本發(fā)明屬于抽油機(jī)井綜合應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種抽油機(jī)井光桿示功圖測算系統(tǒng)及其測算方法，適用于常規(guī)型及異相型抽油機(jī)。

背景技術(shù)：

光桿示功圖是反映抽油機(jī)懸點(diǎn)的載荷量隨其位移值變化規(guī)律的圖形。在油田生產(chǎn)中用其推導(dǎo)泵功圖來計(jì)算油井產(chǎn)量、監(jiān)測油井生產(chǎn)運(yùn)行狀況。目前，我國各大油田均采用載荷、位移傳感器來采集光桿示功圖，一井一套，生產(chǎn)成本較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種脫離載荷及位移傳感器，利用抽油機(jī)井電動機(jī)電參數(shù)據(jù)來測算光桿示功圖的系統(tǒng)，大幅降低生產(chǎn)成本。

為此，本發(fā)明提供了一種抽油機(jī)井光桿示功圖測算系統(tǒng)，包括安裝在抽油機(jī)控制柜中的電參數(shù)采集單元、安裝在井場室外防爆箱中的數(shù)據(jù)處理單元、上位計(jì)算機(jī)；

所述的電參數(shù)采集單元電連接數(shù)據(jù)處理單元，采集電參數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換后傳輸給數(shù)據(jù)處理單元；

所述的數(shù)據(jù)處理單元電連接上位計(jì)算機(jī)，將接收的數(shù)據(jù)處理后傳遞給上位計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)功圖數(shù)據(jù)的展示。

所述的電參數(shù)采集單元由數(shù)據(jù)采集單元采樣模塊、數(shù)據(jù)采集單元通信模塊及數(shù)據(jù)采集單元電源模塊依次電連接組成，所述的數(shù)據(jù)采集單元采樣模塊實(shí)時采集電參數(shù)據(jù)。

所述的數(shù)據(jù)采集單元采樣模塊由電量互感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7657構(gòu)成；所述的數(shù)據(jù)采集單元通信模塊采用WLAN、NFC、WIFI- Dircet、bump、2G、4G、藍(lán)牙、wifi、zige-bee、GPRS、3G、USB模塊中的一種。

所述的數(shù)據(jù)采集單元采樣模塊實(shí)時采集電參數(shù)據(jù)包括電機(jī)的電流值、電壓值及輸入功率值模擬信號。

所述的數(shù)據(jù)采集單元電源模塊采用5V直流電源。

所述的數(shù)據(jù)處理單元由數(shù)據(jù)處理單元數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)處理單元通信模塊、數(shù)據(jù)處理單元存儲模塊及數(shù)據(jù)處理單元電源模塊依次電連接組成。

所述的數(shù)據(jù)處理單元電源模塊采用LPC2138型處理芯片；所述的數(shù)據(jù)處理單元數(shù)據(jù)處理單元通信模塊采用WLAN、NFC、WIFI- Dircet、bump、2G、4G、藍(lán)牙、wifi、zige-bee、GPRS、3G、USB模塊中的一種。

所述的數(shù)據(jù)處理單元數(shù)據(jù)處理單元通信模塊采用CAT1025-JI30型存儲芯片。

所述的數(shù)據(jù)處理單元電源模塊采用12V直流電源。

一種抽油機(jī)井光桿示功圖測算系統(tǒng)的測算方法，具體包括如下過程：

數(shù)據(jù)采集單元采樣模塊實(shí)時采集電參數(shù)據(jù)模擬信號，包括電機(jī)的電流值、電壓值及輸入功率值模擬信號，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過數(shù)據(jù)采集單元通信模塊傳輸至數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元數(shù)據(jù)處理模塊利用電參數(shù)據(jù)信號，通過內(nèi)部運(yùn)算處理，得到光桿示功圖數(shù)據(jù)，光桿示功圖數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)處理單元存儲模塊存儲數(shù)據(jù)后，經(jīng)數(shù)據(jù)處理單元通信模塊傳輸至上位計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)功圖數(shù)據(jù)的展示。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供的這種抽油機(jī)井光桿示功圖測算系統(tǒng)及其測算方法，利用抽油機(jī)運(yùn)動學(xué)分析法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到光桿示功圖的系統(tǒng)。該系統(tǒng)不使用載荷及位移傳感器，省去了載荷及位移傳感器費(fèi)用，可大幅降低油田生產(chǎn)成本。

