（信号与信息处理专业论文）基于加速度传感器的示功图测试与分析系统研究.pdf

摘要 示功图是分析深井泵、抽油机与抽油杆工作状态的重要手段。目前，油田现场测量 抽油机示功图的方法以传统的拉线式为主，而拉线式测量冲程存在仪器笨重、断头率高、 局部磨损严重、寿命短等不足，对现场实际操作造成了很多不便。为了能够克服传统拉 线式冲程测量方式的缺点，结合示功仪小型化、无绳化的发展趋势，设计了基于加速度 传感器的便携式示功图测试仪及示功图分析应用软件。便携式示功图测试仪采用测量加 速度的方式间接计算出冲程，彻底避免了拉线式所固有的缺陷，具有体积小，携带方便， 易于操作等特点；示功图分析软件采用自定义数据传输协议，获得能够准确反映抽油机 示功图信息的大量数据，并提供功图面积计算、载荷图、位移图、同一口井不同时间功 图信息对比等多种数据分析功能。本文主要完成工作概括如下： l 、提出了以加速度传感器和低功耗单片机m s p 4 3 0 为核心的便携式示功图测试仪 设计方案。分析了加速度传感器用于位移测量原理和计算方法，设计并实现了加速度信 号和载荷信号的检测、转换、存储、显示及传输等功能的硬件电路，并完成了m s p 4 3 0 单片机对各个模块操作的程序编程和调试等工作。 2 、为提高便携式示功图测试仪中载荷信号和加速度信号的测量精度，提出了一种 基于平滑滤波，适用于测量两种不同类型抽油机载荷信号和加速度信号的复合滤波方 法；为正确描述示功图，提出了一种基于复合滤波判断抽油机上、下死点的算法。并完 成了基于m s p 4 3 0 单片机的上述算法推导与编程实现。 3 、提出了一套自定义的上、下位机数据传输与通信协议，实现了较高效率的数据 传输；在广泛、深入分析示功图应用软件功能要求的基础上，采用v b 自主开发了具有 多种功图信息图显示( 载荷、位移) 、根据时间井名排列功图信息、同一口井不同时间 功图对比、功图面积计算等功能的上位机示功图数据分析软件。 示功图测试与分析系统在实验室进行了整体联调，对抽油机进行了多次的现场试验， 并做了有针对性的改进和完善。现场试验表明，该系统对游梁式抽油机和皮带式抽油机 具有很好的兼容性，可以准确地测量抽油机井示功图信息，工作稳定，满足设计要求， 具有广泛的应用前景。 关键词：加速度传感器：载荷；位移；示功图；滤波 d y n a m o m e t e r c a r dt e s t i n ga n da n a l y s i ss y s t e m b a s e do na c e e l e r o m e t e r z h a n gj i a z h e n ( s i g n a l & i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f y uy u n h u a a b s t r a c t d y n a m o m e t e rc a r di sa ni m p o r t a n tm e t h o di na n a l y z i n gw o r k i n gs t a t u so fd e e p w e l l p u m p ，p u m p i n gu n i ta n ds u c k e rr o d i ti so f t e no b t a i n e db ym e a n so ft r a d i t i o n a lt i e - l i n e 晦l e a tp r e s e n t h o w e v e r i th a sm a n yd i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sb u l k yi n s t r u m e n t s ，h i l 曲r a t eo f b r o k e nw i r e ，a n ds e r i o u sl o c a l l yw e a r i n go u te t c ，w h i c hb r i n g si n c o n v e n i e n c ei nt h ef i e l d t e s t i n go p e r a t i o n as c h e m eo fp o r t a b l ed y n a m o m e t e rc a r d t e s t i n g a n da n a l y s i s s y s t e m b a s e do n a c c e l e r o m e t e ri sp r o p o s e d t h es t r o k ei sc a l c u l a t e di n d i r e c t l yt oa v o i dt h ei n h e r e n t d i s a d v a n t a g eo ft i e l i n es t y l e m e a n w h i l e ，t h es y s t e mh a st h ef e a t u r e so fc o n v e n i e n tc a r r y i n g a