（檢測技術與自動化裝置專業(yè)論文）桿式抽油機運行狀態(tài)監(jiān)測的研究.pdfVIP

沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 摘要 桿式抽油機的抽油泵工作在井下數(shù)千米位置。由于工作狀況惡劣，桿式抽油機在工 作中，會產(chǎn)生各種各樣的故障，甚至會幾個故障一起發(fā)生。這些故障是隨機的、不確定 的。如果長期受到這些故障的影響，輕則不能出油，重則會發(fā)生桿式抽油機的報廢。因 此，必須實時監(jiān)控桿式抽油機的工作狀況。 示功圖是檢查抽油泵工作狀況的一種有效工具，示功圖包含了桿式抽油機工作狀態(tài) 的豐富信息，是桿式抽油機故障診斷的重要基礎資料。通過對地下示功圖的分析，可以 判斷砂、蠟、氣等對抽油泵的影響及泵的漏失、管柱的漏失、抽油桿的斷脫、卡泵等故 障。 吉布斯波動方程是描述抽油桿運動和應力傳播的基本微分方程，本文對吉布斯波動 方程進行了分析，由吉布斯波動方程和地面示功圖以及油井的參數(shù)，求出計算地下示功 圖的公式的各個參數(shù)，并利用地下示功圖的計算公式計算出地下示功圖。為測量地面示 功圖，設計了桿式油井管理器。對地下示功圖用b p 神經(jīng)網(wǎng)絡進行了故障的智能診斷。 首先，本文介紹了課題的來源和課題的意義以及國外故障診斷技術在油井管理領域 中的發(fā)展。其次，介紹了有桿抽油系統(tǒng)的工作原理以及示功圖的特征，并對吉布斯波動 方程進行了推導以及利用吉布斯波動方程求出計算地下示功圖的參數(shù)和計算步驟，并編 寫了計算地下示功圖的程序。然后，利用編寫的程序進行了由地面示功圖計算地下示功 圖實驗，并對求出的地下示功圖與測得的地下示功圖相比較進行了討論。在這基礎上， 進行了設計桿式油井管理器的設計以及進行了對利用b p 神經(jīng)網(wǎng)絡來智能識別地下示功 圖研究。最后，對本論文的工作做了結論并進行了展望。 關鍵詞：示功圖，吉布斯波動方程，b p 神經(jīng)網(wǎng)絡 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 t h er e s e a r c ho nt h e r u n n i n g s t a t es u p e r v i s eo ft h e s u c k e rr o d p u m p i n gs y s t e m a b s t r a c t t h e p u m p o f s t a c k e rr o d p u m p i n g o i ls y s t e m c a n w o r k u n d e r k i l o m e t e r so f w a l l p u m p i n g o i ls y s t e mc a nb r i n go n ea n dm o r er a n d o ma n du n c e r t a i nf a i l u r e sw h e n i ti sw o r k i n g w h e n t h e s ef a i l u r e sa f f e c tc h r o n i c a l l yt h es y s t e m ，t h es y s t e mi s n to n l yi n c a p a b l eo f o u t ) f o i l ，b u ti s d i s c a r da su s e l e s s s ot h es u c k e rr o dp u m p 噸o i l s y s t e mm u s t b e s u p e r v i s e do n r e a lt i m e i n d i c a t o rd i a g r a mi sae f f e c t i v em e t h o di ni n s p e c t i n go i lp u m p i tc a r tc o n t a i nm u c h i n f o r m a t i o nw h i c hi si m p o r t a n tb a s i cd a t af o rf a i l u r e sd i a g n o s i sa b o u tt h ew o r ks i t u a t i o no f s u c k e rr o dp u m p 噸o i ls y s t e m t h o u g ha r 刪n gt h ei n d i c a t o rd i a g r a m o f p u m p ，w e c a n e s t i m a t et h ea f f e c t i o nc 鋤l s e db ys a n da n dw a xa n d g a sa n d t h ef a i l u r e ss u c ha sl e a k a g eo f p u m p a n d p i p ep o l e a n d p u m p o i lr o db r o k ea n db l o c k p u m p g i b b sw a v ee q u a t i o ni sb a s i cd i f f e r e n t i a le q u a t i o nf o rd e s c r i b i n gp u m po i lr o dm o v e m e n t a n ds t r e s ss p r e a d i nt h ep a p e r , i a n a l y z et h eg i b b s