CN106682815B - 一种抽油井监控系统及监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抽油井监控系统及监控方法，该监控系统包括监控装置、抽油机和电动机，所述监控装置包括微处理器模块、存储器、电动机控制器和抽油井检测模块，所述微处理器模块的输入端接有数据采集单元和参数设置单元，所述微处理器模块的输出端接有液晶显示屏、预警装置和平衡块调整指示单元；该监控方法包括步骤：一、故障样本获取；二、判断抽油井是否正常工作；三、判断抽油机是否平衡；四、抽油井系统效率和百米顿液耗电量计算并同步输出。本发明结构简单、设计合理且使用操作简便、功能全面、使用效果好，能对抽油井故障诊断、抽油机平衡状态和抽油井系统效率进行及时、准确监测。

Description

一种抽油井监控系统及监控方法

技术领域

本发明属于抽油井监控技术领域，尤其是涉及一种抽油井监控系统及监控方法。

背景技术

现如今，机械采油是我国石油开采中所采用的主要的开采方式，我国的机械采油井约在全部抽油井总数的90％以上，目前的机械采油主要包括有杆泵、无杆泵、气举和其他等抽油系统，其中，有杆泵抽油系统是机械采油中主要的机械采油方式，有杆泵抽油井占机械抽油井的90％左右，产量占75％以上，随着科技的发展和生产规模的不断增大，我们的石油开采量也不断地增加，有杆泵抽油系统朝着低能耗和高效率的方向发展，同时，也导致有杆泵抽油系统能耗严重,效率普遍偏低,有杆泵抽油系统中故障频繁发生，因此，必须对有杆泵抽油井进行有效监控，提高抽油系统效率,降低石油开采成本,实现高效经济采油。

目前，有杆泵抽油井主要存在以下问题：

(1)有杆泵抽油井在开采过程中的故障

有杆泵抽油井开采过程中游动阀漏失、游动阀严重漏失或失灵、游动阀打开滞后、游动阀关闭滞后、固定阀漏失、固定阀严重漏失或失灵、固定阀堵死、游动阀和固定阀同时漏失、油管漏失、油管断脱、油管弯曲、抽油杆断脱、泵漏失、泵筒均匀腐蚀、泵筒中部拉槽、泵供液不足、泵充不满、气体影响、气锁、供液不足、上死点碰挂、柱塞下碰、振动载荷、惯性载荷大、柱塞与泵筒间隙过小、柱塞脱出泵筒、柱塞部分脱出泵筒、柱塞未完全进入泵筒、沙卡、蜡卡、卡泵、齿轮磨损、皮带打滑、抽喷和盘根盒过紧等故障，有杆泵抽油井一旦发生以上事故，轻则造成抽油井中相关设备使用寿命的减少和生产停产，重则发生抽油井设备损坏和抽油井工作人员伤亡等严重事故。

(2)有杆泵抽油井系统中抽油机不平衡问题

抽油机在工作过程中，会出现抽油机不平衡问题，抽油机不平衡时，会造成电动机作负功，降低电动机的使用效率和寿命；另外，抽油机工作过程中易发生剧烈振动而缩短抽油机的寿命；抽油机不平衡还会造成驴头上、下摆动不均匀，从而影响抽油机和抽油泵的正常工作。

(3)有杆泵抽油井系统效率和间抽时间问题

有杆泵抽油过程中，当油井中供液不足时，抽油机等相关设备持续工作不仅会造成能源的浪费，而且容易造成设备损坏，因此调整有杆泵抽油井的间抽时间是非常重要的，可以有效提高有杆泵抽油井生产效率。

针对上述问题，国内外分别采取了相应的解决措施，具体方法如下：

第一、采用示功图对有杆泵抽油井的故障进行判断识别：有杆泵抽油井的故障判断主要是防止有杆泵抽油井存在故障，造成生产事故，目前具体的判断方法有：(1)采用人工巡视的方式进行检查，通过人工经验对抽油机可能发生的故障进行初判；(2)利用矢量特征法对多边形逼近处理后的泵示功图中的故障进行识别；(3)根据晓波函数对电动机的功率进行分析，确定抽油机的故障；(4)利用基于粒子群优化的谱聚类算法对量化后的泵示功图特征向量进行聚类，完成有杆泵抽油井故障诊断。目前，对于泵示功图的特征提取方法，主要有面积法、匹配法、网格法、矢量法等。但是这些方法比较复杂且准确性和有效性都不高。

第二、目前，有杆泵抽油井主要采用观察法和测电流法对抽油机的平衡进行检测，观察法需要工作人员眼睛观察，受人为因素干扰，检测不准确；测电流法不一定能保证抽油机一定平衡。

第三、在油田开采过程中,目前一般未设置相关油井动液面检测装置和抽油井系统效率检测装置，不能及时获取油井液位和系统效率，合理安排间抽时间包括关井时间和生产时间，调整抽油井系统效率，减少能源浪费和设备损耗。

另外，现如今抽油井监控系统所采用的各个检测模块相互独立，不能实现信息融合和综合判断，因此研究一种抽油井监控系统及监控方法，集抽油井故障诊断、抽油机平衡状态和抽油井系统效率于一体，保证抽油井高效、低功耗、安全运行，减少能源浪费和设备损耗，对石油开采安全生产具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种抽油井监控系统，其结构简单、设计合理且使用操作简便、功能全面、使用效果好，能对抽油井故障诊断、抽油机平衡状态和抽油井系统效率进行及时、准确监测。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种抽油井监控系统，其特征在于：包括监控装置、抽油机和用于驱动抽油机进行抽油的电动机，所述监控装置包括微处理器模块、与微处理器模块相接的存储器、对电动机进行控制的电动机控制器和对被监测抽油井的工作状况进行检测的抽油井检测模块，所述微处理器模块的输入端接有数据采集单元和用于参数设定的参数设置单元，所述微处理器模块的输出端接有液晶显示屏、预警装置和平衡块调整指示单元，所述电动机控制器与微处理器模块连接，且所述电动机控制器由微处理器模块进行控制；

所述抽油井检测模块包括井口油管压力检测模块、井口套管压力检测模块、井液密度检测模块、抽油机冲次检测模块、油井日产液量检测模块和对抽油井动液面深度进行检测的油井动液面检测模块，以及对抽油机驴头悬点处的载荷进行检测的载荷传感器、对抽油机驴头悬点处的位移进行检测的位移传感器、对电动机的电流进行检测的电流检测模块和对电动机的电压进行检测的电压检测模块，所述载荷传感器、位移传感器、井口油管压力检测模块、井口套管压力检测模块、井液密度检测模块、抽油机冲次检测模块、油井日产液量检测模块、油井动液面检测模块、电流检测模块和电压检测模块均与数据采集单元连接。

上述的一种抽油井监控系统，其特征在于：所述微处理器模块包括单片机、ARM微处理器或DSP微处理器。

上述的一种抽油井监控系统，其特征在于：所述电流检测模块包括电流互感器，所述电压检测模块包括电压互感器。

上述的一种抽油井监控系统，其特征在于：包括用于与上位机进行通信的计算机接口电路，所述计算机接口电路和微处理器模块相接。

同时，本发明还公开一种方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好的抽油井监控方法，能对抽油井故障诊断、抽油机平衡状态和抽油井系统效率进行及时、准确监测并根据监测结果进行预警和同步输出，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、故障样本获取，其获取过程如下：

