本發(fā)明涉及石油化工以及無線傳感器領(lǐng)域，具體地說是一種將地面示功圖轉(zhuǎn)化為泵功圖并進(jìn)行故障診斷的方法。
背景技術(shù)：
：石油作為一種不可再生資源，對(duì)于國家的政治、經(jīng)濟(jì)、軍事有著不可替代的戰(zhàn)略意義。隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)、穩(wěn)定、快速的發(fā)展，石油消費(fèi)也持續(xù)增長(zhǎng)，原油需求持續(xù)上升，石油供需缺口有增大的趨勢(shì)，并逐漸成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一。截止2009年底，中國石油探明剩余可采儲(chǔ)量為27.9億噸，剩余可采儲(chǔ)量?jī)?chǔ)采比為14.8，然而在這些剩余可采儲(chǔ)量中，石油資源儲(chǔ)備質(zhì)量較差，低滲、特低滲或超低滲油、稠油和埋深大于3500m的石油資源超過50％，不僅開發(fā)勘探難度在逐漸加大，開發(fā)成本增加而且老油區(qū)綜合含水高，普遍進(jìn)入產(chǎn)量遞減階段。面對(duì)這樣的嚴(yán)峻形勢(shì)，各油田企業(yè)都意識(shí)到了提高原油生產(chǎn)效率的重要性，并在降低投資、節(jié)約成本、提高油田數(shù)字化管理水平等方面做了大量的努力。其中，將WIA技術(shù)應(yīng)用于油田生產(chǎn)數(shù)字化管理是一個(gè)重要體現(xiàn)。WIA-PA(WirelessNetworksforIndustrialAutomationProcessAutomation)技術(shù)是中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所自主開發(fā)的面向工業(yè)過程自動(dòng)化的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，是中國工業(yè)無線聯(lián)盟針對(duì)過程自動(dòng)化領(lǐng)域制定的WIA子標(biāo)準(zhǔn)，是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的用于工業(yè)過程測(cè)量、監(jiān)視與控制的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)協(xié)議遵循ISO/OSI的七層結(jié)構(gòu)，但只定義了數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)由主控計(jì)算機(jī)、網(wǎng)關(guān)設(shè)備、路由設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和手持設(shè)備5類物理設(shè)備構(gòu)成，此外，還定義了兩類邏輯設(shè)備：網(wǎng)絡(luò)管理器、安全管理器。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)采用星形和網(wǎng)狀結(jié)合的兩層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，第一層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由網(wǎng)關(guān)和路由設(shè)備組成，第二層的星型結(jié)構(gòu)由路由設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或手持設(shè)備組成。油田生產(chǎn)由油井、計(jì)量站、管匯閥組、轉(zhuǎn)油站、聯(lián)合站、原油外輸系統(tǒng)以及其他分散設(shè)施組成。由于老油田產(chǎn)量低，生產(chǎn)成本高，其投入產(chǎn)出比低，目前仍然采用人工每日定時(shí)檢查設(shè)備運(yùn)行情況并測(cè)量、統(tǒng)計(jì)采油數(shù)據(jù)。