n de a s yo p e r a t i n g au s e r - d e f i n e dd a t at r a n s f e rp r o t o c o li su s e dt or e c e i v em a s sd a t ai nt h e d y n a m o m e t e rc a r da n a l y s i ss o f t w a r e ，a n dt h es o f t w a r ep r o v i d e sm a n yf u n c t i o n ss u c ha s d y n a m o m e t e rc a r da r e ac o m p u t a t i o n ，l o a dd i a g r a m ，d i s p l a c e m e n td i a g r a ma n ds oo n t h e m a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 1 圮p o r t a b l ed y n a m o m e t e rb a s e d o na c c e l e r o m e t e r c h i p a n du l t r a l o w - p o w e r m i c r o e o n t r o l l e r ( m s p 4 3 0 ) h a sb e e nd e s i g n e d a na l g o r i t h mo fd i s p l a c e m e n tc a l c u l a t i o nb a s e d o nd o u b l ei n t e g r a l st om e a s u r es t r o k eh a sb e e nu s e d t h eh a r d w a r ec i r c u i ts y s t e mw i t l ld a t a a c q u i s i t i o n ，d a t as t o r a g e ，d a t at r a n s m i s s i o na n dh u m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o nh a sb e e na c h i e v e d e a c hs o f t w a r ef u n c t i o nb a s e do nm s p 4 3 0m i c r o c o n t r o l l e rh a sb e e np r o g r a m m e da n d d e b u g g e d a h y b r i da l g o r i t h mo fa c c e l e r a t i o ns i g n a lf i l t e r i n gh a sb e e np r e s e n t e d ，w h i c hi ss u i t a b l e f o rt e s t i n ga r o k eo fb e a ma n db e l tp u m p i n gu n i t s t h i sa l g o r i t h mh a si m p r o v e dt h ea c c u r a c y o fs t r o k em e a s u r e m e n t ，a n di ta l s od e t e r m i n e st h eu p p e rd e a dc e n t e ra n db o t t o md e a dc e n t e r a c c u r a t e l y 砀ea l g o r i t h mi sr e a l i z e do np o r t a b l ed y n a m o m e t e rb a s e do nm s p 4 3 0 ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nt h em c ua n dt h ep ci sd e s i g n e dt og u a r a n t e e i ； e f f i c i e n td a t at r a n s m i s s i o n t h ed a t aa n a l y s i ss o f t w a r eh a st h ef u n c t i o n so fd i s p l a y i n gs e v e r a l m o d e sd i a g r a m ，a r r a n g i n gd y n a m o m e t e rc a r db yt i m ea n du n i tn a m e ，a n dc o m p a r i n gt h es a m e u n i ta td i f f e r e n tt i m e se t c t h es o f t w a r ei sd e v e l o p e db yv i s u a lb a s i cp l a t f o r m t h es y s t e mh a sb e e nt e s t e di nl a b o r a t o r y f i e l de x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r d e do u ti n p u m p i n gu n i t 。