CN106089184B - 一种井下抽油泵工况的诊断方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种井下抽油泵工况的诊断方法和装置，其中，该方法包括：根据抽油杆的运动情况，得到诊断抽油泵工况的方程组，并计算得到各级抽油杆截面之间的位移关系；离散化处理地面示功图，得到抽油机在多个时间段的悬点载荷以及与各个时间段的悬点载荷相对应的悬点位移；再从距离抽油泵最远的一级杆柱截面至距离抽油泵最近的一级杆柱截面，逐级计算得到距离抽油泵最近的一级杆柱截面的截面载荷和与截面载荷相对应的截面位移，并绘制抽油泵功图；将抽油泵功图与预设的泵功图进行对比，确定井下抽油泵工况。在本发明实施例中，通过采用上述方法，有效提高了井下抽油泵工况的诊断精度，保证了井下抽油泵工况诊断结果的准确性。

Description

一种井下抽油泵工况的诊断方法和装置

技术领域

本发明涉及石油勘探技术领域，特别涉及一种井下抽油泵工况的诊断方法和装置。

背景技术

当下，对于油井的故障诊断主要是通过使用地面光杆动力仪进行的，具体地，先利用地面光杆动力仪绘制光杆载荷与位移的关系曲线，即光杆示功图，然后，再对光杆示功图进行解释，以判断油井与设备的故障。

针对上述使用地面光杆动力仪直接进行井下抽油泵工况诊断的方法，为了提高其诊断抽油泵工况的精度，主要可以有以下两个方面：

1)不断改进地面光杆动力仪：

例如：可以使用井下动力仪直接绘制泵功图，其工作原理是将井下动力仪随抽油泵一起下入丼内，利用井下动力仪直接测量井下泵功图。

然而，这种方法成本很高，工艺也较复杂，因此难以有效地推广应用。

2)不断改进光杆示功图的解释方法：

目前，主要的改进改进光杆示功图的解释方法的方式是：先建立带阻尼的波动方程作为描述应力波在抽油杆柱中过程的基本微分方程，再通过傅里叶变换求解模型求解该基本微分方程，可以得到抽油杆柱任意截面以及抽油泵的示功图。

然而，鉴于计算机发展水平的限制，以及采用傅里叶变换求解方法收敛性差等因素的限制，该方法也难以推广应用。

针对上述如何简单高效地提高抽油泵工况的诊断精度的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种井下抽油泵工况的诊断方法和装置，以达到提高抽油泵工况的诊断精度的目的。

本发明实施例提供了一种井下抽油泵工况的诊断方法，该方法包括：获取抽油机的地面示功图；根据抽油杆在井下抽油过程中的运动情况，得到诊断井下抽油泵工况的方程组；根据所述井下抽油泵工况的方程组，计算得到所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系；对所述地面示功图进行离散化处理，得到所述抽油机在多个时间段的悬点载荷以及与所述多个时间段的悬点载荷中各个时间段的悬点载荷相对应的悬点位移；根据所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系、所述抽油机在多个时间段的悬点载荷以及所述相对应的悬点位移，从距离所述井下抽油泵最远的一级杆柱截面至距离所述井下抽油泵最近的一级杆柱截面，逐级计算得到距离所述井下抽油泵最近的一级杆柱截面的截面载荷和与所述截面载荷相对应的截面位移；根据距离所述井下抽油泵最近的一级杆柱截面的截面载荷和截面位移绘制井下抽油泵功图；将所述井下抽油泵功图与预设的泵功图进行对比，确定所述井下抽油泵的工作状况。

在一个实施例中，根据所述井下抽油泵工况的方程组，计算得到所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系，包括：采用有限差分法求解所述诊断井下抽油泵工况的方程组，得到所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系方程。

在一个实施例中，所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系包括：

其中，u表示所述抽油杆在各级杆柱截面处的位移，Δx表示沿所述抽油杆方向上的步长，i表示所述抽油杆杆步长的下标，Δt表示时间步长，j表示时间步长的下标，c表示阻尼系数，a表示声波速度。

在一个实施例中，计算所述截面载荷，包括：

当所述抽油杆处于上冲程时，按照以下公式计算所述截面载荷：

F_1jN,j＝p₀(A_p-A_r)-p_iA_p

当所述抽油杆处于下冲程时，按照以下公式计算所述截面载荷：

F_2jN,j＝-p₀A_r

其中，F_ij表示所述抽油杆的任意截面i在j时刻的动载荷，Δx表示沿所述抽油杆方向上的步长，i表示所述抽油杆杆步长的下标，j表示时间步长的下标，F_1jN,j表示当所述抽油杆处于上冲程时所述抽油杆对应的静载荷，p₀表示所述抽油泵的排出压力，p_i表示所述抽油泵的吸入压力，F_2jN,j表示当所述抽油杆处于下冲程时所述抽油杆对应的静载荷，A_p表示抽油泵柱塞截面积，A_r表示末端抽油杆截面积，E_r表示抽油杆弹性模量。

