基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的抽油機參數(shù)分析和故障診斷

摘要：石油對于人類社會具有重要作用。當前石油開采方式眾多，而桿采油是最常見的一種。但采油系統(tǒng)工作環(huán)境非常復雜，所以經(jīng)常出現(xiàn)故障，對于石油開采工作造成了影響，研究抽油機參數(shù)來進行故障診斷非常重要?；谖锫?lián)網(wǎng)來分析抽油機故障診斷方法，將井下泵功圖作為基本分析資料，通過載荷位移傳感器對抽油井地面示功圖進行探測。仿真結(jié)果表明：采用井下泵功圖對抽油機工況診斷結(jié)果更加準確，這意味著構(gòu)建的系統(tǒng)故障診斷準確率高、識別速度快，實用性顯著。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；抽油機；故障診斷；參數(shù)分析

一、前言

隨著石油開采的發(fā)展，抽油機井的高粘度、高含砂量、嚴重的蠟沉積和嚴重的腐蝕等情況，對于石油開采造成了一定的困難，抽油機井工作環(huán)境惡劣。同時油井深度較深，從上千米到幾千米不等，一方面嚴重影響油田的生產(chǎn)效率，另一方面抽油機井也有風險因素。抽油井可能發(fā)生故障或油氣泄漏[1]。這些不穩(wěn)定因素既導致石油生產(chǎn)效率下降，而且增加了安全風險。本文主要針對物聯(lián)網(wǎng)采油設(shè)備抽油機開展研究，研究基于物聯(lián)網(wǎng)的抽油機故障診斷方法。

二、示功圖

測功機是解釋抽油機性能的工具。通過對故障特征的描述，能夠?qū)Τ橛蜋C的故障進行診斷和分析。分析抽油機的實際工作過程，事實上，這是一個自上而下的重復運動，一個運動周期就是一個沖程，可以利用示功圖來描述。懸掛點位移定義為橫軸，懸點載荷定義為縱軸，它們之間的關(guān)系可用矢量圖表示。示功圖顯示懸掛點位移與載荷之間的關(guān)系，可以通過計算示功圖面積來實現(xiàn)。從實際應用的角度來看，抽油機會產(chǎn)生大量的工作載荷，可分為靜載荷和動載荷。

動載荷和靜載荷是獨立的矢量，可以單獨分析。忽略動載荷的影響，得到了理想條件下的示功圖。也就是說，在理想工況下，抽油機懸點示功圖是外輪廓平行四邊形的結(jié)構(gòu)。抽油機進行上升沖程后，靜荷載被傳遞到抽油機的地面懸點。此時，載荷值不變，然后到達跳躍頂部，開始進行下一階段的卸載跳躍[2]。靜載荷均勻下降，但是速度急劇。卸載跳轉(zhuǎn)之后，保持靜載荷不變，直到?jīng)_程最底端。

在石油開采過程中，因為油井深所以需要較多次數(shù)的沖程?；诖?，動載荷將會對懸點造成較大的影響，需要考慮動載荷情況。動載荷分為振動載荷與慣性載荷。當抽油桿周期性進行加速時，加速方向為向上。而懸點的慣性負載方向為下。懸點總載荷計算途徑為：累加懸掛點上的靜載荷和慣性載荷，當抽油桿進行向上減速運動時，加速方向向下，懸點慣性負載向上[3]。而懸掛點總載荷的計算方法是從懸掛點將慣性載荷、靜載荷去除。在抽油桿運動過程中，下部重量突然增加或減少時，抽油桿的結(jié)構(gòu)會發(fā)生一定程度的振動。當抽油桿柱處于上升沖程循環(huán)時，由于油氣混合物的增加，抽油桿柱軸承的重量將急劇增加，從而導致振動。當抽油桿鏈處于下沖程循環(huán)時，大量油氣混合物會自動排出并再次振動。抽油桿每周期至少振動兩次。當抽油機懸掛運動頻率和抽油桿振動頻率滿足共振條件時，將會出現(xiàn)滿足大幅度共振，從而對于設(shè)備運行產(chǎn)生一定影響?；诖?，需要對于抽油機的沖程數(shù)進行充分的選擇，同時分析慣性載荷、振動載荷在抽油機測功機上的作用過程。

三、抽油機故障診斷組網(wǎng)