e x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v es h o w n t h a tt h ed e s i g n e ds y s t e mi sm o r ea c c u r a t ea n d b e t t e rc o m p a t i b l ef o rm e a s u r i n gt h eb e a ma n db e l tp u m p i n gu n i t s t h ew h o l es y s t e mh a sb e e n w o r k i n gs t e a d i l y , a n dm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：a c c e l e r o m e t e r , l o a d ，d i s p l a c e m e n t ，d y n a m o m e t e rc a r d ，f i l t e r 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：丝壅鉴日期：2 。夕年j 月2 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：熬塞硷 指导教师签名： 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题研究背景、内容和意义 我国的石油蕴含量丰富，石油产品己渗透到了国民生活的各个方面。近年来，特别 是我国加入w t o 以后，中国的石油工业特别是石油工业自动化、信息化面临着越来越 严峻的挑战【1 1 。 1 1 1 课题研究背景 抽油机井抽油是石油生产中最重要的工艺过程之一。及时准确的油井运行资料是考 察油井单位时间的产量、跟踪掌握地下油藏区块的动态情况、预测和评价油井区块的开 发潜力、总体分析和把握全局产能情况、合理制定油田生产方案的重要依据【2 棚。据有 关资料统计，全世界抽油机采油井数占总生产井数的8 0 左右，在我国这个比例已超过 8 0 t 5 1 。因此，通过各种手段准确地检测抽油机运行状态对油田生产管理工作有着非常 重要的现实意义。 油井示功图是油井工作状态的重要表征，可以全面反映井下抽油泵运行状况以及原 油的开采情况【6 1 。示功图用来反映深井泵工作情况好坏，它由专门的仪器测出，并画在 坐标纸上，图上被封闭的线所围成的面积表示驴头在一次往复运动中抽油泵所做的功。 示功图反映了抽油泵的工作情况，通过分析，可以了解油井动态及抽油装置的各项参数 选择是否合理。在实际工作中，为了便于分析，常常需要在实测示功图上绘制出理论示 功图来进行比较【刀。 实测示功图可以反映出深井泵在井下工作中的异常现象，分析解释抽油机井的工作 制度是否合理，机、杆、泵参数组合是否与油井相适应。实测示功图经过诊断技术处理， 可以找出影响油井泵效或不出油的原因，然后根据油田采油工艺技术的配套措施来解决 生产问题。如有的油田油层属于极复杂构造的中低渗透性油层，有的油井供液不足，动 液面下降较快，有的抽油机会出现一些工程的问题，如泵失效或泵阀被卡造成不出油， 或是抽油杆柱断脱，或是由于碰泵造成泵的缸套错位不出油等。有的油井由于油层堵塞， 如蜡堵、砂堵、结垢、结盐或水泥堵等以及修井作业造成地层污染等原因造成油井减产 或生产不正常。通过油井诊断，就可以查明原因，采取相应措施，针对性地解除故障， 保障抽油井长期稳产并提高免修期【8 】。 目前对示功图的测试是一个月一次的人i n 量，抽油机井的示功图信息通过手工记 第1 章绪论 录，层层传抄、上报。不仅工作量大，易出现误差，数据易丢失、传递时间慢，而且决 策人员根据这些有误差的上报数据很可能做出错误的判断，给出错误的调整方案。这种 测量方式效率低，远远不能适应油田生产发展的需要【9 】。 示功仪是测取抽油机示功图的仪器，是了解抽油机、泵、杆工作状况的重要手段， 彻底避免了人t _ n 量的各种弊端。通过检测抽油杆周期性上下运动时不同位移处抽油杆 上所承受的载荷来反映油井的工作状况。示功仪主要分为机械式和电子式两种，机械式 示功仪只能绘制示功图，目前已基本淘汰；电子式示功仪功能完善，被广泛应用。 1 1 2 课题研究内容 传统示功仪研究重点由位移信号和载荷信号的采集与传输、示功图信息的显示、示 功图数据的后期处理等三部分构成，忽略了抽油机井现场位移信号采集方式对示功仪操 作的诸多不便，导致了现场各种不安全因素的产生。 