隨著油田壓縮編制及夜班無人值守，采油現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生意外故障不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排查，直接影響著油田的生產(chǎn)管理和安全?；谝陨蠁栴}，將基于WIA-PA技術(shù)的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控及上位機(jī)優(yōu)化軟件應(yīng)用于實(shí)際，是很有意義的。WIA技術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣(兩點(diǎn)間通信無障礙2KM)、可靠性高、耗電量低、基本無運(yùn)行費(fèi)用，并且具有遠(yuǎn)程無線傳輸和拓展功能。目前關(guān)于有桿泵抽油系統(tǒng)井下工況計(jì)算機(jī)智能診斷方法的研究已經(jīng)取得了一些成果，例如:專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粗糙集理論、支持向量機(jī)、頻譜分析和濾波技術(shù)。但是，由于井下工作狀況的不可見性，很難得到足夠多的學(xué)習(xí)樣本，很難從已有的信息精確地判斷待診斷樣本。蔡文等首創(chuàng)的可拓學(xué)，采用形式化設(shè)計(jì)從定性和定量?jī)蓚€(gè)角度同時(shí)考慮解決問題的規(guī)律和方法，利用信息的可拓展性去解決問題。所建立的物元模型，用一個(gè)三元組來描述事物，其中訓(xùn)練樣本特征向量的特征值由一個(gè)點(diǎn)拓展到一個(gè)區(qū)間，通過計(jì)算待診斷點(diǎn)與特征區(qū)間的距離來判斷其與每個(gè)特征向量的關(guān)度。通過關(guān)聯(lián)函數(shù)，將點(diǎn)與區(qū)間的位置關(guān)系用定量的形式刻畫出來，用以描述關(guān)聯(lián)度的區(qū)別。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于WIA-PA無線示功儀采集的地面示功圖，利用吉布斯求解波動(dòng)方程得到泵功圖，利用四點(diǎn)法和曲線矩理論進(jìn)行基于泵功圖的有桿抽油系統(tǒng)故障診斷的方法。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種基于泵功圖的抽油井故障診斷方法，采集地面示功圖，并將示功圖轉(zhuǎn)化為泵功圖；將得到的泵功圖進(jìn)行故障診斷。所述將示功圖轉(zhuǎn)化為泵功圖包括以下步驟：步驟1：利用有桿抽油系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)懸點(diǎn)動(dòng)載荷的變化：∂2U(x,t)∂t2=a2∂2U(x,t)∂x2-C∂U(x,t)∂t]]>其中，a為聲波在抽油桿中的速度；C為吉布斯粘滯阻尼系數(shù)；步驟2：采用傅里葉變換的方法，求出抽油桿上任意深度x、任意時(shí)間t的載荷與位移，得到泵功圖：U(x,t)=σ02EArx+v02+Σn=1n(On(x)cosnωt+Pn(x)sinnωt)]]>F(x,t)=δ02x+EArΣn=1n(On′(x)cosnωt+Pn′(x)sinnωt)]]>其中，U(x,t)為抽油桿的位移；F(x,t)為抽油桿的載荷；σ0,δ0為傅氏系數(shù)；E為抽油桿的彈性模量；Ar為抽油桿截面積；On,O'n,Pn,P′n為特殊函數(shù)；n為傅氏級(jí)數(shù)；ω為曲柄角速度；n為傅氏級(jí)數(shù)。