步骤101、故障信号采集：对被监测抽油井在D种不同故障状态下，分别进行故障信号的采集，获得与D种不同故障对应的D组故障检测数据，并将D组所述故障检测数据同步存入与微处理器模块相接的存储器中；其中，对任一个故障状态进行故障信号采集时，在抽油机上冲程和下冲程一个周期内，采用位移传感器和载荷传感器分别对抽油机驴头悬点的故障位移和故障载荷进行检测，并通过数据采集单元对位移传感器所检测到的故障位移信号和载荷传感器所检测到的故障载荷信号分别进行采样，且将不同采样时刻所采集到的N个故障载荷W_gi和N个与故障载荷W_gi对应的故障位移S_gi均同步传送至微处理器模块，微处理器模块将N个故障位移S_gi和N个故障载荷W_gi一一对应存储至与微处理器模块相接的存储器中，获得与任一个所述故障状态对应的故障检测数据，所述故障检测数据为由故障位移S_gi和故障载荷W_gi组成的N维故障特征数组，并记作[S_gi,W_gi]，其中，i为正整数且i＝1、2、3、...、N，且N为偶数，所述故障检测数据包括在抽油机上冲程内检测到的上故障特征数组[S_g1,W_g1]～[S_gn,W_gn]和在抽油机下冲程内检测到的下故障特征数组[S_gn+1,W_gn+1]～[S_gN,W_gN],其中，n＝N/2；

步骤102、故障检测数据的归一化处理

采用微处理器模块调用归一化处理模块分别对D组所述故障检测数据进行归一化处理，得到D组归一化故障检测数据，并将D个所述归一化故障检测数据存储在所述存储器中；其中，对任一个所述故障检测数据进行归一化处理时，首先，采用微处理器模块调用归一化处理模块对所述上故障特征数组进行归一化处理，得到归一化上故障特征数组，再采用微处理器模块调用归一化处理模块对所述下故障特征数组进行归一化处理，得到归一化下故障特征数组；

步骤103、故障样本获取：

采用微处理器模块对D个所述归一化故障检测数据分别进行插值处理，获取D个故障样本的方法均相同且均采用微处理器模块进行插值处理；

对于D个所述归一化故障检测数据中的任一个所述归一化故障检测数据进行插值处理，获取故障样本过程如下：

步骤1031、对步骤102中所述归一化上故障特征数组，采用拉格朗日多项式插值法，取等间距为s的故障插值位移点将所述归一化上故障特征数组中的载荷进行插值，得到插值后的归一化上故障特征数组，并记作

其中，/>

表示插值后的归一化上故障特征数组中第j个故障插值位移点对应的第j个上故障插值载荷点，j为正整数，且j的取值范围为/>

步骤1032、对步骤102中所述归一化下故障特征数组，采用拉格朗日多项式插值法进行插值，取等间距为s的故障插值位移点将所述归一化下故障特征数组中的载荷进行插值，得到插值后的归一化下故障特征数组，并记作

其中，/>

表示插值后的归一化下故障特征数组中第j个故障插值位移点对应的第j个下故障插值载荷点；

步骤1033、将步骤1031中所述插值后的归一化上故障特征数组和步骤1032中所述插值后的归一化下故障特征数组均同步存储在所述存储器中，得到故障样本，并记作A_m，其中，m表示故障样本的序号，m为正整数，且m的取值范围为1～D；

步骤1034、多次重复步骤1031至步骤1033，直至完成D个所述归一化故障检测数据的插值处理，得到与被监测抽油井D种不同故障状态对应的D种故障样本，即故障样本A₁，A₂，...，A_D，并将D种所述故障样本存储在所述存储器中；

步骤二、判断抽油井是否正常工作，具体过程如下：

步骤201、信号实时采集：对被监测抽油井在当前工作状态下，在抽油机上冲程和下冲程一个周期内，位移传感器对抽油机驴头悬点的待诊断位移信号进行检测并将检测到的待诊断位移S_di通过数据采集单元进行采样；同时，采用载荷传感器对抽油机驴头悬点的待诊断载荷信号进行检测并将检测到的待诊断载荷W_di通过数据采集单元进行采样，数据采集单元将不同采样时刻所采集到的N个待诊断位移S_di和N个与待诊断位移S_di对应的待诊断载荷W_di均同步传送至微处理器模块，微处理器模块将N个待诊断位移S_di和N个待诊断载荷W_di一一对应存储至存储器中，获得当前工作状态检测数据，且所述当前工作状态检测数据对应的待诊断检测数据为由N个待诊断位移S_di和N个待诊断载荷W_di组成的N维待诊断检测数组，并记作[S_di,W_di]，其中，i为正整数且i＝1、2、3、...、N；

所述待诊断检测数据包括在抽油机上冲程内检测到的上检测特征数组[S_d1,W_d1]～[S_dn,W_dn]和在抽油机下冲程内检测到的下检测特征数组[S_dn+1,W_dn+1]～[S_dN,W_dN],其中，n＝N/2；

步骤202、待诊断检测数据处理：

步骤2021、采用微处理器模块调用归一化处理模块对步骤201中所述待诊断检测数据进行归一化处理，得到归一化待诊断检测数据，并将所述归一化待诊断检测数据存储在所述存储器中；其中，对步骤201中所述待诊断检测数据进行归一化处理时，首先，采用微处理器模块调用归一化处理模块对所述上检测特征数组进行归一化处理，得到归一化上检测特征数组，再采用微处理器模块调用归一化处理模块对所述下检测特征数组进行归一化处理，得到归一化下检测特征数组；

步骤2022、对所述归一化待诊断检测数据，采用微处理器模块进行插值处理，具体过程为：

首先，对所述归一化上检测特征数组，采用拉格朗日多项式插值法，取等间距为s的待诊断插值位移点将所述上检测特征数组中的载荷进行插值，得到插值后的归一化上检测特征数组，并记作

其中，/>

表示插值后的归一化上检测特征数组中第j个待诊断插值位移点对应的第j个上待诊断插值载荷点；

然后，对所述归一化下检测特征数组，采用拉格朗日多项式插值法进行插值，取等间距为s的待诊断插值位移点将所述下检测特征数组中的载荷进行插值，得到插值后的归一化下检测特征数组，并记作

其中，/>

表示插值后的归一化下检测特征数组中第j个待诊断插值位移点对应的第j个下待诊断插值载荷点；

最后，将所述插值后的归一化上检测特征数组和所述插值后的归一化下检测特征数组存储在所述存储器中，得到待诊断样本，并记作B；

步骤203、标准差计算：采用所述微处理器模块且根据公式

对步骤202中所述待诊断样本B与D种所述故障样本中任一故障样本A_m之间的标准差进行计算；

步骤204、相似度计算：采用所述微处理器模块且根据公式R_m＝1-d(B,A_m)，对步骤202中所述待诊断样本B与D种所述故障样本中任一故障样本A_m之间的相似度R_m进行计算；

步骤205、多次重复步骤203至步骤204，直至计算得出步骤202中所述待诊断样本B与D种所述故障样本之间的相似度；

步骤206、将步骤205中计算得出的所述待诊断样本B与D种所述故障样本之间的相似度由大到小的顺序进行排列，采用微处理器模块确定出所述待诊断样本B的最大相似度R_max；

步骤207：判断抽油井是否正常工作：采用所述微处理器模块且根据判定条件R_max≥ε进行判定，其中，ε为故障因子，当判定条件R_max≥ε不成立时，说明抽油机正常工作，执行步骤三；当判定条件R_max≥ε成立时，说明抽油机未正常工作，执行步骤208；

步骤208：系统预警及故障类型同步输出：当抽油机未正常工作时，微处理器模块控制预警装置进行报警提示，同时，微处理器模块控制液晶显示屏输出所述待诊断样本B的故障类型；

步骤三：判断抽油机是否平衡，其判断过程如下：

步骤301、电动机电流和电压信号采集：采用电流检测模块对电动机的电流进行检测并将检测到的电流i(t)通过数据采集单元输出给微处理器模块，采用电压检测模块对电动机的电压进行检测并将检测到的电压u(t)通过数据采集单元输出给微处理器模块；

步骤302、平衡块重心调整量计算，具体过程为：

首先，采用微处理器模块且根据公式P(t)＝u(t)·i(t)，计算得到电动机的功率函数P(t)，再对所述功率函数P(t)进行傅里叶级数展开，得到傅里叶级数展开后的结果

