CN110043246B - 一种利用电参“示功图”识别供液不足的方法 - Google Patents
一种利用电参“示功图”识别供液不足的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种利用电参“示功图”识别供液不足的方法，属于采油工程领域。该方法解决电参“示功图”计算不准确导致无法识别抽油机井供液不足的问题。本发明是对电机输入端电参及电机转速数据进行采集，计算出悬点载荷在曲柄轴负荷扭矩，通过悬点位置传感器标定曲柄不同旋转角度的扭矩因数，进而计算出悬点载荷，并利用实测悬点载荷标定悬点载荷系数，得到更准确的示功图，准确的判断出油井供液不足。本发明方法能够有效替代载荷传感器和悬点位移传感器，无需对传感器进行定期标定，能够对油井供液不足进行连续测量，降低测量成本，大幅减少测试工作量。
Description
技术领域：本发明涉及石油开采技术领域，特别涉及到一种利用电参“示功图”识别供液不足的方法。
背景技术：抽油机示功图是将抽油机的悬点载荷与悬点位移简化绘制成封闭的几何图形，是判断油井供液不足的重要手段。现有专利一种抽油机电参数“示功图”的确定方法，该方法通过有功功率计算井口载荷公式过于简单，中间过程中的电机效率、皮带效率、以及减速箱效率尚未考虑，并且井口载荷没有与实测井口载荷标定，综合上述因素容易导致计算出功图误差极大，不能有效判断出油井供液不足。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种综合考虑电机效率、皮带效率、减速箱效率以及利用实测载荷进行标定的利用电参准确计算出示功图进而准确判断供液不足的方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用电参“示功图”识别供液不足的方法，包括以下步骤：
步骤1，首先通过电机齿圈转速传感器采集电机轴的瞬时转速ω，通过三相电参采集器采集电机输入端的瞬时功率P，通过曲柄霍尔位置传感器采集一个冲次所用的时间tn；
步骤2，将曲柄旋转一周划分360等份，即曲柄每旋转1°所对应的曲柄角度为θ1，θ2，θ3，···θ360，通过三相电参采集器实时采集不同曲柄角度θi下所对应电机输入端的瞬时功率P(θi)和电机轴瞬时转速ω(θi)；其中θi为曲柄旋转角度，常规型抽油机为曲柄中心先从12点钟开始，按顺时针方向的转角，°；
步骤3，根据采集的不同曲柄角度θi下所对应电机输入端的电机瞬时功率P(θi)和电机轴瞬时转速ω(θi)以及电机效率ηm，并计算出不同曲柄角度θi下所对应的电机轴扭矩Mm(θi)：
其中，ηm-电机效率；P(θi)-不同曲柄角度所对应的电机瞬时功率，kW；Mm(θi)-不同曲柄角度所对应的电机轴扭矩，N·m；
步骤4，已知电机轴与皮带轮的传动比ibelt，皮带传动效率ηbelt和减速箱传动比igb，减速箱传动效率ηgb，根据不同曲柄角度θi下的电机轴扭矩Mm(θi)进而能够计算出不同曲柄角度θi下的所对应的曲柄轴净扭矩Mn(θi)：
Mn(θi)＝Mm(θi)×ibelt×ηbelt×igb×ηgb
其中，ibelt-电机轴与皮带轮的传动比；igb-减速箱传动比；ηbelt-皮带传动效率，％；ηgb-减速箱传动效率，％；Mn(θi)-不同曲柄角度所对应曲柄轴净扭矩，N·m；
步骤5，根据游梁式抽油机型号查询其最大平衡扭矩Memax，根据公式计算出不同曲柄角度θi下的曲柄轴平衡扭矩Me(θi)：
Me(θi)＝Memaxsinθi
其中，Memax-抽油机最大平衡扭矩；Me(θi)-不同曲柄角度下所对应的曲柄轴平衡扭矩，N·m；
步骤6，根据不同曲柄角度所对应的曲柄净扭矩Mn(θi)和曲柄平衡扭矩Me(θi)的关系，即可算出不同曲柄角度θi下所对应的悬点载荷在曲柄轴上作用的负荷扭矩Mw(θi)：
Mw(θi)＝Mn(θi)-Me(θi)
其中，Mw(θi)-不同曲柄角度所对应的悬点载荷在曲柄轴处的负荷扭矩，N·m；
步骤7，在光杆上安装悬点位置传感器，同步标定不同曲柄角度θi下所对应悬点位置SA(θi)，确定了抽油机曲柄对应抽油机井口悬点在上死点和下死点的旋转角度，同时也确定了不同曲柄角度θi所对应的扭矩因数