为了克服传统示功仪的固有缺陷，本文设计了基于加速度传感器的便携式示功图测 试与分析系统，主要研究内容主要分为以下四个部分： ( 1 ) 加速度信号与载荷信号的采集 首先，介绍了加速度传感器的芯片选型标准，分别分析了加速度传感器与载荷传感 器的各自特点和使用方法，以及在抽油机井实际操作时可能遇到的各类问题，并得出了 解决方法。其次，设计了加速度传感器硬件电路( 包括：加速度传感器位置摆放、电压 滤波、信号与噪声的硬件分离) ；根据载荷传感器的特点，设计出载荷信号的放大采集 电路。最后，使用m s p 4 3 0 自带a d 转换器处理调理后的载荷、加速度标准信号，完成 便携式示功图测试仪硬件电路信号采集功能。 ( 2 ) 示功图信息的显示及操作 首先，根据现场抽油机示功图显示的需要选用大小合适的液晶屏和键盘以及键盘芯 片。其次根据便携式示功图测试仪所需要的功能设计多层液晶菜单，以及每层菜单需要 实现的各种功能。最后，根据液晶屏、键盘芯片的特点和相应操作，使用m s p 4 3 0 单片 机编写键盘控制多层菜单程序，保证便携式示功图测试仪整体功能的正常实现。( 包括 功图测量、功图回放、功图上传等) 。 ( 3 ) 原始加速度信号的滤波处理 通过现场试验得到加速度信号与载荷信号的原始波形，总结加速度信号与载荷信号 各自在抽油机井现场所受干扰的特点，先后选用多种滤波方法( 例如：平滑滤波、形态 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 滤波、低通滤波等) 测试实际效果。比较各种滤波算法的优缺点，把几种滤波算法有机 结合起来，总结出一种同时适用于游梁式抽油机和皮带式抽油机的复合滤波方法。 ( 4 ) 示功图分析软件的开发 针对示功图分析软件需要处理的原始示功图信息，充分考虑到各种意外事件( 例如： 突然断电，通信中途返回，通信数据丢失等) ，使用m s p 4 3 0 单片机编写硬件电路与p c 机连接的通信协议。分析p c 机用户示功图数据处理的具体需求( 示功图的精确显示、 载荷最大最小值以及数据库分析等) ，开发示功图分析软件。 1 1 3 课题研究意义 在当今及以后一段时间内，地面示功图分析法仍是国内应用最广泛的抽油机诊断方 法，示功仪仍会在杆式抽油机运行监测中占有重要地位。传统的电子示功仪，其位移传 感器大多采用拉线式和角位移传感器。拉线式测量冲程存在仪器笨重、断头率高、局部 磨损严重等不足，对现场操作造成了很多不便；而角位移传感器安装和拆卸位移传感器 都必须停机，这样不但操作过程烦琐、效率低，而且停机还会引起井况和泵况的变化， 反映出的工况就与正常工况有一定的差别并且操作不安全，常有事故发生。综上所述， 本文设计出基于加速度传感器的便携式示功图测试仪及示功图分析软件。便携式示功图 测试仪通过测量抽油杆加速度间接得到位移量，测试过程不影响正常生产，不仅能绘制 示功图，显示出图形上的各点数据，还可以与计算机连接进行信息传输，为示功图资料 的解释应用提供了更为准确的数据和方便的条件，具有体积小，携带方便，易于操作， 准确率高等特点。 1 2 示功图测试系统的发展和研究现状 有杆抽油是应用最早、最广泛的一种人工采油法，早在石油工业初期，这种采油方 法就得到了广泛的应用。有杆泵往复抽油方式具有设备简单、操作方便、综合成本低等 特点。在人工采油方法中，有杆抽油方法仍居首位，我国约有9 0 的油井、全世界约 8 0 f 拘油井采用这种方式进行生产f 1 0 1 。有杆抽油设备的使用延伸到地下数千米，工况恶 劣、复杂，故障率极高，因此，采油工业对有杆抽油设备运行状态的监测提出了强烈的 要求。 几十年来，如何进行杆式抽油设备的运行状态监测，是国内外采油工程技术人员所 面对的主要课题。随着石油工业的不断发展和完善，经过采油技术人员长期研究和实践， 第1 章绪论 油井运行状态监测技术取得了相当大的发展，总结出了如下运行状态监测方法： ( 1 ) “五指式动力仪法 。 这种方法主要是依靠操作人员的手掌感觉来分析抽油设备的工作状态。由经验丰富 的操作人员用手掌握住抽油杆，跟随抽油杆上下运动几个冲程，凭感觉和经验来判断抽 油泵的工作状态。这种方法十分原始，只能在很浅的油井上使用，随着采油深度的增加， 这种方法越来越受到限制，使用的越来越少。 ( 2 ) 地面示功图分析法 这种方法是利用油杆动力仪绘制油杆载荷与位移的关系曲线，即油井地面示功图。 然后对示功图进行解释，来判断采油设备的工作状态。油杆动力仪发明于1 9 2 7 年，因 其操作简单、方便等优点，早己成为世界各国监测有杆抽油设备工作状态的重要手段。 几十年来，为了使油杆动力仪检测方法更加方便易行，地面示功图的分析与解释更加准 确、广泛，许多国家进行了大量的研究工作。一方面，不断改进动力仪，提高检测精度， 如己研制出械式、水力式、电气式等各种类型的动力仪；另一方面，不断改进示功图的 解释方法，扩大解释范围，这种方法至今仍被许多油田广泛使用。 ( 3 ) 井下示功图诊断法 将井下动力仪随同抽油泵一起下入井下，用其直接测量抽油泵地下示功图。这种方 法直接获得抽油泵工作状况的第一手资料，可以除掉抽油杆许多不确定因素带来的影 响。井下动力仪是美国的w e g i l b e r t 和s b s u r g e n t 在1 9 3 6 年发明的。