其中，/>

a₀表示功率函数P(t)的直流分量，

表示功率函数P(t)各次谐波的余弦分量幅度，/>

表示功率函数P(t)各次谐波的正弦分量幅度，/>

ω表示曲柄轴的角速度，T为抽油机在上冲程和下冲程过程的冲程周期；

然后，采用微处理器模块且根据公式

计算得到功率函数P(t)的一阶正弦分量幅度b₁，再采用微处理器模块且根据公式/>

计算得到平衡块重心调整量ΔL，微处理器模块控制液晶显示屏对平衡块重心调整量ΔL进行显示，其中，G为平衡块的重量；

步骤303、判断抽油机是否平衡，具体过程为：判断步骤302中计算得到的平衡块重心调整量ΔL是否为0，当所述平衡块重心调整量ΔL＝0，说明抽油机平衡，则执行步骤306；当所述平衡块重心调整量ΔL不等于0，说明抽油机不平衡，则执行步骤304至步骤305；

步骤304、系统预警及抽油机平衡调整：当抽油机不平衡时，微处理器模块控制预警装置进行报警提示，同时，微处理器模块控制平衡块调整指示单元对抽油机中的平衡块方向进行指示，工作人员根据所述平衡块重心调整量ΔL人工调整；

步骤305、多次重复步骤301至步骤303，直至平衡块重心调整量ΔL＝0，使抽油机平衡；

步骤306、系统平衡结果同步输出：微处理器模块控制液晶显示屏输出抽油机平衡结果；

步骤四：抽油井系统效率和百米吨液耗电量计算并同步输出，具体过程为：

步骤401、影响抽油井系统效率及百米吨液耗电数据的采集：使用井口油管压力检测模块对井口油管压力进行检测并将检测到的井口油管压力P_y通过数据采集单元输出给微处理器模块，使用井口套管压力检测模块对井口套管压力进行检测并将检测到的井口套管压力P_t通过数据采集单元输出给微处理器模块；同时，使用井液密度检测模块对抽油井井液密度进行检测并将检测到的抽油井井液密度ρ通过数据采集单元输出给微处理器模块；使用油井动液面检测模块对抽油井动液面深度进行检测并将检测到的抽油井动液面深度H通过数据采集单元输出给微处理器模块,使用油井日产液量检测模块对抽油井日产液量进行检测并将检测到的抽油井日产液量Q通过数据采集单元输出给微处理器模块；同时，使用抽油机冲次检测模块对抽油机冲次进行检测并将检测到的抽油机冲次m′通过数据采集单元输出给微处理器模块；

步骤402、抽油井系统效率计算，具体过程为：

步骤4021、地面效率计算：

首先，对步骤201中所述当前工作状态检测数据，以待诊断位移S_di为横坐标，以待诊断载荷W_di为纵坐标，采用微处理器模块调用示功图绘制模块，得到当前工作状态示功图，且采用微处理器模块且根据公式

其中，W_di表示第i个采样时刻载荷传感器采集到的待诊断载荷，S_di表示第i个采样时刻位移传感器采集到的待诊断位移，S_d(i+1)表示第i+1个采样时刻位移传感器采集到的待诊断位移，计算得到抽油机的光杆功率P_r，同时，采用微处理器模块且根据公式/>

计算得到电动机的平均功率/>

然后，采用微处理器模块且根据公式/>

计算得到地面效率η_m；

步骤4022、地下效率计算：

首先，采用微处理器模块且根据公式

计算得到抽油机的有效功率P_d，其中，g为重力加速度；然后，采用微处理器模块且根据公式/>

计算得到地下效率η_x；/>

步骤4023、抽油井系统效率计算：采用微处理器模块且根据公式η＝η_m·η_x，计算得到抽油井系统效率η，同时，微处理器模块控制液晶显示屏输出抽油井系统效率η；

步骤403、百米吨液耗电量计算：首先，采用微处理器模块且根据公式

计算得到抽油井24小时的耗电量E；再采用微处理器模块且根据公式/>

计算得到百米吨液耗电量，其中，同时，微处理器模块控制液晶显示屏输出百米吨液耗电量。

上述的抽油井监控方法，其特征在于：步骤102中采用微处理器模块对所述上故障特征数组和所述下故障特征数组进行归一化处理的方法均相同，对所述上故障特征数组和所述下故障特征数组进行归一化处理，具体过程为：

首先，采用微处理器模块且根据公式

分别对所述上故障特征数组和所述下故障特征数组中故障位移S_gi进行归一化处理，得到所述上故障特征数组和所述下故障特征数组中故障位移S_gi的归一化处理结果S^* _gi，其中，S_gmax为所述上故障特征数组或者所述下故障特征数组中故障位移S_gi的最大值，S_gmin为所述上故障特征数组或者所述下故障特征数组中故障位移S_gi的最小值；

然后，采用微处理器模块且根据公式

对所述上故障特征数组和所述下故障特征数组中故障载荷W_gi进行归一化处理，得所述上故障特征数组和所述下故障特征数组中故障载荷W_gi的归一化处理结果W^* _gi，其中，W_gmax为所述上故障特征数组或者所述下故障特征数组中故障载荷W_gi的最大值，W_gmin为所述上故障特征数组或者所述下故障特征数组中故障载荷W_gi的最小值；

最后得到所述归一化上故障特征数组和所述归一化下故障特征数组。

上述的抽油井监控方法，其特征在于：步骤2021中采用微处理器模块对所述上检测特征数组和所述下检测特征数组进行归一化处理的方法均相同，对所述上检测特征数组和所述下检测特征数组进行归一化处理，具体过程为：

首先，采用微处理器模块且根据公式

分别对所述上检测特征数组和所述下检测特征数组中的待诊断位移S_di进行归一化处理，得到所述上检测特征数组和所述下检测特征数组中待诊断位移S_di的归一化处理结果S^* _di，其中，S_dmax为所述上检测特征数组或者所述下检测特征数组中待诊断位移的最大值，S_dmin为所述上检测特征数组或者所述下检测特征数组中待诊断位移的最小值；

然后，采用微处理器模块且根据公式

对所述上检测特征数组和所述下检测特征数组中待诊断载荷W_di进行归一化处理，得到所述上检测特征数组和所述下检测特征数组中待诊断载荷W_di的归一化处理结果W^* _di，其中，W_dmax为所述上检测特征数组或者所述下检测特征数组中待诊断载荷的最大值，W_dmin为所述上检测特征数组或者所述下检测特征数组中待诊断载荷的最小值；/>

最后得到所述归一化上检测特征数组和所述归一化下检测特征数组。

上述的抽油井监控方法，其特征在于：步骤101中N的取值范围为N≥144。

上述的抽油井监控方法，其特征在于：所述间距s的取值范围为0＜s＜1。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、所采用的抽油井监控系统结构简单、设计合理且投入成本较低、且安装布设方便。

2、所采用的抽油井监控系统功能全面，通过载荷传感器和位移传感器对驴头悬点处的载荷和位移进行实时检测，根据驴头悬点处的载荷和位移经过数据采集单元发送至微处理器模块，经过微处理器模块的处理，实现对抽油井是否存在故障及所存在故障的类型的实时监测，实现了抽油井故障的诊断；通过电流检测模块和电压检测模块对电动机的电流和电压进行检测，经过数据采集单元发送至微处理器模块，经过微处理器模块的处理，实现对抽油机平衡状态及时和准确的监测；通过井口油管压力检测模块、井口套管压力检测模块、井液密度检测模块、油井动液面检测模块、油井日产液量检测模块和抽油机冲次检测模块分别对井口油管压力、井口套管压力、抽油井井液密度、抽油井动液面深度、抽油井日产液量和抽油机冲次进行检测，经过数据采集单元发送至微处理器模块，经过微处理器模块的处理，实现对抽油井系统效率的及时和准确的监测；从而将抽油井故障诊断、抽油机平衡状态和抽油井系统效率有机联系为一体，各部分之间相互联系，当运行监控系统监测到抽油井出现故障时，则立即控制抽油机停机，同时发出故障报警提示并同步输出故障类型；同时，当监测到抽油机不平衡时，微处理器模块控制平衡块调整指示单元对抽油机中的平衡块的调整方向进行指示便于工作人员进行人工调整至抽油机平衡并同步输出抽油机平衡结果。因而，本发明所采用的抽油井监控系统集抽油井故障诊断、抽油机平衡状态和抽油井系统效率于一体，保证抽油井高效、低功耗、安全运行，减少能源浪费和设备损耗，对石油开采安全生产具有重要意义。