其中，
-不同曲柄角度下的扭矩因数；θi-曲柄旋转角度，°；i-曲柄旋转角度 对应的编号；tn-曲柄旋转一周，即一个冲次所用的时间，s；Δt-曲柄每旋转1°所用的时间，并将曲柄旋转一周看成匀速运动，s；n-抽油机冲次，次/分；v(θi)-在曲柄角度θi下的悬点瞬时速度，m/s；ωb-曲柄旋转速度，deg/s；
步骤8，根据步骤7得到的扭矩因数
可以计算出不同曲柄角度θi下的所对应的悬点载荷W算(θi)：
其中，W算(θi)-不同曲柄角度所对应的计算出的悬点载荷，kN；
步骤9，在光杆上安装的载荷传感器，同步标定实测不同曲柄角度θi下的载荷系数f(θi)：
其中，W测(θi)-不同曲柄角度所对应的悬点载荷，kN。f(θi)-不同曲柄角度所对应的实测悬点载荷与计算悬点载荷的载荷系数；
步骤10，通过上述步骤得到了不同曲柄角度所对应的扭矩因数
悬点位置SA(θi)、载荷系数f(θi)，拆掉光杆上的悬点位置传感器和载荷传感器，重新采集电机轴的瞬时转速和电机输入端的瞬时功率，重复步骤3～6和步骤8，最终得到不同曲柄角度θi所对应的校正悬点载荷W校(θi)：
W校(θi)＝f(θi)×W算(θi)
W校(θi)-不同曲柄角度所对应的校正悬点载荷，kN；
步骤11，将校正的悬点载荷W校(θi)与悬点位置SA(θi)根据曲柄角度进行一一对应，即能绘制出悬点载荷与悬点位置的地面示功图曲线；
步骤12，根据示功图的形状计算出井下泵的充满度Φ：
式中，Φ-泵的充满度，％；S-柱塞的总冲程，m；Sp-柱塞有效冲程，m；
步骤13，当充满度Φ＝100％时，则认为该井供液充足；当充满度70％≤Φ＜100％时，则认为该井轻度供液不足；当Φ＜70％时，则认为该井严重供液不足。
步骤4中，在将曲柄转角θi＝0°时，扭矩因数为0.06，θi＝180°时扭矩因数为-0.06。
本发明具有以下优点：
1)本发明方法提供了一种利用电参“示功图”识别供液不足的方法，首次应用本方法需要应用悬点位置传感器和载荷传感器进行标定，标定过后，在不改变抽油机结构情况下，即能够利用电参数反推导示功图，能够有效替代悬点位置传感器和载荷传感器对游梁式抽油机进行长期监测，大幅降低油田成本，避免了悬点位置传感器和载荷传感器长期安装导致零点漂移和灵敏度变化，导致测试数据不准确。
2)本发明方法能够有效的对油井运行状态实时监测，能够大幅降低现场测试工作量，提高工作效率。
3)本发明利用悬点位置传感器标定了曲柄旋转一周不同转角的扭矩因数，扭矩因数更加准确，示功图误差小，更能有效判断出供液不足，进而制定调参措施。
说明书附图：图1本发明的流程图；图2供液不足示功图；图3具体实施例计算出的供液不足示功图
具体实施方式：下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
具体实施例：
以XX井为例，该井抽油机型号CYJ10-3-37HB，最大平衡扭矩(4平衡块)Memax＝83722N，冲程3m。电机轴与皮带轮的传动比ibelt＝5，皮带传动效率ηbelt＝93％，减速箱传动比igb＝25，减速箱传动效率ηgb＝95％，电机为三相异步电机，效率ηm＝90％。
步骤1，首先通过电机齿圈转速传感器采集电机轴的瞬时转速ω，通过三相电参采集器采集电机输入端的瞬时功率P，通过曲柄霍尔位置传感器采集一个冲次所用的时间tn＝10s；
步骤2，将曲柄旋转一周划分360等份，即曲柄每旋转1°所对应的曲柄角度为θ1，θ2，θ3，…θ360，通过三相电参采集器实时采集不同曲柄角度θi下所对应电机输入端的瞬时功率P(θi)和电机轴瞬时转速ω(θi)如表1所示；其中θi为曲柄旋转角度，常规型抽油机为曲柄中心先从12点钟开始，按顺时针方向的转角，°；
表1采集的不同曲柄角度下电机输入端瞬时功率和电机轴瞬时转速
| 曲柄角度编号 | θ<sub>0</sub> | θ<sub>1</sub> | θ<sub>2</sub> | θ<sub>3</sub> | θ<sub>4</sub> | θ<sub>5</sub> | … | θ<sub>359</sub> |
| 曲柄角度(°) | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | … | 359 |
