CN104314526A - 基于示功图工况分析的抽油机智能设备及其计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于油田抽油机安全生产控制领域，具体涉及一种基于示功图工况分析的抽油机智能设备。为了及时有效在油井生产发生异常时，进行相应处理，本发明包括抽油机和远端RTU设备，抽油机包括电机控制接触器以及载荷传感器和位移传感器，远端RTU设备包括ARM9处理器以及与其连接的电源模块，ARM9处理器上的2路专用高速模拟量采样通道采集抽油机载荷传感器和位移传感器的信息，ARM9处理器上通过2路DO数字输出通道控制抽油机的电机控制接触器，ARM9处理器连接有储存器。本发明可根据设定的参数及采集的示功图数据分析判断出正常采油、油井供液不足、抽油杆断脱、气锁现象等情况，并及时联动控制关停抽油机。
Description
技术领域
本发明属于油田抽油机安全生产控制领域，具体涉及一种基于示功图工况分析的抽油机智能设备及其计算方法。
背景技术
随着经济发展，石油天然气等能源产业在国民经济中的地位愈加显著。目前国内油田由于油层分布及地形、地貌等因素的影响，使得油田油井设备管理难度极大，传统油田生产主要依靠人工巡井，不能及时发现生产中油井存在的供液不足、出腊、结沙、卡杆、电机故障等情况，不但造成电能的浪费，设备的磨损，而且容易造成电机、抽油机设备的损坏。
油田生产中，示功图是分析油井生产状况常用有效工具，现有示功图分析多采用示功图仪表进行数据采集，将数据回传通过计算机绘制示功图，人工分析油机工况，做出相关判据，然后通知操作维护人员进行相应的控制维护操作，环节多，效率低。针对一些发生比较多的问题不能及时处理，存在着能耗的浪费(空抽、供液不足)、电机损坏、采油部件寿命缩短等诸多问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于示功图工况分析的抽油机智能设备及其计算方法，及时有效在油井生产发生异常时，进行相应处理。
为了达到上述目的，一种基于示功图工况分析的抽油机智能设备，包括抽油机和远端RTU设备，抽油机包括电机控制接触器以及载荷传感器和位移传感器，远端RTU设备包括ARM9处理器以及与其连接的电源模块，ARM9处理器上的2路专用高速模拟量采样通道采集抽油机载荷传感器和位移传感器的信息，ARM9处理器上通过2路DO数字输出通道控制抽油机的电机控制接触器，ARM9处理器连接有储存器；
通过ARM9处理器将抽油机的载荷传感器和位移传感器的信息转换为示功图，再将转换后的示功图与储存器中的标准示功图进行对比，得到抽油机的供油状态。
所述ARM9处理器开设有若干RS232接口和RS485接口，其中一个RS232接口连接有GPRS模块。
所述ARM9处理器的一个RS232接口连接ISP/IAP，RS485接口连接有多功能电表。
所述ARM9处理器与每个RS232接口和RS485接口间设置有隔离电路，隔离电路通过UART接口与ARM9处理器相连接。
所述ARM9处理器上设置有接收若干传感器信息的6路AI/DI模拟数字复用通道。
所述ARM9处理器连接有运行灯、地址模块、“看门狗”电路以及以太网接口。
所述ARM9处理器通过I2C接口与“看门狗”电路相连，通过ENET接口与以太网接口相连，通过GPIO接口与地址模块和运行灯相连。
所述ARM9处理器连接有实时时钟。
所述电源模块包括与ARM9处理器连接的电源滤波器，以及与电源滤波器供电电源。
所述储存器为64M储存器，并通过BUS总线与ARM9处理器相连接。
一种基于示功图工况分析的抽油机智能设备的计算方法，包括以下步骤：
步骤一：定时时间到后，开始通过获取角位移传感器的位移值来获取实测周期，若实测周期表现为抽油机开启状态，进行步骤二；若实测周期表现为抽油机关闭状态，重新获取实测周期；
