專利名稱：基于示功圖的有桿抽油系統(tǒng)故障遞階診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于示功圖的有桿抽油系統(tǒng)故障診斷方法，尤其涉及一種基于 示功圖的有桿抽油系統(tǒng)故障遞階診斷方法，屬于有桿抽油系統(tǒng)故障診斷方法的技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
有桿抽油系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，發(fā)生故障的概率很高，不及時(shí)診斷出來(lái)，就會(huì)造 成能源的浪費(fèi)，影響生產(chǎn)，給企業(yè)、國(guó)家造成損失。目前有桿抽油系統(tǒng)的故障診斷主要是先根據(jù)地面示功圖，通過有桿抽油系統(tǒng)力 學(xué)模型得到泵功圖，再以正常樣本和盡可能多類型故障樣本的泵功圖作為訓(xùn)練集，訓(xùn)練 出相應(yīng)模型后再對(duì)各樣本進(jìn)行故障診斷。這類方法主要存在兩個(gè)方面的問題一是有 桿抽油系統(tǒng)是一個(gè)機(jī)電液耦合的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，邊界條件和阻尼系數(shù)很難準(zhǔn)確確定， 進(jìn)而很難精確建立和求解該系統(tǒng)的力學(xué)模型；二是有桿抽油系統(tǒng)具有樣本量大、平穩(wěn)狀 態(tài)多、類別不均衡的特點(diǎn)，使訓(xùn)練集中缺少很多類型的故障樣本，尤其是嚴(yán)重故障的樣 本，而嚴(yán)重故障的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)診斷對(duì)于有桿抽油系統(tǒng)意義重大。由于有桿抽油系統(tǒng)的復(fù) 雜性，至今還沒有一個(gè)完全有效的手段來(lái)對(duì)井下故障進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的故障診斷。反映抽油系統(tǒng)懸點(diǎn)載荷隨其位移變化規(guī)律的圖形稱為地面示功圖或光桿示功 圖，簡(jiǎn)稱示功圖，它是示功儀在抽油機(jī)一個(gè)抽吸周期內(nèi)測(cè)取的封閉曲線。地面示功圖 是抽油井采油現(xiàn)場(chǎng)采集的第一手資料，基于地面示功圖來(lái)實(shí)現(xiàn)有桿抽油系統(tǒng)的實(shí)時(shí)診斷 對(duì)解除油井故障、保證油井正常生產(chǎn)或提高油井產(chǎn)量等就顯得非常重要而且具有現(xiàn)實(shí)意 義。每組示功圖數(shù)據(jù)包括載荷和位移，共216對(duì)數(shù)據(jù)。油田一個(gè)小時(shí)采集一次示功 圖，一天就有24組數(shù)據(jù)，一個(gè)星期有168組數(shù)據(jù)，一個(gè)月(30天計(jì)算)有720組數(shù)據(jù)。 所以，油井示功圖數(shù)據(jù)多、樣本量大。并且，對(duì)于油田來(lái)講，絕大多數(shù)都是平穩(wěn)的工 作狀態(tài)，包括兩種情況一是油井正常，大部分示功圖均正常，故障樣本和故障類型較 少；二是有的油井以某種故障，如含氣、出砂、供液不足、輕微碰掛、振動(dòng)影響等某類 對(duì)生產(chǎn)影響不太大的故障為主，出現(xiàn)其它故障的概率較低。以上這兩種情況不需要立即 停產(chǎn)進(jìn)行檢修，可以待下次修井時(shí)或在方便和必要時(shí)處理，也就是說大量的油井示功圖 數(shù)據(jù)都是不需要立即進(jìn)行故障處理的。而一旦出現(xiàn)凡爾失靈、抽油桿斷脫、泵卡死等嚴(yán) 重故障，均需立即停產(chǎn)，及時(shí)采取檢泵和修井措施，以減少損失。