附圖說明

以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1是光桿示功圖測算系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是光桿示功圖測算系統(tǒng)的信號傳輸示意圖。

圖3是常規(guī)型、異相型游梁式抽油機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。

圖4是常規(guī)型、異相型游梁式抽油機(jī)平衡分析簡圖。

附圖標(biāo)記說明：1、電參數(shù)采集單元；2、數(shù)據(jù)處理單元；3、上位計(jì)算機(jī)；4、數(shù)據(jù)采集單元采樣模塊；5、數(shù)據(jù)采集單元通信模塊；6、數(shù)據(jù)采集單元電源模塊；7、數(shù)據(jù)處理單元數(shù)據(jù)處理模塊；8、數(shù)據(jù)處理單元通信模塊；9、數(shù)據(jù)處理單元存儲模塊；10、數(shù)據(jù)處理單元電源模塊。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

本實(shí)施例提供一種抽油機(jī)井光桿示功圖測算系統(tǒng)，如圖1所示，包括安裝在抽油機(jī)控制柜中的電參數(shù)采集單元1、安裝在井場室外防爆箱中的數(shù)據(jù)處理單元2、上位計(jì)算機(jī)3；

電參數(shù)采集單元1電連接數(shù)據(jù)處理單元2，采集電參數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換后傳輸給數(shù)據(jù)處理單元2；

數(shù)據(jù)處理單元2電連接上位計(jì)算機(jī)3，將接收的數(shù)據(jù)處理后傳遞給上位計(jì)算機(jī)3，實(shí)現(xiàn)功圖數(shù)據(jù)的展示。

這種抽油機(jī)井光桿示功圖測算系統(tǒng)，由電參數(shù)采集單元1采集電參數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換后傳輸給數(shù)據(jù)處理單元2，再由數(shù)據(jù)處理單元2將接收的數(shù)據(jù)處理后傳遞給上位計(jì)算機(jī)3，實(shí)現(xiàn)功圖數(shù)據(jù)的展示。整個過程不使用載荷及位移傳感器，省去了載荷及位移傳感器費(fèi)用，可大幅降低油田生產(chǎn)成本。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上對電參數(shù)采集單元1進(jìn)一步說明，結(jié)合圖2所示，電參數(shù)采集單元1由數(shù)據(jù)采集單元采樣模塊4、數(shù)據(jù)采集單元通信模塊5及數(shù)據(jù)采集單元電源模塊6依次電連接組成，所述的數(shù)據(jù)采集單元采樣模塊4實(shí)時采集電參數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集單元采樣模塊4由電量互感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7657構(gòu)成；所述的數(shù)據(jù)采集單元通信模塊5采用WLAN、NFC、WIFI- Dircet、bump、2G、4G、藍(lán)牙、wifi、zige-bee、GPRS、3G、USB模塊中的一種。

數(shù)據(jù)采集單元采樣模塊4實(shí)時采集電參數(shù)據(jù)包括電機(jī)的電流值、電壓值及輸入功率值模擬信號。數(shù)據(jù)采集單元電源模塊6采用5V直流電源。

本實(shí)施例的電參數(shù)采集單元1中，數(shù)據(jù)采集單元采樣模塊4實(shí)時采集電參數(shù)據(jù)模擬信號，包括電機(jī)的電流值、電壓值及輸入功率值模擬信號，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過數(shù)據(jù)采集單元通信模塊5傳輸至數(shù)據(jù)處理單元2。

