CN103924963B - 一种示功仪采样率自动切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种示功仪采样率自动切换方法，根据所述示功图估计冲程频率计算出示功图实际冲程的最大可能频率和最小可能频率，使用最小二乘法拟合周期函数同时使用最大和最小可能频率计算出的该组采样数据实际冲程周期采集点数与示功仪预设的单周期采集点数范围值进行对比，适时的调整示功仪的采样率，以达到精确的采样数据形成精确功图的同时，避免采样点过多导致的示功仪的功耗过大，影响示功仪使用寿命的问题。

Description

一种示功仪采样率自动切换方法

技术领域

本发明涉及油井测量领域，尤其涉及一种示功仪采样率自动切换方法。

背景技术

抽油机井抽油是石油生产中最重要的工艺过程之一。及时准确获知的油井运行状态可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。

油井示功图是油井运行状态的重要表征，可以全面反映井下抽油泵运行状况以及原油的开采情况。示功图用来反映深井泵工作情况好坏，可由专门的仪器测出，并在坐标纸上进行制图，图上被封闭的线所围成的面积表示驴头在依次往复运动中抽油泵所做的功。通过分析示功图，可以了解油井动态及抽油装置的各项参数选择是否合理、反映出深井泵在井下工作中的异常现象，以及可以通过分析获取抽油机井的工作制度是否合理等等信息。

传统对示功图的测量是一个月一次的人工测量，但是这种人工的测量方式，工作量大而繁重，且难以及时、准确、全面直观、连续地反应生产动态。鉴于传统人工测量方式的上述问题，现有技术发展了可以进行远程监控的无线示功仪。现有的无线示功仪对一个冲程周期的功图信号进行采样，然后通过无线网络将采集到的数据上传至上位机，通过上位机绘制功图。根据实际需要，示功仪每次所采集的数据应该是正好包括抽油机一个冲程，因此示功仪采样周期的精确性决定采集的功图信号的完整性，是整个设备可靠性的关键。一般而言，对于某个抽油井一个冲程周期的采样点数不应少于150点，确保所绘制的示功图的精确性。

对于周期信号的周期估计常用的经典方法有傅里叶变换法，自相关法，同态滤波法和AMDF(平均幅度差函数法)。

傅里叶变换法利用频谱分析计算信号的频率，该方法只适合分析正弦信号，且参数估计存在偏差。对于复杂的周期信号，单周期信号频谱是连续的，而多周期信号频谱是离散，对于单周期信号频谱的离散采样，即存在大量的谐波分量，因此傅里叶变换法得到的最强频谱点可能只是信号的谐波频率。

自相关法利用信号的自相关函数求解信号周期，而有限采样信号的自相关函数是阶梯减小的，给周期估计带来不便，同时常会导致估计偏差。

AMDF方法由Ross等人提出，该方法利用最小值间隔确定周期，对于有限长度信号，该方法的输出最小值是阶梯增加的，给求解带来不便。一般而言，AMDF和估计精度较自相关法略好，但实际仿真表明，估计精度在一定的程度上和周期信号的样式有关。

解卷积同态系统是求取信号周期的另一种方法，利用卷积同态滤波得到的低时和高时部分，然后恢复单个周期信号和冲击函数序列，冲击函数周期即为信号周期。由于需要通过复倒频谱的时域滤波，滤波截断窗选取会对信号周期估计产生影响，时域截断滤波的选取不容易控制，受噪音影响较大，因此该方法估计性能差。

而上述四种方法对于功图的冲程周期的估计并不适用，这是因为我们要分析的信号频率非常低。目前，在役的几乎全部的有杆泵抽油机的冲次均在1.5次/分～12次/分之间，也就是示功图采集到的信号的周期一般在5～40秒(频率0.025～0.2赫兹)之间。另外，油田规定，对于功图信号周期的测量，一般要求精确到小数点后一位，也就是需要精确到0.1秒。而在0.025～0.2赫兹之间，在频率上计算的任何微小的偏差与当前频率转换为周期后，则误差会被大幅度放大，无法满足油田提出的0.1秒的要求。而要达到要求的时间精度，信号采集的时间就会长到我们难以接受的时间，显然是不现实的。

