基于八鏈碼形狀匹配的抽油機(jī)井地面示功圖凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別

周斌， 邢林林， 張敏

(山東理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 淄博 255000)

在石油開(kāi)采中抽油機(jī)井一直占居首要地位，及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握油井采油生產(chǎn)狀況對(duì)提高油田整體經(jīng)濟(jì)效益具有重大意義。示功圖是直接了解油井工作狀況的主要手段，對(duì)示功圖進(jìn)行量化分析有助于油井工況診斷[1-2]和油井功圖計(jì)產(chǎn)[3-4]。抽油機(jī)井各種工況示功圖基本上都具有不同的幾何特征，具體主要表現(xiàn)為示功圖凡爾開(kāi)閉點(diǎn)位置變化[5-7]。因此，精準(zhǔn)識(shí)別示功圖凡爾開(kāi)閉點(diǎn)位置對(duì)示功圖的精確量化分析尤為重要。

目前抽油機(jī)井示功圖凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別方法主要有：基于泵示功圖識(shí)別方法、基于地面示功圖識(shí)別方法。多數(shù)示功圖凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別方法是基于泵示功圖識(shí)別的，主要是在分析泵示功圖(由實(shí)測(cè)地面示功圖或?qū)崪y(cè)電參數(shù)通過(guò)相應(yīng)模型計(jì)算得到)曲線幾何特征基礎(chǔ)上，利用拐點(diǎn)曲率變化最大[8-12]、拐點(diǎn)法線方向變化最大[13]、四方向鏈碼無(wú)限光滑壓縮與兩種多邊形近似后拐點(diǎn)變化[14-15]等方法進(jìn)行凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別。目前對(duì)基于地面示功圖凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別方法的研究很少，主要是根據(jù)凡爾開(kāi)閉點(diǎn)物理意義，在對(duì)實(shí)測(cè)地面示功圖上凡爾開(kāi)閉點(diǎn)位置理論分析基礎(chǔ)上，利用分區(qū)、多種去噪、窮舉比較尋找最優(yōu)解策略進(jìn)行凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別[5]。以上研究取得了較好的成效，但仍存在一定局限性：一是在以泵示功圖為研究載體的識(shí)別方法中，阻尼系數(shù)問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值之間存在一定的精度誤差；二是在機(jī)電液耦合復(fù)雜系統(tǒng)中，大量的噪聲或過(guò)多的去噪都會(huì)干擾到有用的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)，易產(chǎn)生誤判現(xiàn)象；三是受鏈碼方向個(gè)數(shù)和匹配多邊形個(gè)數(shù)限制，原有的采用四方向鏈碼對(duì)示功圖輪廓提取結(jié)果比較粗化且匹配的多邊形有限，會(huì)影響凡爾開(kāi)閉點(diǎn)的精確定位；四是對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)無(wú)限光滑壓縮、窮舉比較等策略不適合對(duì)海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)快速處理。上述局限性影響了已有示功圖凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別方法的實(shí)際應(yīng)用。

大數(shù)據(jù)生產(chǎn)環(huán)境下，抽油機(jī)井采油生產(chǎn)系統(tǒng)獲取了大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。針對(duì)目前抽油機(jī)井示功圖凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別研究的局限性，結(jié)合大數(shù)據(jù)下采油生產(chǎn)特點(diǎn)，探討如何有效運(yùn)用圖像處理方法，利用實(shí)測(cè)地面示功圖來(lái)進(jìn)一步提高凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別精準(zhǔn)性和實(shí)用性，對(duì)采油生產(chǎn)和采油工程都具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。

