CN112761614A - 一种抽油机电功率计产装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油田采油井产量计量领域，公开了一种抽油机电功率计产装置和方法，包括智能控制器、电功率采集模块、光杆位移采集模块、无线收发模块，所述的电功率采集模块安装在抽油机电机输入端，用于采集电机功率，光杆位移采集模块安装在光杆上，用于采集光杆行程，无线收发模块分别安装在电功率采集模块、光杆位移采集模块和智能控制器上，用于采集模块和智能控制器的数据传输，通过智能控制器计算分析抽油机下行程电机功率变化规律得到抽油泵柱塞的有效行程，结合抽油泵直径、冲次计算出产液量，具有测量方便、数据获取精度高、可靠性好、成本低、不需停机消除冻堵隐患等优点。

Description

一种抽油机电功率计产装置和方法

技术领域

本发明涉及油田采油井产量计量领域，公开了一种抽油机电功率计产装置和方法。

背景技术

采油井产量单井计量是油田生产管理、油藏动态分析中非常重要的数据，目前现场应用比较成熟的量油设备包括计量间玻璃管量油、翻斗法量油、计量车量油。玻璃管量油精度高，但是对于多口油井挂线生产的情况存在需要关停挂线上的其他油井、同时计量时间长、影响产量、冬季容易冻井等问题；翻斗法和计量车量油缺点是成本高、效率低、维护难。

发明内容

为解决现有计产装置计产时间长、精度低、需停机测试的问题，本发明提供一种新型的抽油机电功率计产装置和方法，本发明具备测量方便、数据获取精度高、可靠性好、不需停机消除冻堵隐患的优点。

本发明提供的技术方案是：一种抽油机电功率计产装置，包括智能控制器、设置在配电箱内的电功率采集模块、设置在抽油机光杆上的光杆位移采集模块；三者通过无线通讯方式传递信息，实现数据在线实时传递。

进一步的技术方案是，所述的智能控制器由CPU、存储器、显示器、键盘、无线通信单元、电源、壳体组成，所述的存储器、显示器、键盘、无线通信单元和电源分别与CPU电连接，所有元件集中安装在壳体中。

进一步的技术方案是，所述的电功率采集模块由CPU、存储器、显示器、电流传感器、电压传感器、无线通信单元、电源、壳体组成，所述的存储器、显示器、电流传感器、电压传感器、无线通信单元和电源分别与CPU电连接，所有元件集中安装在壳体中，所述的电流传感器用于采集流经抽油机电机的电流信号，所述的电压传感器用于采集抽油机电机两端的电压信号。

进一步的技术方案是，所述的光杆位移采集模块由CPU、存储器、显示器、加速度传感器、气压传感器、无线通信单元、电源、壳体组成，所述的存储器、显示器、加速度传感器、气压传感器、无线通信单元、电源分别与CPU电连接，所有元件集中安装在壳体中，所述的加速度传感器用于采集光杆上下运动的加速度信号，所述的气压传感器用于采集光杆海拔高度的气压信号。

一种采用抽油机电功率计产装置进行抽油机电功率计产的方法，包括以下步骤：

S1，智能控制器发送采集指令，包括：采样频率和采样点数；

S2，电功率采集模块、光杆位移采集模块收到智能控制器发送的采集指令即开始按照设定的采样频率同步采集数据；

S3，电功率采集模块将采集到的电流信号、电压信号通过电功率采集模块中的CPU运算处理得到电功率数据；光杆位移采集模块将采集到的加速度信号和气压信号通过光杆位移采集模块中的CPU运算处理得到光杆位移数据；电功率采集模块和光杆位移采集模块按指令分别将电功率数据和光杆位移数据打包发送到智能控制器；