3、所采用的抽油井监控系统使用操作简便，通过数据采集单元对各个检测模块所检测到的参数进行采集，并发送至微处理器模块，微处理器模块对所接收的参数进行分析处理即可，无需工作人员在抽油井现场对抽油井的工作状态进行监测，省工省时，且人员安全。

4、采用的抽油井监控系统使用效果好且实用价值高，通过对实时检测到的抽油井工作状况分析处理，对抽油井存在的安全隐患进行及时、准确监测，并且根据所检测的抽油井信息能对多种类型的故障进行诊断，推广应用前景广泛。

5、所采用的抽油井监控方法步骤简单、设计合理且实现方便，投入成本较低。

6、所采用的抽油井监控方法数据处理速度快，能同步分析处理得出抽油井的故障诊断结果，同时发出故障报警提示并同步输出故障类型，实时性强，识别速度快且识别精度高。

7、所采用的抽油井监控方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，首先对抽油井是否存在故障进行诊断，并且诊断结果准确，同时将故障诊断结果同步显示，提供直观、准确且实时有效的故障诊断结果，因而能对抽油井的故障进行及时、准确监测，并能根据监测结果进行预警，从而根据监测结果采取对应的有效处理措施；当抽油井系统未存在故障时，再对抽油机的平衡状态进行分析，并且分析结果准确，同时，将抽油机的平衡状态同步显示，提供直观、准确且实时有效的分析结果，并且根据抽油机的平衡状态分析结果，因而能及时、准确地监测抽油机的平衡状态，且可进行调整直至抽油机平衡，抽油井平衡后，对抽油井西荣效率进行实时监测，确保抽油井系统效率最佳，同时降低抽油井能耗，保证抽油井高效、低功耗、安全运行。

综上所述，本发明设计合理、使用操作简便、实现方便且使用效果好、实用价值高，集抽油井故障诊断、抽油机平衡状态和抽油井系统效率于一体，保证抽油井高效、低功耗、安全运行。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明抽油井监控系统的结构示意图。

图2为本发明监控方法的流程框图。

附图标记说明:

1—电动机；1-1—电动机控制器；2—微处理器模块；

3—抽油机；4—载荷传感器；5—位移传感器；

6—参数设置单元；7—计算机接口电路；

8—井口油管压力检测模块；9—井口套管压力检测模块；；

10—井液密度检测模块； 11—抽油机冲次检测模块；

13—油井日产液量检测模块； 14—油井动液面检测模块；

15—平衡块调整指示单元；16—电流检测模块；

17—电压检测模块；18—数据采集单元；

19—预警装置；20—液晶显示屏；

21—存储器。

具体实施方式

如图1所示的一种抽油井监控系统，包括监控装置、抽油机3和用于驱动抽油机3进行抽油的电动机1，所述监控装置包括微处理器模块2、与微处理器模块2相接的存储器21、对电动机1进行控制的电动机控制器1-1和对被监测抽油井的工作状况进行检测的抽油井检测模块，所述微处理器模块2的输入端接有数据采集单元18和用于参数设定的参数设置单元6，所述微处理器模块2的输出端接有液晶显示屏20、预警装置19和平衡块调整指示单元15，所述电动机控制器1-1与微处理器模块2连接，且所述电动机控制器1-1由微处理器模块2进行控制；

所述抽油井检测模块包括井口油管压力检测模块8、井口套管压力检测模块9、井液密度检测模块10、抽油机冲次检测模块11、油井日产液量检测模块13和对抽油井动液面深度进行检测的油井动液面检测模块14，以及对抽油机3驴头悬点处的载荷进行检测的载荷传感器4、对抽油机3驴头悬点处的位移进行检测的位移传感器5、对电动机1的电流进行检测的电流检测模块16和对电动机1的电压进行检测的电压检测模块17，所述载荷传感器4、位移传感器5、井口油管压力检测模块8、井口套管压力检测模块9、井液密度检测模块10、抽油机冲次检测模块11、油井日产液量检测模块13、油井动液面检测模块14、电流检测模块16和电压检测模块17均与数据采集单元18连接。

本实施例中，所述微处理器模块2包括单片机、ARM微处理器或DSP微处理器。

本实施例中，所述电流检测模块16包括电流互感器，所述电压检测模块17包括电压互感器。

本实施例中，包括用于与上位机进行通信的计算机接口电路7，所述计算机接口电路7和微处理器模块2相接。

本实施例中，所述抽油机冲次检测模块包括霍尔接近开关。

如图2所示的一种抽油井监控方法，包括以下步骤：

步骤一、故障样本获取，其获取过程如下：

步骤101、故障信号采集：对被监测抽油井在D种不同故障状态下，分别进行故障信号的采集，获得与D种不同故障对应的D组故障检测数据，并将D组所述故障检测数据同步存入与微处理器模块2相接的存储器21中；其中，对任一个故障状态进行故障信号采集时，在抽油机3上冲程和下冲程一个周期内，采用位移传感器5和载荷传感器4分别对抽油机3驴头悬点的故障位移和故障载荷进行检测，并通过数据采集单元18对位移传感器5所检测到的故障位移信号和载荷传感器4所检测到的故障载荷信号分别进行采样，且将不同采样时刻所采集到的N个故障载荷W_gi和N个与故障载荷W_gi对应的故障位移S_gi均同步传送至微处理器模块2，微处理器模块2将N个故障位移S_gi和N个故障载荷W_gi一一对应存储至与微处理器模块2相接的存储器21中，获得与任一个所述故障状态对应的故障检测数据，所述故障检测数据为由故障位移S_gi和故障载荷W_gi组成的N维故障特征数组，并记作[S_gi,W_gi]，其中，i为正整数且i＝1、2、3、...、N，且N为偶数，所述故障检测数据包括在抽油机3上冲程内检测到的上故障特征数组[S_g1,W_g1]～[S_gn,W_gn]和在抽油机3下冲程内检测到的下故障特征数组[S_gn+1,W_gn+1]～[S_gN,W_gN],其中，n＝N/2；

步骤102、故障检测数据的归一化处理

采用微处理器模块2调用归一化处理模块分别对D组所述故障检测数据进行归一化处理，得到D组归一化故障检测数据，并将D个所述归一化故障检测数据存储在所述存储器21中；其中，对任一个所述故障检测数据进行归一化处理时，首先，采用微处理器模块2调用归一化处理模块对所述上故障特征数组进行归一化处理，得到归一化上故障特征数组，再采用微处理器模块2调用归一化处理模块对所述下故障特征数组进行归一化处理，得到归一化下故障特征数组；

步骤103、故障样本获取：

采用微处理器模块2对D个所述归一化故障检测数据分别进行插值处理，获取D个故障样本的方法均相同且均采用微处理器模块2进行插值处理；

对于D个所述归一化故障检测数据中的任一个所述归一化故障检测数据进行插值处理，获取故障样本过程如下：

步骤1031、对步骤102中所述归一化上故障特征数组，采用拉格朗日多项式插值法，取等间距为s的故障插值位移点将所述归一化上故障特征数组中的载荷进行插值，得到插值后的归一化上故障特征数组，并记作

其中，/>

表示插值后的归一化上故障特征数组中第j个故障插值位移点对应的第j个上故障插值载荷点，j为正整数，且j的取值范围为/>

步骤1032、对步骤102中所述归一化下故障特征数组，采用拉格朗日多项式插值法进行插值，取等间距为s的故障插值位移点将所述归一化下故障特征数组中的载荷进行插值，得到插值后的归一化下故障特征数组，并记作