抽油機(jī)井地面示功圖是由光桿上懸點(diǎn)載荷與懸點(diǎn)位移組成的二值圖像，受油井地面、井筒和地層多方位因素影響，地面示功圖復(fù)雜多變。有研究表明：八方向鏈碼可以快速、精準(zhǔn)地提取復(fù)雜二值圖像輪廓[16-19]。鏈碼方向個(gè)數(shù)的增加表明可以匹配的圖形形狀個(gè)數(shù)也會(huì)增加，有利于目標(biāo)的精準(zhǔn)匹配。設(shè)置合適的迭代次數(shù)可以快速、有效地進(jìn)行圖像處理?；诖?，提出一種基于八方向鏈碼形狀匹配的抽油機(jī)井地面示功圖凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別方法。在對(duì)抽油機(jī)井理論示功圖和凡爾開(kāi)閉點(diǎn)物理表示意義理論分析基礎(chǔ)上，首先用自定義的八方向鏈碼對(duì)預(yù)處理后的實(shí)測(cè)地面示功圖進(jìn)行輪廓提取，再建立圖形形狀匹配庫(kù)，然后在設(shè)定的迭代次數(shù)內(nèi)進(jìn)行輪廓光滑和重復(fù)鏈碼壓縮直至得到與匹配庫(kù)內(nèi)相匹配的圖形形狀，最后根據(jù)匹配的圖形形狀定位凡爾開(kāi)閉點(diǎn)。利用勝利油田某區(qū)塊1 650個(gè)實(shí)測(cè)地面示功圖樣本，從凡爾開(kāi)閉點(diǎn)定位、工況識(shí)別兩方面進(jìn)行驗(yàn)證。

1 抽油機(jī)井理論示功圖和凡爾開(kāi)閉點(diǎn)物理表示意義

抽油機(jī)井理論示功圖是在光桿只受抽油桿柱與活塞截面積以上液柱的靜載荷影響下繪制的，如圖1所示。

S為光桿位移，m；P為光桿上載荷，kN；Sr為光桿沖程；Sp為活塞沖程(有效沖程)；Sl為加載沖程損失；Su為卸載沖程損失；Pl為活塞上液柱重量；A(E)、B、C(F)、D點(diǎn)為凡爾點(diǎn)，其中A(E)為游動(dòng)凡爾關(guān)閉點(diǎn)(即下死點(diǎn))，B為固定凡爾打開(kāi)點(diǎn)，C(F)為固定凡爾關(guān)閉點(diǎn)(即上死點(diǎn))，D為游動(dòng)凡爾打開(kāi)點(diǎn)；A(E)→B→C(F)→D→A(E)表示一個(gè)沖程，即抽油泵的一個(gè)工作周期，其中A(E)→B→C(F)表示上沖程，是加載并做功過(guò)程，C(F)→D→A(E)表示下沖程，是卸載并做功過(guò)程圖1 理論示功圖Fig.1 Theoretical dynamometer card

受砂、蠟、水、氣、供液、稠、振動(dòng)、漏失等多種因素影響，實(shí)測(cè)地面示功圖比理論示功圖圖形復(fù)雜很多[20]，凡爾在打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)會(huì)出現(xiàn)延遲或提前現(xiàn)象，游動(dòng)凡爾關(guān)閉點(diǎn)(A點(diǎn))和下死點(diǎn)(位移最小點(diǎn)，E點(diǎn))、固定凡爾關(guān)閉點(diǎn)(C點(diǎn))和上死點(diǎn)(位移最大點(diǎn)，F(xiàn)點(diǎn))都會(huì)出現(xiàn)不重合現(xiàn)象。

2 基于八方向鏈碼形狀匹配的地面示功圖凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)采集規(guī)范化處理。從抽油機(jī)井采油生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采集的地面示功圖數(shù)據(jù)由多個(gè)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)組成，并且都以下死點(diǎn)為位移最小點(diǎn)，即示功圖數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)(漂移情況不考慮) ，上死點(diǎn)為位移最大點(diǎn)，每個(gè)示功圖采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)是一樣的。

數(shù)據(jù)歸一化處理。地面示功圖中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都是由一組不同的位移值和載荷值組成，采用式(1)將示功圖數(shù)據(jù)歸一化到[0,1]范圍。

(1)

式(1)中：n=1,2,…,N，N為每個(gè)示功圖含有的數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)；dn和ln分別為示功圖中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的位移值和載荷值；dmax和dmin分別為示功圖數(shù)據(jù)中位移的最大值和最小值，lmax和lmin分別為示功圖數(shù)據(jù)中載荷的最大值和最小值。

2.2 鏈碼輪廓提取

2.2.1 八方向鏈碼定義

地面示功圖數(shù)據(jù)歸一化后，通過(guò)式(2)可以得到地面示功圖數(shù)據(jù)中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的角度。

an=arctan[(ln-ln-1)/(dn-dn-1)]

(2)

式(2)中：an為示功圖中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的角度，n=2,3,…,N，N為每個(gè)示功圖含有的數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)。