所述特殊函數(shù)為：On(x)＝(knchβnx+δnshβnx)sinαnx+(μnchβnx+vnshβnx)cosαnxPn(x)＝(knchβnx+δnchβnx)cosαnx+(μnchβnx+vnshβnx)sinαnxOn′(x)=[τnEArshβnx+(δnβn-vnαn)chβnx]sinαnx+[δnEArchβnx+(vnβn-δnαn)shβnx]cosαnx]]>Pn′(x)=[τnEArchβnx+(δnβn-vnαn)shβnx]cosαnx+[σnEArshβnx+(vnβn-δnαn)chβnx]sinαnx]]>kn=σnαn+τnβnEAr(αn2+βn2),μn=σnβn-τnαnEAr(αn2+βn2)]]>αn=nωa21+1+(Cnω)2,βn=nωa2-1+1+(Cnω)2]]>其中，On,O'n,Pn,P′n為特殊函數(shù)；σn,δn,τn,vn為傅氏系數(shù)；E為抽油桿的彈性模量；Ar為抽油桿截面積；αn,βn,kn,μn,an,bn,cn,dn均為特殊常數(shù)；ω為曲柄角速度；a為聲波在抽油桿中的速度；C為吉布斯粘滯阻尼系數(shù)；n為傅氏級(jí)數(shù)；所述傅氏系數(shù)為：σn=2kΣp=1kDpcos(2nπkp)(n=0,1,...,n‾)]]>τn=2kΣp=1kDpcos(2nπkp)(n=0,1,...,n‾)]]>vn=2kΣp=1kUpcos(2nπkp)(n=0,1,...,n‾)]]>δn=2kΣp=1kUpcos(2nπkp)(n=0,1,...,n‾)]]>其中，D(p)為示功圖離散點(diǎn)的載荷；U(p)為示功圖離散點(diǎn)的位移；k為示功圖離散點(diǎn)的個(gè)數(shù)；所述吉布斯粘滯阻尼系數(shù)為：C=2πμρrAr{1lnm+2B2(B1+1)[B1+2(ωL/a)sin(ωL/a)+cos(ωL/a)]}]]>m＝Dt/Dr,B1=m2-12lnm-1,B2=m4-1-(m2-1)lnm]]>其中：m、B1、B2均為中間變量；Dt為油管內(nèi)徑；Dr為抽油桿外徑；L為抽油桿的長(zhǎng)度；μ油井液體粘度；ρr為抽油桿密度；所述將得到的泵功圖進(jìn)行故障診斷包括以下過程：步驟1：采用曲線矩的特征提取方法，提取特征向量；步驟2：給出典型故障集并建立典型故障集的物元模型：步驟3：建立待診斷泵功圖的物元模型；步驟4：計(jì)算待診斷泵功圖與標(biāo)準(zhǔn)工況的關(guān)聯(lián)度函數(shù)，并計(jì)算關(guān)聯(lián)度：步驟5：對(duì)求出的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行歸一化處理，確定待診斷樣本相對(duì)于各故障類型的發(fā)生程度；步驟6：將歸一化的關(guān)聯(lián)度與油田實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，并結(jié)合實(shí)際的油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)，確定油井的實(shí)際工況。所述曲線矩的特征提取方法包括以下步驟：步驟1：首先對(duì)泵功圖進(jìn)行歸一化處理：x'＝(xi-xmin)/(xmax-xmin)y'＝(yi-ymin)/(ymax-ymin)其中，Xi為泵功圖的位移離散點(diǎn)；Yi為泵功圖的載荷離散點(diǎn)；Xmax為泵功圖位移的最大離散點(diǎn)；Xmin為泵功圖的最小離散點(diǎn)；Ymax為泵功圖載荷的最大離散點(diǎn)；Ymin為泵功圖載荷的最小離散點(diǎn)；步驟2：將歸一化后的泵功圖根據(jù)直線l和直線m進(jìn)行分區(qū)，直線l和直線m的方程分別為：m＝(ymax+ymin)/2l＝str/2其中，str為沖程；步驟3：分區(qū)后的每一部分都是一條由離散點(diǎn)(xi,yi)，i＝1,2,...n組成的曲線，其p+q階曲線矩mpq定義為：mpq=Σi=1NxipyiqΔli]]>Δli=(xi-xi-1)2+(yi-yi-1)2(p,q=0,1,2,...)]]