其中，/>

表示插值后的归一化下故障特征数组中第j个故障插值位移点对应的第j个下故障插值载荷点；

步骤1033、将步骤1031中所述插值后的归一化上故障特征数组和步骤1032中所述插值后的归一化下故障特征数组均同步存储在所述存储器21中，得到故障样本，并记作A_m，其中，m表示故障样本的序号，m为正整数，且m的取值范围为1～D；

步骤1034、多次重复步骤1031至步骤1033，直至完成D个所述归一化故障检测数据的插值处理，得到与被监测抽油井D种不同故障状态对应的D种故障样本，即故障样本A₁，A₂，...，A_D，并将D种所述故障样本存储在所述存储器21中；

步骤二、判断抽油井是否正常工作，具体过程如下：

步骤201、信号实时采集：对被监测抽油井在当前工作状态下，在抽油机3上冲程和下冲程一个周期内，位移传感器5对抽油机3驴头悬点的待诊断位移信号进行检测并将检测到的待诊断位移S_di通过数据采集单元18进行采样；同时，采用载荷传感器4对抽油机3驴头悬点的待诊断载荷信号进行检测并将检测到的待诊断载荷W_di通过数据采集单元18进行采样，数据采集单元18将不同采样时刻所采集到的N个待诊断位移S_di和N个与待诊断位移S_di对应的待诊断载荷W_di均同步传送至微处理器模块2，微处理器模块2将N个待诊断位移S_di和N个待诊断载荷W_di一一对应存储至存储器21中，获得当前工作状态检测数据，且所述当前工作状态检测数据对应的待诊断检测数据为由N个待诊断位移S_di和N个待诊断载荷W_di组成的N维待诊断检测数组，并记作[S_di,W_di]，其中，i为正整数且i＝1、2、3、...、N；

所述待诊断检测数据包括在抽油机3上冲程内检测到的上检测特征数组[S_d1,W_d1]～[S_dn,W_dn]和在抽油机3下冲程内检测到的下检测特征数组[S_dn+1,W_dn+1]～[S_dN,W_dN],其中，n＝N/2；

步骤202、待诊断检测数据处理：

步骤2021、采用微处理器模块2调用归一化处理模块对步骤201中所述待诊断检测数据进行归一化处理，得到归一化待诊断检测数据，并将所述归一化待诊断检测数据存储在所述存储器21中；其中，对步骤201中所述待诊断检测数据进行归一化处理时，首先，采用微处理器模块2调用归一化处理模块对所述上检测特征数组进行归一化处理，得到归一化上检测特征数组，再采用微处理器模块2调用归一化处理模块对所述下检测特征数组进行归一化处理，得到归一化下检测特征数组；

步骤2022、对所述归一化待诊断检测数据，采用微处理器模块2进行插值处理，具体过程为：

首先，对所述归一化上检测特征数组，采用拉格朗日多项式插值法，取等间距为s的待诊断插值位移点将所述上检测特征数组中的载荷进行插值，得到插值后的归一化上检测特征数组，并记作

其中，/>

表示插值后的归一化上检测特征数组中第j个待诊断插值位移点对应的第j个上待诊断插值载荷点；/>

然后，对所述归一化下检测特征数组，采用拉格朗日多项式插值法进行插值，取等间距为s的待诊断插值位移点将所述下检测特征数组中的载荷进行插值，得到插值后的归一化下检测特征数组，并记作

其中，/>

表示插值后的归一化下检测特征数组中第j个待诊断插值位移点对应的第j个下待诊断插值载荷点；

最后，将所述插值后的归一化上检测特征数组和所述插值后的归一化下检测特征数组存储在所述存储器21中，得到待诊断样本，并记作B；

步骤203、标准差计算：采用所述微处理器模块2且根据公式

对步骤202中所述待诊断样本B与D种所述故障样本中任一故障样本A_m之间的标准差进行计算；

步骤204、相似度计算：采用所述微处理器模块2且根据公式R_m＝1-d(B,A_m)，对步骤202中所述待诊断样本B与D种所述故障样本中任一故障样本A_m之间的相似度R_m进行计算；

步骤205、多次重复步骤203至步骤204，直至计算得出步骤202中所述待诊断样本B与D种所述故障样本之间的相似度；

步骤206、将步骤205中计算得出的所述待诊断样本B与D种所述故障样本之间的相似度由大到小的顺序进行排列，采用微处理器模块2确定出所述待诊断样本B的最大相似度R_max；

步骤207：判断抽油井是否正常工作：采用所述微处理器模块2且根据判定条件R_max≥ε进行判定，其中，ε为故障因子，当判定条件R_max≥ε不成立时，说明抽油机3正常工作，执行步骤三；当判定条件R_max≥ε成立时，说明抽油机3未正常工作，执行步骤208；

步骤208：系统预警及故障类型同步输出：当抽油机3未正常工作时，微处理器模块2控制预警装置19进行报警提示，同时，微处理器模块2控制液晶显示屏20输出所述待诊断样本B的故障类型；

步骤三：判断抽油机是否平衡，其判断过程如下：

步骤301、电动机电流和电压信号采集：采用电流检测模块16对电动机1的电流进行检测并将检测到的电流i(t)通过数据采集单元18输出给微处理器模块2，采用电压检测模块17对电动机1的电压进行检测并将检测到的电压u(t)通过数据采集单元18输出给微处理器模块2；

步骤302、平衡块重心调整量计算，具体过程为：

首先，采用微处理器模块2且根据公式P(t)＝u(t)·i(t)，计算得到电动机1的功率函数P(t)，再对所述功率函数P(t)进行傅里叶级数展开，得到傅里叶级数展开后的结果

其中，/>

a₀表示功率函数P(t)的直流分量，

表示功率函数P(t)各次谐波的余弦分量幅度，/>

表示功率函数P(t)各次谐波的正弦分量幅度，/>

ω表示曲柄轴的角速度，T为抽油机3在上冲程和下冲程过程的冲程周期；/>

然后，采用微处理器模块2且根据公式

计算得到功率函数P(t)的一阶正弦分量幅度b₁，再采用微处理器模块2且根据公式/>

计算得到平衡块重心调整量ΔL，微处理器模块2控制液晶显示屏20对平衡块重心调整量ΔL进行显示，其中，G为平衡块的重量；

步骤303、判断抽油机是否平衡，具体过程为：判断步骤302中计算得到的平衡块重心调整量ΔL是否为0，当所述平衡块重心调整量ΔL＝0，说明抽油机3平衡，则执行步骤306；当所述平衡块重心调整量ΔL不等于0，说明抽油机3不平衡，则执行步骤304至步骤305；

步骤304、系统预警及抽油机平衡调整：当抽油机3不平衡时，微处理器模块2控制预警装置19进行报警提示，同时，微处理器模块2控制平衡块调整指示单元15对抽油机3中的平衡块方向进行指示，工作人员根据所述平衡块重心调整量ΔL人工调整；

步骤305、多次重复步骤301至步骤303，直至平衡块重心调整量ΔL＝0，使抽油机3平衡；

实际平衡块调整过程中，当ΔL＞0，即ΔL为正值时，微处理器模块2控制平衡块调整单元15指示平衡块重心向远离曲柄轴旋转中心的方向移动，同时工作人员根据液晶显示屏20显示的平衡块重心调整量|ΔL|进行人工调整；当ΔL＜0，即ΔL为负值时，微处理器模块2控制平衡块调整单元15指示平衡块重心向靠近曲柄轴旋转中心的方向移动，同时工作人员根据液晶显示屏20显示的平衡块重心调整量|ΔL|进行人工调整，直至平衡块重心调整量ΔL＝0，使抽油机3平衡。