地面示功圖中第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的角度計(jì)算公式為

a1=arctan[(l1-lN)/(d1-dN)]

(3)

傳統(tǒng)的八方向鏈碼中，方向符數(shù)字0、1、2、3、4、5、6、7分別表示八方向鏈碼的8個(gè)方向，即0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。通過(guò)對(duì)抽油機(jī)井理論示功圖的分析可知，下沖程階段是從固定凡爾關(guān)閉點(diǎn)(即上死點(diǎn))開(kāi)始到游動(dòng)凡爾關(guān)閉點(diǎn)(即下死點(diǎn))結(jié)束的一個(gè)過(guò)程，也是位移逐漸減小的一個(gè)過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，由式(2)計(jì)算得到的角度會(huì)出現(xiàn)負(fù)角度。實(shí)測(cè)地面示功圖圖形復(fù)雜多變，為了更精準(zhǔn)地描述實(shí)測(cè)地面示功圖輪廓，通過(guò)式(4)重新定義了八方向鏈碼。

(4)

式(4)中：Cn為功圖中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的鏈碼方向符數(shù)字，n=1,2,…,N。

2.2.2 地面示功圖鏈碼輪廓提取

通過(guò)式(2)～式(4)得到實(shí)測(cè)地面示功圖中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的方向符數(shù)字后，原始的由多個(gè)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)組成的地面示功圖轉(zhuǎn)變成了由多個(gè)0～7數(shù)字形成的圖形，完成了對(duì)實(shí)測(cè)地面示功圖的鏈碼輪廓提取。八方向鏈碼輪廓提取后的地面示功圖樣例如圖2所示。

圖2 八方向鏈碼輪廓提取后的地面示功圖樣例Fig.2 Example of surface dynamometer card contour extraction based on 8-direction chain code

2.3 形狀匹配

2.3.1 形狀匹配庫(kù)建立

目前在基于泵示功圖和鏈碼的凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別研究中，主要采用四方向鏈碼提取功圖輪廓，用兩個(gè)多邊形(四邊形和六邊形)匹配多次光滑、壓縮后形成的鏈碼輪廓圖形形狀[14-15]。對(duì)于復(fù)雜多變的地面示功圖，其鏈碼輪廓在多次光滑、壓縮后形成的圖形形狀也會(huì)是多變的，若匹配的圖形形狀個(gè)數(shù)只有上述兩種時(shí)會(huì)影響到凡爾開(kāi)閉點(diǎn)的精確定位。隨著方向個(gè)數(shù)的增加，八方向鏈碼提取的功圖輪廓能匹配的圖形形狀個(gè)數(shù)也會(huì)增加。

為確保算法的穩(wěn)健性，建立形狀匹配庫(kù)，存儲(chǔ)多個(gè)用于匹配的鏈碼圖形形狀。這個(gè)形狀匹配庫(kù)是可以補(bǔ)充更新的。通過(guò)對(duì)大量實(shí)測(cè)地面示功圖八方向鏈碼輪廓圖形形狀(2 000次數(shù)內(nèi)光滑和壓縮后形成)的分析和比較，目前提取出8個(gè)用于匹配的鏈碼圖形形狀，對(duì)應(yīng)的鏈碼分別是：[2, 1, 0, 7, 6, 5, 4, 3](八邊形)、[2, 1, 0, 7, 6, 5, 4, 5, 6, 5, 4, 3](十二邊形)、[2, 1, 0, 7, 6, 5, 4, 5]、[2, 1, 0, 7, 6, 5, 4]、 [2, 0, 7, 6, 5, 4]、[2, 7, 6, 5, 4, 3]、[2, 7, 6, 5, 4]、 [2, 1, 0, 7, 6, 5, 4, 5, 6, 5, 4]。形狀匹配庫(kù)中八邊形和十二邊形適用于絕大多數(shù)地面示功圖的匹配，其中十二邊形主要適用于右下角有凹面的圖形。

2.3.2 圖像平滑

采用平均法實(shí)現(xiàn)對(duì)地面示功圖的平滑，就是對(duì)地面示功圖中的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)(第一數(shù)據(jù)點(diǎn)和最后一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)除外)采用相鄰3點(diǎn)的平均值取代中間點(diǎn)的值來(lái)產(chǎn)生功圖平滑效果。該方法對(duì)地面示功圖具有去噪作用，可表示為