（一）故障診斷網(wǎng)絡總體設(shè)計

抽油機組故障診斷系統(tǒng)利用無線通訊技術(shù)、計算機技術(shù)為支撐。網(wǎng)絡故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計主要包括兩部分：數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)中石油物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)規(guī)范，抽油機故障診斷數(shù)據(jù)傳輸主要有兩種數(shù)據(jù)通信方式，分別是單井和多井集聯(lián)通通信模式。在單井通信模式下，F(xiàn)N是整個通信網(wǎng)絡中的無線儀器（通常是無線傳感器）和前端設(shè)備，負責收集被測對象的載荷溫度、電氣參數(shù)、位移、壓力、液位等信息。Fn平時為休眠狀態(tài)，由遠程監(jiān)測終端（RTU）喚醒，利用ZIgBee無線通信技術(shù)將被測物體信息傳送給RTU。RTU只需對采集的監(jiān)控數(shù)據(jù)進行簡單處理，然后通過通信設(shè)備將其傳輸至監(jiān)控室的上位中央計算機即可[4]。上位機通過遠程監(jiān)控終端（RTU）控制該區(qū)域。

數(shù)據(jù)傳輸多井集聯(lián)通信模式的第一種模式是井頭控制單元的直接傳輸模式，工作流程為：FN將有關(guān)測試對象的信息收集起來，利用ZigBee無線通信技術(shù)將信息傳輸?shù)骄仄鳌＞貑卧恍杼幚硎占谋O(jiān)測信息，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程監(jiān)測終端（RTU）?；诖四Ｊ较拢h程監(jiān)控終端更像是多井中繼器，而不是井控單元。遠程監(jiān)控終端還將泵組采集的監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)送至中控室的上位機。中央控制中心通過多井集聯(lián)中繼器、井口控制器控制現(xiàn)場。如果井口控制器、多井集聯(lián)中繼器之間具有通信障礙，則通過其他井口控制器路由將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控控制器。在多井集聯(lián)通信綜合通信模式的第二種模式中，F(xiàn)N無線儀表被喚醒后，通過ZigBee無線通信技術(shù)將采集測量對象的信息發(fā)送至井口路由，然后，通過ZigBee無線通信技術(shù)將收集到的抽油機監(jiān)測數(shù)據(jù)從泵單元發(fā)送到遠程監(jiān)測終端。可以認為遠程監(jiān)控終端是一個集成的多軸控制器（非路由單元），它是整個ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器，它可以向已建立的ZigBee網(wǎng)絡中添加無線儀器和井口路由。最后，遠程監(jiān)控終端（RTU）將泵組監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至中央監(jiān)控室上位機，通過遠程監(jiān)控終端（多井綜合控制）控制施工現(xiàn)場。當無線儀器靠近遠程監(jiān)控端口時（RTU）時，它可以直接與遠程監(jiān)控端口（RTU）通信，而無需經(jīng)過井口路由。在同一個ZigBee網(wǎng)絡中，井口路由可以相互通信。將井口控制單元的直接傳輸方式改為綜合數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩嗳送ㄐ欧绞?，直觀方便，可以滿足本研究需求，所以采用第一種通信方式進行單井通信。

（二）故障診斷網(wǎng)絡硬件設(shè)計

抽油機網(wǎng)絡故障診斷系統(tǒng)的硬件組成按單井通訊方式設(shè)計。本文選用的傳感器包括：無線壓力傳感器、無線溫度傳感器、無線液位傳感器、無線負載位移傳感器以及電氣參數(shù)傳感器。傳感器可以通過ZigBee無線通信技術(shù)連接到數(shù)據(jù)傳輸。傳感器負責收集泵送單元的溫度、壓力、排量、負載、液位和電氣參數(shù)，并通過ZigBee無線通信技術(shù)將其傳輸?shù)娇刂破鳎≧TU）。井口控制器通過GPRS無線通信技術(shù)將井口信息傳輸至上位監(jiān)控中心計算機。主機根據(jù)采集到的信息對采集到的信息進行診斷和處理，實時監(jiān)測和診斷抽油機的故障。