在一个实施例中，按照以下公式计算与所述截面载荷相对应的截面位移：

s(i,j)＝u_si+u_ij

其中，

其中，s(i,j)表示在不同时间段第i级抽油杆在j时刻的总位移，u_si表示在任意时刻第i级抽油杆的静位移，u_ij表示在任意时刻第i级抽油杆的动位移，δ_sj表示不同时间段第i级抽油杆由于浮重产生的静伸长量。

本发明实施例中还提供了一种井下抽油泵工况的诊断装置，该装置包括：获取模块，用于获取抽油机的地面示功图；诊断方程获取模块，用于根据抽油杆在井下抽油过程中的运动情况，得到诊断井下抽油泵工况的方程组；计算模块，用于根据所述井下抽油泵工况的方程组，计算得到所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系；离散化处理模块，用于对所述地面示功图进行离散化处理，得到所述抽油机在多个时间段的悬点载荷以及与所述多个时间段的悬点载荷中各个时间段的悬点载荷相对应的悬点位移；逐级计算模块，用于根据所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系、所述抽油机在多个时间段的悬点载荷以及所述相对应的悬点位移，从距离所述井下抽油泵最远的一级杆柱截面至距离所述井下抽油泵最近的一级杆柱截面，逐级计算得到距离所述井下抽油泵最近的一级杆柱截面的截面载荷和与所述截面载荷相对应的截面位移；泵功图绘制模块，用于根据距离所述井下抽油泵最近的一级杆柱截面的截面载荷和截面位移绘制井下抽油泵功图；工作状况确定模块，用于将所述井下抽油泵功图与预设的泵功图进行对比，确定所述井下抽油泵的工作状况。

在一个实施例中，所述计算模块包括：位移关系方程获取单元，用于采用有限差分法求解所述诊断井下抽油泵工况的方程组，得到所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系方程。

在一个实施例中，位移关系方程获取单元用于按照以下公式计算所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系：

其中，u表示所述抽油杆在各级杆柱截面处的位移，Δx表示沿所述抽油杆方向上的步长，i表示所述抽油杆杆步长的下标，Δt表示时间步长，j表示时间步长的下标，c表示阻尼系数，a表示声波速度。

在一个实施例中，所述逐级计算模块用于计算所述截面载荷，包括：

当所述抽油杆处于上冲程时，所述逐级计算模块用于按照以下公式计算所述截面载荷：

F_1jN,j＝p₀(A_p-A_r)-p_iA_p

当所述抽油杆处于下冲程时，所述逐级计算模块用于按照以下公式计算所述截面载荷：

F_2jN,j＝-p₀A_r

其中，F_ij表示所述抽油杆的任意截面i在j时刻的动载荷，Δx表示沿所述抽油杆方向上的步长，i表示所述抽油杆杆步长的下标，j表示时间步长的下标，F_1jN,j表示当所述抽油杆处于上冲程时所述抽油杆对应的静载荷，p₀表示所述抽油泵的排出压力，p_i表示所述抽油泵的吸入压力，F_2jN,j表示当所述抽油杆处于下冲程时所述抽油杆对应的静载荷，A_p表示抽油泵柱塞截面积，A_r表示末端抽油杆截面积，E_r表示抽油杆弹性模量。

在一个实施例中，逐级计算模块用于按照以下公式计算与所述截面载荷相对应的截面位移：

s(i,j)＝u_si+u_ij

其中，

其中，s(i,j)表示在不同时间段第i级抽油杆在j时刻的总位移，u_si表示在任意时刻第i级抽油杆的静位移，u_ij表示在任意时刻第i级抽油杆的动位移，δ_sj表示不同时间段第i级抽油杆由于浮重产生的静伸长量。

在本发明实施例中，先对地面示功图进行离散化处理，以得到抽油机在多个时间段的悬点载荷以及与悬点载荷相对应的悬点位移；然后根据抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系、抽油机在多个时间段的悬点载荷以及相对应的悬点位移，从距离井下抽油泵最远的一级杆柱截面至距离井下抽油泵最近的一级杆柱截面，逐级计算得到距离井下抽油泵最近的一级杆柱截面的截面载荷和与截面载荷相对应的截面位移；根据距离井下抽油泵最近的一级杆柱截面的截面载荷和截面位移绘制井下抽油泵功图；将井下抽油泵功图与预设的泵功图进行对比，确定井下抽油泵的工作状况，从而有效提高了井下抽油泵工况的诊断精度，保证了井下抽油泵工况诊断结果的准确性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明实施例的一种井下抽油泵工况的诊断方法的流程图；