| 电机输入端瞬时功率(kW) | -1.5 | -1.52 | -1.53 | -1.54 | -1.54 | -1.54 | … | -1.47 |
| 电机轴瞬时转速(rad/min) | 752 | 752 | 752 | 752 | 752 | 751 | … | 752 |
步骤3，根据采集的不同曲柄角度θi下所对应电机输入端的电机瞬时功率P(θi)和电机轴瞬时转速ω(θi)以及电机效率ηm，并计算出不同曲柄角度θi下所对应的电机轴扭矩Mm(θi)如表2所示；
表2不同曲柄角度所对应的电机轴扭矩
| 曲柄角度编号 | θ<sub>0</sub> | θ<sub>1</sub> | θ<sub>2</sub> | θ<sub>3</sub> | θ<sub>4</sub> | θ<sub>5</sub> | … | θ<sub>359</sub> |
| 曲柄角度(°) | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | … | 359 |
| 电机输入端瞬时功率(kW) | -1.5 | -1.52 | -1.53 | -1.54 | -1.54 | -1.54 | … | -1.47 |
| 电机轴瞬时转速(rad/min) | 752 | 752 | 752 | 752 | 752 | 751 | … | 752 |
| 电机轴扭矩(N·m) | -17.144 | -17.373 | -17.487 | -17.601 | -17.601 | -17.601 | … | -16.801 |
步骤4，已知电机轴与皮带轮的传动比ibelt，皮带传动效率ηbelt和减速箱传动比igb，减速箱传动效率ηgb，根据不同曲柄角度θi下的电机轴扭矩Mm(θi)进而能够计算出不同曲柄角度θi下的所对应的曲柄轴净扭矩Mn(θi)如表3所示；
Mn(θi)＝Mm(θi)×5×93％×25×95％
表3不同曲柄角度所对应的曲柄轴净扭矩
| 曲柄角度编号 | θ<sub>0</sub> | θ<sub>1</sub> | θ<sub>2</sub> | θ<sub>3</sub> | θ<sub>4</sub> | θ<sub>5</sub> | … | θ<sub>359</sub> |
| 曲柄轴净扭矩(N·m) | -1893.4 | -1918.6 | -1931.2 | -1943.9 | -1943.9 | -1943.9 | … | -1855.5 |
步骤5，根据游梁式抽油机型号查询其最大平衡扭矩Memax，根据公式计算出不同曲柄角度θi下的曲柄轴平衡扭矩Me(θi)如表4所示；
Me(θi)＝83722×sinθi
表4不同曲柄角度所对应的曲柄平衡扭矩
| 曲柄角度编号 | θ<sub>0</sub> | θ<sub>1</sub> | θ<sub>2</sub> | θ<sub>3</sub> | θ<sub>4</sub> | θ<sub>5</sub> | … | θ<sub>359</sub> |
| 曲柄轴平衡扭矩(N·m) | 0.0 | -1461.2 | -2921.9 | -4381.7 | -5840.2 | -7296.9 | … | 1461.2 |
步骤6，根据不同曲柄角度所对应的曲柄净扭矩Mn(θi)和曲柄平衡扭矩Me(θi)的关系，即可算出不同曲柄角度θi下所对应的悬点载荷在曲柄轴上作用的负荷扭矩Mw(θi)如表5所示；
Mw(θi)＝Mn(θi)-Me(θi)
表5不同曲柄角度所对应的悬点载荷在曲柄轴上作用的负荷扭矩
| 曲柄角度编号 | θ<sub>0</sub> | θ<sub>1</sub> | θ<sub>2</sub> | θ<sub>3</sub> | θ<sub>4</sub> | θ<sub>5</sub> | … | θ<sub>359</sub> |
| 负荷扭矩(N·m) | -1893.4 | -457.5 | 990.6 | 2437.8 | 3896.3 | 5353.0 | … | -3316.7 |