w a v e e q u a t i o n a n d m a n yp a r a m e t e r s o f p u m p i n d i c a t o rd i a g r a mf o r m u l ai sc a l c u l a t e db a s e do nt h eg i b b sw a v ee q u a t i o na n dg r o u n d i n d i c a t o rd i a g r a ma n dt h ep a r a m e t e r so f o i lw e l l d a t ag a t h e r i n gc i r c u i ti sd e s i g n e dt om e a s u r e g r o u n d i n d i c a t o rd i a g r a ma n db pn e u r a ln e t w o r k i n t e l l i g e n td i a g n o s e t h ef a i l u r e sf o rp u m p i n d i c a t o rd i a g r m n i n t r o d u c t i o n m a i n l y n a r r a t et h ed e v e l o p m e n to f f a i l u r ed i a g n o s i s t e c h n i q u e i nt h ef i e l do f s u c k e rr o d p u m p i n gs y s t e m t h e s e c o n dc h a p t e rn a r r a t et h ew o r k p r i n c i p l e a n dt h ec h a r a c t e ro f i n d i c a t o rd i a g r a mi ns u c k e rr o dp a m p 噸s y s t e m t h et h i r dc h a p t e rn a r r a t eh a r d w a r ed a t a c o l l e c t i o nc i r c u i td i a g r a md e s i g n t h ef o u r t hc h a p t e rn a r r a t et h ed e d u c eo f g i b b sw a v ee q u a t i o n t h ef i f t hc h a p t e rn a r r a t et h e p r i n c i p l eo f b p n e u r a ln e t w o r kw h i c hi sa p p l i e di ns u c k e rr o d p u m p 噸s y s t e m t h e l a s tc h a p t e rn a r r a t et h ep a p e rc o n c l u s i o na n d p r o s p e c t k e y w o r d s ：i n d i c a t o rd i a g r a m ，g i b b sw a v e e q u a t i o n ，b pn e u r a l n e t w o r k 2 獨創(chuàng)性說明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工 作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方 外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得 沈陽工業(yè)大學或其他教育機構的學位或證書所使用過的材料。與我一同 工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表 示了謝意。 簽名：簽隨日期：1 坐絲，至12 關于論文使用授權的說明 本人完全了解沈陽工業(yè)大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即： 學校有權保留送交論文的復印件，允許論文被查閱和借閱；學?？梢怨?布論文的全部或部分內容，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論 文。 ( 保密的論文在解密后應遵循此規(guī)定) 躲繼聊躲趁武吼蘭! 壘_ 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 1 緒論 1 1 課題的來源與課題的意義 從地層中開采石油的方法可分為兩大類：一類是利用地層本身的能量來舉升原油， 稱為自噴采油法；另類是由于地層本身能量不足，必須人為地用機械設備給井內液體 補充能量，才能將原油舉升到地面，稱為人工舉升采油法或機械采油法。在人工舉升采 油法中，凡是不利用抽油桿柱傳遞能量的抽油設備統(tǒng)稱為無桿式抽油設備，凡是利用抽 油桿柱上下往復運動驅動深井泵的抽油設備統(tǒng)稱為桿式抽油設備。 桿式抽油方法是應用最早、最廣泛的一種人工舉升采油法，早在石油工業(yè)問世時， 就開始采用這一種方法進行采油。目前，盡管我國的多數(shù)油田，已進入開發(fā)后期的高含 水階段，為了延長油田的穩(wěn)產(chǎn)期，提高油田的整體經(jīng)濟效益，涌現(xiàn)出一些新型的采油設 備 2 】，但是，在各種人工舉升采油中，有桿抽油仍居于首要地位。