步骤二：通过载荷传感器和位移传感器在相同采样间隔时间内分别采集实测周期内的100个上冲程的载荷和位移的采集点以及100个下冲程的载荷和位移的采集点，将200个采集点传输给ARM9处理器，建立数据模型；
步骤三：ARM9处理器通过公式：
其中P为载荷，X为位移；
将上冲程的载荷和位移的100个采样点围成的面积减去下冲程的载荷和位移的100个采样点围成的面积，得到示功图封闭区域的面积；
步骤三：通过ARM9处理器将计算出的示功图封闭区域的面积与标准示功图面积进行对比，结合对上下冲程过程中载荷值的变化情况的判断；
若计算出的示功图封闭区域的面积为标准示功图面积90％以上，说明供液充足；
若计算出的示功图封闭区域的面积为标准示功图面积的50％～90％，说明供液满足要求；
若计算出的示功图封闭区域的面积为标准示功图面积的50％以下，说明供液不足，ARM9处理器控制电机控制接触器对抽油机进行间抽控制。
与现有技术相比，本发明在抽油机一个采油上下冲程周期内获取200个点的载荷和位移数据，根据示功图的工况模型进行建模，依据建模算法，ARM嵌入式系统进行判断处理，可根据设定的参数及采集的示功图数据分析判断出正常采油、油井供液不足、抽油杆断脱、气锁现象等情况，并及时联动控制关停抽油机，本发明提高抽油机示功图采集、分析、相关控制的及时性，以实现节能、保护抽油设备及安全生产的目的。
进一步的，本发明设置有GPRS模块，在抽油机发生故障上能够及时通知操作人员进行维修，可实现与油田信息化管理系统的无线通信，对油田生产的抽油机进行统一调度管理、维护，实现油田生产的数字化管理，降低抽油机能耗消耗，改善油井的工况，有效提高油田生产效率。
进一步的，本发明采用实时时钟，用于实现可设定的开关机时间等与实时时钟有关的功能。
附图说明
图1为本发明的示意图；
图2为本发明远端RTU设备的示意图；
图3为本发明的示功图任务处理流程图；
图4为抽油机充满的正常示功图；
图5为抽油机供液不足的示功图；
图6为抽油机抽油杆断脱时的示功图；
图7为抽油机气锁现象时的示功图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1和图2，本发明基于示功图工况分析的抽油机智能设备，包括抽油机和远端RTU设备，抽油机包括电机控制接触器以及载荷传感器和位移传感器，远端RTU设备包括ARM9处理器以及与其连接的电源模块，电源模块包括与ARM9处理器连接的电源滤波器，以及与电源滤波器供电电源，供电电源包括DC12V-DC3.3V和DC12V-DC5V，ARM9处理器上的2路专用高速模拟量采样通道采集抽油机载荷传感器和位移传感器的信息，ARM9处理器上通过2路DO数字输出通道控制抽油机的电机控制接触器，ARM9处理器通过BUS总线连接有64M储存器，ARM9处理器开通过隔离电路连接若干RS232接口和RS485接口，隔离电路通过UART接口与ARM9处理器相连接，其中一个RS232接口连接有GPRS模块，一个RS232接口连接ISP/IAP，RS485接口连接有多功能电表，ARM9处理器上设置有接收若干传感器信息的6路AI/DI模拟数字复用通道，ARM9处理器通过I2C接口与“看门狗”电路相连，通过ENET接口与以太网接口相连，通过GPIO接口与地址模块和运行灯相连，ARM9处理器连接有实时时钟。
本发明主要是一种远端RTU集采集、分析、控制、无线传输功能于一身的设备，设备通过获取抽油机上的相关传感器(包括载荷、位移)的数据采样，利用示功图建立供液不足、脱杆、卡杆、气锁等故障工况模型，对采样数据进行分析、处理、控制等操作实现抽油机远端的闭环控制，同时可利用GPRS无线方式将油机工况数据传至管理中心。
参见图2，本设备设计采用ARM9处理器，Linux多任务实时操作系统。其中主要设计包括一个UART接口用于连接GPRS模块进行数据的上传；一个RS485接口预留可用于连接检测抽油机电机电参数的多功能电表等相关设备；实时时钟用于实现可设定的开关机时间等与实时时钟有关的功能；两路专用高速模拟量采样通道，用于采样载荷、位移传感器数据以获取示功图数据；6路AI/DI模拟数字复用通道，用于采样其它相关传感器数据；2路DO数字输出通道用于连接抽油机遥控控制继电器及声光报警器等实现遥控功能。