（三）故障診斷網(wǎng)絡軟件設(shè)計

1.RTU 與傳感器組網(wǎng)軟件設(shè)計

為滿足物聯(lián)網(wǎng)的需求，將ZigBee無線通信技術(shù)應用于遠程測控終端和無線傳感器。ZigBee具有網(wǎng)絡化、低能耗、低成本和高安全性的特點。ZigBee協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)比較簡單，主要包括網(wǎng)絡安全層，應用層，介質(zhì)訪問控制層和物理層?；赯igBee的泵機組故障診斷網(wǎng)絡的創(chuàng)建主要包括兩個階段：協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡的初始化和新網(wǎng)絡的創(chuàng)建；然后，網(wǎng)絡終端調(diào)用相關(guān)函數(shù)加入網(wǎng)絡。在故障診斷中，RTU網(wǎng)絡（井口控制器）可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)器的功能[5]。它屬于所有硬件（FFD），不連接到任何其他網(wǎng)絡，滿足創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡的要求。本文采用井口控制器（RTU）作為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，啟動并初始化ZigBee協(xié)議棧。初始化診斷抽油機的網(wǎng)絡故障，必須設(shè)置適當?shù)木W(wǎng)絡參數(shù)并調(diào)用適當?shù)墓δ?。為了避免干擾，網(wǎng)絡層在特定信道上執(zhí)行掃描功率檢測，并將檢測結(jié)果返回到下一個操作以選擇可靠信道。當指定信道時，網(wǎng)絡層執(zhí)行掃描功率檢測。協(xié)調(diào)器選擇與新網(wǎng)絡上的其他網(wǎng)絡不沖突的唯一Pan ID網(wǎng)絡標識符，并指定協(xié)調(diào)器的短地址。

2.RTU 與上位機組網(wǎng)軟件設(shè)計

基于GSM技術(shù)的GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線業(yè)務）技術(shù)是GSM Phase2 1規(guī)范實施和GSM延續(xù)的內(nèi)容。因為GPRS采用了新的編碼方式，所以信道傳輸速率已經(jīng)達到了21.4kbps。最佳情況下，GPRS無線通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到171.2 kbps，比GSM無線通信技術(shù)的9.6 kbps數(shù)據(jù)傳輸速率高得多。GPRS無線通信技術(shù)采用分組交換技術(shù)，實現(xiàn)了無線資源的充分利用，更快地建立通信。相較于ZigBee無線傳輸技術(shù)來說，GPRS技術(shù)不會被通信距離局限，通過移動網(wǎng)絡能夠覆蓋大多數(shù)區(qū)域。抽油機故障診斷網(wǎng)絡的前端是井口控制器和傳感器之間的網(wǎng)絡。因為油井現(xiàn)場十分復雜，所以本文采用ZigBee無線通信技術(shù)。抽油機故障診斷網(wǎng)絡的后端，即井口控制器與監(jiān)控中心上位機之間的網(wǎng)絡，傳輸距離長，數(shù)據(jù)量大，采用GPRS無線通信技術(shù)。

GPRS無線通信技術(shù)的參數(shù)完全滿足抽油機故障診斷系統(tǒng)的要求。首先初始化RTU系統(tǒng)，其次通過PWRKEY實現(xiàn)GPRS模塊，處理查詢，同時檢查網(wǎng)絡環(huán)境。當網(wǎng)絡環(huán)境良好時，將系統(tǒng)連接到網(wǎng)絡，之后進行時間校準，實現(xiàn)RTU與主機的數(shù)據(jù)通信。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，RTU將無線傳感器采集到的溫度、壓力、液位、電氣參數(shù)、位移、負載等數(shù)據(jù)打包，并發(fā)送給上位機完成數(shù)據(jù)傳輸過程。

3.RTU 與無線傳感器通信模式

抽油機故障診斷系統(tǒng)將響應命令發(fā)送給RTU，同時檢查無線傳感器的工作狀態(tài)。響應命令含有相關(guān)控制命令的信息，并且命令將會主動喚醒無線傳感器，控制傳感器。故障診斷系統(tǒng)中的傳感器需要定期休眠，在喚醒后會向遠程監(jiān)控終端（RTU）發(fā)送例行數(shù)據(jù)[6]。一般來說，喚醒時間通常為1到30分鐘，并且可以設(shè)置喚醒時間。執(zhí)行RTU命令時，無線傳感器生成響應數(shù)據(jù)，進入睡眠狀態(tài)。當從無線傳感器接收到響應數(shù)據(jù)之后，遠程監(jiān)控終端（RTU）就不需要響應，通信結(jié)束。

