CN107687332A - 利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整方法及装置，涉及，尤其涉及石油开采监控设备技术领域，是由主机板、电参测量模块、设备控制模块和电源模块构成，电参测量模块与设备控制模块均与主机板电路连接，主机板分别与显示屏、键盘、蓝牙通讯模块和电源模块电路连接。本发明通过测取采油井工作的电参数据，依据历史及当前电参数据，通过人工智能分析系统对采油井的工况进行实时准确的分析诊断，依据分析诊断的结果，可对变频器等执行机构发出不同的控制指令，实现对采油井工况的智能调节以及杆断、卡泵等异常工况的停机控制并通过语音等方式给出报警提示，从而达到延长检泵周期、实现采油安全、高效运行的目的。
Description
技术领域
本发明涉及石油开采监控设备技术领域，尤其涉及一种利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整方法及装置。
背景技术
抽油机、螺杆泵井是油田生产中的主要采油方式，在油田生产中大面积应用，用于控制油井运转的控制箱是其重要组成部分。目前在抽油机、采油井应用的控制箱多数产品实现功能是油井启停功能、变频调速、电流、电压参数的记录存贮、欠载过载保护，没实现智能诊断油井运行情况，缺少自动控制功能；功能都比较简单粗燥，不能达到精细管理要求。
发明内容
本发明对于上述现有技术的不足，提供了一种利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整方法及装置。
本发明的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整装置，采油井工况智能监控装置，是由主机板、电参测量模块、设备控制模块和电源模块构成，其特征在于电参测量模块与设备控制模块均与主机板电路连接，主机板分别与显示屏、键盘、蓝牙通讯模块和电源模块电路连接，
其中，电参测量模块用于采集外部测量设备的变速率数据；设备控制模块用于将主机板的指令回馈给外部报警装置。
作为本发明的进一步改进，所述的参测量模块包括电压信号转换器、电流信号转换器和A/D转换模块，电参测量模块和电压信号转换器均与A/D转换模块电路连接，A/D转换模块与主机板电路连接。
作为本发明的进一步改进，所述的设备控制模块为A/D转换模块。
作为本发明的进一步改进，所述的主机板为CPU ATmega128，A/D转换模块为A/D转换模块CS5463，设备控制模块为D/A转换模块TLY5624ID。
利用上述利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整装置，其具体操作方法为：
a、数据的采集：采集油井的工况变化趋势数据或瞬态工况变化数据，其中，工况变化趋势数据是按照设定的时间间隔存储电参数据，用于反映缓慢发生的故障工况变化过程；瞬态工况变化数据是以25次/秒的采样速率采集存储工况的电参数据，用于反映短时间内很快发生的故障工况过程；
b、数据的分析诊断：利用a步骤采集的工况变化趋势数据或瞬态工况变化数据，分析数据的变化趋势，判断油井的运行是否异常。
作为本发明的进一步改进，所述的a步骤采集的数据信息为螺杆泵井的工况变化趋势数据或抽油机井的瞬态工况变化数据。
本发明的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整方法及装置，紧密结合采油井的采油工艺特点，基于单片机及人工智能技术，以多种方式实时、连续地海量测取采油井工作的电参数据，依据存储的大量的历史及当前电参数据，通过人工智能分析系统对采油井的工况进行实时准确的分析诊断，依据分析诊断的结果，可对变频器等执行机构发出不同的控制指令，实现对采油井工况的智能调节以及杆断、卡泵等异常工况的停机控制并通过语音等方式给出报警提示，从而达到延长检泵周期、实现采油安全、高效运行的目的。
附图说明
图1为本发明电路连接框图；
图2为本发明软件流程图；
图3为实施例2的有功功率变化趋势图；
图4为实施例3的有功功率变化趋势图；
图5为实施例4的有功功率变化趋势图；
图6为实施例5的有功功率变化趋势图；
图7为实施例6的有功功率变化趋势图；
图8为实施例7的有功功率变化趋势图；
图9为实施例8的有功功率变化趋势图；
图10为实施例9的有功功率变化趋势图；