图2是本发明实施例的抽油泵完全上冲程特征故障类的示意图；

图3是本发明实施例的抽油泵完全下冲程特征故障类的示意图；

图4是本发明实施例的抽油泵上下冲程特征故障类的示意图；

图5是本发明实施例的利用一种井下抽油泵工况的诊断方法对某地区进行抽油泵工况诊断得到的泵功图；

图6是本发明实施例的利用一种井下抽油泵工况的诊断方法对另外一个地区进行抽油泵工况诊断得到的泵功图；

图7是本发明实施例的一种井下抽油泵工况的诊断装置的一种结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

考虑到现有技术的抽油泵工况诊断方法在诊断精度方面所存在的缺陷，发明人考虑到可以对地面示功图进行离散化处理以得到抽油机在多个时间段的悬点载荷以及与悬点载荷相对应的悬点位移；然后逐级计算到抽油泵的位移和载荷，从而确定抽油泵的工作状况。具体地，本发明实施例所提供的井下抽油泵工况的诊断方法，如图1所示，可以包括以下步骤：

步骤101：获取抽油机的地面示功图；

抽油系统一般是包括：抽油机、抽油杆、抽油泵，即，需要抽油机、抽油杆、抽油泵三者的配合才可以实现抽油。

其中，抽油机是开采石油的一种机器设备，俗称“磕头机”，通过加压的办法使石油出井。当抽油机上冲程时，油管弹性收缩向上运动，带动机械解堵采油器向上运动，撞击滑套产生振动；同时，正向单流阀关闭，变径活塞总成封堵油当抽油机下冲程时，油管弹性伸长向下运动，带动机械解堵采油器向下运动，撞击滑套产生振动；同时，反向单流阀部分关闭，变径活塞总成仍然封堵油套环形油道，使反向单流阀下方区域形成高压区，这一运动又对地层内的油流通道产生一种反向的冲击力。

抽油杆是抽油机井的细长杆件，它上接光杆，下接抽油泵起传递动力的作用。就整个有杆抽油生产系疵而言，还可以包括供给流体的油层、用于悬挂抽油泵并作为举升流体通道的油管柱、井下器具(油管锚、气锚、砂锚等)、油套管环形空间及井口装置等。

抽油泵是由抽油机带动把井内原油抽到地面的井下装置，可以由泵筒、吸入阀、活塞、排除阀四大部分组成。按照抽油泵在井下的固定方式，可分为管式泵和杆式泵。

地面示功图是反映抽油机悬点载荷随其位移变化规律的图形。它是对抽油机一个抽吸周期进行检测所得到的封闭曲线。

在本发明实施例中，所检测地面示功图设备为普通的地面示功仪，通过该地面示功仪检测抽油杆的悬点载荷和所对应的悬点位移。

地面示功仪可以理解为一种仪器，它是将抽油杆作为抽油杆杆柱应力波传播的载体，将地面测试数据通过计算机模型转换为井下测试数据，间接地获取的井下泵工况数据，从而对井下泵工况做出定量的判断，并采取相应的措施。

进一步地，在获取抽油机的地面示功图的过程中，有时还需要收集以下数据中的一种或多种：抽油机的冲程、冲次；抽油杆的杆柱组合、材质、密度、直径；抽油泵的泵径等。

步骤102：根据抽油杆在井下抽油过程中的运动情况，得到诊断井下抽油泵工况的方程组；

在本实施例中，分析抽油杆井下抽油过程中的运动情况，从以下三个方面建立诊断井下抽油泵工况的方程组，分别是：考虑阻尼的抽油杆应力波传动方程、抽油杆的边界条件以及抽油杆的连续性条件，下面分别对这三个方面进行具体描述：

S2-1：考虑阻尼的抽油杆应力波传动方程：

具体地，本发明进行数据转换时所采用的数学模型为考虑阻尼的抽油杆应力波传动方程，所述的波动方程具体指的是，在一定的假设条件下，直井有杆泵抽油系统抽油杆在工作时，任意井深位置处截取单元杆段和微元段进行单元体受力分析所得到的抽油杆柱动力学特性的波动方程，由下式表示：

其中，α表示声波传递速度，c表示阻尼系数，u表示抽油机在不同时间段的位移。

具体地，抽油杆柱动力学特性的波动方程是一个线性二阶偏微分方程，必须结合边界条件才能求解。因此，在基本波动方程的基础上还要确定方程的边界条件。如果是多级杆还要确定连续性条件，才能形成完整的诊断井下抽油泵工况的方程组。

S2-2：抽油杆的边界条件确定：

在本实施例中，对于单级杆，可以由地面测试数据和胡克定律确定抽油杆的边界条件。

具体地，抽油杆的边界条件确定方法如下：

其中，U(t)表示实际测得的抽油机在不同时间段的悬点位移，W_r表示抽油杆柱在井液中的重量，L(t)表示实际测得的抽油机在不同时间段的悬点载荷，D(t)表示光杆实际测得的动载荷，E表示抽油杆弹性模量，A表示抽油杆截面积，F(x,t)表示抽油杆动载荷，U(x,t)表示抽油杆位移。