油井修井措施，特別 是對(duì)油井大修或更換設(shè)備會(huì)對(duì)油井的生產(chǎn)狀況和功圖產(chǎn)生影響，檢修前后的生產(chǎn)狀況和 功圖往往會(huì)有較大差別，檢修后的訓(xùn)練集和樣本特征往往需要重新形成。另外，現(xiàn)有的 采油工業(yè)中抽油機(jī)數(shù)量大、分布廣，這更增加了井下狀況的復(fù)雜性，使各口井均有自身 特點(diǎn)，可能出現(xiàn)的故障類型也不固定。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明目的是針對(duì)有桿抽油系統(tǒng)故障診斷目前存在的缺陷和油井示 功圖樣本量大、平穩(wěn)狀態(tài)多、類別不均衡(尤其缺少嚴(yán)重故障的樣本)的特點(diǎn)，以正常 (或平穩(wěn)狀態(tài))樣本地面示功圖作為切入點(diǎn)，提供一種基于示功圖的有桿抽油系統(tǒng)故障遞 階診斷法，即首先在故障分辨階段根據(jù)正常(或平穩(wěn)狀態(tài))樣本的統(tǒng)計(jì)規(guī)律把示功圖分為 故障類和非故障類；然后在故障診斷階段針對(duì)故障樣本進(jìn)行詳細(xì)的故障診斷識(shí)別。由于 大部分的示功圖都是正常(或平穩(wěn))的，先進(jìn)行故障分辨就節(jié)省了大量的時(shí)間，從而提高 油田管理的效率。另外，故障分辨的訓(xùn)練樣本來(lái)自于正常(或平穩(wěn)狀態(tài))樣本，樣本豐 富且能反映出有桿抽油系統(tǒng)的自身的基本特征。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案本發(fā)明基于示功圖的有桿抽油系統(tǒng)故障遞階診斷方法包括如下步驟1)故障分辨階段，故障分辨階段又分為兩個(gè)階段11)訓(xùn)練階段在訓(xùn)練階段由正?；蚱椒€(wěn)樣本提取15個(gè)示功圖上的幾何特征 量，根據(jù)這些樣本的特征量得到相關(guān)統(tǒng)計(jì)信息111)人工選取η個(gè)正?；蚱椒€(wěn)樣本，進(jìn)行15個(gè)特征量的提取，其中論50 ；112)對(duì)提取的特征量進(jìn)行異常值檢驗(yàn)，如果異常，則剔除該樣本，并重新進(jìn)行 異常值檢驗(yàn)，直至沒有異常值；113)對(duì)異常值檢驗(yàn)后的樣本進(jìn)行分布規(guī)律檢驗(yàn)；114)根據(jù)分布規(guī)律檢驗(yàn)結(jié)果計(jì)算正常區(qū)域和故障區(qū)域；12)分辨階段根據(jù)測(cè)試樣本本身是否存在打結(jié)點(diǎn)和測(cè)試樣本是否有特征量落 入故障區(qū)域來(lái)判斷是否故障121)判斷測(cè)試樣本本身是否存在打結(jié)點(diǎn)，如果存在，則為故障樣本，跳轉(zhuǎn)步驟 2)；否則跳轉(zhuǎn)步驟122)；122)提取測(cè)試樣本的15個(gè)特征量；123)測(cè)試樣本是否有特征量落入故障區(qū)域，如果有，則為故障樣本，跳轉(zhuǎn)步驟 2)；否則跳轉(zhuǎn)步驟124)；124)判定測(cè)試樣本為正常樣本，不需要進(jìn)行故障識(shí)別，結(jié)束；2)故障識(shí)別階段采用基于示功圖的有桿抽油系統(tǒng)故障識(shí)別的搜索樹方法，對(duì) 故障樣本進(jìn)行故障類型的識(shí)別。優(yōu)選地，所述15個(gè)特征量為下死點(diǎn)(Ε點(diǎn))載荷、上死點(diǎn)(F點(diǎn))位移和載荷、 固定凡爾打開點(diǎn)(B點(diǎn))的位移和載荷、游動(dòng)凡爾打開點(diǎn)(D點(diǎn))的位移和載荷、面積、 最大載荷、最小載荷、載荷總的平均變化量，EB、BF、FD、DE段載荷的平均變化量。優(yōu)選地，步驟112)所述剔除異常樣本的方法采用t檢驗(yàn)準(zhǔn)則剔除異常數(shù)據(jù)法21)在η個(gè)觀測(cè)值中找出與平均值相比誤差最大的正常樣本的特征量值作為可疑 值Xk，其中觀測(cè)值為正常樣本的一個(gè)特征量；22)對(duì)不包括可疑值Xk在內(nèi)的n-1個(gè)觀測(cè)值，計(jì)算平均值