(5)

式(5)中：n=2,3,…,N-1，N為每個(gè)示功圖含有的數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)；Dn和Ln分別為每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的相鄰3點(diǎn)的位移平均值和載荷平均值。Dn和Ln不加入下一點(diǎn)的運(yùn)算，dn、ln和Dn、Ln是兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)組。

地面示功圖中第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)和最后一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的計(jì)算公式為

(6)

式(6)中：D1、L1和DN、LN都不加入下一點(diǎn)的運(yùn)算。

2.3.3 鏈碼壓縮

鏈碼壓縮的目的是移除掉連續(xù)重復(fù)的鏈碼方向符數(shù)字，從而得到一個(gè)具有唯一識(shí)別特征的鏈碼圖形形狀。采用一階差分實(shí)現(xiàn)鏈碼壓縮。如鏈碼[2, 2, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 7, 7, 0, 0, 0, 6, 6, 6, 5, 5, 4, 4, 4, 3]，壓縮后的鏈碼為[2, 1, 0, 7, 0, 6, 5, 4, 3]。

2.3.4 迭代法形狀匹配

迭代法形狀匹配是指采用八方向鏈碼提取地面示功圖輪廓，通過(guò)一定迭代次數(shù)的圖像平滑、鏈碼壓縮，直至得到和形狀匹配庫(kù)里相匹配的鏈碼圖形形狀。比如上述壓縮后的鏈碼[2, 1, 0, 7, 0, 6, 5, 4, 3]，與形狀匹配庫(kù)里的鏈碼圖形形狀都不匹配，得需經(jīng)過(guò)幾次或多次迭代次數(shù)的平滑和壓縮處理，直到滿足匹配后終止。這一過(guò)程中迭代次數(shù)的選擇是確?？梢钥焖偾矣行нM(jìn)行圖像處理的關(guān)鍵。通過(guò)大量地面示功圖實(shí)例驗(yàn)證，選用2 000次迭代次數(shù)。如果超過(guò)這個(gè)迭代次數(shù)后還沒(méi)有匹配成功就停止迭代，將迭代停止后的壓縮鏈碼圖形形狀補(bǔ)充至形狀匹配庫(kù)中，再重新進(jìn)行匹配。

2.4 凡爾開(kāi)閉點(diǎn)定位

對(duì)于形狀匹配庫(kù)中的8個(gè)鏈碼，分別采用如下規(guī)則進(jìn)行凡爾開(kāi)閉點(diǎn)的定位。

鏈碼[2, 1, 0, 7, 6, 5, 4, 3](八邊形)中有7個(gè)拐點(diǎn)，從左至右排序?yàn)椋?→1、1→0、0→7、7→6、6→5、5→4、4→3。第1個(gè)拐點(diǎn)(2→1)、第4個(gè)拐點(diǎn)(7→6)、第5個(gè)拐點(diǎn)(6→5)分別對(duì)應(yīng)凡爾開(kāi)閉點(diǎn)中的B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)，其中B點(diǎn)和D點(diǎn)坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)拐點(diǎn)中躍變前的那個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，C點(diǎn)坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)拐點(diǎn)中躍變后的那個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。由于每個(gè)地面示功圖數(shù)據(jù)采集時(shí)都是從下死點(diǎn)開(kāi)始，故A點(diǎn)為原始地面示功圖中的第一個(gè)點(diǎn)。

鏈碼[2, 1, 0, 7, 6, 5, 4, 5] 、[2, 1, 0, 7, 6, 5, 4]中4個(gè)凡爾開(kāi)閉點(diǎn)的定位和坐標(biāo)取值策略同鏈碼[2, 1, 0, 7, 6, 5, 4, 3](八邊形)一樣。

鏈碼[2, 0, 7, 6, 5, 4]中有5個(gè)拐點(diǎn)，第1個(gè)拐點(diǎn)(2→0)、第3個(gè)拐點(diǎn)(7→6)、第4個(gè)拐點(diǎn)(6→5)分別對(duì)應(yīng)凡爾開(kāi)閉點(diǎn)中的B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)。4個(gè)凡爾開(kāi)閉點(diǎn)的坐標(biāo)取值策略如上所述。