S2-3：抽油杆的连续性条件：

根据多级抽油杆杆的各级杆柱截面处的位移和载荷相等来确定连续性条件。

具体地，对于不同材料的组合多级杆，连续性条件可以表示如下：

其中，(F_i,j)₁表示i节点处的一级抽油杆的载荷，(F_i,j)₂表示j节点处的两级抽油杆的载荷，(u_i,j)₁表示i节点处的一级抽油杆的位移，(u_i,j)₂表示j节点处的两级抽油杆的位移。

最终，分析抽油杆在进行井下抽油过程中的运动情况，可以得到诊断井下抽油泵工况的方程组，即，结合上述三种条件的方程组，可以总结如下：

步骤103：根据所述井下抽油泵工况的方程组，计算得到所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系；

在本实施例中，可以采用有限差分法求解诊断井下抽油泵工况的方程组，从而得到抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系方程。具体地，对于单级抽油杆可以采用等步长有限差分方法求取抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系方程，对于多级抽油杆可以采用变步长有限差分方法求取抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系方程。

具体地，对式(2)以及式(3)进行进一步求解，可以得到：

其中，u表示所述抽油杆在各级杆柱截面处的位移，Δx表示沿所述抽油杆方向上的步长，i表示所述抽油杆杆步长的下标，Δt表示时间步长，j表示时间步长的下标。

将上述三个公式带入式(1)，并进行整理，可以得到：

其中，u表示所述抽油杆在各级杆柱截面处的位移，Δx表示沿所述抽油杆方向上的步长，i表示所述抽油杆杆步长的下标，Δt表示时间步长，j表示时间步长的下标，c表示阻尼系数，a表示声波速度。

该式是诊断模型的等步长有限差分解，当有限差分解u_i,j的系数是负值，则其解是不稳定的。所以，为了使其解是稳定的，必须满足以下条件：

由此，求解该波动方程进行数据转换可以看做是求解差分方程(4)，而该差分方程可以线性方程组的形式用下式表示出来，式(5)就是普通的带状线性方程组，可应用计算机进行求解。

Au＝b (5)

进一步地，油田生产大多采用的是多级抽油杆，对抽油杆柱仿真计算需要分级进行。首先可以对第一级抽油杆进行划分，计算第一级抽油杆末端位移和载荷；然后以第一级杆柱末端为第二级初始及边界条件，划分第二级抽油杆，计算第二级末端位移和底部力……依次类推直至计算完成所有抽油杆，就可以根据最后一级末端位移和底部力画出泵示功图。

具体地，对于诊断模型，在满足解收敛的条件下，时间步长Δt越小，则抽油泵工况诊断的精度越高，相应的，诊断结果的计算时间越长。

步骤104：对所述地面示功图进行离散化处理，得到所述抽油机在多个时间段的悬点载荷以及与所述多个时间段的悬点载荷中各个时间段的悬点载荷相对应的悬点位移；

抽油机的悬点一般指的是驴头的悬点，抽油杆通过光杆、毛辫子挂在驴头上。可以通过地面示功仪在抽油机悬绳器处测取悬点载荷以及悬点位移。

对井下抽油泵工况诊断的关键是对描述抽油杆动力学特征的抽油杆应力波传动方程进行求解，结合描述抽油杆振动的微分方程的边界条件和连续性条件，可以计算得到抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系。再将抽油系统工作实际测得的示功图进行离散处理，可以得到抽油机在多个时间段的悬点载荷以及相对应的悬点位移。

对于抽油杆多级杆柱，可以从距离井下抽油泵最远的一级杆柱截面即光杆的载荷作为第一层边界条件，以光杆的载荷和位移计算得到的位移作为第二层位移边界条件，以此类推采用补格法逐级计算出全部截面载荷以及截面位移，最后，根据距离井下抽油泵最近的一级杆柱截面载荷以及与该截面载荷相对应的截面位移可以绘制出井下抽油泵处的示功图。

步骤105：根据所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系、所述抽油机在多个时间段的悬点载荷以及所述相对应的悬点位移，从距离所述井下抽油泵最远的一级杆柱截面至距离所述井下抽油泵最近的一级杆柱截面，逐级计算得到距离所述井下抽油泵最近的一级杆柱截面载荷和与所述截面载荷相对应的截面位移；