该设备可预先设定相关参数范围：周期、最大载荷、最小冲程、最大冲程、最小冲次、最大冲次、载荷相邻两点最大波动范围等存储在设备的储存器中。设备通过两路专用高速模拟量通道接入的载荷、位移传感器可在一个采油上下冲程周期内获取200个点的载荷、位移数据，通过平滑滤波获取示功图相关数据。参照图4至图7几种的示功图模型，对采集的示功图数据进行分析，对于几种示功图设备会根据预设的几种操作进行相应的联动处理操作；如，针对低产井供液不足时则控制抽油机停止抽油，供液充足时则继续抽油，抽油杆断脱时、发生气锁现象时则立即联动关停抽油机并产生报警通知相关操作人员，对于其它非的示功图，设备会将数据存储在本地的存储区中或通过GPRS模块上传至管理中心，以便相关专家进行分析、处理。同时针对某些地区后半夜电价的优惠政策，该设备还可设置多组定时开关机时间，通过设备中的实时时钟判断，当时间到达优惠时间段时则开启抽油机开始抽油，优惠时间结束时则关闭抽油机，以减轻人工推闸操作的工作量，也间接降低了运营成本。
参见图3，设备可设置获取示功图的间隔时间，当定时时间到时，先获取实测周期，实测周期的获取通过设定的抽油周期两倍以上的时间内连续获取角位移传感器的位移值，判断出位移的最大值记录时间点，再持续判断位移值的变换情况，位移值持续变小直到最小值，然后再持续变大直到变化到最大值时再次记录时间点，这两个时间点的差值就是实测周期；当实测周期很小或者接近0时就是抽油机关闭状态，当测到的实测周期与设定周期差别很大可舍弃重新再测一遍，排除偶然误差；根据实测周期平均200个载荷、位移测试点的采样间隔时间，在一个周期内等间隔时间采样载荷、位移值各200个，建立数据模型；ARM9处理器通过公式：其中P为载荷，X为位移；将上冲程的载荷和位移的100个采样点围成的面积减去下冲程的载荷和位移的100个采样点围成的面积，得到示功图封闭区域的面积；通过ARM9处理器将计算出的示功图封闭区域的面积与标准示功图面积进行对比，结合对上下冲程过程中载荷值的变化情况的判断；若计算出的示功图封闭区域的面积为标准示功图面积90％以上，说明供液充足；若计算出的示功图封闭区域的面积为标准示功图面积的50％～90％，说明供液满足要求；若计算出的示功图封闭区域的面积为标准示功图面积的50％以下，说明供液不足。
如图4所示供液充足正常的示功图上下、左右平行，上下冲程载荷变化ΔP值较固定；供液不足的示功图如图5所示，卸载线和加载线平行越左移说明充满越不好，图形为“刀把”形；抽油杆断脱的示功图如图6所示，示功图最大最小载荷接近，即ΔP值变化很小，且增载线看不出，示功图呈线条状；气锁现象示功图如图7所示，柱塞运动对气体压缩和膨胀，泵不排油。针对供液不足或抽空的示功图可以通过计算如图5所示阴影部分的面积变化情况及ΔP值的变化情况来判断供液不足的情况，设备可设置参数，当面积缩小到正常供液充足时面积的对应百分比时认为抽空或供液不足，这个参数可在实践中根据具体情况设置到设备中存储起来用来判断；关于抽油杆断脱通过判断上下冲程过程中的载荷变化情况，即判断ΔP值是否一直在正常情况下的最大载荷或最小载荷值附近变化很小；气锁现象可通过判断增载线的斜率变小、卸载变缓，卸载线成一圆弧状，示功图右下角区域消失的特征来判断；至于其他一些复杂情况的示功图数据设备会通过GPRS模块或以太网将数据上传到管理中心供人工分析。
较以往的设备相比该设备不仅能实现示功图数据的采集、上传，更重要的是可以实现针对几种典型的示功图进行前端分析、判断，根据分析的结果及时对抽油机进行操作控制、以及维修指导。在前端直接实现闭环控制而不用再将数据上传到管理中心，通过管理中心的分析、判断再远程控制抽油机，该种方式的好处是在GPRS等无线传输不通时依然可以实现对抽油机的控制而且实时性好，当网络连通时又可将相关数据上传的管理中心以供其它操作管理。