>其中：mpq為p+q階曲線矩；xi為離散點(diǎn)橫坐標(biāo)；yi為離散點(diǎn)縱坐標(biāo)；i為曲線邊緣上第i個(gè)離散點(diǎn)；N為離散點(diǎn)的總數(shù)；ΔLi為相鄰兩個(gè)離散點(diǎn)之間的直線距離；相應(yīng)的p+q階中心矩μpq的定義為：μpq=Σi=1N(xi-x‾)p(yi-y‾)qΔli]]>式中，μpq為p+q階中心矩；點(diǎn)為曲線的重心坐標(biāo)；y‾=m01/m00;]]>步驟4：計(jì)算各階中心距：μ00＝m00,μ10＝0,μ01＝0,μ11=m11-x‾m01=m11-y‾m10,]]>μ20=m20-x‾m10,]]>μ02=m02-x‾m01,]]>μ30=m30-3x‾m20+2m10x‾2,]]>μ03=m03-3y‾m02+2m01y‾2,]]>μ12=m12-2y‾m11-x‾m02+2y‾2m10,]]>μ21=m21-2x‾m11-y‾m02+2x‾2m01,]]>其中，m00為零階矩；m10,m01為一階矩；m20,m02,m11為二階矩；m03,m30,m12,m21為三階矩；μ00為零階中心距；μ01,μ10為一階中心距；μ02,μ20,μ11為二階中心距；μ03,μ30,μ12,μ21為三階中心距；零階矩和零階中心矩表示曲線的長(zhǎng)度；一階矩m10和m01可以用來確定曲線的灰度重心；二階中心距μ20，μ11和μ02稱為慣性矩，用來衡量曲線的大小和方向；三階中心距μ30和μ03表示圖形的不對(duì)稱性，用來衡量關(guān)于均值分布的偏差程度，μ03表示曲線關(guān)于垂直軸線不對(duì)稱度量；步驟5：對(duì)中心矩進(jìn)行規(guī)范化，得到如下尺度規(guī)范化矩：ηpq＝μpq/(μ00)p+q+1其中，p,q＝0,1,2,...步驟6：在每個(gè)分區(qū)中構(gòu)造7個(gè)不變矩參數(shù)：其中，為分區(qū)的7個(gè)特征向量；η02,η20,η11為規(guī)范化后的二階中心距；η03,η30,η12,η21為規(guī)范化后的三階中心距；步驟7：計(jì)算由各個(gè)分區(qū)的不變曲線矩構(gòu)成的特征向量，并利用修正公式對(duì)不變曲線矩特征向量進(jìn)行修正：其中為特征向量；為修正后的特征向量，i＝1,2,...,28。所述典型故障集的物元模型為：Ri=FiC1[vi1a,vi1b]C2[vi2a,vi2b]······Cj[vija,vijb]······C28[vi28a,vi28b]]]>其中，Ri為典型故障集的物元模型，i＝1,2,...12，表示第i類標(biāo)準(zhǔn)工況；Cj(j＝1,2,...,28)表示第j個(gè)不變曲線矩特征；vij＝[vija,vijb]表示第i類工況的第j個(gè)不變曲線矩特征區(qū)間值；Fi為標(biāo)準(zhǔn)類型工況類型集合。所述待診斷泵功圖的物元模型為：R=FC1v1C2v2······Cjvj······C28v28]]>其中，R為待診斷功圖的物元模型，Cj(j＝1,2,...,28)表示第j個(gè)不變曲線矩特征；vj表示第j個(gè)不變曲線矩特征值；F為待診斷泵功圖的工況類型集合。所述計(jì)算待診斷泵功圖與標(biāo)準(zhǔn)工況的關(guān)聯(lián)函數(shù)，并計(jì)算關(guān)聯(lián)度包括以下過程：I(Fi)=Σj=128ωijReij(vj)]]>Reij(vj)=ρ(vj,vij)ρ(vj,X)-ρ(vj,vij)-ρ(vj,vij)|vij|]]>ρ(vj,vij)=|vj-vija+vijb2|-vijb-vija2]]>ωij＝(vj/vijb)/∑(vj/vijb)其中，I(Fi)為關(guān)聯(lián)度；i＝1,2,...7；j＝1,2,...,28；Reij(vj)表示第j個(gè)不變曲線矩特征值下待診斷泵功圖與第i類標(biāo)準(zhǔn)工況的關(guān)聯(lián)函數(shù)；ρ(vj,vij)表示其間距；|vij|表示區(qū)間之間的距離；ωij為各不變曲線矩特征值的權(quán)重，vj表示第j個(gè)不變曲線矩特征值，vija表示第i類標(biāo)準(zhǔn)工況的第j個(gè)不變曲線矩特征區(qū)間值的下界值，vijb表示第i類標(biāo)準(zhǔn)工況的第j個(gè)不變曲線矩特征區(qū)間值的上界值。所述待診斷樣本相對(duì)于各故障類型的發(fā)生程度為：I′(Fi)=2I(Fi)-max(I(Fi))-min(I(Fi))max(I(Fi))-min(I(Fi))]]>其中，i＝1,2,...7；I(Fi)為關(guān)聯(lián)度；I’(Fi)為修正后的關(guān)聯(lián)度。