCD进行相同处理，得到σdown＝{σk|k＝[(d-c)ThC],...,[(d-c)(1-ThD)]}，其中ThC、ThD为卸载特征值边界误差阈值，且



式中，yk表示卸载段数据集合UCD在第k个点处的纵坐标，yCD(xk)表示直线PCPD在xk处的纵坐标；
(6)对于步骤(4)的上行程数据集合UBC，采用最小二乘法得到拟合直线PBPC，求出上行程拟合直线斜率kBC及标准误差平方和eBC作为上行程特征值：
<...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈夕松，沈煜佳，夏峰，梅彬，姜磊，
申请(专利权)人：南京富岛信息工程有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32