鏈碼[2, 7, 6, 5, 4, 3] 、[2, 7, 6, 5, 4]中第1個(gè)拐點(diǎn)(2→7)、第2個(gè)拐點(diǎn)(7→6)、第3個(gè)拐點(diǎn)(6→5)分別對(duì)應(yīng)凡爾開(kāi)閉點(diǎn)中的B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)。4個(gè)凡爾開(kāi)閉點(diǎn)的坐標(biāo)取值策略同上。

鏈碼[2, 1, 0, 7, 6, 5, 4, 5, 6, 5, 4, 3](十二邊形)中有11個(gè)拐點(diǎn)，第1個(gè)拐點(diǎn)(2→1)、第4個(gè)拐點(diǎn)(7→6)、第9個(gè)拐點(diǎn)(從左至右第2個(gè)6→5拐點(diǎn))分別對(duì)應(yīng)凡爾開(kāi)閉點(diǎn)中的B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)，這三點(diǎn)坐標(biāo)分別為對(duì)應(yīng)拐點(diǎn)中躍變后的那個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，A點(diǎn)仍為原始地面示功圖中的第1個(gè)點(diǎn)。

鏈碼[2, 1, 0, 7, 6, 5, 4, 5, 6, 5, 4]中4個(gè)凡爾開(kāi)閉點(diǎn)的定位和坐標(biāo)取值策略同鏈碼[2, 1, 0, 7, 6, 5, 4, 5, 6, 5, 4, 3](十二邊形)一樣。

2.5 基于八方向鏈碼形狀匹配的地面示功圖凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別流程

基于八方向鏈碼形狀匹配的地面示功圖凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別流程具體如圖3所示。

圖3 基于八鏈碼形狀匹配的地面示功圖凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別流程圖Fig.3 Flow diagram of the valve opening and closing points recognition in surface dynamometer cards based on 8-direction chain code and shape matching

3 應(yīng)用實(shí)例

選用勝利油田某區(qū)塊(典型的高壓低滲稀油油藏區(qū)塊)1 650個(gè)實(shí)測(cè)地面示功圖實(shí)例作為研究對(duì)象，其中包含11種油井工況：正常、供液不足、抽油桿斷脫、連抽帶噴、泵卡、泵游動(dòng)凡爾失靈、結(jié)蠟、油管漏失、泵漏、游動(dòng)凡爾漏失、固定凡爾漏失。分別采用本文所提基于八方向鏈碼形狀匹配凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別方法(eight-direction chain code and shape matching method，ECCSM)、已有的基于四方向鏈碼多邊形近似凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別方法(four-direction chain code and polygonal approximation method，F(xiàn)CCPA，該方法在鏈碼方向上舍去了-135°～-45°[14-15])和改進(jìn)的基于四方向鏈碼多邊形近似凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別方法(improved four-direction chain code and polygonal approximation method，IFCCPA，該方法將FCCPA方法中舍去的鏈碼方向補(bǔ)充完整)從凡爾開(kāi)閉點(diǎn)定位、工況識(shí)別兩方面進(jìn)行應(yīng)用結(jié)果對(duì)比。

3.1 凡爾開(kāi)閉點(diǎn)定位結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證方法的有效性，結(jié)合凡爾開(kāi)閉點(diǎn)物理表示意義，實(shí)驗(yàn)從4個(gè)方面進(jìn)行：①理論示功圖的凡爾開(kāi)閉點(diǎn)定位結(jié)果；②11種油井工況地面示功圖的凡爾開(kāi)閉點(diǎn)定位結(jié)果；③分別采用ECCSM、IFCCPA和FCCPA 3種凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別方法對(duì)正常和供液不足兩種油田最常見(jiàn)抽油機(jī)井工況進(jìn)行凡爾開(kāi)閉點(diǎn)定位結(jié)果對(duì)比；④單油井理論日產(chǎn)液量功圖計(jì)算精度分析。

3.1.1 理論示功圖的凡爾開(kāi)閉點(diǎn)定位結(jié)果

理論示功圖的凡爾開(kāi)閉點(diǎn)定位結(jié)果示意圖如圖4所示?？梢钥闯?，抽油泵的4個(gè)凡爾開(kāi)閉點(diǎn)應(yīng)該位于功圖的4個(gè)頂點(diǎn)。由圖4可知，該方法提取出的4個(gè)點(diǎn)都在平行四邊形的4個(gè)頂點(diǎn)處，說(shuō)明定位結(jié)果是準(zhǔn)確的。