尽管这种方法可 以直接获得泵示功图，但是安装井下动力仪，必须将泵和抽油杆从井下提出，然后再下 入并中测量，要观察测量结果，还要将仪器提出。这种方法耗资甚巨，工艺也较复杂， 因此没有得到推广应用。 ( 4 ) 其它先进诊断方法 计算机诊断法是1 9 6 6 年美国壳牌石油公司的s g g i b b s 和a b n e e l y 提出针对有杆 抽油系统的计算机诊断技术，并于1 9 6 7 年9 月2 6 日获得美国专利权。其基本原理是把 抽油杆柱看作井下动态信号的传导线，而抽油泵为发送器，泵的工作状态以应力波的形 式沿抽油杆柱传递到地面，被作为接收器的地面动力仪所接收。根据这个原理，建立带 阻的波动方程作为描述应力波在抽油杆柱中传递过程的基本微分方程，以油杆动载荷及 位移作为边界条件求解此方程，可以得到抽油杆柱任意截面处的位移和载荷信号，从而 绘出所需截面及采油泵的示功图。根据这些示功图，可以对抽油系统的工作状态做出分 析和判吲1 1 1 。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 抽油机井故障诊断技术尽管在6 0 年代美国s h e l l 石油公司s g g i b b s 等人提出了 抽油杆应力波传动的波动方程及其解法，能够由地面功图得到井下泵功图【1 2 l 。但到7 0 年代末，人们还广泛采用对地面功图的相面法进行诊断f i 引。进入8 0 年代后，随着计算 机的普及，示功图诊断技术才得以推广【1 4 1 。目前已开发出许多诊断软件，其中有一些是 专家系统示功图识别方法有人类专家相面法、面积法、模板匹配法等【1 5 1 7 1 ，并取得了一 定的应用效果。 由于井下泵示功图的获取较为困难，因此在这个阶段，示功图量油概念一直以悬点 示功图的定量分析与解释为主要内容，概念模糊，方法粗糙，产液量是通过人工在悬点 示功图上找出阀开、闭点进行分析计算得到的，计算误差很难控制。 1 9 8 2 年，陈宪侃提出可以用示功图求出抽油机井产液量【1 8 】。产液量用井下泵效乘 以理论排量减去泵在工作压力下的日漏失量等进行计算。据目前资料显示，这是示功图 量油概念在国内首次提出。1 9 8 6 年，周继德提出了用示功图拉线法计算抽油机井产量和 泵简漏失量的方法【1 9 】。1 9 8 8 年，苏联b m 卡西扬诺夫用示功图求出了泵吸入口压力、 井底压力、产液量等项参数【2 们。1 9 9 1 年，刘明德在周继德等人工作的基础上，提出了 通过停机拉线法做实测井下静载示功图，进而求取油井产液量的方法【2 l l 。 1 9 9 0 年，王淑梅用数学方法将地面示功图转换成泵示功图，再按照一定的公式计算 出抽油机井产液量【2 2 1 。在国内，她首次将抽油机井计算机故障诊断技术与示功图定量解 释技术相结合，借助于微机手段实现了地面示功图向井下泵示功图的转换计算，通过对 泵示功图的分析、计算得到抽油机井的产液量，为示功图量油概念的技术化做出了重大 贡献。1 9 9 6 年，石在虹在考虑气体压缩多变过程的情况下，利用示功图计算出了抽油机 井的产液量t 2 3 1 。2 0 0 4 年，张兴华等人在有杆抽油系统的有限元模型基础上，将计算程 序植入井e l 仪器，以实测悬点示功图数据为输入，求得井口产液型2 4 l ，精度基本满足油 田生产精度要求，但计量结果需要现场工作人员定期去井口读取，不能满足连续计量的 要求，因此未见推广。2 0 0 5 年以来，大港油田公司与中国石油大学雅月石油技术开发有 限公司合作开展了抽油机井示功图量油技术研究与先导试验1 2 5 1 ，形成了一套示功图量油 理论和方法。其技术关键是示功图特征的识别、闭点位置的确定、柱塞有效冲程、泵的 充满系数和漏失量的计算。2 0 0 6 年，严长亮等人对示功图量油技术做了较全面的介绍并 建立了确定泵示功图上阀开闭点位置的数学模型，为柱塞有效冲程的计算提供了新的思 路【砌。 目前已经研制的相关设备有俄罗斯西姆技术创新公司研制s i d 2 d o s 自动示功仪、 5 第l 章绪论 北京烽火石油科技的y b c 无线式抽油机诊断仪、北京玛斯莱特公司研制的无线示功仪、 华北石油新科技术开发有限公司的h i b i t 油井监控系统和无线网络示功仪等。综合各种 国内外示功仪产品，绝大多数都是以拉线或角速度传感器两种传统的方式测量油井冲 程，无法克服传统示功图测试仪对现场操作造成的诸多不便。为此，针对采油现场的具 体需要设计出基于加速度传感器便携式示功图测试仪。采用测量加速度间接计算出冲程 的方式，彻底避免了传统测量冲程方法的固有缺陷。 1 3 本文结构安排 首先，介绍了课题的研究背景和研究内容，阐述了课题研究意义，总结了国内外示 功图测量的发展及研究现状，并对文章结构安排进行了说明。 其次，介绍了示功图测试与分析系统的研究对象：抽油机井组成、驴头悬点运动和 理论示功图分析等。并通过分析研究对象的具体特征，提出系统设计的总体方案。 再次，介绍了便携式示功图测试仪硬件电路各个部分组成。