而对于这些频率极低的信号来说，现有技术中通常利用两种方法进行采样周期估计，一种是通过过零比较，把原来的类似于正弦波的信号变成方波，然后通过测量方波脉宽的方法来取得信号周期，由于示功图测量的加速度信号上边有些脉冲甚至高于周期正弦波信号，通过这种过零比较的方法很难按正确的信号周期求解出来。还有一种方法是确定过零点后，拟合出一条穿过过零点的直线，通过最小二乘法求得直线的斜率，然后根据直线斜率求取信号周期，由于示功图上行下行受力不一致，所以信号的图并不是完全正弦波，上行下行波峰是有些偏心的，因此采用这种方法也很难求得正确的周期。

但是，在现有的示功仪中，通常仅采用频域分析的方法计算抽油井的冲程周期，而由于数据长度以及频域分析阶数对分辨率存在一定影响，导致该冲程周期作为采样周期进行采样并不精确，而当实际的冲程周期中采样点过少时，不能得到精确的采样数据形成精确的功图，当采样点过多又会使得示功仪的功耗过大，影响示功仪的使用寿命。

发明内容

有鉴于此，为解决上述技术问题，本发明提供了一种示功仪采样率自动切换方法。

本发明采用的技术手段如下：一种示功仪采样率自动切换方法，其特征在于，包括：

以初始采样率进行数据采样，得到一组采样数据；

根据该组采样数据进行快速傅氏变换运算，计算出示功图估计冲程频率；

根据所述示功图估计冲程频率计算出示功图实际冲程的最大可能频率和最小可能频率，使用最小二乘法拟合周期函数同时使用最大和最小可能频率计算出该组采样数据实际冲程周期的采集点数；

根据所述实际冲程周期的采集点数判断所述初始采样率是否合适，当采样率不合适时，选择合适的采样率。

进一步，所述以初始采样率进行数据采样，得到一组采样数据包括：

获取示功仪的实际冲程周期值范围，以初始采样率N进行数据采样，得到一组采样数据{A_i},i∈[0,n*N-1]，其中n为正整数，且n为示功仪实际冲程周期值范围中最大实际冲程周期值的至少两倍。

进一步，根据该组采样数据进行快速傅氏变换运算，计算出示功图估计冲程频率包括：

对采样数据{A_i}进行快速傅氏变换，得到一组谱线；

设该组谱线中第M个谱线为幅值最大的谱线，Δf为该组谱线中任意两相邻谱线之间的间隔，则示功图估计冲程频率为F_k＝M*Δf。

进一步，当该组谱线存在多个幅值相同的最大幅值时，以频点最小的谱线为第M个谱线。

进一步，根据所述示功图估计冲程频率计算出示功图实际冲程的最大可能频率和最小可能频率包括：

根据估计示功图实际冲程频率F_k，则示功图实际冲程的最小可能频率为F_k-Δf/2，示功图实际冲程的最大可能频率为F_k+Δf/2。

进一步，使用最小二乘法拟合周期函数同时使用最大和最小可能频率计算出该组采样数据实际冲程周期的采集点数包括：

设L为示功图实际冲程周期的采集点数，则

计算两个相邻示功图实际冲程周期的幅值差的平方的单点平均值为

计算Δ(L)最小时L的值L1，作为示功图实际冲程周期的采集点数。

进一步，根据所述实际冲程周期的采集点数判断所述初始采样率是否合适，当采样率不合适时，选择合适的采样率包括：

比较示功图实际冲程周期的采集点数L1与示功仪预设的单周期采集点数范围值，当L1不属于所述示功仪预设的单周期采集点数范围值时，调整示功仪的采样率，以使示功图实际冲程周期的采集点数L1属于所述示功仪预设的单周期采集点数范围值。

