基于抽油機(jī)井的電參數(shù)診斷技術(shù)研究與應(yīng)用

摘要：目前油田在用的抽油機(jī)井的示功圖獲取需要放置一個(gè)載荷/位移傳感器，但該方法存在易損壞、精度低、安裝不方便、操作危險(xiǎn)等缺點(diǎn)。本文提出一種基于電參數(shù)的測(cè)控與優(yōu)化新技術(shù)，該技術(shù)改變了加速度計(jì)的安裝位置，省去了載荷傳感器的安裝，通過電參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)井工況的診斷分析，從根本上解決了采用載荷傳感器存在的安全、精度漂移、無線數(shù)據(jù)傳輸阻塞等多種問題，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：載荷;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);電參數(shù)

1.引言

抽油機(jī)有桿泵是當(dāng)前石油生產(chǎn)應(yīng)用最廣泛的采油工藝，在實(shí)際工作中，示功圖是分析井下泵運(yùn)行狀況、計(jì)算產(chǎn)液量及進(jìn)行故障診斷的重要依據(jù)。

抽油機(jī)井示功圖是由載荷隨位移的變化關(guān)系曲線所構(gòu)成的封閉曲線圖。抽油機(jī)井通過在油井懸點(diǎn)處放置載荷表來獲得載荷數(shù)據(jù)，通過加速度傳感器或者位移傳感器測(cè)量位移，由此來繪制出示功圖[1]，目前大港油田油井的示功圖都是采用這種方法繪制，但這種示功圖采集法還存在幾方面的不足。一是安全問題：為安裝載荷表，經(jīng)常性的停井和開井增加了安全隱患;二是儀表可靠性問題：戶外安裝容易被腐蝕，增加更換頻率和維護(hù)成本，同時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)容易受外部環(huán)境影響;三是測(cè)量精度問題：安裝位置振動(dòng)嚴(yán)重，信號(hào)中噪聲成分較多、不穩(wěn)定，位移信號(hào)也并不能完全閉合，導(dǎo)致示功圖繪制精度較低，并不能完全說明抽油機(jī)井工況的好壞;四是儀表老化及載荷漂移問題：由于機(jī)械壓力，傳感器易老化，載荷表工作一段時(shí)間需要重新校正;五是數(shù)據(jù)傳輸問題：通過無線傳輸，由于數(shù)據(jù)量巨大容易造成網(wǎng)絡(luò)的擁塞和數(shù)據(jù)延時(shí)。

電參數(shù)是一組抽油機(jī)電機(jī)運(yùn)行過程中電壓有效值、電流有效值和電功率等構(gòu)成的電氣參數(shù)，本文提出從電機(jī)運(yùn)行狀況反映抽油機(jī)的運(yùn)行狀況，通過一套油井電參數(shù)采集設(shè)備，用于對(duì)油井運(yùn)行電參數(shù)進(jìn)行采集處理，實(shí)現(xiàn)功圖繪制分析和工況診斷。

2.關(guān)鍵技術(shù)及其技術(shù)原理

2.1 電參數(shù)測(cè)量技術(shù)

電參數(shù)采集系統(tǒng)是一套通過采集電機(jī)瞬時(shí)電壓和電流參數(shù)，并計(jì)算獲得電機(jī)的各種功率參數(shù)的系統(tǒng)。系統(tǒng)首先通過互感器變換得到適合測(cè)量的電流電壓參數(shù)，然后通過ADE7758采集和計(jì)算電參數(shù)，最后通過ARM處理器的SPI接口讀取ADE7758內(nèi)的電參數(shù)。

由電參數(shù)采集硬件系統(tǒng)得到的電參數(shù)數(shù)據(jù)傳遞到后文的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法輸入端，運(yùn)用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)推算載荷值。硬件系統(tǒng)測(cè)量的加速度數(shù)據(jù)，通過后文算法計(jì)算懸點(diǎn)位移量。最終繪制出示功圖，并進(jìn)行接下來的分析。電參數(shù)采集系統(tǒng)模塊架構(gòu)圖（圖1）及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片（圖2）。

2.2 載荷計(jì)算

由電參數(shù)采集硬件系統(tǒng)可同步采集電功率參數(shù) 和轉(zhuǎn)速 。轉(zhuǎn)速 經(jīng)函數(shù)擬合可得懸點(diǎn)位移。通過一個(gè)黑匣子網(wǎng)絡(luò)F（），使輸入 的狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)輸出載荷的估計(jì)值P，實(shí)際的Payload和P之間會(huì)有誤差 ?[2]。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以完全自動(dòng)校準(zhǔn)，將誤差沿負(fù)梯度反饋給隱層，不需要外部的干預(yù)。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練成功后，即可運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的函數(shù)逼近功能進(jìn)行電參數(shù)到載荷值的推導(dǎo)。

2.3 加速度測(cè)量

ADXL345可選擇的測(cè)量范圍有±2g，±4g，±8g或±16g。既能測(cè)量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度，也能測(cè)量靜止加速度，例如重力加速度，使得器可作為傾斜傳感器使用。