图11为抽油机井一个冲程周期的电参数据采集图示。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整装置，是由主机板1、电参测量模块8、设备控制模块7和电源模块2构成；电参测量模块8与设备控制模块7均与主机板1电路连接；主机板1分别与显示屏3、键盘4、蓝牙通讯模块5和电源模块2电路连接，其中，电参测量模块8用于采集外部测量设备的变速率数据；设备控制模块7用于将主机板1的指令回馈给外部报警装置；B、C、N 为三相电源输入线，A、B、C是火线，N是零线，R、S、T代表变频器的输出端。
所述的电参测量模块8包括电压信号转换器9、电流信号转换器10和A/D转换模块6，电参测量模块8和电压信号转换器9均与A/D转换模块6电路连接，A/D转换模块6与主机板1电路连接。
其中，主机板1为CPU ATmega128，A/D转换模块6为A/D转换模块CS5463，设备控制模块7为D/A转换模块TLY5624ID，电压信号转换器9为分压电阻，电流信号转换器10为IS300/150霍尔电流传感器，蓝牙通讯模块为CC2540F256蓝牙通讯模块，电源模块采用7812、7912和LM2574-3.3构成的电源电路。
主机板1亦可预留GPRS远程数据模块接口，通过外挂GPRS模块即可实现采油井的远程监测、远程控制和故障停机报警等功能。
实施例2
本发明的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整方法的螺杆泵井的间歇出液判断：采集螺杆泵井的工况变化趋势数据，其有功功率的变化呈周期性近似方波曲线，如图3所示，同时满足a1<a2<a3…ak-1<ak且am+2>am+3…>an>an+1>an+2，且上升下降的幅值接近；连续发生两次条件一的状况；K<10，则认为是间歇出液。
控制方法：变频运行模式：DA输出下调10%；工频运行模式：给出间歇出液报警信息。
实施例3
本发明的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整方法的螺杆泵井的抽空工况判断：采集螺杆泵井的工况变化趋势数据，其有功功率曲线呈快速上升趋势，如图4所示，同时满足有功功率ak上升的幅值大于6KW；n+2>10，则判定为抽空。
控制方法：停机。
实施例4
本发明的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整方法的螺杆泵井的管漏工况判断：采集螺杆泵井的工况变化趋势数据，其有功功率曲线呈逐渐下降趋势，如图5所示，同时满足a1=a2=a3=a4；a4<a5…<an；an=an+1=an+2= an+3，则判定为管漏，其中等号为近似等于，变化幅度在10%以内。
控制方法：给出管漏提示信息。
实施例5
本发明的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整方法的螺杆泵井的结蜡工况判断：采集螺杆泵井的工况变化趋势数据，其有功功率曲线呈逐渐上升趋势，上升至某一峰值后开始逐渐下降，如图6所示，同时满足a1<a2<a3<a4< a5…am>am+1>…an+1；停运时长大于5小时，启动2分钟后，运行的有功功率大于额定功率的80%，则判定为结蜡工况。
控制方法:给出油井结蜡提示报警信息。
实施例6
本发明的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整方法的螺杆泵井的杆断或皮带断判断：采集螺杆泵井的工况变化趋势数据，其有功功率曲线产生下突变，如图7所示，同时满足(a4-a5)/a4>90%，(a4-a6)/a4>90%,(a4-a7)/a4>90%，则判定为杆断或皮带断。
控制方法：停机。
实施例7
本发明的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整方法的螺杆泵井的转子不连续运转判断：采集螺杆泵井的瞬态工况变化数据，也就是以25次/秒的采样速率采集存储工况的电参数据，其有功功率曲线呈锯齿状波形，如图8所示，同时满足a1<a2<a3<a4<an；n<10；连续发生上述情况三次，则判定为转子不连续运转。
控制方法：给出转子不连续运转报警提示信息。
实施例8
本发明的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整方法的螺杆泵井的卡泵判断：采集螺杆泵井的瞬态工况变化数据，其有功功率曲线呈斜坡状上升，如图9所示，同时满足a1<a2<a3<a4<a5<……<an；n>10，则判定为卡泵。
控制方法：停机。
实施例9