η^= (Σ^)/^"1)⑴
i^k Z=I以及標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值
權(quán)利要求
1.一種基于示功圖的有桿抽油系統(tǒng)故障遞階診斷方法，其特征在于包括如下步驟1)故障分辨階段，故障分辨階段又分為兩個(gè)階段11)訓(xùn)練階段在訓(xùn)練階段由正常或平穩(wěn)樣本提取15個(gè)示功圖上的幾何特征量，根 據(jù)這些樣本的特征量得到相關(guān)統(tǒng)計(jì)信息111)人工選取η個(gè)正?；蚱椒€(wěn)樣本，進(jìn)行15個(gè)特征量的提取，其中11湯0;112)對(duì)提取的特征量進(jìn)行異常值檢驗(yàn)，如果異常，則剔除該樣本，并重新進(jìn)行異常 值檢驗(yàn)，直至沒有異常值；113)對(duì)異常值檢驗(yàn)后的樣本進(jìn)行分布規(guī)律檢驗(yàn)；114)根據(jù)分布規(guī)律檢驗(yàn)結(jié)果計(jì)算正常區(qū)域和故障區(qū)域；12)分辨階段根據(jù)測(cè)試樣本本身是否存在打結(jié)點(diǎn)和測(cè)試樣本是否有特征量落入故 障區(qū)域來(lái)判斷是否故障121)判斷測(cè)試樣本本身是否存在打結(jié)點(diǎn)，如果存在，則為故障樣本，跳轉(zhuǎn)步驟2); 否則跳轉(zhuǎn)步驟122)；122)提取測(cè)試樣本的15個(gè)特征量；123)測(cè)試樣本是否有特征量落入故障區(qū)域，如果有，則為故障樣本，跳轉(zhuǎn)步驟2); 否則跳轉(zhuǎn)步驟124)；124)判定測(cè)試樣本為正常樣本，不需要進(jìn)行故障識(shí)別，結(jié)束；2)故障識(shí)別階段采用基于示功圖的有桿抽油系統(tǒng)故障識(shí)別的搜索樹方法，對(duì)故障 樣本進(jìn)行故障類型的識(shí)別。
2.根據(jù)權(quán)力要求1所述的基于示功圖的有桿抽油系統(tǒng)故障遞階診斷方法，其特征在 于所述15個(gè)特征量為下死點(diǎn)(Ε點(diǎn))載荷、上死點(diǎn)(F點(diǎn))位移和載荷、固定凡爾打開點(diǎn) (B點(diǎn))的位移和載荷、游動(dòng)凡爾打開點(diǎn)(D點(diǎn))的位移和載荷、面積、最大載荷、最小載 荷、載荷總的平均變化量，EB、BF、FD、DE段載荷的平均變化量。
3.根據(jù)權(quán)力要求1所述的基于示功圖的有桿抽油系統(tǒng)故障遞階診斷方法，其特征在于 步驟112)所述剔除異常樣本的方法采用t檢驗(yàn)準(zhǔn)則剔除異常數(shù)據(jù)法21)在η個(gè)觀測(cè)值中找出與平均值相比誤差最大的正常樣本的特征量值作為可疑值 xk,其中觀測(cè)值為正常樣本的一個(gè)特征量；22)對(duì)不包括可疑值Xk在內(nèi)的η-1個(gè)觀測(cè)值，計(jì)算平均值X = (JjXi)Hn-I)(1)23)確定風(fēng)險(xiǎn)率α τ，ατ = 0.001,從t分布表上查出Ατ( α T ； η-2)，再計(jì)算得到ΠΓΚ(ατ ,η) = Ar (aT ,n-2)· J-以及標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值(3)24)檢查xk，如果有\(zhòng)xk-x\> Κ{ατ,η)-J(4)成立，則xk為異常值，應(yīng)予剔除，跳轉(zhuǎn)步驟25)；否則Xk不是異常值，不能剔除， 并終止檢查；25)若Xk為異常值，將它剔除后，對(duì)余下的η-1個(gè)觀測(cè)值重復(fù)上述步驟，直到不再有異常值。