圖4 理論示功圖的凡爾開(kāi)閉點(diǎn)定位結(jié)果示意圖Fig.4 Sketch map of the valve opening and closing points location in theoretical dynamometer card

3.1.2 11種抽油機(jī)井工況地面示功圖的凡爾開(kāi)閉點(diǎn)定位結(jié)果

11種抽油機(jī)井工況地面示功圖的凡爾開(kāi)閉點(diǎn)定位結(jié)果如圖5所示。受地面、井筒、地層多方位因素影響，油井工況復(fù)雜多變，實(shí)測(cè)地面示功圖因而形狀迥異，給凡爾開(kāi)閉點(diǎn)的精確定位帶來(lái)很大干擾影響。但通過(guò)采用自定義的八方向鏈碼對(duì)預(yù)處理后的地面示功圖進(jìn)行輪廓提取，建立形狀匹配庫(kù)，在限定的迭代次數(shù)內(nèi)進(jìn)行輪廓光滑和鏈碼壓縮直至形狀匹配成功，再根據(jù)匹配形狀定位規(guī)則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)凡爾開(kāi)閉點(diǎn)的精準(zhǔn)識(shí)別。

3.1.3 兩種常見(jiàn)工況下不同方法對(duì)地面示功圖的凡爾開(kāi)閉點(diǎn)定位結(jié)果對(duì)比

兩種常見(jiàn)工況下不同方法對(duì)地面示功圖的凡爾開(kāi)閉點(diǎn)定位結(jié)果對(duì)比如圖6所示。由于在提取地面示功圖輪廓時(shí)鏈碼方向舍去了-135°～-45°，這會(huì)影響游動(dòng)凡爾打開(kāi)點(diǎn)(D點(diǎn))的定位。根據(jù)機(jī)理分析可知，兩種工況下，游動(dòng)凡爾打開(kāi)點(diǎn)(D點(diǎn))定位應(yīng)靠近最右下角拐點(diǎn)，但從圖6中可以看到FCCPA方法對(duì)兩種工況的游動(dòng)凡爾打開(kāi)點(diǎn)(D點(diǎn))的定位明顯遠(yuǎn)離最右下角拐點(diǎn)，都比ECCSM和IFCCPA兩種凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別方法的定位小很多，所以ECCSM和IFCCPA兩種識(shí)別方法比FCCPA識(shí)別方法對(duì)凡爾開(kāi)閉點(diǎn)的定位要合理；雖然鏈碼方向全角度下提取地面示功圖輪廓，但鏈碼方向個(gè)數(shù)的限制使得能匹配的圖形形狀有限，這也會(huì)影響凡爾開(kāi)閉點(diǎn)的定位[游動(dòng)凡爾關(guān)閉點(diǎn)(A點(diǎn))除外，該點(diǎn)定位于預(yù)處理后功圖數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)]。圖6中，兩種工況下，IFCCPA方法與ECCSM方法相比，對(duì)固定凡爾打開(kāi)點(diǎn)(B點(diǎn))和游動(dòng)凡爾打開(kāi)點(diǎn)(D點(diǎn))的定位都較遠(yuǎn)離功圖對(duì)應(yīng)拐點(diǎn)，所以ECCSM凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別方法對(duì)實(shí)測(cè)地面示功圖凡爾開(kāi)閉點(diǎn)的定位相對(duì)更合理一些。

圖5 11種抽油機(jī)井工況地面示功圖的凡爾開(kāi)閉點(diǎn)定位結(jié)果Fig.5 Results of the valve opening and closing points location in surface dynamometer cards of eleven kinds of working conditions from sucker-rod pumping wells

圖6 兩種常見(jiàn)工況下不同方法對(duì)地面示功圖的凡爾開(kāi)閉點(diǎn)定位結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison results of the valve opening and closing points location of surface dynamometer cards by different methods in two kinds of common working conditions

3.1.4 單油井理論日產(chǎn)液量功圖計(jì)算精度分析

抽油機(jī)井功圖量油中單油井理論日產(chǎn)液量計(jì)算公式[9,13]

Qp=1 440SpApnfre

(7)