通过计算便携式示功图 测试仪总体耗能状况，选用合适的供电方式和稳压芯片，设计出示功图测试仪供电系统 硬件电路；通过分析加速度信号和载荷信号特征，设计出示功图数据采集系统电路，并 介绍了加速度信号去除边界双重积分算法；对便携式示功图测试仪外围显示、存储、人 机交互进行需求分析，介绍了l c d 、键盘芯片、存储器以及时间芯片的特点和具体应用 方法，设计出外围器件的相应电路；并对单片机软件流程进行了分析和图解，实现了键 盘控制多级菜单完成便携式示功图测试仪各项功能的目标。 接下来，通过分析数据量和用户需求，设计出便携式示功图测试仪与p c 机示功图 分析软件数据传输的通信协议，介绍了示功图分析软件的面积计算、功图排序、不同功 图信息显示等功能，完成了示功图分析软件的开发。 然后，介绍了单片机实现低通滤波算法、形态滤波算法和平滑滤波算法的各自特点， 针对现场加速度信号和载荷信号进行m a t l a b 算法分析，根据三种算法各自的优缺点， 给出了一种同时适合于游梁式抽油机和皮带式抽油机示功图测量的复合滤波算法。并完 成了m s p 4 3 0 单片机对复合滤波算法的程序实现。 最后，介绍了系统各个部分功能在实验室及现场的实验结果，并对课题进行了总结， 分析了该系统的优点及存在的问题，对系统的进一步提高和改进提出了建议。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章抽油机示功图特征分析与系统总体设计方案 示功图测试与分析系统的研究对象是采油现场数量最多的抽油机，抽油机系统由地 面和井下两部分组成，位于地上驴头悬点部分的运动规律直接影响到便携式示功图测试 仪加速度传感器测量的加速度信号，以及经过间接积分运算得到的悬点在一个冲程中的 速度、位移等数据，并且各种不同的示功图信息需要专业的解释才能给用户带来最直观 的认识。所以，在设计系统总体方案之前对抽油机井的组成、驴头悬点的受力分析以及 影响理论示功图的各种因素进行深入的研究是十分必要的。 2 1 抽油机井系统的组成与悬点运动规律分析 抽油机井系统主要由抽油机、抽油杆、抽油泵和油管等部分组成。抽油机作为驱动 设备，主要包括电动机、减速箱、曲柄和悬绳器等，其主要功能是将电机提供的高速、 小载荷的圆周运动转化为抽油机悬点的低速、大载荷的直线往复运动；抽油杆通常为实 心钢杆，连接抽油机与井下泵，将地面动力传输到井下泵，驱动井下泵将井内流体举升 到地面；抽油泵为往复式柱塞泵，由泵简、柱塞、固定阀和游动阀组成，其中固定阀和 游动阀分别负责吸入和排出：油管为空心钢管，是井下流体的排出通道。 抽油机井系统的工作原理是：抽油机将电机圆周运动转化成驴头悬点的直线往复运 动，悬点带动抽油杆并通过抽油杆将悬点的直线往复运动传递到抽油泵，从而带动抽油 泵柱塞上下往复运动将井下流体沿油管排至地面2 7 1 。 在分析游梁式抽油机悬点运动规律时，目前一般采用两种分析方法：简化分析法和 精确分析法。 如图2 1 所示简化分析法认为曲柄半径r 比连杆长度p 及游梁后壁长度c 小得多， 以至于它与p 和c 的比值可以忽略不计。此时游梁和连杆连接点b 的运动可看成简谐运 动，即认为b 点的运动规律和a 点做圆周运动是在垂直中心线上的投影( d 点) 的运动 规律相同，则任意时刻t ( 曲柄转过0 角) b 点的位移： x 占= r ( 1 - c o s a ) = 尺( 1 一c o s c o t ) ( 2 1 ) 式中口曲柄转角( 乡= 国f ) ； 缈曲柄匀速转动的角速度； 7 第2 章抽油机示功图特征分析与系统总体方案设计 ，图2 - 1 简化抽油机运动机构示意图 f i 9 2 - 1s i m p l i f yu n i ts c h e m a t i cd i a g r a m 当悬点以下死点为位移零点，向上为位移正方向，则任意时刻t 悬点位移为： s c ：石a 尺( 1 一c o s 口) ( 2 2 ) c 点的速度为i = 昙r c o s i n e a ( 2 - 3 ) c 点的加速度为： 口c = 昙r 0 ) 2 c o s 0 ( 2 4 ) 综上所述，在抽油机一个冲程中，悬点的速度和加速度不仅大小在变化，而且方向 也在变化。上冲程的前半冲程为加速运动，加速度为正( 加速度方向与运动方向都向上) ； 后半冲程为减速运动( 加速度方向与运动方向相反) 。下冲程只改变了运动方向，前半 冲程仍加速运动( 加速度与运动方向相同，都是向下的) ；后半冲程仍为减速运动( 加 速度与运动速度方向相反) 。在上、下死点处( 0 = 0 。，0 = 1 8 0 。) ，悬点加速度的值最 大，其值为： 口c ：要尺缈2 ( 2 - 5 ) 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 - 2 精确抽油机运动机构示葸图 f i 9 2 - 2p r e c i s i o ns c h e m a t i cd i a g r a mo fp u m p i n gu n i t 以上简化为曲柄滑块后的研究结果可用于一般计算和分析。但做精确的分析计算和 抽油机机构设计时，则有必要按精确分析方法来研究抽油机的实际运动规律。在精确分 析抽油机运动规律时，复变矢量法是一种比较简单的方法。