步骤306、系统平衡结果同步输出：微处理器模块2控制液晶显示屏20输出抽油机3平衡结果；

步骤四：抽油井系统效率和百米吨液耗电量计算并同步输出，具体过程为：

步骤401、影响抽油井系统效率及百米吨液耗电数据的采集：使用井口油管压力检测模块8对井口油管压力进行检测并将检测到的井口油管压力P_y通过数据采集单元18输出给微处理器模块2，使用井口套管压力检测模块9对井口套管压力进行检测并将检测到的井口套管压力P_t通过数据采集单元18输出给微处理器模块2；同时，使用井液密度检测模块10对抽油井井液密度进行检测并将检测到的抽油井井液密度ρ通过数据采集单元18输出给微处理器模块2；使用油井动液面检测模块14对抽油井动液面深度进行检测并将检测到的抽油井动液面深度H通过数据采集单元18输出给微处理器模块2,使用油井日产液量检测模块13对抽油井日产液量进行检测并将检测到的抽油井日产液量Q通过数据采集单元18输出给微处理器模块2；同时，使用抽油机冲次检测模块11对抽油机3冲次进行检测并将检测到的抽油机3冲次m′通过数据采集单元18输出给微处理器模块2；

步骤402、抽油井系统效率计算，具体过程为：

步骤4021、地面效率计算：

首先，对步骤201中所述当前工作状态检测数据，以待诊断位移S_di为横坐标，以待诊断载荷W_di为纵坐标，采用微处理器模块2调用示功图绘制模块，得到当前工作状态示功图，且采用微处理器模块2且根据公式

其中，W_di表示第i个采样时刻载荷传感器4采集到的待诊断载荷，S_di表示第i个采样时刻位移传感器5采集到的待诊断位移，S_d(i+1)表示第i+1个采样时刻位移传感器5采集到的待诊断位移，计算得到抽油机3的光杆功率P_r，同时，采用微处理器模块2且根据公式/>

计算得到电动机1的平均功率/>

然后，采用微处理器模块2且根据公式/>

计算得到地面效率η_m；

步骤4022、地下效率计算：

首先，采用微处理器模块2且根据公式

计算得到抽油机3的有效功率P_d，其中，g为重力加速度；然后，采用微处理器模块2且根据公式/>

计算得到地下效率η_x；

步骤4023、抽油井系统效率计算：采用微处理器模块2且根据公式η＝η_m·η_x，计算得到抽油井系统效率η，同时，微处理器模块2控制液晶显示屏20输出抽油井系统效率η；

步骤403、百米吨液耗电量计算：首先，采用微处理器模块2且根据公式

计算得到抽油井24小时的耗电量E；再采用微处理器模块2且根据公式

计算得到百米吨液耗电量，其中，同时，微处理器模块2控制液晶显示屏20输出百米吨液耗电量。

上述的抽油井监控方法，其特征在于：步骤102中采用微处理器模块2对所述上故障特征数组和所述下故障特征数组进行归一化处理的方法均相同，对所述上故障特征数组和所述下故障特征数组进行归一化处理，具体过程为：

首先，采用微处理器模块2且根据公式

分别对所述上故障特征数组和所述下故障特征数组中故障位移S_gi进行归一化处理，得到所述上故障特征数组和所述下故障特征数组中故障位移S_gi的归一化处理结果S^* _gi，其中，S_gmax为所述上故障特征数组或者所述下故障特征数组中故障位移S_gi的最大值，S_gmin为所述上故障特征数组或者所述下故障特征数组中故障位移S_gi的最小值；

然后，采用微处理器模块2且根据公式

对所述上故障特征数组和所述下故障特征数组中故障载荷W_gi进行归一化处理，得所述上故障特征数组和所述下故障特征数组中故障载荷W_gi的归一化处理结果W^* _gi，其中，W_gmax为所述上故障特征数组或者所述下故障特征数组中故障载荷W_gi的最大值，W_gmin为所述上故障特征数组或者所述下故障特征数组中故障载荷W_gi的最小值；

最后得到所述归一化上故障特征数组和所述归一化下故障特征数组。

上述的抽油井监控方法，其特征在于：步骤2021中采用微处理器模块2对所述上检测特征数组和所述下检测特征数组进行归一化处理的方法均相同，对所述上检测特征数组和所述下检测特征数组进行归一化处理，具体过程为：

首先，采用微处理器模块2且根据公式

分别对所述上检测特征数组和所述下检测特征数组中的待诊断位移S_di进行归一化处理，得到所述上检测特征数组和所述下检测特征数组中待诊断位移S_di的归一化处理结果S^* _di，其中，S_dmax为所述上检测特征数组或者所述下检测特征数组中待诊断位移的最大值，S_dmin为所述上检测特征数组或者所述下检测特征数组中待诊断位移的最小值；

然后，采用微处理器模块2且根据公式

对所述上检测特征数组和所述下检测特征数组中待诊断载荷W_di进行归一化处理，得到所述上检测特征数组和所述下检测特征数组中待诊断载荷W_di的归一化处理结果W^* _di，其中，W_dmax为所述上检测特征数组或者所述下检测特征数组中待诊断载荷的最大值，W_dmin为所述上检测特征数组或者所述下检测特征数组中待诊断载荷的最小值；

最后得到所述归一化上检测特征数组和所述归一化下检测特征数组。

上述的抽油井监控方法，其特征在于：步骤101中N的取值范围为N≥144。

上述的抽油井监控方法，其特征在于：所述间距s的取值范围为0＜s＜1。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种利用抽油井监控系统对抽油井进行监控的方法，其特征在于：抽油井监控系统包括监控装置、抽油机(3)和用于驱动抽油机(3)进行抽油的电动机(1)，所述监控装置包括微处理器模块(2)、与微处理器模块(2)相接的存储器(21)、对电动机(1)进行控制的电动机控制器(1-1)和对被监测抽油井的工作状况进行检测的抽油井检测模块，所述微处理器模块(2)的输入端接有数据采集单元(18)和用于参数设定的参数设置单元(6)，所述微处理器模块(2)的输出端接有液晶显示屏(20)、预警装置(19)和平衡块调整指示单元(15)，所述电动机控制器(1-1)与微处理器模块(2)连接，且所述电动机控制器(1-1)由微处理器模块(2)进行控制；

所述抽油井检测模块包括井口油管压力检测模块(8)、井口套管压力检测模块(9)、井液密度检测模块(10)、抽油机冲次检测模块(11)、油井日产液量检测模块(13)和对抽油井动液面深度进行检测的油井动液面检测模块(14)，以及对抽油机(3)驴头悬点处的载荷进行检测的载荷传感器(4)、对抽油机(3)驴头悬点处的位移进行检测的位移传感器(5)、对电动机(1)的电流进行检测的电流检测模块(16)和对电动机(1)的电压进行检测的电压检测模块(17)，所述载荷传感器(4)、位移传感器(5)、井口油管压力检测模块(8)、井口套管压力检测模块(9)、井液密度检测模块(10)、抽油机冲次检测模块(11)、油井日产液量检测模块(13)、油井动液面检测模块(14)、电流检测模块(16)和电压检测模块(17)均与数据采集单元(18)连接；

该方法包括以下步骤：

步骤一、故障样本获取，其获取过程如下：

步骤101、故障信号采集：对被监测抽油井在D种不同故障状态下，分别进行故障信号的采集，获得与D种不同故障对应的D组故障检测数据，并将D组所述故障检测数据同步存入与微处理器模块(2)相接的存储器(21)中；其中，对任一个故障状态进行故障信号采集时，在抽油机(3)上冲程和下冲程一个周期内，采用位移传感器(5)和载荷传感器(4)分别对抽油机(3)驴头悬点的故障位移和故障载荷进行检测，并通过数据采集单元(18)对位移传感器(5)所检测到的故障位移信号和载荷传感器(4)所检测到的故障载荷信号分别进行采样，且将不同采样时刻所采集到的N个故障载荷W_gi和N个与故障载荷W_gi对应的故障位移S_gi均同步传送至微处理器模块(2)，微处理器模块(2)将N个故障位移S_gi和N个故障载荷W_gi一一对应存储至与微处理器模块(2)相接的存储器(21)中，获得与任一个所述故障状态对应的故障检测数据，所述故障检测数据为由N个故障位移S_gi和N个故障载荷W_gi组成的N维故障特征数组，并记作[S_gi,W_gi]，其中，i为正整数且i＝1、2、3、...、N，且N为偶数，所述故障检测数据包括在抽油机(3)上冲程内检测到的上故障特征数组[S_g1,W_g1]～[S_gn,W_gn]和在抽油机(3)下冲程内检测到的下故障特征数组[S_gn+1,W_gn+1]～[S_gN,W_gN],其中，n＝N/2；