进一步，所述示功仪预设的单周期采集点数范围值为150至300。

本发明所提供的示功仪采样率自动切换方法，根据所述示功图估计冲程频率计算出示功图实际冲程的最大可能频率和最小可能频率，使用最小二乘法拟合周期函数同时使用最大和最小可能频率计算出的该组采样数据实际冲程周期采集点数与示功仪预设的单周期采集点数范围值进行对比，适时的调整示功仪的采样率，以达到精确的采样数据形成精确功图的同时，避免采样点过多导致的示功仪的功耗过大，影响示功仪使用寿命的问题。

附图说明

图1为本发明一种示功仪采样率自动切换方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明是基于以下考虑实现的：

对于固定的抽油机井而言，其实际冲程周期在一段时间内是不会发生变化的，换而言之，即相邻两实际冲程周期可默认为相同，并且示功图的采样信号为频率极低的周期信号。对于已知初始采样率的抽油机而言，可基于上述客观条件对抽油机实际冲程频率范围进行估计后，通过精确估计示功图实际冲程周期的采集点数调整示功仪的采样率。

本发明提供了一种示功仪采样率自动切换方法，包括：

以初始采样率进行数据采样，得到一组采样数据；具体的，获取示功仪的实际冲程周期值范围，以初始采样率N进行数据采样，得到一组采样数据{A_i},i∈[0,n*N-1]，其中n为正整数，且n为示功仪实际冲程周期值范围中最大实际冲程周期值的至少两倍；

根据该组采样数据进行快速傅氏变换运算，计算出估计冲程频率；具体的，对采样数据{A_i}进行快速傅氏变换，得到一组谱线；设该组谱线中第M个谱线为幅值最大的谱线，Δf为该组谱线中任意两相邻谱线之间的间隔，则估计冲程频率为F_k＝M*Δf，其中，当该组谱线存在多个幅值相同的最大幅值时，以频点最小的谱线为第M个谱线；

根据所述估计冲程频率计算出实际冲程的最大可能频率和最小可能频率，使用最小二乘法拟合周期函数同时使用最大和最小可能频率计算出该组采样数据实际冲程周期的采集点数；具体的，首先，根据估计示功图实际冲程频率F_k，则示功图实际冲程的最小可能频率为F_k-Δf/2，示功图实际冲程的最大可能频率为F_k+Δf/2；然后，设L为示功图实际冲程周期的采集点数，则计算两个相邻示功图实际冲程周期的幅值差的平方的单点平均值为计算Δ(L)最小时L的值L1，作为示功图实际冲程周期的采集点数；

根据所述实际冲程周期的采集点数判断所述初始采样率是否合适，当采样率不合适时，选择合适的采样率；具体的，可通过比较示功图实际冲程周期的采集点数L1与示功仪预设的单周期采集点数范围值，当L1不属于所述示功仪预设的单周期采集点数范围值时，调整示功仪的采样率，以使示功图实际冲程周期的采集点数L1属于所述示功仪预设的单周期采集点数范围值。

作为本发明的典型实施例，假定全部的功图周期在5～40秒之间，因此，此时需要采集80秒的数据(因为需要进行两个周期比较，所以至少两个周期)，假设采样率为N，这样我们得到一组数据序列：

{A_i},i∈[0,80*N-1]

首先需要对此序列进行FFT变换，计算完毕后，求取幅值最大的第M个谱线，用M乘以谱线的间隔Δf，则可以得到功图信号的频率为F_k＝M*Δf。由于每条谱线的间隔为Δf，则会对测量频率造成Δf/2的频率偏差，也就是实际信号频率可能在[F_k-Δf/2,F_k+Δf/2]之间。取倒数后可以得到信号的周期范围在由于信号的频率是小于1Hz的，所以转换成周期时间后，周期时间偏差会被放大，所以还需要进行二次比较提高精度。换句话说，通过这种算法求得了一个功图周期的范围此数据乘以采样率N，则可以得到组成一个周期的采样点个数可能的范围在之间。

如果L为周期的采集点数，那么，则有且L为正整数，两个相邻周期的幅值差的平方的单点平均值就为求取当Δ(L)最小时L的值L1，此值即为该信号周期的采集点数，为该功图的周期点数。此时，那么信号周期的时间长度就为点数除以采样率，即周期为T1＝L1/N。