如图2 2 所示为抽油机运动机 构示意图，四杆机构的四个杆件及r 、p 、c 、k 可以用r 、p 、c 、k 四个矢量来表示， 为便于分析，对图中个角度正方向规定如下： 曲柄转角秒从1 2 点钟位置算起，并且沿顺时针方向时取为正值； 各杆件的参考角0 2 、0 3 、0 4 等角度均为基杆o o , 算起，并且沿逆时针方向取为正值。 各杆件的几何尺寸规定为：r - 曲柄半径：p - i 毫杆长度；( 卜南浮梁后臂长度；量心 杆长度；椭梁前臂长度；卜一基杆的水平投影。 省略中间换算过程，以下死点为位移的零点，向上为位移正方向，则任意时刻悬点 的位移毋为： s c s 【鱼等嘉塑卜一s 【鱼 嘉塑舶( 2 6 ) 简化法所得的悬点最大速度及最大加速度均小于实际值，按简谐运动简化所得的结 果误差较大【2 7 】。图2 3 画出了精确分析抽油机机构后，理想情况下悬点运动的位移、速度 及加速度曲线。 9 第2 章抽油机示功图特征分析与系统总体方案设计 图2 - 3 理想情况下悬点运动的位移、速度及加速度曲线 f i g2 - 3d i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o nd e s i r e dc u r v e s 由图2 3 所示，游梁式抽油机个冲程内的加速度趋近于正弦变化，位移趋近于抛 物线变化。而皮带式抽油机的位移运动规律与游梁式相似，加速度与速度都在上死点和 下死点发生一次方向的突变，在平稳运行时保持加速度为0 ，速度恒定的匀速状态( 分 析过程与游梁式抽油机相似，省略) 。根据抽油机加速度与位移的实际特征，示功图测 试与分析系统设计方案可分为2 种： l 、便携式示功图测试仪硬件电路采集加速度与载荷原始信号后，不经过任何处理， 直接传送到p c 机供示功图分析软件调用。 2 、便携式示功图测试仪硬件电路在采集示功图原始信号后，对原始数据进行相应 的处理，变为标准的示功图数据( 载荷、位移) ，最后将单片机处理后的标准数据传送 到p c 机供示功图分析软件调用。 第一种方法便携式示功图测试仪硬件电路简单，但是用户不能在第一时间内看到所 测量的各种示功图信息，所有的测量数据都要在室内p c 机上显示，实时性较差，不适 合抽油机井现场使用：第二种方法单片机算法较为复杂，但符合现场实际的使用需要。 综合式( 2 2 ) 、式( 2 4 ) 所示加速度双重积分得到位移的数据量与运算量以及m s p 4 3 0 f 1 6 1 l 单片机的具体性能和特点，本系统采用了第二种方法。 2 2 示功图分析及不同因素对示功图的影响 本系统拟使用便携式示功图测试仪测得油井示功图数据。辅助示功图分析软件的开 l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 发，为专业人员抽油机井故障的诊断提供先决条件。了解理论示功图意义及不同因素对 示功图形状的影响，对于实现示功图分析软件功能的设计与开发具有十分重要的意义。 示功图是由载荷随位移变化关系曲线所构成的封闭曲线图。其中表示悬点载荷和位 移关系的示功图，称为地面示功图，在实际工作中我们以实测的地面示功图作为分析深 井泵工作状态的主要依据，根据示功图，不仅容易对影响深井泵工作的各种因素做出准 确地分析，而且可以求出柱塞冲程和有效排出冲程，从而进一步计算出泵排量及油井产 量。但是在现场运行中，由于深井泵受到多种因素影响，绘出的图形通常不相同，而且 是奇形怪状的。正确分析地面示功图，就需要以理论示功图为基础，同时正确分析在实 际工作中不同因素作用时载荷和位移的变化情况。这样，才能够合理地解释分析示功图， 了解泵工作状态，做出正确的决策【2 引。 ( 1 ) 静载荷作用下的理论示功图。 在理想情况下( 油管锚定、没有气体、漏失等其他因素影响) ，泵的示功图为矩形。 长边表示柱塞冲程，短边表示液体载荷。当抽油杆柱随着驴头往复运动时，油管和抽油 杆会有一定的弹性形变，导致悬点载荷的加载，卸载滞后，此时的地面示功图就变成了 平行四边形。如图2 - 4 详细分析如下： b 一 r 一 。 一 一) ，一 b d 聊 c 么 d 肌 口 - 图2 - 4 静载荷作用下理论示功图 f i 9 2 4t h e o r yd y n a m o m e t e rc a r du n d e rs t a t i cl o a d 注：以悬点位移为横坐标，悬点载荷为纵坐标 s p 一- 有效冲程；卜光杆冲程； a - 下死点；c 上死点； 朋考虑沉没度影响后的液柱载荷： w r 下冲程中作用在悬点上的抽油杆柱载荷。 第2 章抽油机示功图特征分析与系统总体方案设计 在静载荷理论示意图( 图2 - 4 ) 中，a b c 为上冲程的静载荷变化线。a b 为加载线， 载荷在加载过程中抽油杆和油管弹性收缩分析，在下死点a 处的悬点静载荷为w r ，上 冲程开始后，液柱载荷聊逐渐加载到柱塞上，先引起抽油杆柱的弹性伸长，而后引起 油管柱弹性收缩，此时游动阀和固定阀同时处于闭合状态，且柱塞和泵筒没有发生相对 位移。当载荷加载完后，抽油杆柱和油管柱停止形变，柱塞和泵筒开始发生相对位移， 固定阀因为内外压力差被打开，吸入液体。从b 点后悬点以不变的静载荷腑+ 聊上行 至上死点c 。