具体地，抽油杆各级杆柱截面载荷以及与各级杆柱截面载荷相对应的截面位移分别可以采用以下方法进行计算：

1)关于抽油杆各级杆柱截面位移：

在本实施例中，差分方程(4)表示抽油杆在各级杆柱截面处的位移。但是，在用差分方程(4)计算各层的第一个级杆柱截面位移时，u_i,j-1是不存在的。另外，在计算每一层最后一个节点位移时，u_i,j+1也是不存在的，因为j＝1,2,3,…,n。例如，要计算u_i+1,1需要知道u_i,0，而u_i,0是不存在的；要计算u_i+1,n，需要知道u_i,n+1，同样地，u_i,n+1也是不存在的。为解决这个问题，可以根据周期函数特点，补充下列关系：u_i,0＝u_i,n；u_i,n+1＝u_i,1。实际上，这是抽油杆应力波传动方程的两个初始条件，可以通过补格的方法求出全部未知点的位移。

利用有限差分法求解时，一个很重要的问题就是结果的稳定性。差分格式的计算是逐层进行的，当计算u_i+1,j时，要用到上两层计算出来的结果u_i-1,j、u_i,j和u_i,j+1，因此，计算误差必然会影响到u_i+1,j的值，从而就要分析这种误差传播情况。如果误差的影响越来越大，导致差分格式的精确解完全被掩盖，那么这种差分格式称为不稳定的。相反，如果误差的影响是可以控制的，差分格式的解基本上能计算出来，那么，这种差分格式就认为是稳定的。

可以得到，当i＝0时，抽油杆第一级杆柱截面(即地面值)位移可以由位移传感器测得，即：

u(x,t)|_x＝0＝u(t)＝u_0,j

当i＝1时，抽油杆第二级杆柱截面位移可以由载荷传感器所测得的载荷和地面位移、结合虎克定律获得，即：

当i≥2时，即从第三级杆柱截面开始，可以结合式(4)所示的差分方程计算各节点的位移。

设抽油杆第i级杆的浮重为：

其中，W_rbi表示第i级抽油杆在空气中的重力，W_ri表示第i级抽油杆在井液中的重力，ρ_r表示抽油杆的密度，ρ_f表示抽油井中液体的密度。

则，长度为l_i的第i级抽油杆，由于浮重产生的静伸长量δ_si可以表示为：

则，第i级杆下端的静位移u_si可以表示为：

在任意时刻j节点i的总位移是动位移和静位移两部分之和，即可以按照以下公式计算与载荷相对应的各级杆柱截面处的总位移：

s(i,j)＝u_si+u_ij

其中，

其中，s(i,j)表示在不同时间段第i级抽油杆在j时刻的总位移，u_si表示在任意时刻第i级抽油杆的静位移，u_ij表示在任意时刻第i级抽油杆的动位移，δ_sj表示不同时间段第i级抽油杆由于浮重产生的静伸长量。

2)关于抽油杆各级杆柱截面载荷：

同样地，在任意时刻，抽油杆各级总载荷是动载荷和静载荷两部分之和。可以按照以下公式分别计算当抽油杆处于上冲程或者下冲程时，抽油杆各级杆柱截面的总载荷：

当抽油杆处于上冲程时，可以按照以下公式计算截面的总载荷：

总载荷：F_up＝F_ij+F_1jN,j

动载荷：

静载荷：F_1jN,j＝p₀(A_p-A_r)-p_iA_p

当抽油杆处于下冲程时，可以按照以下公式计算截面的总载荷：

总载荷：F_down＝F_ij+F_1jN,j

动载荷：

静载荷：F_2jN,j＝-p₀A_r

其中，F_up表示抽油杆处于上冲程时各级杆柱截面的总载荷，F_down表示抽油杆处于下冲程时各级杆柱截面的总载荷，F_ij表示所述抽油杆的任意截面i在j时刻的动载荷，Δx表示沿所述抽油杆方向上的步长，i表示所述抽油杆杆步长的下标，j表示时间步长的下标，F_1jN,j表示当所述抽油杆处于上冲程时所述抽油杆对应的静载荷，p₀表示所述抽油泵的排出压力，p_i表示所述抽油泵的吸入压力，F_2jN,j表示当所述抽油杆处于下冲程时所述抽油杆对应的静载荷，A_p表示抽油泵柱塞截面积，A_r表示末端抽油杆截面积，E_r表示抽油杆弹性模量。

进一步地，在求解抽油杆柱动力学特性的波动方程的过程中，还需要确定抽油杆的阻尼系数。该阻尼系数可以通过以下方法确定：抽油机井筒内的阻尼力主要有抽油杆柱、接箍与液体之间的粘滞力、杆柱及接箍与油管之间的非粘滞性摩擦力；光杆与盘根之间的摩擦力；泵柱塞与泵筒之间的摩擦损失；泵阀和阀座内孔的流体压力损失等。目前计算粘滞阻尼系数常采用张琪基于等摩擦功原理推导出的粘滞阻尼系数计算公式。