據(jù)統(tǒng)計，有桿抽油 井在機械采油井中所占的比例在9 0 以上。 有桿抽油設備，由于井下工況惡劣，發(fā)生故障的概率較高。石油工業(yè)的發(fā)展對抽油 井故障診斷技術的研究提出強烈要求。幾十年來，抽油井運行狀態(tài)監(jiān)測技術一直是國內 外采油工程技術人員的一個重要研究課題，經(jīng)過長期的研究與實踐，運行狀態(tài)監(jiān)測技術 取得了相當大的發(fā)展，開發(fā)出如下一些運行狀態(tài)監(jiān)測方法。 1 所謂“五指式動力儀”分析方法 這種方法主要依靠操作人員手掌的感覺來分析抽油設備的工作狀況。由經(jīng)驗豐富 的操作人員用手握住光桿，跟隨光桿上下運動幾個沖程，憑感覺來判斷抽油泵的某些故 障。這種原始的方法，只能在很淺的油井上使用，隨著泵掛深度的增加，以及技術的發(fā) 展，這種方法早已被淘汰了。 2 地面示功圖分析法 該方法利用光桿動力儀繪制光桿載荷與位移關系曲線，即光桿示功圖然后對光桿示 功圖進行解釋，以判斷油井與設備故障。光桿動力儀于1 9 2 7 年發(fā)明，因它有操作簡 單，使用方便的優(yōu)點，早已成為世界各國監(jiān)測有桿抽油井的有效手段，至今仍為許多國 家廣泛應用。 沈剛工業(yè)大學碩士學位論文 幾十年來，許多國家為了使光桿動力儀檢測方法更為簡單準確，以及使示功圖的分 析與解釋更為方便、準確、解釋范圍更加廣泛，進行了大量的研究工作。一方面，不斷 改進動力儀，不斷地改進動力儀，提高檢測精度，如已研制出機械式、水力式、電氣式 等各種類型的動力儀；另方面，不斷改進示功圖的解釋方法，擴大解釋范圍。 美國有桿泵研究股份分公司與中西部研究所共同合作，應用機電似理論，研究繪制 了計算機模擬示功圖，將其整理成樣本，經(jīng)美國石油學會采油設備標準委員會批準，于 1 9 6 9 年8 月發(fā)表。這個計算機模擬示功圖樣本共有各種無量綱參數(shù)w d s k ，和n n o 組合 的11 0 0 多張正常工作條件下的模擬示功圖，也稱a p i 標準示功圖。診斷油井工作狀況 時，首先用光桿動力儀檢測抽油井光桿示功圖，然后計算實測示功圖的w d s i ( r 和n n o 值，與相同的無量綱參數(shù)的標準示功圖進行對比，如果圖形基本相似，則判明抽油系統(tǒng) 的工作狀況正常，如圖形差異很大，則說明抽油系統(tǒng)存在故障，這就是所謂的a p i 類比 分析法。這種方法雖然方便、簡單、但是由于井下工況復雜，且這種方法是以一系列假 設為前提。故許多實測示功圖在標準示功圖中找不到，在應用范圍上受到定限制。 3 井下示功圖診斷法 這種方法是將井下動力儀隨同抽油泵一起下入并內，用其直接測量泵示功圖。這樣 就可以獲得抽油泵工作狀況的第一手資料，除捧了抽油桿等許多不準定因素給分析解釋 帶來的困難。井下動力儀是美國的w e g i l b e r t 和s b s u r g e n t 在1 9 3 6 年發(fā)明的。盡管這 種方法可以直接獲得泵示功圖，但是安裝井下動力儀，必須將泵和抽油桿從井下提出， 然后再下入井中測量，要觀察測量結果，還要將儀器提出。因此這種方法耗資甚巨，工 藝也較復雜，沒有得到推廣應用。 4 計算機診斷法 1 9 6 6 年美國殼牌石油公司的s g g i b b s 和a b n e e l y 提出了有桿抽油系統(tǒng)的計算機 診斷技術，并于1 9 6 7 年9 月2 6 日獲得美國專利權【3 【4 l 。其基本原理是把抽油桿柱看作 井下動態(tài)信號的傳導線，而抽油泵則為發(fā)送器，泵的工作狀況以應力波的形式沿抽油桿 柱傳遞到地面，被作為接受器的動力儀所接受。根據(jù)這個原理，建立了帶阻尼的波動方 程作為描述應力波在抽油桿柱中傳遞過程的基本微分方程，以光桿動載荷及位移作為邊 界條件求解此方程，可以得到抽油桿柱任意截面處的位移和載荷，從而繪出所需的抽油 2 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 桿柱任意截面及泵的示功圖。根據(jù)這些示功圖，可以對抽油系統(tǒng)的工作狀況作出分析和 判斷。其缺點是利用計算機診斷技術給出所需截面及泵示功圖后，還要由技術人員根據(jù) 井下標準示功圖來識別其故障，因此，故障識別成功率依賴于技術人員的技術與經(jīng)驗。 5 人工智能診斷技術 人工智能研究是如何用計算機來模擬人的思維和行為，即由機器來完成某些與人類 只能有關的活動( 如判斷、推理及學習等) 。將入工智能的推理和方法應用于設備的故 障診斷，發(fā)展智能化的故障診斷技術已成為當今故障診斷技術發(fā)展的主流。在抽油井的 故障診斷領域，在國外對智能故障診斷技術的研究已取得許多成果。 在國內，故障診斷技術處于地面示功圖分析法階段。大部分油田還處在使用動力儀 來進行測得地面示功圖，并通過查閱標準示功圖手冊來對照地面示功圖，最終判斷出油 井的工作狀況。這種傳統(tǒng)的地面示功圖分析法不僅給我們帶來了人力和物力的浪費，也 浪費了時間和油井工作的效率，因此在國內走出地面示功圖診斷方法階段的要求日益上 升。近幾年來，國內很多的石油大學以及石油研究所進行了大量的實驗和研究，但還是 沒有研發(fā)出計算地下示功圖的方法。 國內為了跟上國外技術，也進行人工智能診斷方法，并做了大量的冪用神經(jīng)網(wǎng)絡來 智能診斷油井工作狀況的實驗和研究工作。但由于做實驗時，是以地面示功圖作為每個 神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入樣本，訓練的效果不是特別好，神經(jīng)網(wǎng)絡的泛化能力很差。 因此計算地下示功圖是在油井管理中不可跨越的一種技術。