4.根據(jù)權(quán)力要求1所述的基于示功圖的有桿抽油系統(tǒng)故障遞階診斷方法，其特征在于 步驟113)所述對(duì)樣本進(jìn)行分布規(guī)律檢驗(yàn)為在對(duì)樣本分布進(jìn)行假設(shè)基礎(chǔ)上，采用χ 2擬合 優(yōu)度檢驗(yàn)法檢驗(yàn)假設(shè)分布與實(shí)際分布是否相符合31)提出Htl:X服從某種備選的分布類型；選取6個(gè)常用的連續(xù)性隨機(jī)分布指數(shù) 分布、均勻分布、威布爾分布、正態(tài)分布、瑞利分布和伽馬分布為備選的分布類型，分 別進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，所述分布類型的分布函數(shù)中含有r個(gè)未知數(shù)，r為自然數(shù)；32)將實(shí)數(shù)軸均分為k個(gè)不相交的區(qū)間(aQ，aj,(a1 a2], ...，(ak_1 ak]，其中 當(dāng) n《200 時(shí)，k 分別取 5、7、...13 ；當(dāng) η > 200 時(shí)，k 分別取 11、13、...21 ； a。，ak 按式 (5)循環(huán)計(jì)算a0 = Xmm- (Xmax-Xmn) Xj χ 1 %，j = ι，2，L 20(5)ak = xmax+ (Xmax-Xmm) Xj X 1 %，j = 1，2，L 2033)計(jì)算數(shù)據(jù)落入各區(qū)間的頻數(shù)η,，i=l，2，3...k；34)在Htl成立的條件下，計(jì)算X落入各區(qū)間的概率p1:P1 = P < XSa1)(6)進(jìn)而得到理論頻數(shù)nPl(i= 1，2, A, k)；3δ)將η,，Iip1代入式;Τ2= ^1^，求出x 2的值；!=1 npr36)確定顯著性水平αχ，α χ = 0.01，查x 2分布表得不；37)若義2>不— /&-卜1)，則拒絕Hq，否則，可接受H0。
5.根據(jù)權(quán)力要求1所述的基于示功圖的有桿抽油系統(tǒng)故障遞階診斷方法，其特征在于 步驟114)所述特征量正常區(qū)域和故障區(qū)域計(jì)算方法如下41)對(duì)各特征量選取統(tǒng)一的概率值α，α為樣本落入正常區(qū)域區(qū)間[!νaj的概率，α = 99.99%,并且樣本落入故障區(qū)域區(qū)間(_①，b0)和故障區(qū)域區(qū)間(aQ，+-)的概 率相同，則Ρ{- °ο< χ < b0}+P{b0<X<a0}+P{a0 < X < + } = 1(7)P{- °o< χ < b0} = Pja0 < X < + oo }(8)Jlt v 1 , r,( v , I-Pl^0 <X <αΛ \-a/ -οο <X <b0} = P{a0 <X < +00} =--°1 = ——(9)所以戶{- )<1< 。