Claims (10)
1.一种基于示功图工况分析的抽油机智能设备，其特征在于：包括抽油机和远端RTU设备，抽油机包括电机控制接触器以及载荷传感器和位移传感器，远端RTU设备包括ARM9处理器以及与其连接的电源模块，ARM9处理器上的2路专用高速模拟量采样通道采集抽油机载荷传感器和位移传感器的信息，ARM9处理器上通过2路DO数字输出通道控制抽油机的电机控制接触器，ARM9处理器连接有储存器；
通过ARM9处理器将抽油机的载荷传感器和位移传感器的信息转换为示功图，再将转换后的示功图与储存器中的标准示功图进行对比，得到抽油机的供油状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于示功图工况分析的抽油机智能设备，其特征在于：所述ARM9处理器开设有若干RS232接口和RS485接口，其中一个RS232接口连接有GPRS模块。
3.根据权利要求2所述的一种基于示功图工况分析的抽油机智能设备，其特征在于：所述ARM9处理器的一个RS232接口连接ISP/IAP，RS485接口连接有多功能电表。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于示功图工况分析的抽油机智能设备，其特征在于：所述ARM9处理器与每个RS232接口和RS485接口间设置有隔离电路，隔离电路通过UART接口与ARM9处理器相连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于示功图工况分析的抽油机智能设备，其特征在于：所述ARM9处理器上设置有接收若干传感器信息的6路AI/DI模拟数字复用通道。
6.根据权利要求1所述的一种基于示功图工况分析的抽油机智能设备，其特征在于：所述ARM9处理器连接有运行灯、地址模块、“看门狗”电路、以太网接口以及实时时钟。
7.根据权利要求6所述的一种基于示功图工况分析的抽油机智能设备，其特征在于：所述ARM9处理器通过I2C接口与“看门狗”电路相连，通过ENET接口与以太网接口相连，通过GPIO接口与地址模块和运行灯相连。
8.根据权利要求1所述的一种基于示功图工况分析的抽油机智能设备，其特征在于：所述电源模块包括与ARM9处理器连接的电源滤波器，以及与电源滤波器连接的供电电源。
9.根据权利要求1所述的一种基于示功图工况分析的抽油机智能设备，其特征在于：所述储存器为64M储存器，并通过BUS总线与ARM9处理器相连接。
10.权利要求1所述的一种基于示功图工况分析的抽油机智能设备的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：定时时间到后，开始通过获取角位移传感器的位移值来获取实测周期，若实测周期表现为抽油机开启状态，进行步骤二；若实测周期表现为抽油机关闭状态，重新获取实测周期；
步骤二：通过载荷传感器和位移传感器在相同采样间隔时间内分别采集实测周期内的100个上冲程的载荷和位移的采集点以及100个下冲程的载荷和位移的采集点，将200个采集点传输给ARM9处理器，建立数据模型；
步骤三：ARM9处理器通过公式：
其中P为载荷，X为位移；
将上冲程的载荷和位移的100个采样点围成的面积减去下冲程的载荷和位移的100个采样点围成的面积，得到示功图封闭区域的面积；
步骤三：通过ARM9处理器将计算出的示功图封闭区域的面积与标准示功图面积进行对比；
若计算出的示功图封闭区域的面积为标准示功图面积90％以上，说明供液充足；
若计算出的示功图封闭区域的面积为标准示功图面积的50％～90％，说明供液满足要求；
若计算出的示功图封闭区域的面积为标准示功图面积的50％以下，说明供液不足，ARM9处理器控制电机控制接触器对抽油机进行间抽控制。
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