所述將歸一化的關(guān)聯(lián)度與油田實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析包括以下過程：若I(Fi)＜0，則待診斷泵功圖沒有發(fā)生該類型故障；若I(Fi)≥0，則待診斷泵功圖有可能屬于該工況類型，并認(rèn)為待診斷泵功圖屬于具有最大關(guān)聯(lián)度的故障工況類型。本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明在深入理解有桿抽油系統(tǒng)的工作原理基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，有很好的全面性與實(shí)用性，能有效適應(yīng)不同井況，使之高效準(zhǔn)確的利用WIA-PA無線示功儀采集的地面示功圖進(jìn)行有桿抽油系統(tǒng)的故障診斷。附圖說明圖1是本發(fā)明的泵功圖故障診斷流程圖；圖2是本發(fā)明供液不足的地面功圖和泵功圖；圖3是本發(fā)明正常工況下的地面功圖和泵功圖；圖4是本發(fā)明泵上碰工況的地面功圖和泵功圖；圖5是本發(fā)明的泵功圖分區(qū)圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。地面功圖轉(zhuǎn)泵功圖1)利用吉布斯提出的有桿抽油系統(tǒng)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，采用數(shù)值求解的方法預(yù)測(cè)懸點(diǎn)動(dòng)載荷的變化：∂2U(x,t)∂t2=a2∂2U(x,t)∂x2-C∂U(x,t)∂t]]>a為聲波在抽油桿中的速度，取4970m/s；C為吉布斯粘滯阻尼系數(shù)；2)采用傅里葉變換的方法，可以求出抽油桿上任意深度、任意時(shí)間的載荷與位移：U(x,t)=σ02EArx+v02+Σn=1n(On(x)cosnωt+Pn(x)sinnωt)]]>F(x,t)=δ02x+EArΣn=1n(On′(x)cosnωt+Pn′(x)sinnωt)]]>以上二式中的4個(gè)傅氏系數(shù)由實(shí)測(cè)得D(t)和U(t)曲線數(shù)值積分求得，下面以σn為例：首先需將D(t)和U(t)離散化，采樣點(diǎn)數(shù)為160，等時(shí)采樣。之后，令θ＝ωt,T=2πω,dt=dθω,]]>可得到：σn=1π∫02πD(θ)cosnθdt]]>考慮到θ是離散變量：θ=2πpkp=1,2,...,k]]>用下面符號(hào)表示：D(2πpk)=Dp]]>3)采用梯形法則進(jìn)行數(shù)值積分：σn=[{D0cos(2nπ·0k)+D1cos(2nπ·1k)2+D1cos(2nπ·1k)+D2cos(2nπ·2k)2+Dk-1cos(2nπ·(k-1)k)+Dkcos(2nπ·kk)2}2πk]·1π]]>合并同類項(xiàng)得到：σn=2k[D0cos02+D1cos2nπ·1k+...+Dk-1cos(2nπ·(k-1)k)+Dkcos2nπ2]]]>由函數(shù)的周期性可得：D0＝Dk,cos0＝cos2nπ，因此：σn=2kΣp=1kDpcos(2nπkp)(n=0,1,...,n‾)]]>同理可求得其他三個(gè)傅氏級(jí)數(shù)：τn=2kΣp=1kDpcos(2nπkp)(n=0,1,...,n‾)]]>vn=2kΣp=1kUpcos(2nπkp)(n=0,1,...,n‾)]]>δn=2kΣp=1kUpcos(2nπkp)(n=0,1,...,n‾)]]>4)用分離變量法求解吉布斯波動(dòng)方程便可得出抽油桿深度x斷面的位移隨時(shí)間的變化。