S4，智能控制器把收到的电功率数据、光杆位移数据存储到存储器中；

S5、智能控制器对光杆光杆位移数据进行处理得到光杆位移、冲程、冲次；

S6、智能控制器对一个完整冲次的电功率数据和光杆位移数据进行处理，得到电功率函数P(t_i),i＝1,2,...K；位移函数S(t_i),i＝1,2,...K；

S7、智能控制器对电功率线进行滤波得到平滑的电功率函数Pl(t_i),i＝1,2,...K；

S8、智能控制器对滤波后的电功率函数进行差分计算得到电功率函数的一阶导数

Pl'(t_i),i＝1,2,...K；

S9、智能控制器对一阶导数Pl'(t_i),i＝1,2,...K进行差分计算电功率函数的二阶导数Pl"(t_i),i＝1,2,...K；

S10、智能控制器从i＝K/2到K对Pl"找最大值Pl"(M)，该点就是游动阀打开点，有效冲程L＝S(M)-S_最小值；

S11、抽油机产量的计算公式为：

Q＝1440×πD²/4×L×N×μ

式中：

Q为日产量(t/d)，

D为泵径(mm)，

L为柱塞有效行程(m)，

N为冲次(次/分钟)，

μ为混合液比重kg/m³；

S11、得到的抽油泵日产量Q是泵筒下行游动阀打开到下死点泵筒总的吸入液量，考虑到泵筒上行存在漏失，将日产量Q乘以修正系数，该修正系数根据实测对比确定。

S12、智能控制器存储的测量数据可以通过远传设备发送到服务器或通过数据线下载到服务器进行存档供生产管理部门使用。

本发明的有益效果为：

(1)与现有的玻璃管量油法相比较，本发明测试速度快，且不受单井产液量影响。

(2)本发明解决了挂线井不停机量油的问题，抽油机运动参数及电动机功率参数的采集均不需要停机操作，规避了停机影响产量及停机后冬季易冻井的问题。

(3)与现有技术中的电功图计产法相比较，本发明是通过电功率曲线直接判断出抽油泵有效冲程的端点，从而计算出抽油泵的有效冲程，结合抽油泵直径、冲次计算出产液量进而计量出单位时间内单井的产液量。省去了转换环节，不需要额外加装装置，不需要软件支持，节省了费用，提升了效率。

(4)本发明中测试设备体积小、成本低，可以组网形成在线测量系统也可以组成便携系统移动测量。

附图说明

图1是本发明安装位置图。

图2是智能控制器的结构方框图。

图3功率采集模块的结构方框图。

图4光杆位移采集模块的结构方框图。

图5本发明中电机有功功率曲线、滤波后有功功率曲线、有功功率二阶导数曲线图。

图6是本发明中光杆位移曲线、速度曲线、气压曲线、加速度曲线图。

图中：1、智能控制器；2、功率采集模块；3、光杆位移采集模块。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本实施例包括智能控制器1、设置在配电箱内的电功率采集模块2、设置在抽油机光杆上的光杆位移采集模块3；所述的智能控制器1、电功率采集模块2、光杆位移采集模块3通过无线方式连接；所述的智能控制器1采用手持式、电功率采集模块2采用钳形互感器、光杆位移采集模块3采用强力磁铁吸附在光杆上，组成便携式移动测量系统。

所述的智能控制器1由CPU、存储器、显示器、键盘、无线通信单元、电源、壳体组成，所述的存储器、显示器、键盘、无线通信单元、电源分别与CPU电连接，且上述的元件全部集中安装在壳体中。CPU作为智能控制器1的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元，运算的结果通过显示器显示。

所述的电功率采集模块2由CPU、存储器、显示器、电流传感器、电压传感器、无线通信单元、电源、壳体组成组成，所述的存储器、显示器、电流传感器、电压传感器、无线通信单元和电源分别与CPU电连接，所有元件集中安装在壳体中，使得元件集成化，模块化，方便移动携带。所述的电流传感器用于采集流经抽油机电机的电流信号，所述的电压传感器用于采集抽油机电机两端的电压信号。电流信号和电压信号通过电功率采集模块2的CPU运算处理得到电功率数据。

传统技术测量抽油机冲程、冲次的方式有两种，其中一种是通过拉线加目测的方式测量，另一种是通过在抽油机配重块上安装位移传感器的方式测量，以上两种方式效率均十分低，准确度不高，而且需要抽油机停机，十分不可取，为了能够在提升测量准确度的同时提升测试效率，本发明公开了一种光杆位移采集模块3，所述的光杆位移采集模块3由CPU、存储器、显示器、加速度传感器、气压传感器、无线通信单元、电源、壳体组成，所述的存储器、显示器、加速度传感器、气压传感器、无线通信单元、电源分别与CPU电连接并集中安装在壳体中。光杆采集模块3通过强磁吸附在光杆上，不需抽油机停机即可操作，加速度传感器采集光杆上下运动的加速度信号，气压传感器采集光杆海拔高度的气压信号，加速度信号与海报高度的气压信号互相补充，能弥补单一传感器存在的不足。所以本发明中的光杆位移采集模块3与传统技术相比较，不仅更准确而且更高效。加速度信号和海拔高度的气压信号通过光杆位移采集模块3中的CPU运算处理得到光杆位移数据。本发明中信息实时采集实时传递，所以通过智能控制器1能够使一个冲程范围内，各个时间节点光杆位移与电机功率值一一对应。