傳感器為多晶硅表面微加工結(jié)構(gòu)，置于晶圓頂部。由于應(yīng)用加速度，多晶硅彈簧懸掛于晶圓表面的結(jié)構(gòu)之上，提供力量阻力。差分電容由獨(dú)立固定板和活動(dòng)質(zhì)量連接板組成，能對(duì)結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)進(jìn)行測(cè)量。加速度使慣性質(zhì)量偏轉(zhuǎn)、差分電容失衡，從而傳感器輸出的幅度與加速度成正比。相敏解調(diào)用于確定加速度的幅度和極性。

加速度采集端由加速度傳感器和控制器CC2530構(gòu)成，對(duì)外通過ZigBee無線的傳輸方式，面板包括運(yùn)行指示燈，自檢按鍵，現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警設(shè)備組成。

3 系統(tǒng)應(yīng)用過程

3.1 電參數(shù)監(jiān)控設(shè)備的安裝及應(yīng)用

共完成40套，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控三相電壓、電流、功率自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

1、電參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)模塊架構(gòu)

電參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)：依據(jù)采集的電參信息和ZigBee無線傳輸?shù)霓D(zhuǎn)速信息計(jì)算示工數(shù)據(jù)，并得出抽油機(jī)電能計(jì)量、系統(tǒng)效率和平衡分析。

2、電參數(shù)高精度監(jiān)控系統(tǒng)

此部分包括實(shí)時(shí)監(jiān)控三相電壓，電流，功率，實(shí)時(shí)電能自動(dòng)計(jì)量，示功圖反演，支持RS485協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸和國標(biāo)電參RTU通信協(xié)議傳輸，支持能效監(jiān)控和平衡分析。

3、抽油機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)架構(gòu)及功能

轉(zhuǎn)速采集系統(tǒng)分為三軸加速度實(shí)時(shí)采集、抽油機(jī)沖次精確測(cè)量、同步數(shù)據(jù)采集與發(fā)送和高可靠ZigBee無線通信協(xié)議等組成，可推算出抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期中，油梁轉(zhuǎn)速與懸點(diǎn)位移關(guān)系以及由轉(zhuǎn)速可以精確推導(dǎo)出懸點(diǎn)的位移。

抽油機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)安裝于抽油機(jī)和電參數(shù)設(shè)備中，采用全自主設(shè)計(jì)，經(jīng)過多次試驗(yàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)精確度高，傳輸高效可靠。

3.2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果及分析

已完成對(duì)于40口井電參數(shù)模塊和轉(zhuǎn)速表模塊的數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的工作，通過對(duì)以上電參數(shù)監(jiān)控設(shè)備和轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置各40套通過后臺(tái)軟件計(jì)算、分析得出的示功圖與井場(chǎng)現(xiàn)有示功圖進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，有37口相似度很高，如圖4所示的港××電參數(shù)采集和載荷采集示功圖對(duì)比。

4 結(jié)論

油田自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集及管理系統(tǒng)是一個(gè)提升油田自動(dòng)化生產(chǎn)水平的系統(tǒng)，包括抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的儀表，抽油機(jī)電參數(shù)儀表，采油現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)以太網(wǎng)的接入和匯總。

1、電參數(shù)測(cè)控與優(yōu)化新技術(shù)改變了加速度計(jì)的安裝位置，省去了載荷傳感器的安裝，為從根本上解決采用載荷傳感器存在的安全、精度漂移、無線數(shù)據(jù)傳輸阻塞等多種問題提供了切實(shí)可靠的方案。

2、完成了數(shù)據(jù)管理與能效監(jiān)控系統(tǒng)的初步應(yīng)用，為油井?dāng)?shù)據(jù)跟蹤與對(duì)比分析、本地?cái)?shù)據(jù)查詢、電參數(shù)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控、能效監(jiān)控與變頻調(diào)節(jié)豐富了切實(shí)可靠的方法。

3、借助后臺(tái)數(shù)據(jù)管理與能效監(jiān)控系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)平衡分析和能效分析，為抽油機(jī)井機(jī)采系統(tǒng)系統(tǒng)優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支持。

4、完成了抽油機(jī)智能節(jié)能調(diào)控系統(tǒng)試驗(yàn)，油井同時(shí)安裝了節(jié)能型變頻器和電參數(shù)采集裝置，結(jié)合后臺(tái)數(shù)據(jù)管理與能效監(jiān)控系統(tǒng)軟件，可實(shí)現(xiàn)油井油井閉環(huán)優(yōu)化控制，為采油廠提供了整套節(jié)能解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜宇恒.雙驢頭游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷及扭矩研究[J].節(jié)能技術(shù)，2009，27（3）：222-224.

作者簡介：

刁俊通（1969-），男，助理工程師，主要從事油田電力方面技術(shù)的研究和應(yīng)用工作。