由地面示功圖經(jīng)計算機 處理得到的地下示功圖，不僅已經(jīng)清除了抽油桿柱的變形，粘滯阻尼和振動等影響，而 且將會真實地反映泵的工作狀況。這不僅很容易地對影響抽油泵工作的各種因素作出定 性分析，而且可以求出活塞沖程、有效沖程、泵排量和油管漏失等。但由于其價格特別 昂貴，不能廣泛地應用于國內實際油井中去。油井管理器大部分應用于實驗油井里，進 行實驗與研究。 本課題是在這種情況下提出來的，并且研制油井管理器時，其核心內容技術就是由 地面示功圖計算地下示功圖。 - 3 沈陽工業(yè)大學碩士學竹論文 1 2 國外桿式抽油機運行狀態(tài)監(jiān)測技術的發(fā)展情況 在國外不僅已經(jīng)研制了油井管理器，并且得到廣泛地應用。由于其價格昂貴，在國 內無法大量買進，并使用于現(xiàn)場。 在國外不僅如此，人工智能診斷方法也趨于成熟階段。1 9 8 8 年h j d e r e k 等睜j 在走 訪許多著名專家后研制出有桿抽油井故障診斷專家系統(tǒng)，它是將地面實測的示功圖轉換 井下示功圖，然后與標準示功圖進行比較以判斷故障類型。同年，j g s v i n o s 等【6 】退出 了一種由b a s i c 語言編制的有桿泵診斷專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)有5 個模塊，用產(chǎn)生式法則建 立規(guī)則庫，運用反向推理機建立了一個可以識別典型示功圖并計算出有關數(shù)據(jù)的專家系 統(tǒng)，然后利用這些數(shù)據(jù)診斷有桿抽油系統(tǒng)的故障。隨后p s c h i r m e r 等r 7 】人首次運用模式 識別技術來分析示功圖的形狀，建立了可以診斷7 種井下泵故障的專家系統(tǒng)【8 】 近年來，人工神經(jīng)網(wǎng)絡理論的發(fā)展，為故障診斷技術開拓了一條新的研究途徑，由 于神經(jīng)網(wǎng)絡是一種大規(guī)模并行處理的自學習，自組織，非線性動力學系統(tǒng)。它由能夠完 成簡單功能的大量處理單元和聯(lián)結這些處理單元的鏈組成。其處理信息能力由網(wǎng)絡的結 構，連接權重以及單個神經(jīng)元的功能所決定。神經(jīng)網(wǎng)絡處理實際問題的能力是通過學習 模仿培訓樣板的特征，并通過神經(jīng)元及它們間的聯(lián)接來記憶學習到的映像關系而獲得 的。由于神經(jīng)網(wǎng)絡學習過程中能夠而也是從包含噪音或不相容數(shù)據(jù)的培訓樣板中抽取正 確的輸入輸出關系，因此，它具有很強的歸納與推廣能力，不僅可以對曾出現(xiàn)在培訓樣 板中的輸入向量產(chǎn)生正確的響應，此外，神經(jīng)網(wǎng)絡由于起并行，分布處理的結構特征性 還使之具有較強的容錯能力。綜合這些特點，神經(jīng)網(wǎng)絡技術在一定程度上滿足了復雜 的，非平穩(wěn)的，有“干擾”的有桿抽油系統(tǒng)的示功圖及其診斷識別的要求，可在油井實 際生產(chǎn)管理中發(fā)揮其積極作用。 早在1 9 9 0 年，j d r o g e r s 等【9 1 人首次將神經(jīng)網(wǎng)絡理論引入示功圖識別領域，他們的 早期工作是應用誤差反傳播學習算法訓練神經(jīng)網(wǎng)絡學習，僅識別出所學習的1 5 幀示功 圖。1 9 9 3 年，g m n a z i 等【l 。j 改進了以前所用的網(wǎng)絡模型，采用正弦型隱層感知機和 s i g m o i d 型輸出層感知機的三層( h y b r i dn e t w o r k s ) 混合前饋網(wǎng)絡模型，經(jīng)過2 0 0 0 0 次迭 代運算后通過了對1 1 種故障類型的1 6 7 幅示功圖的學習。隨后不久e r m o r t i n e z 等i “1 人嘗試在油r e ( v e n e z u e l a ) 現(xiàn)場進行三層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡的實際應用研究，他們收集了2 1 4 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 類1 4 0 幅示功圖作為網(wǎng)絡的訓練集，經(jīng)過1 0 0 0 0 次學習的神經(jīng)網(wǎng)絡在本田范圍的驗證中 取得了較好的識別結果。 1 3 本論文的主要工作 本論文的主要工作如下： 1 對吉布斯波動方程進行了探討和研究，并以光桿動載荷及位移作為邊界條件求 解吉布斯波動方程，并計算出特解。 2 編寫了計算地下示功圖的程序，并利用編寫的程序由測得的地面示功圖進行了 地下示功圖的計算。 3 初步設計了桿式油井管理器。 4 利用b p 神經(jīng)網(wǎng)絡進行了智能識別地下示功圖的研究。 1 4 本論文的安排 本文在緒論中介紹了課題的來源和課題的意義以及國外故障診斷技術在油井管理領 域中的發(fā)展。在第二章介紹了有桿抽油系統(tǒng)的工作原理以及示功圖的特征。在第三章對 吉布斯波動方程進行了推導，并利用吉布斯波動方程設計出計算地下示功圖的計算步驟 以及利用編寫的程序進行了由地面示功圖計算地下示功圖。在第四章介紹了測地面示功 圖的硬件電路設計。在第五章介紹了b p 神經(jīng)網(wǎng)絡的原理，以及在桿式油井管理器中應 用的可能性。在最后一章對本論文的工作做了結論并進行了展望。 