普通抽油机上配备的三相异步电动机或永磁同步电动机，其转速受负载变化影响很小，因此认为转速是均匀的。当负载发生变化时，电机功率将随之变化，在抽油机下行程抽油泵柱塞碰到液体之前，载荷变化较小，当抽油泵柱塞碰到液体游动阀打开时，载荷瞬间减小，电机为了拖动配重保持匀速功率会瞬间增大，因此这个功率突变点就是有效行程点。

如图5示，电机功率曲线是杂乱的，通过对电功率曲线低通滤波可以去除信号杂波和干扰，对滤波后的电功率函数求二阶导数，找到最大值，这一点就是抽油泵游动阀打开点，抽油泵游动阀的打开点与关闭点之间光杆的行程即为泵的有效行程，根据现有的知识我们知道抽油泵游动阀的关闭点即为光杆(或者抽油泵)的下死点。

一种采用抽油机电功率计产装置进行计产的方法，包括以下步骤：

S1，智能控制器1发送采集指令，包括：采样频率和采样点数；

S2，电功率采集模块2、光杆位移采集模块3收到智能控制器1发送的采集指令即开始按照设定的采样频率同步采集数据；

S3，电功率采集模块2将采集到的电流信号、电压信号通过电功率采集模块2中的CPU运算处理得到电功率数据；光杆位移采集模块3将采集到的加速度信号和气压信号通过光杆位移采集模块3中的CPU运算处理得到光杆位移数据；电功率采集模块2和光杆位移采集模块3按指令分别将电功率数据和光杆位移数据打包发送到智能控制器1；

S4，智能控制器1把收到的电功率数据、光杆位移数据存储到存储器中；

S5、智能控制器1对光杆光杆位移数据进行处理得到光杆位移、冲程、冲次；

S6、智能控制器1对一个完整冲次的电功率数据和光杆位移数据进行处理，得到电功率函数P(t_i),i＝1,2,...K，见图5中有功功率曲线；位移函数S(t_i),i＝1,2,...K，见图6中光杆位移曲线；

S7、智能控制器1对电功率线进行滤波得到平滑的电功率函数Pl(t_i),i＝1,2,...K；

S8、智能控制器1对滤波后的电功率函数进行差分计算得到电功率函数的一阶导数

Pl'(t_i),i＝1,2,...K；

S9、智能控制器1对一阶导数Pl'(t_i),i＝1,2,...K进行差分计算电功率函数的二阶导数Pl"(t_i),i＝1,2,...K；

S10、智能控制器1从i＝K/2到K对Pl"找最大值Pl"(M)，该点就是游动阀打开点，那么有效冲程L＝S(M)-S_最小值；

S11、抽油机产量的计算公式为：

Q＝1440×πD²/4×L×N×μ

式中：

Q为日产量(t/d)，

D为泵径(mm)，

L为柱塞有效行程(m)，

N为冲次(次/分钟)，

μ为混合液比重kg/m³；

S11、得到的抽油泵日产量Q是泵筒下行游动阀打开到下死点泵筒总的吸入液量，考虑到泵筒上行存在漏失，将日产量Q乘以修正系数，该修正系数根据实测对比确定。

S12、智能控制器1存储的测量数据可以通过远传设备发送到服务器或通过数据线下载到服务器进行存档供生产管理部门使用。

由于传统的玻璃管量油法测量速度受单井产液量影响大，产液4t/d的井量油一次时间约3小时左右，产液30t/d的井量油一次时间约30分钟左右；而使用本发明测试单井产液量时间约为5～10分钟，且不受单井产量多少的影响。因此，与现有的玻璃管量油法相比较，本发明测试速度快，且不受单井产液量影响。而且，与现有技术相比较，本发明解决了挂线井不停机量油的问题，抽油机运动参数及电动机功率参数的采集均不需要停机操作，规避了停机影响产量及停机后冬季易冻井的问题。