步骤7，在光杆上安装悬点位置传感器，同步标定不同曲柄角度θi下所对应悬点位置SA(θi)，确定了抽油机曲柄对应抽油机井口悬点在上死点和下死点的旋转角度，同时也确定了不同曲柄角度θi所对应的扭矩因数
如表6所示；
扭矩因数
的物理意义是单位悬点载荷在曲柄轴上产生的扭矩，实质是表征抽油机的运动特性，即悬点位置SA(θi)随曲柄转角θi 的变化率，由于死点处扭矩因数通常为零，因此，为了防止示功图死点处发散，在将曲柄转角θi＝0°时，扭矩因数值设为一固定值0.06，θi＝180°时扭矩因数值设为一固定值-0.06；
表6不同曲柄角度下扭矩因数
| 曲柄角度编号 | θ<sub>0</sub> | θ<sub>1</sub> | θ<sub>2</sub> | θ<sub>3</sub> | θ<sub>4</sub> | θ<sub>5</sub> | … | θ<sub>359</sub> |
| 悬点位置(m) | 0.000 | 0.001 | 0.002 | 0.004 | 0.006 | 0.009 | … | 0.001 |
| 扭矩因数 | 0.06 | 0.0687 | 0.0687 | 0.1375 | 0.1375 | 0.2062 | … | -0.06 |
步骤8，根据步骤7得到的扭矩因数
可以计算出不同曲柄角度θi下的所对应的悬点载荷W算(θi)如表7所示；
表7不同曲柄角度所对应的计算得到的悬点载荷
| 曲柄角度编号 | θ<sub>0</sub> | θ<sub>1</sub> | θ<sub>2</sub> | θ<sub>3</sub> | θ<sub>4</sub> | θ<sub>5</sub> | … | θ<sub>359</sub> |
| 计算得到的悬点载荷(kN) | 27.54 | 6.65 | 14.41 | 17.73 | 28.33 | 25.95 | … | 55.28 |
步骤9，在光杆上安装的载荷传感器，同步标定实测不同曲柄角度θi下的载荷系数f(θi)如表8所示：
表8不同曲柄角度所对应的载荷系数
| 曲柄角度编号 | θ<sub>0</sub> | θ<sub>1</sub> | θ<sub>2</sub> | θ<sub>3</sub> | θ<sub>4</sub> | θ<sub>5</sub> | … | θ<sub>359</sub> |
| 载荷系数 | 0.998 | 4.145 | 1.978 | 1.621 | 1.029 | 1.132 | … | 0.498 |
步骤10，通过上述步骤得到了不同曲柄角度所对应的扭矩因数
悬点位置SA(θi)、载荷系数f(θi)，拆掉光杆上的悬点位置传感器和载荷传感器，重新采集的不同曲柄角度θi下所对应电机输入端的电机瞬时功率P(θi)和电机轴瞬时转速ω(θi)，重复步骤3～6和步骤8，最终得到不同曲柄角度θi所对应的校正悬点载荷W校(θi)如表9所示，这样就可以无需载荷传感器和悬点位置传感器，做到实时对悬点载荷进行实时监测；
W校(θi)＝f(θi)×W算(θi)
表9不同曲柄角度所对应的校正后的悬点载荷
步骤11，将校正的悬点载荷W校(θi)与悬点位置SA(θi)根据曲柄角度进行一一对应，即能绘制出悬点载荷与悬点位置的地面示功图曲线见图3；
步骤12，根据步骤11得到的示功图的形状计算出井下泵的充满度Φ，我们得到该井充满度为31.8％；
步骤13，该井充满度为31.8％，根据充满度大小的判断，表面该井为严重供液不足的井。
为此，该井严重供液不足，进而需要制定调参措施。在不改变抽油机结构情况下，本方法能够利用电参数反推导示功图，有效替代悬点位置传感器和载荷传感器对游梁式抽油机进行长期监测，避免了悬点位置传感器和载荷传感器长期安装导致零点漂移和灵敏度变化，导致测试数据不准确，本方法大幅降低油田成本，保障抽油机高效运行。
Claims (2)
1.一种利用电参“示功图”识别供液不足的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，首先通过电机齿圈转速传感器采集电机轴的瞬时转速ω，通过三相电参采集器采集电机输入端的瞬时功率P，通过曲柄霍尔位置传感器采集一个冲次所用的时间tn；