b c 为固定阀处吸入过程，下死点a 处的悬点静载荷为w r ，在此过程中， 游动阀始终保持闭合状态。b c 长度为s p ，即有效冲程。 c d a 为下冲程静载荷变化图，从上死点c 开始下行后，固定阀由于泵内压力增大 而关闭，故悬点载荷逐渐卸载。在卸载过程中，游动阀和固定阀处于闭合状态。在d 点 卸载完毕，抽油杆柱和抽油管停止形变。当卸载过后，柱塞和泵筒发生相对位移，这个 时候游动阀因为泵内压力大于柱的上部压力而被顶开，从而开始向油管内排出液体。所 以d a 为游动阀的排出过程，排出过程中，固定阀始终处于闭合状态。d a 的长度为有 效冲程s p 。悬点以固定的静载荷腑继续下行至a 点。 ( 2 ) 考虑惯性载荷和振动影响下的理论示功图 图2 - 5 考虑惯性和振动影响下的理论示功图 虚线静载荷作用下的理论示功图； 实线考虑振动和惯性载荷影响下的理论示功图； f i 9 2 - 5t h e o r yd y n a m o m e t e rc a r du n d e ri n e r t i a la n dv i b r a t i o n 示功图如图2 5 所示。惯性载荷和振动对示功图的影响时，就是将其叠加到静载荷 上。惯性载荷产生的原因是驴头带着抽油杆柱和液柱做变速运动，产生了抽油杆柱和液 柱的惯性力。当再考虑振动对理论示功图的影响时，因为抽油杆柱的振动发生在粘性液 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 体中，所以其振动为阻尼振动，即呈现出不断衰减的波浪线。将惯性载荷与振动引起的 效果叠加到静载荷作用下的示功图。 与理论示功图不同，在一个实测的地面示功图中，因为受多种因素影响，所以呈现 出各种不同的形状，但是，总是有一种因素是影响曲线走向的主要因素。目前对油井的 地面示功图主要影响因素有以下几种，对它们各自对示功图的影响分别阐述说明： l 、气体影响 在图上形成明显的“刀把。进入泵内气体越多，排出阀打开越晚，刀把越明显。 2 、冲不满 显示在示功图上，c d 线较气体影响的c d 线更陡更直。而且当柱塞碰到液面时， 因为振动载荷，示功图上会出现波浪。 3 、漏失 漏失又可以分为排出部分漏失和吸入部分漏失。 排出漏失时，b 点滞后，当柱塞继续上行到上冲程的后半冲程时，悬点载荷又会提 前卸载，即显示在图中为c 点提前。当漏失量很大时，甚至会导致吸入阀始终关闭，泵 的排出量为零。 吸入阀漏失时，在下冲程开始后，会导致泵内压力不能及时提高，延缓了卸载过程， 同时排出阀不能及时打开，c 点滞后。当柱塞继续下行至下冲程后半冲程时，泵内压力 降低致使排出阀提的关闭，a 点提前。 4 、柱塞遇卡与抽油杆断脱 表示在示功图上为两个斜率段。当抽油杆断脱后，悬点载荷实际上是断脱点以上的 抽油杆柱重量，只是由于摩擦力，才导致示功图上下载荷线不重合。图形的位置取决于 断脱的位置。 2 3 系统总体方案 基于加速度传感器的示功图测试与分析系统由便携式示功图测试仪和示功图分析 软件两部分组成。其中以便携式示功图测试仪的设计为主，辅助上位机示功图分析软件 的开发。通过以上对研究对象的介绍分析，系统总体方案如下： 1 、便携式示功图测试仪主要负责采集加速度和载荷信号，并通过一系列积分算法、 滤波算法等数据处理方法得到一组或多组( 针对单口井或多口井) 完整的位移与载荷数 据。通过键盘、液晶为用户提供操作便携式示功图测试仪的人机交互电路。 1 3 第2 章抽油机示功圈特征分析与秉统总体方寨设计 2 、针对用户查看功国各种功能的需要，设计一套适合于便携式示功图测试仪与p c 机示功图分析软件的通信协议。开发包括功图面积显示、功图捧序、存储格式等功能的 p c 机示功图分析软件。 如图2 - 6 所示示功图测试与分析系统通过便携式示功图测试仪在现场采集并计算 多口示功图数据( 加速度和载荷) 后，通过自定义通信协议将用户需要的数据发送到 p c 机中，使用示功图分析软件做更加精确的示功图分析与计算，最后由专业人员存入 小队示功图数据库。 便携 2 4 小结 图2 - 6 系统总体方案 聊_ 6 s y s k r a p r o s r a m 系统的研究目标是获取抽油机示功图特征，本章针对抽油机井系统的组成和原理， 对悬点运动规律作了简要的分析，得到理想状态下悬点位移、速度、加速度的相互关系。 通过研究理想状态下驴头悬点示功图数据的特征，对比两种硬件单片机处理、存储及传 输方式。通过各种因素对示功图影响的分析，明确了示功图分析软件处理现场示功图所 代表的实际意义。最后。介绍了便携式示功图测试仪与示功图分析软件的各自不同特点 及功能完成了示功图测试与分析系统的总体方案设计。 中国石油大学( 华东) 顶学位论文 第3 章便携式抽油机示功图测试仪设计 抽油机示功图由便携式示功图测试仪在现场通过加速度和载荷传感器实际测量得 到，完全克服了原有拉线式测量冲程的缺陷。便携式示功图测试仪硬件电路实现了功图 测量、信息显示、功图存储、功图上传等功能，满足抽油机井现场功图测量要求。 3 1 便携式抽油机示功图测试仪硬件电路总体设计方案 便携式示功图测试仪硬件电路通过对载荷信号和加速度信号进行放大、调理等方 式，将传感器信号变为标准信号。采用m s p 4 3