四、抽油機故障診斷系統(tǒng)故障計算及仿真

如圖1所示為桿拋光表面上的指針轉(zhuǎn)換為井下泵功圖的過程。從圖中可以看出，在轉(zhuǎn)換的第一階段，需要測量動載荷函數(shù)以及位移與實踐的函數(shù)D（T）和U（T）的時間（兩者都可以通過實際測量獲得），對函數(shù)進行離散化處理，計算粘滯阻尼系數(shù)；第二步：計算傅里葉系數(shù)；第三步：計算系數(shù)αn、βn、kn、μn以及特殊函數(shù)O'n、On（x）、Pn（x）、P'n（x）；第四步：判斷抽油桿柱技術(shù)并進行分析，如果是抽油桿柱的最后一級，可以對于末端載荷函數(shù)和衛(wèi)衣函數(shù)直接進行計算，獲得井下泵功圖。如果不是最后階段，可以對于第三步與第四步重復進行[7]。

五、故障診斷系統(tǒng)測試

如果只能診斷示功圖的形狀或數(shù)據(jù)，則需要同時開展。通過對比示功圖與數(shù)據(jù)，得到診斷結(jié)果。并且需要標準示功圖，因為不同油井存在著不同的診斷，而不同油井的標準示功圖也不同。標準油井測功機不能作為測量精度的標準，但應作為相關(guān)油井的標準測功機。對于所有油井，很難從常規(guī)測功機和標準測功機獲取數(shù)據(jù)。因此，本研究使用專家系統(tǒng)模擬測試，將測試模式與傳統(tǒng)的故障診斷模式進行對比，討論故障診斷的準確性。

結(jié)果表明，該專家系統(tǒng)的診斷精度比傳統(tǒng)模型高。值得注意的是，該系統(tǒng)具有較高的故障診斷精度和較強的實用性。其次，比較了系統(tǒng)辨識和故障診斷的速度。在抽油系統(tǒng)故障診斷中，專家系統(tǒng)的診斷時間小于100ms，而傳統(tǒng)模型的識別速度大于100ms，與傳統(tǒng)模型相比，系統(tǒng)的識別速度更快。

六、結(jié)語

綜上所述，石油在當前社會發(fā)展中具有關(guān)鍵作用，是當前社會不可或缺的一種重要資源。石油開采方式多種多樣，但因為工作環(huán)境復雜，所以抽油機故障問題遲遲得不到解決。本文對于示功圖來開展抽油機的特征描述，然后進行故障診斷； 將井下泵功圖作為分析資料，通過載荷位移傳感器來探測抽油井地面示功圖。最后開展仿真實驗，仿真結(jié)果表明：（1）采用井下泵功圖對于抽油機的工況診斷具有良好的診斷精確性；（2） 本文構(gòu)建的系統(tǒng)故障診斷識別速度快、準確率高。

參考文獻

[1]張仙偉，尚俊倩，張鑫，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的抽油機參數(shù)分析與故障診斷[J].西安石油大學學報（自然科學版），2020，35（5）：47-53.

[2]李思良.淺談抽油機電參數(shù)遠程智能故障診斷[J].中國化工貿(mào)易，2018，10（36）：184.

[3]徐通，何鵬飛，劉娜娜，等.基于優(yōu)化RBF網(wǎng)絡的抽油機故障診斷方法研究[J].廣東化工，2019，46（9）：3-5.

[4]劉斌，吳偉，衛(wèi)涵典，等.基于改進PSO-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的抽油機故障診斷[J].機電工程技術(shù)，2021，50（1）：166-169.

[5]汪波，夏欽鋒，錢龍，等.全相關(guān)核偏最小二乘故障診斷方法及在抽油機上應用[J].控制理論與應用，2020，37（9）：2039-2046.

[6]魏鯤鵬，朱斌，馬廣杰，等.卷積神經(jīng)網(wǎng)絡在游梁抽油機故障診斷中的研究與應用[J].百科論壇電子雜志，2020（14）：1957.

[7]杜娟，劉志剛，宋考平，等.基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的抽油機故障診斷[J].電子科技大學學報，2020，49（5）：751-757.

（作者單位：中國石油新疆油田公司風城油田作業(yè)區(qū)）