式(7)中：Qp為日產(chǎn)液量，m3/d；Sp為活塞有效沖程，m；Ap為活塞橫截面積，m2；nfre為沖次，min-1。

從式(7)可以看出，單油井日產(chǎn)液量功圖計(jì)算精度主要和Sp關(guān)聯(lián)，Sp等于游動(dòng)凡爾打開(kāi)點(diǎn)(D點(diǎn))和關(guān)閉點(diǎn)(A點(diǎn))之間位移差(圖1)。從圖6可以得出，采用ECCSM凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別方法計(jì)算得到的Sp精度更高，由此計(jì)算得到的日產(chǎn)液量精度也更高。

3.2 工況識(shí)別結(jié)果對(duì)比

此部分所用抽油機(jī)井工況樣本庫(kù)根據(jù)60口抽油機(jī)井的油井作業(yè)記錄建立，包含11種工況(圖5)，每種工況有150個(gè)樣本，共1 650個(gè)樣本。

實(shí)測(cè)地面示功圖有12個(gè)特征參數(shù)：沖程、沖次、示功圖實(shí)際面積、最大和最小載荷、最大最小載荷比、活塞上液注重量、有效沖程、加載和卸載沖程損失、提前加載和卸載位置[21]。其中有效沖程、加載和卸載沖程損失、提前加載和卸載位置5個(gè)特征參數(shù)值的計(jì)算是通過(guò)對(duì)地面示功圖凡爾開(kāi)閉點(diǎn)位置的提取來(lái)實(shí)現(xiàn)的。具體計(jì)算如下。

沖程、沖次、最大和最小載荷不用計(jì)算，可從地面示功圖數(shù)據(jù)中直接獲得；功圖實(shí)際面積為示功圖采集點(diǎn)所圍成的封閉曲線面積；最大最小載荷比為最大載荷與最小載荷的比值；活塞上液柱重量為最大載荷與最小載荷之差；有效沖程為游動(dòng)凡爾打開(kāi)點(diǎn)(D點(diǎn))與游動(dòng)凡爾關(guān)閉點(diǎn)(A點(diǎn))之間的位移差；加載沖程損失為固定凡爾打開(kāi)點(diǎn)(B點(diǎn))與游動(dòng)凡爾關(guān)閉點(diǎn)(A點(diǎn))之間的位移差；卸載沖程損失為固定凡爾關(guān)閉點(diǎn)(C點(diǎn))與游動(dòng)凡爾打開(kāi)點(diǎn)(D點(diǎn))之間的位移差；提前加載位置是從游動(dòng)凡爾關(guān)閉點(diǎn)(A點(diǎn))開(kāi)始到游動(dòng)凡爾打開(kāi)點(diǎn)(D點(diǎn))之間斜率正負(fù)反向的第一個(gè)點(diǎn)的位移；提前卸載位置是從固定凡爾關(guān)閉點(diǎn)(C點(diǎn))開(kāi)始到固定凡爾打開(kāi)點(diǎn)(B點(diǎn))之間斜率正負(fù)反向的第一個(gè)點(diǎn)的位移。

實(shí)驗(yàn)時(shí)將樣本庫(kù)中的1 650個(gè)工況樣本平均分成訓(xùn)練集和測(cè)試集2部分，各包含825個(gè)樣本，其中每種工況均包含75個(gè)樣本。

采用支持向量機(jī)(support vector machine，SVM)一對(duì)一兩分類(lèi)器。測(cè)試集中樣本數(shù)有825個(gè)，其中11個(gè)大類(lèi)中每類(lèi)的正例樣本數(shù)和反例樣本數(shù)均為75個(gè)。識(shí)別正確率為測(cè)試集中分類(lèi)正確的樣本數(shù)占樣本總數(shù)的比例[22]。重復(fù)做5次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練集和測(cè)試集都不一樣。

最后，用上述3種凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別方法分別與SVM一對(duì)一兩分類(lèi)器結(jié)合形成3種抽油機(jī)井工況識(shí)別方法：基于八方向鏈碼形狀匹配凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別的支持向量機(jī)工況識(shí)別方法，SVM_ECCSM；基于四方向鏈碼多邊形近似凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別的支持向量機(jī)工況識(shí)別方法，SVM_FCCPA；基于改進(jìn)的四方向鏈碼多邊形近似凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別的支持向量機(jī)工況識(shí)別方法，SVM_IFCCPA。分別采用這3種工況識(shí)別方法對(duì)抽油機(jī)井工況的識(shí)別結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。將5次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值作為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果，具體如表1所示。