求解步驟如下：首先令U(x,t)＝X(x)T(t)，X(x)和T(t)分別為僅含x和t的函數(shù)，將其帶入波動(dòng)方程并整理得：T′′(t)a2T(t)+CT′(t)a2T(t)=X′′(x)X(x)]]>上式每一側(cè)僅含有一個(gè)獨(dú)立變量，因而他等于一個(gè)常數(shù)，令其為代入上式并將其分離成兩個(gè)常微分方程：T′′(t)+CT′(t)+λn2a2T(t)=0X′′(x)+λn2X(x)=0]]>方程組(1.12)中(1)式的周期解為：T(t)＝einωt，代入方程組第一個(gè)等式可得方程(1.11)的特解λn：λn＝-αn+iβn式中αn與βn為實(shí)數(shù)，其值為：αn=nωa21+1+(Cnω)2]]>βn=nωa2-1+1+(Cnω)2]]>當(dāng)n＝0時(shí)，λ0＝0，方程組(1.12)變?yōu)椋篢′′(t)+CT′(t)=0X′′(x)=0]]>其解為：T(t)=ξX(x)=ξ+ηx]]>方程組(1.12)中第二個(gè)等式解為諧波方程：X(x)＝φnsinλnx+θncosλnx綜合以上各式，可求出方程(1.11)的解為：U(x,t)=ξ(ζ+ηx)+Σn=1∞(φnsinλnx+θncosλnx)einωt]]>在經(jīng)過變換可得到Gibbs方程的解析解為：U(x,t)=σ02EAr+v02+Σn=1n(On(x)cosnωt+Pn(x)sinnωt)]]>5)由胡克定律，抽油桿住任意深度x斷面上的動(dòng)載荷隨時(shí)間的變化為：F(x,t)=EAr∂U(x,t)∂x]]>即：F(x,t)=δ02+EArΣn=1n(On′(x)cosnωt+Pn′(x)sinnωt)]]>式(1.20)和(1.22)中的函數(shù)和系數(shù)如下：On(x)＝(knchβnx+δnshβnx)sinαnx+(μnchβnx+vnshβnx)cosαnxPn(x)＝(knchβnx+δnchβnx)cosαnx+(μnchβnx+vnshβnx)sinαnxOn′(x)=[τnEArshβnx+(δnβn-vnαn)chβnx]sinαnx+[δnEArchβnx+(vnβn-δnαn)shβnx]cosαnx]]>Pn′(x)=[τnEArchβnx+(δnβn-vnαn)shβnx]cosαnx+[σnEArshβnx+(vnβn-δnαn)chβnx]sinαnx]]>kn=σnαn+τnβnEAr(αn2+βn2)]]>μn=σnβn-τnαnEAr(αn2+βn2)]]>6)張琪等人(1984)提出了用摩擦功確立的粘滯阻尼系數(shù)公式：C=2πμρrAr{1lnm+2B2(B1+1)[B1+2(ωL/a)sin(ωL/a)+cos(ωL/a)]}]]>式中：m＝Dt/Dr,B1=m2-12lnm-1,B2=m4-1-(m2-1)lnm]]>在油田的實(shí)際生產(chǎn)過程中，一般采用多級(jí)桿，所以對(duì)抽油桿柱的動(dòng)載荷需要分級(jí)計(jì)算，逐級(jí)消除抽油桿柱動(dòng)載荷。首先計(jì)算第一級(jí)桿柱末端載荷與位移；然后以第一級(jí)桿柱末端為第二級(jí)初始及邊界條件，劃分第二級(jí)抽油桿，再計(jì)算其末端載荷與位移。以此類推，直至求出最后一級(jí)末端的載荷與位移，得出最終的泵功圖。如圖2所示為利用本發(fā)明的地下供液不足時(shí)的地面示功圖與地下泵功圖。從圖中可以看出，在上沖程部分曲線良好，基本正常，但在下沖程卸載段，曲線有明顯缺失，是供液不足的典型趨勢(shì)。如圖3所示為利用本發(fā)明的泵工況正常時(shí)的地面示功圖與地下泵功圖。地面功圖縱坐標(biāo)表示懸點(diǎn)載荷，橫坐標(biāo)表示位移。曲線形狀基本為平行四邊形，符合正常工作的判定條件，通過地面到地下的轉(zhuǎn)換，可以看出泵的工作狀態(tài)良好。如圖4所示為利用本發(fā)明的泵上碰的地面示功圖與地下泵功圖。從圖中可以看出，在地面功圖中，右上角有明顯的短時(shí)間內(nèi)的載荷的增大，轉(zhuǎn)換成地下泵功圖，可以看出，在上死點(diǎn)處，泵明顯載荷增大，符合泵上碰的判斷條件。二故障診斷如圖1為本發(fā)明的泵功圖故障診斷流程圖。包括以下步驟：步驟1：采用曲線矩的特征提取方法，提取特征向量；步驟2：給出典型故障集并建立典型故障集的物元模型：步驟3：建立待診斷泵功圖的物元模型；步驟4：計(jì)算待診斷泵功圖與標(biāo)準(zhǔn)工況的關(guān)聯(lián)度函數(shù)，并計(jì)算關(guān)聯(lián)度：步驟5：對(duì)求出的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行歸一化處理，確定待診斷樣本相對(duì)于各故障類型的發(fā)生程度；步驟6：將歸一化的關(guān)聯(lián)度與油田實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，并結(jié)合實(shí)際的油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)，確定油井的實(shí)際工況。