其中，m＝D_t/D_r，

其中，D_r表示抽油杆的直径，D_t表示抽油管的内径，μ表示抽油杆中液体的动力粘度，ρ_r表示抽油杆的密度，A_r表示抽油杆截面积，L表示抽油杆长度。

具体地，对于多级抽油杆的阻尼系数，可以通过分别求取各级抽油杆的阻尼系数的平均值来求取抽油杆的阻尼系数。

在实际应用中，油田生产大多采用多级抽油杆杆，对抽油杆柱仿真计算需要分级进行。即，可以从距离井下抽油泵最远的一级杆柱截面即光杆的载荷作为第一层边界条件，以光杆的载荷和位移计算得到的位移作为第二层位移边界条件，以此类推采用补格法逐级计算出全部截面载荷以及截面位移，最后，根据距离井下抽油泵最近的一级杆柱截面载荷以及与该截面载荷相对应的截面位移可以绘制出井下抽油泵功图。

步骤106：根据距离所述井下抽油泵最近的一级杆柱截面的截面载荷和截面位移绘制井下抽油泵功图；

步骤107：将所述井下抽油泵功图与预设的泵功图进行对比，确定所述井下抽油泵的工作状况。

根据得到的井下泵功图形状进行分析，与不同工况下的预设的泵功图的模板进行对比，从而诊断出井下泵工作状态；同时根据诊断参数还可以推算出井底流压、动液面等井下参数，最终实现应用地面功图数据诊断井下抽油泵工况及获得井底数据的目标。其中预设的泵功图总结如下：

如图2所示由a到d均表示抽油泵完全上冲程特征故障类，其中，a表示游动阀漏失、b表示上碰、c表示上阀关闭迟缓、d表示柱塞脱出工作筒。

如图3所示由a到c均表示抽油泵完全下冲程特征故障类，其中，a表示固定阀漏失、b表示供液不足、c表示下碰。

如图4所示由a到g均表示抽油泵上下冲程特征故障类，其中，a表示抽油泵正常、b表示泵筒中部摩擦大、c表示抽油泵受气体影响、d表示双阀漏失、e表示衬套拉槽、f表示泵筒弯曲、g表示出砂。

进一步地，窄条或不出类可以根据抽油泵的泵效、泵功图的最大载荷、泵功图的最小载荷以及泵功图的面积来判断，一般判断依据包括两种情况：1)泵功图面积达不到正常示功图面积的四分之一、2)除了抽喷外泵效基本为0。这两种情况属于窄条或不出类。

应用本发明所提出的一种井下抽油泵工况的诊断方法对某地区现场采集的抽油机地面示功图数据，结合前面得出的悬点运动规律作为边界条件，根据波动方程求解模型编制的程序，对抽油杆分成n个节点求出每个节点在不同时刻的位移，从而求出泵载荷、位移关系曲线，实现对井下设备工况进行诊断。

计算得出泵功图如图5所示，对应图2、图3以及图4进行诊断分析，可以看出：该泵功图和图4c气体影响情况类似。即，该抽油井受气体影响的特征十分明显。因此，根据诊断结果，可以采取措施减小游离气的影响，可以加大泵挂深度或加深油管至产层，并控制套压，使部分气体从油套环空排出，减少泵中游离气的进入量。

应用本发明所提出的一种井下抽油泵工况的诊断方法对另外一个地区现场采集的抽油机地面示功图数据，，将悬点数据作为边界条件，应用本发明方法，对抽油杆分成n个节点求出每个节点在不同时刻的位移，从而求出泵载荷、位移关系曲线，实现对井下设备工况进行诊断，得到泵工况诊断泵示功图，如图6所示。经诊断分析，从泵功图可以看出该井泵示功图为一矩形，对比图2、图3以及图4可以认为该抽油泵工况正常，抽油系统可以正常生产。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种井下抽油泵工况的诊断装置，如下面的实施例所述。由于井下抽油泵工况的诊断装置解决问题的原理与井下抽油泵工况的诊断方法相似，因此井下抽油泵工况的诊断装置的实施可以参见井下抽油泵工况的诊断方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。图7是本发明实施例的井下抽油泵工况的诊断装置的一种结构框图，如图7所示，包括：获取模块701、诊断方程获取模块702、计算模块703、离散化处理模块704、逐级计算模块705、泵功图绘制模块706、工作状况确定模块707，下面对该结构进行说明。

获取模块701，用于获取抽油机的地面示功图；

诊断方程获取模块702，用于根据抽油杆在井下抽油过程中的运动情况，得到诊断井下抽油泵工况的方程组；

计算模块703，用于根据所述井下抽油泵工况的方程组，计算得到所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系；

离散化处理模块704，用于对所述地面示功图进行离散化处理，得到所述抽油机在多个时间段的悬点载荷以及与所述多个时间段的悬点载荷中各个时间段的悬点载荷相对应的悬点位移；