實(shí)施例3：

本實(shí)施例在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)處理單元2進(jìn)一步說明，結(jié)合圖2所示，數(shù)據(jù)處理單元2由數(shù)據(jù)處理單元數(shù)據(jù)處理模塊7、數(shù)據(jù)處理單元通信模塊8、數(shù)據(jù)處理單元存儲模塊9及數(shù)據(jù)處理單元電源模塊10依次電連接組成。

數(shù)據(jù)處理單元電源模塊6采用LPC2138型處理芯片；所述的數(shù)據(jù)處理單元數(shù)據(jù)處理單元通信模塊8采用WLAN、NFC、WIFI- Dircet、bump、2G、4G、藍(lán)牙、wifi、zige-bee、GPRS、3G、USB模塊中的一種。

數(shù)據(jù)處理單元數(shù)據(jù)處理單元通信模塊8采用CAT1025-JI30型存儲芯片。數(shù)據(jù)處理單元電源模塊10采用12V直流電源。

本實(shí)施例的數(shù)據(jù)處理單元2中，數(shù)據(jù)處理單元數(shù)據(jù)處理模塊7利用電參數(shù)據(jù)信號，通過內(nèi)部運(yùn)算處理，得到光桿示功圖數(shù)據(jù)，光桿示功圖數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)處理單元存儲模塊9存儲數(shù)據(jù)后，經(jīng)數(shù)據(jù)處理單元通信模塊8傳輸至上位計(jì)算機(jī)3，實(shí)現(xiàn)功圖數(shù)據(jù)的展示。

數(shù)據(jù)處理單元數(shù)據(jù)處理模塊7利用電機(jī)電參數(shù)據(jù)，得到光桿示功圖的具體方法如下：

常規(guī)型、異相型游梁式抽油機(jī)采用的是單自由度的曲柄搖桿四連桿機(jī)構(gòu)。如附圖3所示，驢頭在右，引入下列符號：

—抽油機(jī)沖次，r/min；

—電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min；

—抽油機(jī)減速箱總傳動比；

d —電動機(jī)皮帶輪直徑，mm；

D —減速箱大皮帶輪直徑，mm；

I —游梁支撐中心Q到曲柄轉(zhuǎn)動軸心O的水平距離，m；

H —游梁支撐中心Q到底座底面的垂直距離，m；

G —曲柄轉(zhuǎn)動軸心O到底座底面的垂直距離，m；

R —曲柄聯(lián)接半徑，m；

P —連桿長度，m；

C —游梁后臂（即搖桿）長度，m；

A —游梁前臂長度，m；

K —游梁支撐中心Q到曲柄轉(zhuǎn)動軸心O的距離，即機(jī)架長度，m；

J —曲柄銷軸心D到游梁支撐中心Q的距離，m；

—曲柄轉(zhuǎn)角，rad；

—K與垂直方向的夾角，rad；

—K到R的夾角，逆時針為正，rad；

—K到P的夾角，逆時針為正，rad；

（） —K到C的夾角，逆時針為正，rad；

—K到J的夾角，順時針為正，rad；

—C與J的夾角，rad；

—驢頭處于下死點(diǎn)（即B處于最高極限位置）時的，rad；

—驢頭處于上死點(diǎn)（即B處于最低極限位置）時的，rad；

()—曲柄R的角速度，逆時針為正，rad/s；

()—連桿P的角速度，逆時針為正，rad/s；

()—游梁(C和A)的角速度，逆時針為正，rad/s；

()—曲柄R的角加速度，逆時針為正，rad/s2；

()—連桿P的角加速度，逆時針為正，rad/s2；

()—游梁(C和A)的角加速度，逆時針為正，rad/s2。

其中，

、、d 、D、I、H、G、R、P、C、A為抽油機(jī)自身參數(shù)，可從抽油機(jī)出廠說明獲得。

沖次。

K、、、可由幾何關(guān)系求得，且值不隨變化而改變。

其它參數(shù)可由幾何關(guān)系求得，且值隨變化而改變。

曲柄逆時針方向旋轉(zhuǎn)時取+，相反取-，下同。

1、懸點(diǎn)位移

懸點(diǎn)位移s的最大值S即為沖程：

2、懸點(diǎn)速度

取曲柄搖桿機(jī)構(gòu)所在平面為復(fù)平面，向量的方向?yàn)閷?shí)軸正向，虛軸正向與之垂直，并按右手規(guī)則確定。根據(jù)向量加法可得：