本发明的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整方法的螺杆泵井的泵泄漏的判断：采集螺杆泵井的瞬态工况变化数据，也就是以25次/秒的采样速率采集存储工况的电参数据，其有功功率变化曲线呈近似正弦波形，如图10所示，同时满足a 1<a2<a3<…am；a 5>a6>a7…>an，连续判定3次，符合上述规律，则判定为泵泄漏。
控制方法：变频器的工作频率降低10%。
实施例2～实施例9为螺杆泵井的井况判断，本发明的装置及方法亦可用于抽油机井井况的判断，其可通过采集一个冲程周期内的的瞬态工况变化数据，也就是以25次/秒的采样速率采集存储工况的电参数据，来诊断抽油机的泵况。其中，图11为一个冲程周期的电参数据采集图示。
实施例10
本发明的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整方法的抽油机井气影响的判断：当下冲程T2时间段内，若电参数有功功率am+1、am+2…an数据有由负变为正的过程，则判定为是抽吸过深、脱气产生气影响。
实施例11
本发明的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整方法的抽油机井抽空的判断：在下冲程整个过程中，电参数有功功率am+1、am+2…an数据为负值，且下冲程时间T2变小，则判定为是抽空。
实施例12
本发明的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整方法的抽油机井柱塞出工作桶的判断：在上冲程过程中，电参数有功功率a1、a2、a3…am由正值在某点开始突变为负值，则认为是柱塞出泵工作桶。
实施例13
本发明的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整方法的抽油机井固定凡尔关闭不严的判断：在下冲程过程中，在接近下死点前，有功功率ak…an-3、an-2、an-1、an由正变为负值，则认为是固定凡尔关闭不严工况。
控制方法：给出报警提示信息。
实施例14
本发明的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整方法的抽油机井皮带断的判断：电机的有功功率瞬时值基本不变，且始终小于2KW，则认为是皮带断。
控制方法：给出报警并停机。
实施例15
本发明的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整方法的抽油机井卡泵的判断：在一个冲程周期T1+T2的时间段内，有功功率上升趋势即a 1>a2>a3…>an，则判定为卡泵。
控制方法：停机。
同时，可通过采集一个冲程周期内的的工况变化趋势数据，来诊断抽油机的泵况。
实施例16
本发明的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整方法的抽油机井杆断判断：上冲程的有功功率平均值产生下突变，突然变得很小或为负值，则认为抽油机井杆断。
实施例17
本发明的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整方法的抽油机井管漏判断：上冲程有功功率平均值逐渐减小至稳定值，则认为抽油机井管漏。
实施例18
本发明的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整方法的抽油机井结蜡判断：上冲程有功功率的平均值，则认为抽油机井结蜡。
利用实施例1所述的硬件，结合实施例2～实施例18所述的工况判断方法，进行编程，可通过手机软件对抽油井工况进行实时监控，如图2所示，本发明的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整方法，其中：
初始化：是读取存储在存储器上的各项参数值，如：过压保护阈值、欠压保护阈值、过流保护阈值、欠流保护阈值等；初始化CPU内部参数，如：外部中断配置为下降沿触发，时间定时器的定时时间，串口的发送速率等；
测量模块：测量电压、电流、频率、功率因数；
计算模块：计算当前电参是否在其规定范围内，若超出范围则计算超过的时间，该时间达到各参数对应的规定时间，则进行保护动作；
参数管理模块：把用户设定的参数保存到存储器，以便下次开机读取；
显示模块：在液晶屏上显示电压、电流、频率、功率等各项参数；
键盘处理模块：采集用户对按键的操作信息；
输出模块：控制继电器的吸合和断开或D/A的输出，来控制油井电机的启动、停止或调速；
通讯模块：通过手机信号来传输数据到服务器；
蓝牙模块：通过蓝牙信号传输数据到手机；