5 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 2 桿式抽油機的工作狀態(tài)與示功圖的特征 2 1 桿式抽油機的工作原理 從石油生產(chǎn)來看，一個油田，無論早晚都要進入機械采油階段【1 2 l 【1 3 】【1 4 】【1 5 l 。一般情 況下，機械采油期階段比自噴采油階段的時間長。在國內，有些油田的機械采油占 9 2 。當前，機械采油的種類很多，以按動力傳遞方式的不同，可分為兩大類。 圖2 1 1 游梁式抽油機深井泵裝置工作原理 6 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 a ) 有桿泵類地面動力帶動抽油機，并借助于抽油桿來帶動深井泵的工作。將地 面動力傳遞給深井泵的是抽油桿。按抽油機構類型的不同，可分為游梁式抽油機和無游 梁式抽油機。目前國內外用得最多的是游梁式抽油機深井泵裝置。 b ) 無桿泵類一不借助于抽油桿來傳遞動力的抽油設備均屬于無桿泵抽油。 本章以游梁式抽油機深井泵裝置，介紹有桿抽油系統(tǒng)的工作原理。游梁式抽油 機深井泵裝置如圖2 1 所示。它的工作原理是電動機( 或其他動力源) 通過三角皮帶 帶動減速箱的輸入軸，經(jīng)減速后，通過四連桿機構，將旋轉運動改變?yōu)橥鶑蛿[動再由游 梁頂端的驢頭帶動抽油桿作上下往復直線運動，同時抽油桿將這個運動傳遞給井下深井 泵的活塞。在深井泵內泵缸下部裝有吸入閥( 即固定閥) ，活塞上裝有排出閥( 即游動 閥) 。當活塞上行時，排出閥在油管內液柱壓力下關閉并排出活塞沖程的一段液體，與 此同時，泵桶內壓力下降( 即固定閥與活塞之間的空間) ，在環(huán)空間液柱壓力的作用 下，吸入閥打開，井內混合的油氣進入泵內活塞所讓出來的空間，完成吸入過程?；钊?向下運行時，泵內液體受壓縮，壓力增高，當此壓力等于環(huán)形空間壓力時，吸入閥靠自 重而關閉，在活塞繼續(xù)下降中，泵內壓力繼續(xù)升高，當泵內壓力超過油管內壓力時，泵 內液體立即頂開排出閥并進入活塞上部。這樣，在活塞不斷上下運動中，吸入閥和排出 閥不斷地交替開關，完成吸入油氣、排出油氣，使油管內液面不斷上升，一直到井口排 入集油管線。 綜上所述，深井泵的工作原理可概括為活塞上行時吸液入泵，排液出井：活塞下行 時，泵內液體轉入油管，不排液出井。但從理論上講，當油管被油充滿時，活塞下行時 仍有少量油排出井口，即上下沖程都出油。當不考慮液體運動的滯后現(xiàn)象，從井口觀察 排液時，應當時光桿上行時排油量最大，光桿下行時排油量小，呈一大- d , 的周期性變 化，這只是理想情況。我們經(jīng)常見到的是光桿上行時井口排油，下行時側不排油。其 次，是井口排油氣量很大，且與光桿的上下運動不相符，表明油井正處于連抽帶噴狀 況。第三，是光桿上下運動中，井口油氣全無，則可能是抽油桿斷脫。第四，檢泵投產(chǎn) 后，超過了試抽時間還末見油，且光桿上行時，井口排氣大，光桿下行時，井口排氣 小，其周期變化規(guī)律與光桿上下運動一致，說明泵處于正常工作狀態(tài)。 - 7 - 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 2 2 桿式抽油機的故障 下面例出了幾種常見的桿式油井的故障。 ( 1 ) 油井出砂引起的故障； ( 2 ) 油井結蠟引起的故障； ( 3 ) 氣體影響的故障； ( 4 ) 油井見水引起的故障； ( 5 ) 閥漏失引起的故障； ( 6 ) 供液能力差引起的故障： ( 7 ) 抽油桿斷脫引起的故障： ( 8 ) 油管漏失引起的故障： ( 9 ) 活塞脫出引起的故障； ( 1 0 ) 活塞未進工作筒而引起的故障； ( 1 1 ) 活塞碰撞引起的故障： ( 1 2 ) 活塞被卡引起的故障等。 桿式油井在工作中，能產(chǎn)生各種各樣的故障，甚至會幾個故障一起發(fā)生。有的故障 會發(fā)生在抽油桿、抽油泵上，根本不能通過肉眼看出來，這些故障是隨機的、不確定 的。如果長期受到這些故障的影響，輕則不能出油，重則有桿抽油系統(tǒng)的報廢。因此， 時時了解桿式油井工作狀況以及時時監(jiān)測桿式油并工作狀況的故障必須的。 2 3 示功圖的特征 判斷故障的方法有很多種，本文使用的方法是利用示功圖診斷油井工作狀態(tài)的方 法。用示功圖來檢查抽油泵的工作狀況是一個有效的方法。根據(jù)對示功圖的分析，可以 判斷砂、蠟、氣等對抽油泵的影響及泵的漏失、管柱的漏失、抽油桿的斷脫、卡泵等故 障。在應用示功圖時，為使判斷更加準確，還應結合平時對油井管理中積累的資料與經(jīng) 驗。 示功圖1 12 】e 1 6 1 1 7 l 【1 8 】【1 9 】包含了油井工作狀態(tài)的豐富信息，是桿式油井故障診斷的重要 基礎資料。示功圖的識別分析是采油工程技術管理的一項重要工作。由示功圖可知道抽 油機驢頭負荷的變化情況：抽吸參數(shù)組合是否合理：抽油泵的工作性能好壞；深并泵是 8 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 否受到砂、蠟、氣、稠油、水的影響；抽油桿柱的斷脫；油層供液能力的不足與否等。 通過分析示功圖和正確判斷、青4 定、及時調整油井工作制度，提供修井的依據(jù)。因此及 時，準確測試示功圖是非常重要的。因此把示功圖作為分析、判斷桿式油井工作狀態(tài)的 主要手段。 下面以典型的理論示功圖與幾種常見故障示功圖為例，介紹示功圖的特征。 圖2 2 中表示的是理論示功圖，是在五個假設條件下繪制出來的。五個假設條件 下：深井泵質量合格，工作正常；不考慮活塞在上、下沖程中抽油桿柱所受到的摩擦 力、慣性力、振動載荷與沖擊載荷等的影響；假設力在抽油桿中傳遞是瞬時的，閥的起 落也是瞬時的；抽油設備在工作過程中不受砂、蠟、水、氣等因素的影響，認為進入泵 內的液體不可壓縮：油井屬抽油狀態(tài)，而無連抽帶噴狀態(tài)；油層供液能力充足，泵能夠 完全充滿。 