步骤2，将曲柄旋转一周划分360等份，即曲柄每旋转1°所对应的曲柄角度为θ1，θ2，θ3，…θ360，通过三相电参采集器实时采集不同曲柄角度θi下所对应电机输入端的瞬时功率P(θi)和电机轴瞬时转速ω(θi)；其中θi为曲柄角度；
步骤3，根据采集的不同曲柄角度θi下所对应电机输入端的电机瞬时功率P(θi)和电机轴瞬时转速ω(θi)以及电机效率ηm，并计算出不同曲柄角度θi下所对应的电机轴扭矩Mm(θi)：
其中，ηm-电机效率；ω(θi)-不同曲柄角度所对应的电机轴瞬时转速，rad/min；P(θi)-不同曲柄角度所对应的电机瞬时功率，kW；Mm(θi)-不同曲柄角度所对应的电机轴扭矩，N·m；
步骤4，已知电机轴与皮带轮的传动比ibelt，皮带传动效率ηbelt和减速箱传动比igb，减速箱传动效率ηgb，根据不同曲柄角度θi下的电机轴扭矩Mm(θi)进而能够计算出不同曲柄角度θi下的所对应的曲柄轴净扭矩Mn(θi)：
Mn(θi)＝Mm(θi)×ibelt×ηbelt×igb×ηgb
其中，ibelt-电机轴与皮带轮的传动比；igb-减速箱传动比；ηbelt-皮带传动效率，％；ηgb-减速箱传动效率，％；Mn(θi)-不同曲柄角度所对应曲柄轴净扭矩，N·m；
步骤5，根据游梁式抽油机型号查询其最大平衡扭矩Memax，根据公式计算出不同曲柄角度θi下的曲柄轴平衡扭矩Me(θi)：
Me(θi)＝Memaxsinθi
其中，Memax-抽油机最大平衡扭矩；Me(θi)-不同曲柄角度下所对应的曲柄轴平衡扭矩，N·m；
步骤6，根据不同曲柄角度所对应的曲柄净扭矩Mn(θi)和曲柄平衡扭矩Me(θi)的关系，即可算出不同曲柄角度θi下所对应的悬点载荷在曲柄轴上作用的负荷扭矩Mw(θi)：
Mw(θi)＝Mn(θi)-Me(θi)
其中，Mw(θi)-不同曲柄角度所对应的悬点载荷在曲柄轴处的负荷扭矩，N·m；
步骤7，在光杆上安装悬点位置传感器，同步标定不同曲柄角度θi下所对应悬点位置SA(θi)，确定了抽油机曲柄对应抽油机井口悬点在上死点和下死点的旋转角度，同时也确定了不同曲柄角度θi所对应的扭矩因数
其中，
-不同曲柄角度下的扭矩因数；θi-曲柄角度，°；i-曲柄角度对应的编号；tn-曲柄旋转一周，即一个冲次所用的时间，s；Δt-曲柄每旋转1°所用的时间，并将曲柄旋转一周看成匀速运动，s；n--抽油机冲次，次/分；ν(θi)-在曲柄角度θi下的悬点瞬时速度，m/s；ωb-曲柄旋转速度，deg/s；
步骤8，根据步骤7得到的扭矩因数
计算出不同曲柄角度θi下的所对应的悬点载荷W算(θi)：
其中，W算(θi)-不同曲柄角度所对应的计算出的悬点载荷，kN；
步骤9，在光杆上安装的载荷传感器，同步标定实测不同曲柄角度θi下的载荷系数f(θi)：
其中，W测(θi)-不同曲柄角度所对应的悬点载荷，kN；f(θi)-不同曲柄角度所对应的实测悬点载荷与计算悬点载荷的载荷系数；
步骤10，通过上述步骤得到了不同曲柄角度所对应的扭矩因数
悬点位置SA(θi)、载荷系数f(θi)，拆掉光杆上的悬点位置传感器和载荷传感器，重新采集电机轴的瞬时转速和电机输入端的瞬时功率，重复步骤3～6和步骤8，最终得到不同曲柄角度θi所对应的校正悬点载荷W校(θi)：
W校(θi)＝f(θi)×W算(θi)
W校(θi)-不同曲柄角度所对应的校正悬点载荷，kN；
步骤11，将校正的悬点载荷W校(θi)与悬点位置SA(θi)根据曲柄角度进行一一对应，即能绘制出悬点载荷与悬点位置的地面示功图曲线；
步骤12，根据示功图的形状计算出井下泵的充满度Φ：
式中，Φ-泵的充满度，％；S-柱塞的总冲程，m；Sp-柱塞有效冲程，m；
步骤13，当充满度Φ＝100％时，则认为该井供液充足；当充满度70％≤Φ＜100％时，则认为该井轻度供液不足；当Φ＜70％时，则认为该井严重供液不足。
2.根据权利要求1所述的一种利用电参“示功图”识别供液不足的方法，其特征在于，步骤4中，在将曲柄角度θi＝0°时，扭矩因数为0.06，θi＝180°时扭矩因数为-0.06。
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