本发明中测试设备体积小、成本低，可以组网形成在线测量系统也可以组成便携系统移动测量。

除此之外，现有技术还存在电功图计产法，电功图是由电功率曲线转换成，转换过程除了需要软件支持，还需要井上角位移和线速度传感器，增加额外费用。而本申请不需要将电功率曲线转换成电功图，也不需要额外加装装置，通过曲线形状直接判断出抽油泵有效冲程的端点，从而计算出抽油泵的有效冲程，进而计量出单井的日产液量。

Claims (5)

1.一种抽油机电功率计产装置，其特征在于：包括智能控制器(1)、设置在配电箱内的电功率采集模块(2)、设置在抽油机光杆上的光杆位移采集模块(3)；三者通过无线通讯方式传递信息，实现数据在线实时传递。

2.根据权利要求1所述的一种抽油机电功率计产装置，其特征在于：所述的智能控制器(1)由CPU、存储器、显示器、键盘、无线通信单元、电源、壳体组成，所述的存储器、显示器、键盘、无线通信单元和电源分别与CPU电连接，所有元件集中安装在壳体中。

3.根据权利要求1所述的一种抽油机电功率计产装置，其特征在于：所述的电功率采集模块(2)由CPU、存储器、显示器、电流传感器、电压传感器、无线通信单元、电源、壳体组成，所述的存储器、显示器、电流传感器、电压传感器、无线通信单元和电源分别与CPU电连接，所有元件集中安装在壳体中，所述的电流传感器用于采集流经抽油机电机的电流信号，所述的电压传感器用于采集抽油机电机两端的电压信号。

4.根据权利要求1所述的一种抽油机电功率计产装置，其特征在于：所述的光杆位移采集模块(3)由CPU、存储器、显示器、加速度传感器、气压传感器、无线通信单元、电源、壳体组成，所述的存储器、显示器、加速度传感器、气压传感器、无线通信单元、电源分别与CPU电连接，所有元件集中安装在壳体中，所述的加速度传感器用于采集光杆上下运动的加速度信号，所述的气压传感器用于采集光杆海拔高度的气压信号。

5.一种采用权利要求1-4任意一项所述的抽油机电功率计产装置进行抽油机电功率计产的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，智能控制器(1)发送采集指令，包括：采样频率和采样点数；

S2，电功率采集模块(2)、光杆位移采集模块(3)收到智能控制器(1)发送的采集指令即开始按照设定的采样频率同步采集数据；

S3，电功率采集模块(2)将采集到的电流信号、电压信号通过电功率采集模块(2)中的CPU运算处理得到电功率数据；光杆位移采集模块(3)将采集到的加速度信号和气压信号通过光杆位移采集模块(3)中的CPU运算处理得到光杆位移数据；电功率采集模块(2)和光杆位移采集模块(3)按指令分别将电功率数据和光杆位移数据打包发送到智能控制器(1)；

S4，智能控制器(1)把收到的电功率数据、光杆位移数据存储到存储器中；

S5、智能控制器(1)对光杆位移数据进行处理得到光杆位移、冲程、冲次；

S6、智能控制器(1)对一个完整冲次的电功率数据和光杆位移数据进行处理，得到电功率函数P(t_i),i＝1,2,...K；位移函数S(t_i),i＝1,2,...K；

S7、智能控制器(1)对电功率线进行滤波得到平滑的电功率函数Pl(t_i),i＝1,2,...K；

S8、智能控制器(1)对滤波后的电功率函数进行差分计算得到电功率函数的一阶导数

Pl'(t_i),i＝1,2,...K；

S9、智能控制器(1)对一阶导数Pl'(t_i),i＝1,2,...K进行差分计算电功率函数的二阶导数Pl"(t_i),i＝1,2,...K；

S10、智能控制器(1)从i＝K/2到K对Pl"找最大值Pl"(M)，该点就是游动阀打开点，有效冲程L＝S(M)-S_最小值；

S11、抽油机产量的计算公式为：

Q＝1440×πD²/4×L×N×μ

式中：

Q为日产量(t/d)，

D为泵径(mm)，

L为柱塞有效行程(m)，

N为冲次(次/分钟)，

μ为混合液比重kg/m³；

S11、得到的抽油泵日产量Q是泵筒下行游动阀打开到下死点泵筒总的吸入液量，考虑到泵筒上行存在漏失，将日产量Q乘以修正系数，该修正系数根据实测对比确定。

S12、智能控制器(1)存储的测量数据可以通过远传设备发送到服务器或通过数据线下载到服务器进行存档供生产管理部门使用。

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