步骤102、故障检测数据的归一化处理

采用微处理器模块(2)调用归一化处理模块分别对D组所述故障检测数据进行归一化处理，得到D组归一化故障检测数据，并将D个所述归一化故障检测数据存储在所述存储器(21)中；其中，对任一个所述故障检测数据进行归一化处理时，首先，采用微处理器模块(2)调用归一化处理模块对所述上故障特征数组进行归一化处理，得到归一化上故障特征数组，再采用微处理器模块(2)调用归一化处理模块对所述下故障特征数组进行归一化处理，得到归一化下故障特征数组；

步骤103、故障样本获取：

采用微处理器模块(2)对D个所述归一化故障检测数据分别进行插值处理，获取D个故障样本的方法均相同且均采用微处理器模块(2)进行插值处理；

对于D个所述归一化故障检测数据中的任一个所述归一化故障检测数据进行插值处理，获取故障样本过程如下：

步骤1031、对步骤102中所述归一化上故障特征数组，采用拉格朗日多项式插值法，取等间距为s的故障插值位移点将所述归一化上故障特征数组中的载荷进行插值，得到插值后的归一化上故障特征数组，并记作

其中，/>

表示插值后的归一化上故障特征数组中第j个故障插值位移点对应的第j个上故障插值载荷点，j为正整数，且j的取值范围为/>

步骤1032、对步骤102中所述归一化下故障特征数组，采用拉格朗日多项式插值法进行插值，取等间距为s的故障插值位移点将所述归一化下故障特征数组中的载荷进行插值，得到插值后的归一化下故障特征数组，并记作

其中，/>

表示插值后的归一化下故障特征数组中第j个故障插值位移点对应的第j个下故障插值载荷点；

步骤1033、将步骤1031中所述插值后的归一化上故障特征数组和步骤1032中所述插值后的归一化下故障特征数组均同步存储在所述存储器(21)中，得到故障样本，并记作A_m，其中，m表示故障样本的序号，m为正整数，且m的取值范围为1～D；

步骤1034、多次重复步骤1031至步骤1033，直至完成D个所述归一化故障检测数据的插值处理，得到与被监测抽油井D种不同故障状态对应的D种故障样本，即故障样本A₁，A₂，...，A_D，并将D种所述故障样本存储在所述存储器(21)中；

步骤二、判断抽油井是否正常工作，具体过程如下：

步骤201、信号实时采集：对被监测抽油井在当前工作状态下，在抽油机(3)上冲程和下冲程一个周期内，位移传感器(5)对抽油机(3)驴头悬点的待诊断位移信号进行检测并将检测到的待诊断位移S_di通过数据采集单元(18)进行采样；同时，采用载荷传感器(4)对抽油机(3)驴头悬点的待诊断载荷信号进行检测并将检测到的待诊断载荷W_di通过数据采集单元(18)进行采样，数据采集单元(18)将不同采样时刻所采集到的N个待诊断位移S_di和N个与待诊断位移S_di对应的待诊断载荷W_di均同步传送至微处理器模块(2)，微处理器模块(2)将N个待诊断位移S_di和N个待诊断载荷W_di一一对应存储至存储器(21)中，获得当前工作状态检测数据，且所述当前工作状态检测数据对应的待诊断检测数据为由N个待诊断位移S_di和N个待诊断载荷W_di组成的N维待诊断检测数组，并记作[S_di,W_di]，其中，i为正整数且i＝1、2、3、...、N；

所述待诊断检测数据包括在抽油机(3)上冲程内检测到的上检测特征数组[S_d1,W_d1]～[S_dn,W_dn]和在抽油机(3)下冲程内检测到的下检测特征数组[S_dn+1,W_dn+1]～[S_dN,W_dN],其中，n＝N/2；

步骤202、待诊断检测数据处理：

步骤2021、采用微处理器模块(2)调用归一化处理模块对步骤201中所述待诊断检测数据进行归一化处理，得到归一化待诊断检测数据，并将所述归一化待诊断检测数据存储在所述存储器(21)中；其中，对步骤201中所述待诊断检测数据进行归一化处理时，首先，采用微处理器模块(2)调用归一化处理模块对所述上检测特征数组进行归一化处理，得到归一化上检测特征数组，再采用微处理器模块(2)调用归一化处理模块对所述下检测特征数组进行归一化处理，得到归一化下检测特征数组；

步骤2022、对所述归一化待诊断检测数据，采用微处理器模块(2)进行插值处理，具体过程为：

首先，对所述归一化上检测特征数组，采用拉格朗日多项式插值法，取等间距为s的待诊断插值位移点将所述上检测特征数组中的载荷进行插值，得到插值后的归一化上检测特征数组，并记作

其中，/>

表示插值后的归一化上检测特征数组中第j个待诊断插值位移点对应的第j个上待诊断插值载荷点；

然后，对所述归一化下检测特征数组，采用拉格朗日多项式插值法进行插值，取等间距为s的待诊断插值位移点将所述下检测特征数组中的载荷进行插值，得到插值后的归一化下检测特征数组，并记作

其中，/>

表示插值后的归一化下检测特征数组中第j个待诊断插值位移点对应的第j个下待诊断插值载荷点；

最后，将所述插值后的归一化上检测特征数组和所述插值后的归一化下检测特征数组存储在所述存储器(21)中，得到待诊断样本，并记作B；

步骤203、标准差计算：采用所述微处理器模块(2)且根据公式

对步骤202中所述待诊断样本B与D种所述故障样本中任一故障样本A_m之间的标准差进行计算；

步骤204、相似度计算：采用所述微处理器模块(2)且根据公式R_m＝1-d(B,A_m)，对步骤202中所述待诊断样本B与D种所述故障样本中任一故障样本A_m之间的相似度R_m进行计算；

步骤205、多次重复步骤203至步骤204，直至计算得出步骤202中所述待诊断样本B与D种所述故障样本之间的相似度；

步骤206、将步骤205中计算得出的所述待诊断样本B与D种所述故障样本之间的相似度由大到小的顺序进行排列，采用微处理器模块(2)确定出所述待诊断样本B的最大相似度R_max；

步骤207：判断抽油井是否正常工作：采用所述微处理器模块(2)且根据判定条件R_max≥ε进行判定，其中，ε为故障因子，当判定条件R_max≥ε不成立时，说明抽油机(3)正常工作，执行步骤三；当判定条件R_max≥ε成立时，说明抽油机(3)未正常工作，执行步骤208；

步骤208：系统预警及故障类型同步输出：当抽油机(3)未正常工作时，微处理器模块(2)控制预警装置(19)进行报警提示，同时，微处理器模块(2)控制液晶显示屏(20)输出所述待诊断样本B的故障类型；

步骤三：判断抽油机是否平衡，其判断过程如下：

步骤301、电动机电流和电压信号采集：采用电流检测模块(16)对电动机(1)的电流进行检测并将检测到的电流i(t)通过数据采集单元(18)输出给微处理器模块(2)，采用电压检测模块(17)对电动机(1)的电压进行检测并将检测到的电压u(t)通过数据采集单元(18)输出给微处理器模块(2)；

步骤302、平衡块重心调整量计算，具体过程为：

首先，采用微处理器模块(2)且根据公式P(t)＝u(t)·i(t)，计算得到电动机(1)的功率函数P(t)，再对所述功率函数P(t)进行傅里叶级数展开，得到傅里叶级数展开后的结果