逐级计算模块705，用于根据所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系、所述抽油机在多个时间段的悬点载荷以及所述相对应的悬点位移，从距离所述井下抽油泵最远的一级杆柱截面至距离所述井下抽油泵最近的一级杆柱截面，逐级计算得到距离所述井下抽油泵最近的一级杆柱截面的截面载荷和与所述截面载荷相对应的截面位移；

泵功图绘制模块706，用于根据距离所述井下抽油泵最近的一级杆柱截面的截面载荷和截面位移绘制井下抽油泵功图；

工作状况确定模块707，用于将所述井下抽油泵功图与预设的泵功图进行对比，确定所述井下抽油泵的工作状况。

在一个实施例中，所述计算模块包括：位移关系方程获取单元，用于采用有限差分法求解所述诊断井下抽油泵工况的方程组，得到所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系方程。

在一个实施例中，位移关系方程获取单元用于按照以下公式计算所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系：

其中，u表示所述抽油杆在各级杆柱截面处的位移，Δx表示沿所述抽油杆方向上的步长，i表示所述抽油杆杆步长的下标，Δt表示时间步长，j表示时间步长的下标，c表示阻尼系数，a表示声波速度。

在一个实施例中，所述逐级计算模块用于计算所述截面载荷，包括：

当所述抽油杆处于上冲程时，所述逐级计算模块用于按照以下公式计算所述截面载荷：

F_1jN,j＝p₀(A_p-A_r)-p_iA_p

当所述抽油杆处于下冲程时，所述逐级计算模块用于按照以下公式计算所述截面载荷：

F_2jN,j＝-p₀A_r

其中，F_ij表示所述抽油杆的任意截面i在j时刻的动载荷，Δx表示沿所述抽油杆方向上的步长，i表示所述抽油杆杆步长的下标，j表示时间步长的下标，F_1jN,j表示当所述抽油杆处于上冲程时所述抽油杆对应的静载荷，p₀表示所述抽油泵的排出压力，p_i表示所述抽油泵的吸入压力，F_2jN,j表示当所述抽油杆处于下冲程时所述抽油杆对应的静载荷，A_p表示抽油泵柱塞截面积，A_r表示末端抽油杆截面积，E_r表示抽油杆弹性模量。

在一个实施例中，逐级计算模块用于按照以下公式计算与所述截面载荷相对应的截面位移：

s(i,j)＝u_si+u_ij

其中，

其中，s(i,j)表示在不同时间段第i级抽油杆在j时刻的总位移，u_si表示在任意时刻第i级抽油杆的静位移，u_ij表示在任意时刻第i级抽油杆的动位移，δ_sj表示不同时间段第i级抽油杆由于浮重产生的静伸长量。

从以上的描述中，可以看出，本发明实施例实现了如下技术效果：先对地面示功图进行离散化处理，以得到抽油机在多个时间段的悬点载荷以及与悬点载荷相对应的悬点位移；然后根据抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系、抽油机在多个时间段的悬点载荷以及相对应的悬点位移，从距离井下抽油泵最远的一级杆柱截面至距离井下抽油泵最近的一级杆柱截面，逐级计算得到距离井下抽油泵最近的一级杆柱截面的截面载荷和与截面载荷相对应的截面位移；根据距离井下抽油泵最近的一级杆柱截面的截面载荷和截面位移绘制井下抽油泵功图；将井下抽油泵功图与预设的泵功图进行对比，确定井下抽油泵的工作状况，从而有效提高了井下抽油泵工况的诊断精度，保证了井下抽油泵工况诊断结果的准确性。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种井下抽油泵工况的诊断方法，其特征在于，包括：

获取抽油机的地面示功图；

根据抽油杆在井下抽油过程中的运动情况，得到诊断井下抽油泵工况的方程组；

根据所述井下抽油泵工况的方程组，计算得到所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系；

对所述地面示功图进行离散化处理，得到所述抽油机在多个时间段的悬点载荷以及与所述多个时间段的悬点载荷中各个时间段的悬点载荷相对应的悬点位移；

根据所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系、所述抽油机在多个时间段的悬点载荷以及所述相对应的悬点位移，从距离所述井下抽油泵最远的一级杆柱截面至距离所述井下抽油泵最近的一级杆柱截面，逐级计算得到距离所述井下抽油泵最近的一级杆柱截面的截面载荷和与所述截面载荷相对应的截面位移；