} = 1- +￥ = ^^ (10)42)根據(jù)式(9)、(10)及該特征量的分布類型與參數(shù)，計(jì)算出％、b0,即可得到正常 區(qū)域區(qū)間DV aj與故障區(qū)域區(qū)間(_⑴，b0) U (a0, +-)；對(duì)于載荷平均變化量，有意義的故障區(qū)域?yàn)?aQ，+-)；43)如果某特征量的分布規(guī)律檢驗(yàn)結(jié)果是符合多個(gè)分布，則分別按多個(gè)分布規(guī)律計(jì)算 正常區(qū)域區(qū)間，并取它們的并集為該特征量正常區(qū)域區(qū)間；44)如果對(duì)某特征量的假設(shè)檢驗(yàn)不能確定它的分布規(guī)律，則取正常區(qū)域區(qū)間為[μ-5σ , μ+5σ],其中=為樣本均值，σ=[玄(χ,-//)2]/( -1)為樣本均1=1V '=1方差；45)^b1 = b2-A (a2-b2)，ai = α2+λ (a2-b2)，λ 為設(shè)定的閾值，λ = 0.2，其中 b2、 a2分別為異常值檢驗(yàn)后的訓(xùn)練樣本的最小值與最大值；區(qū)間[b1; aj與步驟41)至44)計(jì) 算得到的正常區(qū)域區(qū)間的并集為該特征量最終的正常區(qū)域區(qū)間[b，a],則該特征量最終的 故障區(qū)域區(qū)間(_①，b) U (a, +①)。
6.根據(jù)權(quán)力要求1所述的基于示功圖的有桿抽油系統(tǒng)故障遞階診斷方法，其特征在于 步驟121)所述判斷測(cè)試樣本本身是否存在打結(jié)點(diǎn)的方法為51)計(jì)算測(cè)試樣本位移的最大和最小值；52)將測(cè)試樣本示功圖上的位移均分為J份，J=10000，j = 1, 2，LJ-I ；53)計(jì)算第j條直線、=xmm+(Xmax-Xmm)Xj'/J與示功圖的交點(diǎn)集合U丨H1, H2)；54)用插值法求出H1對(duì)應(yīng)的載荷》；55)用插值法求出H2對(duì)應(yīng)的載荷&；56)若<ε , ε為設(shè)定的閾值，ε =0.001，則存在打結(jié)點(diǎn)，結(jié)束；57)如果j<J，則更新j=j+l，跳轉(zhuǎn)步驟53)，否則判定測(cè)試樣本不存在打結(jié)點(diǎn)，結(jié)束。
7.根據(jù)權(quán)力要求1所述的基于示功圖的有桿抽油系統(tǒng)故障遞階診斷方法，其特征在于 步驟2)所述搜索樹分為四大類面積變化類、打結(jié)類、振動(dòng)類、碰掛類，其中面積變化 類又分為三類面積增大類、面積極小類、面積偏小或正常類。面積類故障搜索樹用于 識(shí)別的故障類型包括固定閥漏失、抽油桿中上部斷脫、游動(dòng)閥失靈、油管底部漏失、 連抽帶噴、抽油桿底部斷脫、氣鎖、泵卡死、嚴(yán)重供液不足、油管漏失、游動(dòng)閥漏失、 游動(dòng)閥關(guān)閉遲緩、柱塞脫出工作筒、供液不足、氣體影響、慣性載荷大；打結(jié)類故障搜 索樹用于識(shí)別的故障類型包括下碰泵、二級(jí)振動(dòng)、柱塞脫出工作筒；振動(dòng)類故障搜索 樹用于識(shí)別的故障類型包括出砂、振動(dòng)過大；碰掛類故障搜索樹用于識(shí)別的故障類型 包括上碰掛。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種基于示功圖的有桿抽油系統(tǒng)故障遞階診斷法，分為故障分辨和故障識(shí)別兩個(gè)階段，即首先在故障分辨階段根據(jù)正常樣本的統(tǒng)計(jì)規(guī)律把示功圖分為故障類和非故障類；然后采用基于示功圖的有桿抽油系統(tǒng)故障識(shí)別的搜索樹方法，對(duì)故障樣本進(jìn)行故障類型的識(shí)別。它提高了故障診斷系統(tǒng)的故障診斷性能，且不需要建立和求解有桿抽油系統(tǒng)力學(xué)模型，也不存在訓(xùn)練集問題，并能反映出有桿抽油系統(tǒng)的自身的基本特征。
文檔編號(hào)E21B17/00GK102011576SQ20101055723
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月24日
發(fā)明者唐敢, 李訓(xùn)銘, 梁華 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué), 河海大學(xué)