bl ” 捌 悼 銷 圖2 - 2 理論示功圖 1 理論示功圖 ( 1 ) 不考慮油管、抽油桿彈性變形的理論示功圖 - 9 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 驢頭只承認抽油桿柱與活塞以上液柱的靜載荷，而不考慮由于這些載荷所引起的抽 油桿及油管的彈性變形的示功圖繪制，即活塞與懸點的運動是一致的，如圖2 - 2 中 a b l c d l 所示。以沖程為橫坐標，驢頭載荷為縱坐標。當驢頭下行時，排出閥打開( d 點) ，吸入閥關閉，液柱載荷由油管來承擔，抽油桿浸沉在液中，這時驢頭承受的載荷 為抽油桿在液體中的重量，也就是驢頭懸點的最小載荷。 p 小2 p 桿= g 桿三 ( 2 1 ) 當驢頭由下死點( 4 點) 開始上行時，這時排出閥由開轉關，驢頭加載，這時驢頭 載荷為抽油桿重量加上活塞以上抽油桿與油管之間的環(huán)行空間的液柱重量，即懸點受最 大載荷。 p x = g t r l + ( 阿桿jl ，淮= 口z 桿+ 咒r 灘( 2 - 2 ) 因不考慮彈性形變，因此是瞬時加載，a b ，線為加載線，b 。點即吸入閥打開，上行 開始。b 1 c 為上行程，載荷沒有變化，等于px 。c 點為驢頭上的死點，也即活塞上行 死點。當驢頭剛開始向下運動時，在c 點吸入閥由開轉關，c d l 線為卸載線，即瞬時卸 載。d 1 點排出閥打開，下行開始。d 1 a 線是下行程，載荷為p ，j 、。b l c 和d l a 為光桿 的沖程 ( 2 ) 考慮彈性變形的示功圖 考慮彈性變形的理論示功圖如圖2 - 2 中，a b c d 所示。 因油管、抽油桿在受載時總會產(chǎn)生彈性變形，因此增載與卸載都不是瞬時完成的。 表現(xiàn)在示功圖上，也會反映出光桿沖程和活塞沖程的差別。 a b 線表示懸點上行時，液柱載荷由活塞傳遞到懸點的過程，叫加載線。b b i 相當 于活塞與泵筒發(fā)生相對位移之前，懸點上行的距離。當液體載荷全部傳遞到懸點之后 ( 即油管、抽油桿的彈性變形結束以后的b 點) 加載完畢、懸點則以不變的載荷p 。上 行到上死點c 點，b c = - s 。c d 表示下沖程開始后，液體載荷由懸點轉移到油管上的過 程，即卸載線。當卸載完畢( d 點) 以后，活塞與泵筒開始發(fā)生相對位移，懸點以不變 的載荷p 十下行到死點a 。b 點相應與吸入閥打開的位置，d 點相應與排出閥打開的位 置。 下面是對幾個常見的故障，以及對應的示功圖加以說明。 1 0 沈陽工業(yè)火學碩士學位論文 2 油井出砂對示功圖的影響 ( 1 ) 活塞砂阻時的示功圖( 圖2 3 ( d ) ) 當油層出砂，砂子隨油流進入泵筒內，造成活塞在工作筒內遇阻，使活塞在整個沖程中 或某一局部地方受到了一個附加阻力。上沖程時，光桿載荷增加；下沖程時，光桿載荷 減小，并且因砂子在泵筒內各分布不一，影響大小也不一樣，使光桿負載在短時間內發(fā) 生多次急劇的變化，所以圖形表示為鋸齒狀。連續(xù)測圖時，尖峰位置不固定。但油井仍 能出油。m 1 u u m 1 l 州陽 r ” 穢 圖2 - 3 油井砂阻時的示功圖 龜 ( 2 ) 固定閥卡死在閥座上( 圖2 3 ( 6 ) ) 該圖的特點是：最大、最小載荷幾乎重合，接近最大理論載荷值。因為吸入閥卡 死，上沖程時不能吸液入泵，下沖程時因工作筒內無液體，排除凡爾打不開，光桿卸不 了載所致。載荷線的鋸點尖峰表明有砂的影確。整個圖形位于最大理論負荷線附近。 ( 3 ) 固定閥卡死在閥罩上( 圖2 - 3 ( c ) ) 該圖的特點是：在上沖程時，活塞受砂子阻礙，光桿負荷忽大忽小，變化頻繁，甚 至超過最大理論載荷線。下沖程時，因閥球被卡死在閥罩上，失去密封作用造成嚴重 漏失，活塞接近下死點時，在撞擊沉積的砂子或固定閥罩時，光桿忽然卸載。實測圖的 最小負荷線接近理論示功圖的最大負荷線。并且，由于碰擊，振動，圖下角有一倉“尾 巴”。 ( 4 ) 砂子使吸入、排出閥均失靈( 圖2 3 ( d ) ) 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 該圖的特點是：油井出砂嚴重，使吸入、排出閥均失靈，在上沖程時，光桿負荷不能增 加到最大理論值；在下沖程時，光桿負荷又不能降低到最小理論值。整個圖形位于兩條 理論負荷線之間。 油井結蠟對示功圖的影響 ( b ) 圖2 _ 4 油井結蠟對示功圖的影響 ( 1 ) 閥結蠟的示功圖( 圖2 4 ( 口) ) 該圖形因吸入，排出閥都受到結臘影晌，引起漏失，并且因油管、油桿結臘，增大了油 流阻力。所以，活塞上行時，光桿負荷增加，超過了最大理論載荷值。下行時，光桿負 荷不穩(wěn)定，在圖上呈現(xiàn)出波浪起伏的變化。 ( 2 ) 油管和油桿結蠟( 圖2 4 ( 6 ) ) 該圖是油管和油桿結蠟比較嚴重時的示功圖。光桿上行時，使實測負荷在整個上沖 程中都超過了最大理論值；光桿下行時，由于結臘阻礙，負荷立即減小。在結臘嚴重部 位，負荷很快降到最小理論值以下。整個示功舀比理論示功圖肥胖。 ( 3 ) 固定閥被卡死( 圖2 - 4 ( c ) ) 由于結蠟影響，實測圖的最大負荷線超過了理論值?；钊滦袝r，接觸不到工作筒 內的液面，游動閥打不開，光桿不能卸載。直到活塞下行e 點才能接觸到液面，光稈才 開始卸載，所以實測圖的最小負荷線接近與最大理論負荷線，直到下死點時，負荷才降 低到最小理論值。 ( 4 ) 濾砂器及其附件被蠟堵死( 圖2 4 ( d ) ) 濾砂器等附件結蠟，增大了油流阻力，縮小了進油孔隙，甚至造成部分堵塞，使泵 充不滿，泵效降低。