其中，/>

a₀表示功率函数P(t)的直流分量，

表示功率函数P(t)各次谐波的余弦分量幅度，/>

表示功率函数P(t)各次谐波的正弦分量幅度，/>

ω表示曲柄轴的角速度，T为抽油机(3)在上冲程和下冲程过程的冲程周期；

然后，采用微处理器模块(2)且根据公式

计算得到功率函数P(t)的一阶正弦分量幅度b₁，再采用微处理器模块(2)且根据公式/>

计算得到平衡块重心调整量ΔL，微处理器模块(2)控制液晶显示屏(20)对平衡块重心调整量ΔL进行显示，其中，G为平衡块的重量；

步骤303、判断抽油机是否平衡，具体过程为：判断步骤302中计算得到的平衡块重心调整量ΔL是否为0，当所述平衡块重心调整量ΔL＝0，说明抽油机(3)平衡，则执行步骤306；当所述平衡块重心调整量ΔL不等于0，说明抽油机(3)不平衡，则执行步骤304至步骤305；

步骤304、系统预警及抽油机平衡调整：当抽油机(3)不平衡时，微处理器模块(2)控制预警装置(19)进行报警提示，同时，微处理器模块(2)控制平衡块调整指示单元(15)对抽油机(3)中的平衡块方向进行指示，工作人员根据所述平衡块重心调整量ΔL人工调整；

步骤305、多次重复步骤301至步骤303，直至平衡块重心调整量ΔL＝0，使抽油机(3)平衡；

步骤306、系统平衡结果同步输出：微处理器模块(2)控制液晶显示屏(20)输出抽油机(3)平衡结果；

步骤四：抽油井系统效率和百米吨液耗电量计算并同步输出，具体过程为：

步骤401、影响抽油井系统效率及百米吨液耗电数据的采集：使用井口油管压力检测模块(8)对井口油管压力进行检测并将检测到的井口油管压力P_y通过数据采集单元(18)输出给微处理器模块(2)，使用井口套管压力检测模块(9)对井口套管压力进行检测并将检测到的井口套管压力P_t通过数据采集单元(18)输出给微处理器模块(2)；同时，使用井液密度检测模块(10)对抽油井井液密度进行检测并将检测到的抽油井井液密度ρ通过数据采集单元(18)输出给微处理器模块(2)；使用油井动液面检测模块(14)对抽油井动液面深度进行检测并将检测到的抽油井动液面深度H通过数据采集单元(18)输出给微处理器模块(2),使用油井日产液量检测模块(13)对抽油井日产液量进行检测并将检测到的抽油井日产液量Q通过数据采集单元(18)输出给微处理器模块(2)；同时，使用抽油机冲次检测模块(11)对抽油机(3)冲次进行检测并将检测到的抽油机(3)冲次m′通过数据采集单元(18)输出给微处理器模块(2)；

步骤402、抽油井系统效率计算，具体过程为：

步骤4021、地面效率计算：

首先，对步骤201中所述当前工作状态检测数据，以待诊断位移S_di为横坐标，以待诊断载荷W_di为纵坐标，采用微处理器模块(2)调用示功图绘制模块，得到当前工作状态示功图，且采用微处理器模块(2)且根据公式

其中，W_di表示第i个采样时刻载荷传感器(4)采集到的待诊断载荷，S_di表示第i个采样时刻位移传感器(5)采集到的待诊断位移，S_d(i+1)表示第i+1个采样时刻位移传感器(5)采集到的待诊断位移，计算得到抽油机(3)的光杆功率P_r，同时，采用微处理器模块(2)且根据公式/>

计算得到电动机(1)的平均功率/>

然后，采用微处理器模块(2)且根据公式/>

计算得到地面效率η_m；

步骤4022、地下效率计算：

首先，采用微处理器模块(2)且根据公式

计算得到抽油机(3)的有效功率P_d，其中，g为重力加速度；然后，采用微处理器模块(2)且根据公式/>

计算得到地下效率η_x；

步骤4023、抽油井系统效率计算：采用微处理器模块(2)且根据公式η＝η_m·η_x，计算得到抽油井系统效率η，同时，微处理器模块(2)控制液晶显示屏(20)输出抽油井系统效率η；

步骤403、百米吨液耗电量计算：首先，采用微处理器模块(2)且根据公式

计算得到抽油井24小时的耗电量E；再采用微处理器模块(2)且根据公式/>

计算得到百米吨液耗电量，其中，同时，微处理器模块(2)控制液晶显示屏(20)输出百米吨液耗电量；

步骤101中N的取值范围为N≥144；

所述间距s的取值范围为0＜s＜1。

2.按照权利要求1所述的一种利用抽油井监控系统对抽油井进行监控的方法，其特征在于：所述微处理器模块(2)包括单片机、ARM微处理器或DSP微处理器。

3.按照权利要求1或2所述的一种利用抽油井监控系统对抽油井进行监控的方法，其特征在于：所述电流检测模块(16)包括电流互感器，所述电压检测模块(17)包括电压互感器。

4.按照权利要求1或2所述的一种利用抽油井监控系统对抽油井进行监控的方法，其特征在于：包括用于与上位机进行通信的计算机接口电路(7)，所述计算机接口电路(7)和微处理器模块(2)相接。

5.按照权利要求1所述的一种利用抽油井监控系统对抽油井进行监控的方法，其特征在于：步骤102中采用微处理器模块(2)对所述上故障特征数组和所述下故障特征数组进行归一化处理的方法均相同，对所述上故障特征数组和所述下故障特征数组进行归一化处理，具体过程为：

首先，采用微处理器模块(2)且根据公式

分别对所述上故障特征数组和所述下故障特征数组中故障位移S_gi进行归一化处理，得到所述上故障特征数组和所述下故障特征数组中故障位移S_gi的归一化处理结果S^* _gi，其中，S_gmax为所述上故障特征数组或者所述下故障特征数组中故障位移S_gi的最大值，S_gmin为所述上故障特征数组或者所述下故障特征数组中故障位移S_gi的最小值；

然后，采用微处理器模块(2)且根据公式

对所述上故障特征数组和所述下故障特征数组中故障载荷W_gi进行归一化处理，得所述上故障特征数组和所述下故障特征数组中故障载荷W_gi的归一化处理结果W^* _gi，其中，W_gmax为所述上故障特征数组或者所述下故障特征数组中故障载荷W_gi的最大值，W_gmin为所述上故障特征数组或者所述下故障特征数组中故障载荷W_gi的最小值；

最后得到所述归一化上故障特征数组和所述归一化下故障特征数组。

6.按照权利要求1所述的一种利用抽油井监控系统对抽油井进行监控的方法，其特征在于：步骤2021中采用微处理器模块(2)对所述上检测特征数组和所述下检测特征数组进行归一化处理的方法均相同，对所述上检测特征数组和所述下检测特征数组进行归一化处理，具体过程为：

首先，采用微处理器模块(2)且根据公式

分别对所述上检测特征数组和所述下检测特征数组中的待诊断位移S_di进行归一化处理，得到所述上检测特征数组和所述下检测特征数组中待诊断位移S_di的归一化处理结果S^* _di，其中，S_dmax为所述上检测特征数组或者所述下检测特征数组中待诊断位移的最大值，S_dmin为所述上检测特征数组或者所述下检测特征数组中待诊断位移的最小值；

然后，采用微处理器模块(2)且根据公式

分别对所述上检测特征数组和所述下检测特征数组中待诊断载荷W_di进行归一化处理，得到所述上检测特征数组和所述下检测特征数组中待诊断载荷W_di的归一化处理结果W^* _di，其中，W_dmax为所述上检测特征数组或者所述下检测特征数组中待诊断载荷的最大值，W_dmin为所述上检测特征数组或者所述下检测特征数组中待诊断载荷的最小值；

最后得到所述归一化上检测特征数组和所述归一化下检测特征数组。

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