工況識(shí)別結(jié)果分析如下。

表1 不同凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別方法下工況識(shí)別結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison results of the working condition recognition based on different valve opening and closing points recognition methods

(1)基于八方向鏈碼形狀匹配凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別的支持向量機(jī)工況識(shí)別方法(SVM_ECCSM)比基于四方向鏈碼多邊形近似凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別的支持向量機(jī)工況識(shí)別方法(SVM_FCCPA)和基于改進(jìn)的四方向鏈碼多邊形近似凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別的支持向量機(jī)工況識(shí)別方法(SVM_IFCCPA)對(duì)抽油機(jī)井工況的識(shí)別率分別提高了近1%和0.1%。所提基于八方向鏈碼形狀匹配凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別方法更有助于對(duì)抽油機(jī)井工況的精準(zhǔn)識(shí)別。

(2)在同一口油井、同一個(gè)實(shí)測(cè)地面示功圖的12個(gè)特征參數(shù)中，有效沖程、加載和卸載沖程損失、提前加載和卸載位置這5個(gè)特征參數(shù)值的變化直接影響上述3種工況識(shí)別方法對(duì)抽油機(jī)井工況的識(shí)別效果，而凡爾開(kāi)閉點(diǎn)的定位精準(zhǔn)性又直接影響這5個(gè)特征參數(shù)值的變化。采用鏈碼全角度提取地面示功圖輪廓，IFCCPA方法比FCCPA方法對(duì)凡爾開(kāi)閉點(diǎn)的定位較合理，故SVM_IFCCPA方法比SVM_FCCPA方法對(duì)抽油機(jī)井工況的識(shí)別效果好；除采用鏈碼全角度提取功圖輪廓外，還采用形狀匹配庫(kù)進(jìn)行形狀匹配，所提凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別方法(ECCSM)比IFCCPA方法對(duì)凡爾開(kāi)閉點(diǎn)的定位更合理，故SVM_ECCSM 方法比SVM_IFCCPA方法能進(jìn)一步提高對(duì)抽油機(jī)井工況的識(shí)別效果。

4 結(jié)論

(1)提出一種基于八方向鏈碼形狀匹配的抽油機(jī)井地面示功圖凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別方法，該方法通過(guò)分析理論示功圖和凡爾開(kāi)閉點(diǎn)物理表示意義，采用自定義八方向鏈碼進(jìn)行輪廓提取、建立圖形形狀匹配庫(kù)、設(shè)置合適的迭代次數(shù)進(jìn)行輪廓光滑、鏈碼壓縮直至形狀匹配成功等方式進(jìn)行地面示功圖凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別，提高了算法的穩(wěn)健性。實(shí)例應(yīng)用結(jié)果表明該方法比已有的和改進(jìn)的基于四方向鏈碼多邊形近似凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別方法對(duì)凡爾開(kāi)閉點(diǎn)的定位更精準(zhǔn)。

(2)該方法利用實(shí)測(cè)地面示功圖進(jìn)行凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別，克服了在以泵示功圖為研究載體的識(shí)別方法中不可避免出現(xiàn)的模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值之間存在精度誤差問(wèn)題；設(shè)定合適的迭代次數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)平滑(去噪)、壓縮和形狀匹配，既可以降低對(duì)有用原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的干擾，減少誤判現(xiàn)象的發(fā)生，又可以快速、有效地處理海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，更適合于大數(shù)據(jù)環(huán)境下的采油生產(chǎn)；建立可以補(bǔ)充更新的形狀匹配庫(kù)，更有利于凡爾開(kāi)閉點(diǎn)的精確定位。實(shí)例應(yīng)用結(jié)果表明：在正常和供液不足兩種油井常見(jiàn)工況下功圖計(jì)產(chǎn)方面，該方法計(jì)算得到的有效沖程精度更高，由此得到的日產(chǎn)液量精度也更高；在抽油機(jī)井工況識(shí)別方面，基于該方法的識(shí)別效果比已有的基于四方向鏈碼多邊形近似凡爾開(kāi)閉點(diǎn)識(shí)別方法提高了近1%，從而進(jìn)一步提高了該方法的工程實(shí)用性。