寫成相應(yīng)的復(fù)數(shù)形式，得

兩邊對時間t求導(dǎo)得

①

把式①等價(jià)地寫成

與上式對應(yīng)的虛部等式為

于是得

把式①等價(jià)地寫成

與上式對應(yīng)的虛部等式為

于是得

因，所以得：

懸點(diǎn)速度為

，即可由沖次經(jīng)計(jì)算得出，為定值。

此時有

②

③

④

把式②、③、④的兩邊再對時間求導(dǎo)得

當(dāng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動時，，，此時有

3、平衡分析

常規(guī)型、異相型游梁式抽油機(jī)平衡分析簡圖如附圖4所示。引入下列數(shù)據(jù)符號：

—曲柄重量，；

—曲柄對于其轉(zhuǎn)動軸心的轉(zhuǎn)動慣量，；

—曲柄重心到曲柄轉(zhuǎn)動軸心的距離，；

—平衡塊重量，；

—平衡塊對于其重心的轉(zhuǎn)動慣量，；

—平衡塊重心到曲柄轉(zhuǎn)動軸心的距離，；

—連桿重量，；

—連桿對于其與橫梁聯(lián)接中心的轉(zhuǎn)動慣量，；

—連桿重心到與橫梁聯(lián)接中心的距離，；

—游梁等（包括游梁、橫梁和驢頭）重量，；

—游梁等（包括游梁、橫梁和驢頭）對于其轉(zhuǎn)動軸心的轉(zhuǎn)動慣量，；

—游梁等（包括游梁、橫梁和驢頭）重心到其轉(zhuǎn)動軸心的距離，重心在驢頭一側(cè)為正，反之為負(fù)，；

以上數(shù)據(jù)均為抽油機(jī)參數(shù)，數(shù)值恒定，可從抽油機(jī)出廠說明及生產(chǎn)廠家處獲得。

對抽油機(jī)進(jìn)行平衡分析，由虛功率形式的動力學(xué)方程知，抽油機(jī)各處在任一瞬時所受的主動力和虛加的慣性力在任一虛速度上所作的元功率之和等于零。

曲柄扭矩的虛功率：

懸點(diǎn)載荷的虛功率：

與曲柄有關(guān)的虛功率有兩部分，主動力所作虛功率為

曲柄繞定軸轉(zhuǎn)動，慣性力所作虛功率為

與平衡塊有關(guān)的虛功率有兩部分，主動力所作虛功率為

平衡塊繞定軸轉(zhuǎn)動，慣性力所作虛功率為

與連桿有關(guān)的虛功率有三部分，主動力所作虛功率為

連桿作平面運(yùn)動，取連桿重心為基點(diǎn)，把連桿的平面運(yùn)動分解為平動和轉(zhuǎn)動，對于連桿作平動，慣性力所作虛功率為

式中：

對于連桿作轉(zhuǎn)動，慣性力所作虛功率為

與游梁等有關(guān)的虛功率有兩部分，主動力所作虛功率為

游梁等繞定軸轉(zhuǎn)動，慣性力所作虛功率為

綜上所述有

展開上式得

⑤

4、推算載荷F、位移S與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系式

令曲柄扭矩的虛功率等于電動機(jī)的輸入功率，則由式⑤有：

⑥

引入扭矩因數(shù)：

表示單位懸點(diǎn)載荷在曲柄輸出軸上產(chǎn)生的扭矩，m。

引入結(jié)構(gòu)不平衡重：

其值等于連桿與曲柄銷脫開時，為了保持游梁水平平衡而需要加在光桿上的力，此力向下時為正，反之為負(fù)，可以根據(jù)抽油機(jī)各構(gòu)件的重量來計(jì)算，。又有：