由于油田规定一个合理的功图的采样点数应该在150～300点之间，过少的点数会导致功图描述不正确，而太多的点数则会使存储区白白浪费，基于此，设定求得的功图周期在5～10秒之间时，采样率为30SPS；周期在10～20秒之间时，采样率为15SPS；周期在20～40秒之间时，采样率为7.5SPS，这样，就可以确保每个周期的点数控制在150～300之间。当确定完示功图实际冲程周期的采集点数L1后，可计算示功图的实际冲程周期T1＝L1/N，如果周期在5～10秒之间，则可以直接使用数据；如果周期在10～20秒之间，则对原数据进行滤波后再进行抽值运算，使输出采样率变为15SPS；如果周期在20～40秒之间，则对原数据进行两次滤波和抽值运算，使输出采样率变为7.5SPS。

采用本发明提供的示功仪采样率自动切换方法，根据所述示功图估计冲程频率计算出示功图实际冲程的最大可能频率和最小可能频率，使用最小二乘法拟合周期函数同时使用最大和最小可能频率计算出的该组采样数据实际冲程周期采集点数与示功仪预设的单周期采集点数范围值进行对比，适时的调整示功仪的采样率，以达到精确的采样数据形成精确功图的同时，避免采样点过多导致的示功仪的功耗过大，影响示功仪使用寿命的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种示功仪采样率自动切换方法，其特征在于，包括：

以初始采样率进行数据采样，得到一组采样数据；

根据该组采样数据进行快速傅氏变换运算，计算出估计冲程频率；

根据所述估计冲程频率计算出实际冲程的最大可能频率和最小可能频率，使用最小二乘法拟合周期函数同时使用最大和最小可能频率计算出该组采样数据实际冲程周期的采集点数；

根据所述实际冲程周期的采集点数判断所述初始采样率是否合适，当采样率不合适时，选择合适的采样率；其中，

使用最小二乘法拟合周期函数同时使用最大和最小可能频率计算出该组采样数据实际冲程周期的采集点数包括：

设L为示功图实际冲程周期的采集点数，则

计算两个相邻示功图实际冲程周期的幅值差的平方的单点平均值为

计算Δ(L)最小时L的值L1，作为示功图实际冲程周期的采集点数；

其中，N为初始采样率，F_k为估计冲程频率，A_i为采样数据{A_i},i∈[0,n*N-1]中的第i个，Δf为对采样数据{A_i}进行快速傅氏变换所得到的一组谱线中任意两相邻谱线之间的间隔；

其中，F_k-Δf/2为示功图实际冲程的最小可能频率，F_k+Δf/2为示功图实际冲程的最大可能频率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以初始采样率进行数据采样，得到一组采样数据包括：

获取示功仪的实际冲程周期值范围，以初始采样率N进行数据采样，得到一组采样数据{A_i},i∈[0,n*N-1]，其中n为正整数，且n为示功仪实际冲程周期值范围中最大实际冲程周期值的至少两倍。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据该组采样数据进行快速傅氏变换运算，计算出估计冲程频率包括：

对采样数据{A_i}进行快速傅氏变换，得到一组谱线；

设该组谱线中第M个谱线为幅值最大的谱线，Δf为该组谱线中任意两相邻谱线之间的间隔，则估计冲程频率为F_k＝M*Δf。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当该组谱线存在多个幅值相同的最大幅值时，以该多个幅值相同的最大幅值中的频点最小的谱线为第M个谱线。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述估计冲程频率计算出实际冲程的最大可能频率和最小可能频率包括：

根据估计冲程频率F_k，则示功图实际冲程的最小可能频率为F_k-Δf/2，示功图实际冲程的最大可能频率为F_k+Δf/2。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述实际冲程周期的采集点数判断所述初始采样率是否合适，当采样率不合适时，选择合适的采样率包括：

比较示功图实际冲程周期的采集点数L1与示功仪预设的单周期采集点数范围值，当L1不属于所述示功仪预设的单周期采集点数范围值时，调整示功仪的采样率，以使示功图实际冲程周期的采集点数L1属于所述示功仪预设的单周期采集点数范围值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述示功仪预设的单周期采集点数范围值为150至300。