其他特征同前。值得注意的是，在研究這類圖形時，應該結合該井 1 2 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 原油含蠟資料和動液面資料進行綜合分析，以便把由于地層能量不足，充滿不好的示功 圖和它區(qū)別開來。 氣體對示功圖的影響 ( b ) 圖2 - 5 氣體對示功圖的影響 ( 1 ) 泵受氣體影響時的理論示功圖( 圖2 5 ( 口) ) 從該圖看出，在活塞上行時，油氣混合物進入泵內，并且隨著活塞繼續(xù)上升，泵內 壓力降低，溶解在油中的氣體大量分離出來；同時由于氣體的膨脹，使光桿載荷不能很 快地增加到最大理論值，增載過程緩慢，直到蜀點才結束?；钊滦袝r，泵內氣體受 縮，使卸載緩慢，直到被壓縮的氣體壓力大于活塞上液柱壓力時，游動閥才打開( d t 點) ，光桿負荷才降到最小理論值。卸載線是一條弧線，這條弧線是受氣體影響的示功 圖的顯著特征。利用這一特征，把這類圖形和其它圖形區(qū)別開來。 ( 2 ) 氣體使泵的充滿系數(shù)降低( 圖2 - 5 ( 6 ) 、( c ) ) 該圖形的特征使卸載緩慢，卸載線使一條向下方彎曲的弧線，氣體影響越大，弧線 越平坦。 ( 3 ) 閥“氣鎖”時的示功圖( 圖2 - 5 ( ) “氣鎖”時。吸入閥、排出閥均失效。這種圖形的特征是：上行程時，增載緩慢， 最大載荷與理論載荷線重合。因氣鎖，排出閥打不開，光桿負荷降不到理論最小值。整 個圖形靠近最大理論負荷線，卸載線平緩。造成“氣鎖”的原因有- - ：一是油層的供液 不足，當液面降低到泵口附近時，大量氣體進入泵內；二是在高油氣比井中，大量的游 離氣進入泵內。 固定閥漏失時的示功圖 1 3 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 a 3 a 2 a 圖2 - 6 固定閥漏失時的理論示功圖 固定閥漏失時的理論示功圖如圖所示，造成固定閥漏失的原因很多，如砂磨蝕、腐 蝕、結蠟、被卡等。輕則使固定閥偶而失靈，重則使固定閥長期失靈。下面具體介紹固 定閥漏失時的理論示功圖的特征。 c 點：當活塞從死點( c 點) 開始下行時，吸入凡爾關閉，活塞擠壓泵筒中的液 體，液體壓力不斷升高。當泵中的液體壓力大于吸入凡爾處的沉沒壓力時，泵筒中的液 體就從吸入凡爾部分漏失處漏入井中。 c a 點( 卸載過程) ：活塞在下行( 或上行) 中，運動速度呈“靜i e 慢快一 慢靜止”的規(guī)律。當活塞的下行速度大于漏失速度時，排出凡爾被打開，卸載過程完 畢。( 卸載時間延長，使得圖形右上角變尖，右下角變圓，隨漏失的增加，“變尖”， “變圓”越甚。) 從d i 點開始，光桿上的負荷等于最小理論負荷，直到a - 點?；钊谶@一段的運動 中，泵中的液體經(jīng)吸入凡爾部分漏入井中未停，但在示功圖中表現(xiàn)不出來。 a a l 曲線：當活塞運行又變慢時，漏失速度等于活塞下行速度 l 點) 或大于活 塞下行速度o l 點以后至下死點) ，泵筒內壓力下降，油管中液柱之一部分重量逐漸轉 移到抽油桿，使光桿負荷增加，直到下死點。 a 一2 b l 點( 增載過程) ：a 2 點表示上行沖開始，光桿負荷急劇增加，很快達到最大 理論值，加載過程提前到b l 點結束。( 增載線比卸載線陡，示功圖左下角變圓，漏失 越厲害，變得越圓。) - 1 4 一一 婆里三些丕堂堡主堂垡堡蘭 c i ) 2 a 3 點：當吸入部分嚴重漏失，在活塞下行時，液體從吸入部分漏失大量漏入井 中，使泵筒中壓力的升高不足以頂開排出凡爾時，不能將活塞以上的液柱重量全部轉移 到油管上，使懸點負荷降不到理論最小負荷。 ( 吸入部分漏失越嚴重，c j d 叫3 曲線越向 最大理論負荷線靠近。) 2 4 本章小結 本章主要介紹了桿式抽油機的工作原理和地下示功圖的特征。從地下示功圖中可 知，當求出正確的地下示功圖時，可通過地下示功圖判斷出桿式抽油機的工作狀況。 1 5 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 3 地下示功圖的計算 由上一章中可知，由地面示功圖經(jīng)計算機處理得到的地下示功圖，已經(jīng)清除了抽油 桿柱的變形，粘滯阻尼和振動等影響，將會真實地反映泵的工作狀況。這不僅很容易地 對影響抽油泵工作的各種因素作出定性分析，而且可以求出活塞沖程、有效沖程、泵排 量和油管漏失等。當求出正確的地下示功圖時，能夠準確地推斷出抽油泵的工作狀況。 由于大部分抽油泵工作在離地面千米以下的地方，很難直接測得地下示功圖。如果利用 井下示功圖診斷法來贏接測得地下示功圖，由于它本身的缺點，即耗資甚巨、工藝復雜 等缺點，無法廣泛地利用于實際中去。因此，本課題選擇了利用計算機診斷法計算地下 示功圖的間接檢測方法。 首先，本章通過分析和研究吉布斯波動方程以及吉布斯波動方程在桿式油井管理中 應用得出由地面示功圖計算地下示功圖即泵示功圖的計算公式以及運算步驟。其次，利 用公式編程了程序。利用國外技術我們在油井現(xiàn)場測得了地面示功圖和地下示功圖。最 后利用編的程序對測得的地面示功圖進行計算，得到的地下示功圖，得到地下示功圖基 本與測得的地下示功圖吻合。 3 1 吉布斯波動方程 6 0 年代，吉布斯提出了用一維粘滯阻尼波動方程作為描述抽油桿運動和應力傳播 的基本微分方程。吉布斯將抽油桿柱視為同材質均勻細長桿柱，其方程 2 0 1 1 2 1 】1 為 掣玎掣一c 丁o u ( x , t ) ( 3 t ) 西。玉2a 、 廳 式中薩蘭，觚； vp 地f 卜一在x 斷面不同時間t 的位移函數(shù)： c 一阻尼系數(shù)。 3 1 1 吉布斯波動方程的推導 假設：( 1 ) 桿柱為長桿柱。