于是，⑥變?yōu)椋?/p>

因?yàn)?，有?/p>

上式中，

B、 、、、、、、、g、C、、A為定值。

、、、、、、為隨變量變化而改變的變量

所以，F(xiàn)可視為和的函數(shù)，即：

⑦

又有：

S可視為的函數(shù)，即： ⑧

通過上面的分析，可以得到一個沖次時間內(nèi)的懸點(diǎn)載荷和懸點(diǎn)位移s相對于曲柄轉(zhuǎn)角的對應(yīng)關(guān)系式。

數(shù)據(jù)采集單元中采集模塊在驢頭處于下死點(diǎn)位置開始，驢頭再次回到下死點(diǎn)位置結(jié)束，以相同時間間隔采集抽油機(jī)一個運(yùn)動周期內(nèi)的200組電動機(jī)的電流值、電壓值及輸出功率值。

因?yàn)榇蠖鄶?shù)抽油機(jī)采用常規(guī)轉(zhuǎn)差率（轉(zhuǎn)差率小于5%）的電動機(jī)驅(qū)動，其轉(zhuǎn)速基本上不隨外載變化，認(rèn)為曲柄角速度等于常數(shù)。

故200組電參數(shù)據(jù)所對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角值分別為：（N=1、2、3……200）

將200組采集的輸入功率值與對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角值（N=1、2、3……200）

分別帶入式④、式⑤中，得到200組懸點(diǎn)載荷和懸點(diǎn)位移s的值，進(jìn)而得到光桿示功圖。

實(shí)施例4：

本實(shí)施例結(jié)合上述幾個實(shí)施例，提供一種抽油機(jī)井光桿示功圖測算系統(tǒng)的測算方法，結(jié)合圖1和圖2所示，具體包括如下過程：

數(shù)據(jù)采集單元采樣模塊4實(shí)時采集電參數(shù)據(jù)模擬信號，包括電機(jī)的電流值、電壓值及輸入功率值模擬信號，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過數(shù)據(jù)采集單元通信模塊5傳輸至數(shù)據(jù)處理單元2，數(shù)據(jù)處理單元數(shù)據(jù)處理模塊7利用電參數(shù)據(jù)信號，通過內(nèi)部運(yùn)算處理，得到光桿示功圖數(shù)據(jù)，光桿示功圖數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)處理單元存儲模塊9存儲數(shù)據(jù)后，經(jīng)數(shù)據(jù)處理單元通信模塊8傳輸至上位計(jì)算機(jī)3，實(shí)現(xiàn)功圖數(shù)據(jù)的展示。

本發(fā)明對于常規(guī)型、異相型游梁式抽油機(jī)可以使用本系統(tǒng)測算光桿示功圖，但對于其它類型的游梁式抽油機(jī)，如前置型、雙驢頭式等，無法應(yīng)用該系統(tǒng)推算光桿示功圖。

綜上所述，本發(fā)明的這種抽油機(jī)井光桿示功圖測算系統(tǒng)及其測算方法，利用抽油機(jī)運(yùn)動學(xué)分析法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到光桿示功圖的系統(tǒng)。該系統(tǒng)不使用載荷及位移傳感器，省去了載荷及位移傳感器費(fèi)用，可大幅降低油田生產(chǎn)成本。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)常規(guī)型及異相型抽油機(jī)的光桿示功圖測算，得到由200個點(diǎn)構(gòu)成的光桿示功圖，滿足了功圖計(jì)量及抽油機(jī)工作狀況診斷的要求，省去載荷傳感器及位移傳感器設(shè)備費(fèi)用及維護(hù)費(fèi)用，大大降低油田生產(chǎn)成本。

以上例舉僅僅是對本發(fā)明的舉例說明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制，凡是與本發(fā)明相同或相似的設(shè)計(jì)均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。