具體為：1)采用曲線矩的特征提取方法，將泵功圖分為4部分，每一部分提取7個(gè)不變矩參數(shù)。2)由于不同油井泵功圖數(shù)據(jù)的精度和量綱可能不一樣，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理：x‾=(xi-xmin)/(xmax-xmin)]]>y‾=(yi-ymin)/(ymax-ymin)]]>3)如圖5所示為本發(fā)明的泵功圖分區(qū)圖，泵功圖被直線l和m劃分為四個(gè)部分，分別為左下、左上、右下、右上，而反映抽油桿工作狀況的A(游動(dòng)凡爾關(guān)閉)、B(固定凡爾打開)、C(固定凡爾關(guān)閉)和D(固定凡爾打開)分別在這四部分中。分別為左下，左上，右上，右下，而反映抽油泵工作狀況的A(游動(dòng)凡爾關(guān)閉點(diǎn))，B(固定凡爾打開點(diǎn))，C(固定凡爾關(guān)閉點(diǎn))，D(游動(dòng)凡爾打開點(diǎn))分別在這四部分中；直線l和m的方程分別為：m＝1/2×(最大載荷+最小載荷)l＝1/2×(沖程)4)分別求四個(gè)分區(qū)的7個(gè)p+q階曲線矩：mpq=Σi=1NxipyiqΔli]]>Δli=(xi-xi-1)2+(yi-yi-1)2]]>5)相應(yīng)的求出p+q階中心矩：μpq=Σi=1N(xi-x‾)p(yi-y‾)qΔli]]>ηpq＝μpq/(μ00)p+q+1式中：x‾=m10/m00;y‾=m01/m00;]]>點(diǎn)為曲線的重心坐標(biāo)。計(jì)算各階中心距：μ00＝m00,μ10＝0,μ01＝0,μ11=m11-x‾m01=m11-y‾m10,]]>μ20=m20-x‾m10,]]>μ02=m02-x‾m01,]]>μ30=m30-3x‾m20+2m10x‾2,]]>μ03=m03-3y‾m02+2m01y‾2,]]>μ12=m12-2y‾m11-x‾m02+2y‾2m10,]]>μ21=m21-2x‾m11-y‾m02+2x‾2m01.]]>其中，m00為零階矩；m10,m01為一階矩；m20,m02,m11為二階矩；m03,m30,m12,m21為三階矩；μ00為零階中心距；μ01,μ10為一階中心距；μ02,μ20,μ11為二階中心距；μ03,μ30,μ12,μ21為三階中心距。所提取的泵功圖曲線的各階矩都是具有物理意義的，零階矩和零階中心矩表示曲線的長(zhǎng)度；一階矩m10和m01可以用來確定曲線的灰度重心；二階中心距μ20，μ11和μ02稱為慣性矩，用來衡量曲線的大小和方向；三階中心距μ30和μ03表示圖形的不對(duì)稱性，用來衡量關(guān)于均值分布的偏差程度，μ03表示曲線關(guān)于垂直軸線不對(duì)稱度量。6)構(gòu)造28個(gè)不變矩：由各個(gè)分區(qū)的不變曲線矩構(gòu)成的28個(gè)特征向量可以表示為：利用修正公式對(duì)28個(gè)不變曲線矩特征進(jìn)行修正，以調(diào)整其取值范圍，所用修正公式為：其中i＝1,2,...,28。7)給出典型故障集并建立故障集的物元模型：Ri=FiC1[vi1a,vi1b]C2[vi2a,vi2b]······Cj[vija,vijb]······C28[vi28a,vi28b]]]>其中，i＝1,2,...7，表示第i類標(biāo)準(zhǔn)工況；Cj(j＝1,2,...,28)表示第j個(gè)不變曲線矩特征；vij＝[vija,vijb]表示第i類工況的第j個(gè)不變曲線矩特征區(qū)間值。8)給出待診斷泵功圖物元模型R=FC1v1C2v2······Cjvj······C28v28]]>其中，Cj(j＝1,2,...,28)表示第j個(gè)不變曲線矩特征；vj表示第j個(gè)不變曲線矩特征值。