故障信号处理模块：当发生过压、欠压、过流、欠流、杆断、抽空、间歇出液等故障时，进行的紧急停机处理或调速处理。
本发明的优势在于：
第一、电参采样技术，既能够捕捉到采油井工况的瞬态变化过程又能够监测到采油井缓慢发生的工况变化过程；
第二、采用人工智能分析诊断技术，在线实时分析采油运行的历史数据及当前数据，对电机过载、杆断、卡泵、不连续运转、管漏等工况能够准确识别并给出停机指令及语音报警提示，从而可防止采油系统的进一步磨损、避免卡泵对井口人员产生安全隐患和大量的无意义电能消耗；
第三、采用人工智能分析诊断技术，准确判定采油井的间歇出液或抽空泵况，并可发出变频器降速或停机指令，防止采油定转子长时间干磨导致烧泵，从而延长采油的检泵周期并大量节约电能；
第四、该电参测量技术既可用于测量变频器的输入也可用于测量变频器的输出，并可对采油井的运行时间、消耗的电量进行累计，给出油井的日耗电量及停机时长，方便扣产、能耗管理及异常工况的发现；
第五、软硬件系统技术体系完整、技术方案严谨：
①现场嵌入式硬件设备集电参监测、分析诊断、运行保护、工作模式选择、井口载荷温度等模拟量接口、远程接口等多项功能一体化设计，中文人机界面，直观明了，使用便利；
②配备手机APP油井管控软件，采用手机蓝牙通讯技术实现采油工况数据与上位机回放软件系统的数据自动交换，当油井管理人员携带手机在采油井附近区域时，工况历史数据及实时数据即可自动传递到手机上，巡井时可不必再携带钳形电流表；也可在手机上实现采油井的远距离起停或调参调整工作频率、电流平衡率、有功平衡率控制。这在提高工作效率的同时也对油井管理人员提供了一定的安全保障；
③采用ORACLE数据库，配套网络版的数据回放分析管理软件，手机内的油井数据自动上传到软件系统中。该系统充分利用了油田现有的局域网计算机系统资源，构建起方便实用的基层小队采油井运行管理平台，方便油井管理，同时也可为A2\A5油田数据信息管理平台提供数据；
④预留GPRS远程数据模块接口，通过外挂GPRS模块即可实现采油井的远程监测、远程控制和故障停机报警等功能。
Claims (6)
1.利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整技术，是由主机板（1）、电参测量模块（8）、设备控制模块（7）和电源模块（2）构成，其特征在于电参测量模块（8）与设备控制模块（7）均与主机板（1）电路连接，主机板（1）分别与显示屏（3）、键盘（4）、蓝牙通讯模块（5）和电源模块（2）电路连接，
其中，电参测量模块（8）用于采集外部测量设备的变速率数据；设备控制模块（7）用于将主机板（1）的指令回馈给外部报警装置。
2.如权利要求1所述的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整技术，其特征在于电参测量模块（8）包括电压信号转换器（9）、电流信号转换器（10）和A/D转换模块（6），电参测量模块（8）和电压信号转换器（9）均与A/D转换模块（6）电路连接，A/D转换模块（6）与主机板（1）电路连接。
3.如权利要求1所述的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整技术，其特征在于所述的设备控制模块（7）为D/A转换模块。
4.如权利要求1所述的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整技术，其特征在于主机板（1）为CPU ATmega128，A/D转换模块（6）为A/D转换模块CS5463，设备控制模块（7）为D/A转换模块TLY5624ID。
5.利用权利要求1所述的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整技术，其具体操作方法为：
a、数据的采集：采集油井的工况变化趋势数据或瞬态工况变化数据，其中，工况变化趋势数据是按照设定的时间间隔存储电参数据，用于反映缓慢发生的故障工况变化过程；瞬态工况变化数据是以25次/秒的采样速率采集存储工况的电参数据，用于反映短时间内很快发生的故障工况过程；
b、数据的分析诊断：利用a步骤采集的工况变化趋势数据或瞬态工况变化数据，分析数据的变化趋势，判断油井的运行是否异常。
6.如权利要求5所述的利用电参数实现螺杆泵和抽油机工况在线分析诊断和控制调整技术，其特征在于a步骤采集的数据信息为螺杆泵井的工况变化趋势数据/瞬态工况变化数据或抽油机井的瞬态工况变化数据/工况变化趋势数据。
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