根据距离所述井下抽油泵最近的一级杆柱截面的截面载荷和截面位移绘制井下抽油泵功图；

将所述井下抽油泵功图与预设的泵功图进行对比，确定所述井下抽油泵的工作状况，

其中，当所述抽油杆处于上冲程时，按照以下公式计算所述截面载荷：

F_1jN,j＝p₀(A_p-A_r)-p_iA_p

当所述抽油杆处于下冲程时，按照以下公式计算所述截面载荷：

F_2jN,j＝-p₀A_r

其中，F_ij表示所述抽油杆的任意截面i在j时刻的动载荷，Δx表示沿所述抽油杆方向上的步长，i表示所述抽油杆杆步长的下标，j表示时间步长的下标，F_1jN,j表示当所述抽油杆处于上冲程时所述抽油杆对应的静载荷，p₀表示所述抽油泵的排出压力，p_i表示所述抽油泵的吸入压力，F_2jN,j表示当所述抽油杆处于下冲程时所述抽油杆对应的静载荷，A_p表示抽油泵柱塞截面积，A_r表示末端抽油杆截面积，E_r表示抽油杆弹性模量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述井下抽油泵工况的方程组，计算得到所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系，包括：

采用有限差分法求解所述诊断井下抽油泵工况的方程组，得到所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系方程。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系包括：

其中，u表示所述抽油杆在各级杆柱截面处的位移，Δx表示沿所述抽油杆方向上的步长，i表示所述抽油杆杆步长的下标，Δt表示时间步长，j表示时间步长的下标，c表示阻尼系数，a表示声波速度。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按照以下公式计算与所述截面载荷相对应的截面位移：

s(i,j)＝u_si+u_ij

其中，

其中，s(i,j)表示在不同时间段第i级抽油杆在j时刻的总位移，u_si表示在任意时刻第i级抽油杆的静位移，u_ij表示在任意时刻第i级抽油杆的动位移，δ_sj表示不同时间段第i级抽油杆由于浮重产生的静伸长量。

5.一种井下抽油泵工况的诊断装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取抽油机的地面示功图；

诊断方程获取模块，用于根据抽油杆在井下抽油过程中的运动情况，得到诊断井下抽油泵工况的方程组；

计算模块，用于根据所述井下抽油泵工况的方程组，计算得到所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系；

离散化处理模块，用于对所述地面示功图进行离散化处理，得到所述抽油机在多个时间段的悬点载荷以及与所述多个时间段的悬点载荷中各个时间段的悬点载荷相对应的悬点位移；

逐级计算模块，用于根据所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系、所述抽油机在多个时间段的悬点载荷以及所述相对应的悬点位移，从距离所述井下抽油泵最远的一级杆柱截面至距离所述井下抽油泵最近的一级杆柱截面，逐级计算得到距离所述井下抽油泵最近的一级杆柱截面的截面载荷和与所述截面载荷相对应的截面位移；

泵功图绘制模块，用于根据距离所述井下抽油泵最近的一级杆柱截面的截面载荷和截面位移绘制井下抽油泵功图；

工作状况确定模块，用于将所述井下抽油泵功图与预设的泵功图进行对比，确定所述井下抽油泵的工作状况，

其中，当所述抽油杆处于上冲程时，所述逐级计算模块用于按照以下公式计算所述截面载荷：

F_1jN,j＝p₀(A_p-A_r)-p_iA_p

当所述抽油杆处于下冲程时，所述逐级计算模块用于按照以下公式计算所述截面载荷：

F_2jN,j＝-p₀A_r

其中，F_ij表示所述抽油杆的任意截面i在j时刻的动载荷，Δx表示沿所述抽油杆方向上的步长，i表示所述抽油杆杆步长的下标，j表示时间步长的下标，F_1jN,j表示当所述抽油杆处于上冲程时所述抽油杆对应的静载荷，p₀表示所述抽油泵的排出压力，p_i表示所述抽油泵的吸入压力，F_2jN,j表示当所述抽油杆处于下冲程时所述抽油杆对应的静载荷，A_p表示抽油泵柱塞截面积，A_r表示末端抽油杆截面积，E_r表示抽油杆弹性模量。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述计算模块包括：

位移关系方程获取单元，用于采用有限差分法求解所述诊断井下抽油泵工况的方程组，得到所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系方程。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，位移关系方程获取单元用于按照以下公式计算所述抽油杆各级杆柱截面之间的位移关系：

其中，u表示所述抽油杆在各级杆柱截面处的位移，Δx表示沿所述抽油杆方向上的步长，i表示所述抽油杆杆步长的下标，Δt表示时间步长，j表示时间步长的下标，c表示阻尼系数，a表示声波速度。

8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，逐级计算模块用于按照以下公式计算与所述截面载荷相对应的截面位移：

s(i,j)＝u_si+u_ij

其中，

其中，s(i,j)表示在不同时间段第i级抽油杆在j时刻的总位移，u_si表示在任意时刻第i级抽油杆的静位移，u_ij表示在任意时刻第i级抽油杆的动位移，δ_sj表示不同时间段第i级抽油杆由于浮重产生的静伸长量。