( 2 ) 液體無氣泡；( 3 ) 抽油機的電機是相對低轉 差；( 4 ) 抽油裝置是平衡的 2 3 1 1 2 4 1 。在上述假設條件下截取桿柱的單元體如圖3 1 。 一1 6 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 圖3 - l 所示為桿柱的一部分，沿桿柱縱向取一節(jié)點z 和另一節(jié)點冊a x ，內有長 度為的接箍。乃的方向與位移方向相反。 j 厶x 1 圈3 - 1 杼柱單元體的示意圖 由牛頓第二定律得z f - - m a a 2 “ 扣礦 ，= 瓦一只一乃 m = 上 則 圪一f 一乃= 劇芬 節(jié)點x 和n 一4 x 處的張力可用應力積截藹積表示為 - 1 7 ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 f b = ox + k a 只= 仃x a t t x + n ，和g x 用虎克定律表示為 盯。+ 。= e 學i ，+ 。 o x ( 3 _ 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 盯j = e 孰 ( 3 _ 9 ) o x + a ，在科d x 處的應變泰勒公式表示為 祟h ：罷l 。+ k 魯卜。 ( 3 1 0 ) 瓦i 2 瓦i x + k 薩l x + o 取前兩項，即可滿足要求。 桿柱受到的阻尼為 f d = c m - - 害= 礎詈 限m 將式( 3 - 6 ) ，( 3 7 ) ，( 3 8 ) ，( 3 9 ) ，( 3 1 0 ) 。( 3 1 1 ) 代入式( 3 5 ) 中 得 氅：口：粵一c 絲 ( 3 1 2 ) 礦刮麗吖百 式中，a 2j 號為應力波在抽油桿柱中的傳播速度，觚。 3 1 2 吉布斯波動方程在杼式油井中的應用 作為描述抽油桿運動和應力傳播的基本微分方程【2 5 3 2 l ，在兩個以截斷傅立葉級數(shù)表 示的邊界條件下，懸點動載荷函數(shù)d ( r ) d = 了o o + 宅p 。c 。s o 趔) + r 。s i n o 叫勢 ( 3 1 3 ) 光桿位移函數(shù)礬力 “o ) ；魯窆眵。c 。s o 耐) + 以s i n o 叫) ) ( 3 1 4 ) - 1 8 沈陽工業(yè)火學碩士學位論文 其特解為： 位移與深度，時間的函數(shù)氓r 。，0 “( ，) 2 南+ 了o o + 喜h g ) c 。s o 耐) + 只o ，) s i n o 耐) 】( 3 1 5 ) 載荷與深度，時間的函數(shù)尺x 。，0 ，g ) = 詈+ 甄砉 曇q g 小。s o 叫) + 曇只g 1 ) s t n o 耐) c s 舶， 圖3 - 2 載荷時間、位移時間曲線圖 從圖3 - 2 中，計算傅立葉系數(shù)口n 、 r ”v ”萬。計算時將2 刀周期k 分，可 用數(shù)值積分結果，表述如下 驢詈騫喇c o s 降p ) 鏟要砉刊咖降p ”曇砉刪c o s 降p 吒= 詈砉蚺n 降p ) 1 9 聆= 0 , 1 ，2 ，阼( 3 1 7 ) n = 1 , 2 ，珂 ( 3 1 8 ) n = 0 12 ，行 ( 3 1 9 ) n = 1 ，2 ，n( 3 2 0 ) 沈陽工業(yè)人學碩士學位論文 計算出位移函數(shù)和載荷函數(shù)中的系數(shù)d ；和r 。把( 3 1 5 ) 、( 3 一1 6 ) 公式代入( 3 - 1 ) 式 中，得到： q = ( 瓦c 帆工) + j 。s h ( f 1 x ) ) s i n ( c t 。x ) + 。s 慨x ) + 1 n c 帆x ) ) c o s 0 。x ) ( 3 2 1 ) 只= 伍。s h ( p 。) + 巧。c 向( 成x ) ) c o s 。x ) 一0 。c a 艫。x ) + s h ( f 1 x ) ) s i n ( a 。x ) ( 3 - 2 2 ) 式中系數(shù)口。盧。j 。分別為： 口月= 聲。= 罱+ 鼯 j n oi i 去1 2 ( 3 - 2 3 ) ( 3 2 4 ) k 。：旦孕# ( 3 2 5 ) n2 可網(wǎng) 。 艫躺( 3 - 2 6 ) 抽油機井是多級桿，而上面的公式只計算了單級桿。因此，通過力的連續(xù)性原理 2 吒，。乏2 z 廁，2 l 捌，2 + 囂，。q ，如2 異( 3 2 7 ) 以此為條件繼續(xù)計算二級桿末璣力和f ( x b t ) ，并依次計算直到最后一級桿的末 端，即可得到與理論示功圖相近的示功圖。 3 1 3 懸點最大載荷、最小載荷的計算 計算懸點最大載荷、最小載荷的方法很多，我在課題中所采用的方法是國內外一些 較常用的簡便的公式。即： = k 氓f + 羔 c s p 。嘞f 一焉 b z ， 式中 p 。廣塌：點最大載荷，n ； 。，l - 懸點最小載荷，n ： - 2 0 沈陽工業(yè)大學碩+ 學位論文 p ；喪作用在柱塞橫截面積上的液柱載荷，n ； s 懸點沖程，m ； ，廣鎬：點沖數(shù)，m i n l ； p _ 阡抽油桿柱在空氣中重力，n 。 3 2 計算地下示功圖的程序設計 程序運算步驟如下： 1 計算傅立葉系數(shù) 由桿式油井管理器測得的地面示功圖以及利用前面的公式計算4 個傅立葉系數(shù)口 ”7 ”y ”占n 。 2 計算阻尼系數(shù) a 般情況下設定c - - - 0 1 s 1 計算示功圖，再通過所得到的示功圖形狀改c 值。 b 用摩擦功確立阻尼系數(shù) c = 蠡島+ 知刪卜面意跨翮肛s 。， 式中 p ，抽油桿密度，k g m 3 ： z 抽油桿截面積，m 2 ； 爿液體動