9)計(jì)算待診斷泵功圖與各類型標(biāo)準(zhǔn)工況的關(guān)聯(lián)函數(shù)：Reij(vj)=ρ(vj,vij)ρ(vj,X)-ρ(vj,vij)-ρ(vj,vij)|vij|]]>ρ(vj,vij)=|vj-vija+vijb2|-vijb-vija2]]>其中，i＝1,2,...7；j＝1,2,...,28；Reij(vj)表示第j個(gè)不變曲線矩特征值下待診斷示功圖與第i類標(biāo)準(zhǔn)工況的關(guān)聯(lián)函數(shù)；ρ(vj,vij)表示其間距；|vij|表示區(qū)間之間的距離。10)計(jì)算關(guān)聯(lián)度I(Fi)=Σj=128ωijKij]]>其中，ωij為各不變曲線矩特征值的權(quán)重。ωij＝(vj/vijb)/∑(vj/vijb)其中，：i＝1,2,...7；j＝1,2,...,28；vj表示第j個(gè)不變曲線矩特征值，；vijb表示第i類標(biāo)準(zhǔn)工況的第j個(gè)不變曲線矩特征區(qū)間值的上界值。11)對(duì)關(guān)聯(lián)度進(jìn)行歸一化處理，確定待診斷樣本相對(duì)于各故障類型的發(fā)生程度；I′(Fi)=2I(Fi)-max(I(Fi))-min(I(Fi))max(I(Fi))-min(I(Fi))]]>其中，i＝1,2,...7。12)將計(jì)算的關(guān)聯(lián)度與油田實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)相結(jié)合若I(Fi)＜0，則認(rèn)為待診斷泵功圖沒有發(fā)生該類型故障；若I(Fi)≥0，說明待診斷泵功圖有可能屬于該工況類型；若所有的I(Fi)＜0，認(rèn)為待診斷泵功圖不在現(xiàn)有的類型之中，將I(Fi)≥0的工況類型與實(shí)際的油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，確定最終的油井實(shí)際工況。實(shí)施例：表1中給出了各故障子集下每個(gè)特征元的取值區(qū)間，其中故障類型1-15分別代表“正常工作”，“氣體影響”，“供液不足”，“抽油桿斷脫”，“油稠”，“游動(dòng)凡爾漏失”，“泵上碰”，“泵下碰”，“固定凡爾漏失”，“柱塞脫出工作筒”，“氣鎖”，“雙凡爾漏失”，“卡泵”，“油井出砂”，“結(jié)蠟”。表1各類故障類型的特征元區(qū)間設(shè)故障級(jí)為F＝{F1,F2,…F15}，每個(gè)故障子集的特征為：c＝{c1,c2,…c15}。構(gòu)造個(gè)故障子集的物元模型如下：給出待診斷樣本，提取待診斷樣本的不變曲線矩特征如表2所示：表2待診斷樣本的不變曲線矩特征向量建立待診斷樣本的物元模型如下：計(jì)算關(guān)聯(lián)度結(jié)果如表3所示：表3待診斷樣本關(guān)聯(lián)度計(jì)算由表可知，對(duì)于樣本一來說，I(Fi)<0表示不屬于此類型故障。I(F4)和I(F13)都大于0，判斷待診斷樣本有可能屬于故障類型4(“供液不足”)或故障類型(“卡泵”)，程度分別為：0.0182和0.0066。結(jié)合油田實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)可知，該井的動(dòng)液面為1304m，并且示功圖形狀與供液不足時(shí)的典型工況一樣，因此該口井的工況可以診斷為“供液不足”。對(duì)于樣本二來說，I(Fi)<0表示不屬于此類型故障。I(F7)和I(F15)都大于0，判斷待診斷樣本有可能屬于故障類型7(“泵上碰”)或故障類型12(“凡爾漏失”)，程度分別為0.0212和0.0102。對(duì)示功圖圖形進(jìn)行分析可以得到，圖形的右上角明顯“凸出”，這正是“泵上碰”所具有的特征，結(jié)合油田實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)可知，該井的最大理論載荷為49.9KN，最小理論載荷為30.7KN，因此不具有“凡爾漏失”所具有的特征。因此該口井的工況可以診斷為“泵上碰”。當(dāng)前第1頁1 2 3