CN113323655A - 一种油井动液面软测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种油井动液面软测量方法及装置。其测量方法是采用一种油井动液面软测量装置采集抽油机驱动电机的输入电参数，根据建立的驱动电机输入电参数与平均悬点载荷以及油井动液面之间的数学模型，实现对油井动液面的软测量。其油井动液面软测量装置由抽油机驱动电机电参量采集单元、抽油机驱动电机电参量处理单元、输出执行单元三大工作单元组成。本发明是一种典型的“以软代硬”间接软测量方法，工程应用性强、可靠性好、准确性高，不受套管环空内死油、稠油、泡沫油、结蜡环等因素影响，对于斜井仍然具有适用性。
Description
技术领域
本发明属于油田采油生产过程状态监测及机采提效控制技术领域，涉及一种油井动液面软测量方法及装置。
背景技术
油井动液面深度(简称油井动液面)的准确测量是分析油田生产运行动态、制定油田开发及调整方案的关键技术之一。通过测量油井动液面，可以了解地层供液能力和井下供排关系、确定油泵沉没深度和合理冲次等抽汲参数，有效提高油田采收率和降低举升成本。
目前本领域公知的主要测量方法有声波反射法、示功图计算法和其他常规方法。声波反射法是利用发声设备在油井口发射声波脉冲(典型有白噪声波、氮气声波等)，根据次脉冲波传播速度和反射时间计算动液面值，但受套管环空内死油、稠油、泡沫油、结蜡环等因素影响，此法精度不高，对于斜井更无法适用；示功图计算法是利用抽油机示功仪测得地面示功图，根据其与动液面之间的关联关系获得动液面值，此法受示功仪本身寿命老化、性能系数畸变等因素制约，稳定性较差、准确性不高；其他常规方法包括浮筒法、压力计探测法、物质平衡法等，受到套管环空空间限制，工程实用性较差。
发明内容
本发明的目的在于对现有技术存在的上述问题加以解决，提供一种通过实时监测抽油机驱动电机电参量实现油井动液面的软测量方法，同时还提供一种可用于实现该方法的油井动液面软测量装置。
本发明所述油井动液面的软测量方法，包括以下的实施步骤：
步骤一、通过油井动液面软测量装置的三相电压检测模块和三相电流检测模块采集抽油机驱动电机的瞬时电压值uai(t)、ubi(t)、uci(t)和瞬时电流值iai(t)、ibi(t)、ici(t)，由安装于抽油机游梁处的游梁倾角测量模块测量游梁前臂与水平线X夹角Ωi(即游梁倾角)对应的电流值Isi(t)，由油井动液面软测量装置的DSP系统模块计算获得驱动电机输入的实时合相有功功率值pi(t)、游梁倾角Ωi(当游梁前臂在水平线以上时取为正值，在水平线以下时为负值)，再由平均有功功率定义计算获得驱动电机输入平均有功电功率值Pi，其中下标a、b、c分别表示三相交流电制中的a相、b相、c相电，下标i表示一个冲程周期内第i个采样点，i＝1,2,3…；
步骤二、由DSP系统模块计算获得游梁倾角Ωi的变化周期T,因游梁倾角Ωi的变化周期就是抽油机冲程周期，故冲程周期也为T，由油井动液面软测量装置的单片机系统模块根据公式(1)计算扭矩因数
其中，
在公式(1)、(2)、(3)中，A为抽油机游梁前臂的长度、C为抽油机游梁后臂的长度、R为曲柄半径、P为连杆长度、K为极距(减速器输出轴中心到游梁支承中心的距离)、K2为垂足O2(横梁轴承中心B与极距的垂足)到减速器输出轴中心O的距离、K3为横梁轴承中心B到极距的距离、K4为横梁轴承中心B到减速器输出轴中心O的距离、H为游梁支承中心到减速器输出轴中心的垂直距离、I为游梁支承中心到减速器输出轴中心的水平距离，β2为B、O连线与R之间的夹角，如图1(四连杆结构图)所示；
步骤三、由油井动液面软测量装置的单片机系统模块根据公式(4)计算抽油机悬点载荷(以游梁平衡方式为例描述),
公式(4)中，Wi表示某个冲程周期悬点载荷的第i个采样点，i＝1,2,3…,η为驱动电机效率、ηE是驱动电机到曲柄轴的传动效率、m是指数、lb是游梁平衡重重心到游梁支承中心的距离、Qb是游梁平衡重重量、B为结构不平衡重，m由驱动电机的输出转矩Mdi确定(当Mdi＞0、m＝1，当Mdi＜0、m＝-1)，Mdi由油井动液面软测量装置的单片机系统模块根据公式(5)计算，nm为驱动电机轴转速，当驱动电机型号、减速器输出轴转速和抽油机型号确定时，这些参数就是确定和已知的，
步骤四、由油井动液面软测量装置的单片机系统模块根据公式(6)和公式(7)计算k个周期上、下冲程平均悬点载荷Wav上、Wav下，n上、n下分别为上、下冲程采样点数，Wij表示第j个冲程周期的抽油机悬点载荷Wi，j＝1,2,3，…，k；
步骤5、由油井动液面软测量装置的单片机系统模块根据公式(8)计算出油井该时间点的动液面深度Ld，
其中，ρ0为油井液体密度、g为重力加速度、Ap为柱塞截面积，当抽油泵型号确定时，这些参数就是确定和已知的。
本发明所述一种油井动液面的软测量装置，包括：
抽油机驱动电机电参量采集单元、抽油机驱动电机电参量处理单元和输出执行单元。其中：
所述抽油机驱动电机电参量采集单元由三相电压检测模块、三相电流检测模块、游梁倾角测量模块和遥信检测与闭锁模块组成；
所述抽油机驱动电机电参量处理单元由单片机系统模块、DSP系统模块、CPLD逻辑与组合系统模块、模拟信号调理电路模块、数字信号调理电路模块、串行通信模块、液晶显示模块和键盘模块组成；
所述输出执行单元由光电耦合器和控制输出模块组成；
所述三相电压检测模块、三相电流检测模块、游梁倾角测量模块的输出端分别接入所述抽油机驱动电机电参量处理单元内的所述模拟信号调理电路模块的输入端，所述遥信检测与闭锁模块的输出端接入所述抽油机驱动电机电参量处理单元内所述数字信号调理电路模块的输入端；
所述模拟信号调理电路模块的输出端接至所述DSP系统模块的输入端，所述数字信号调理电路模块的输出端接至所述CPLD逻辑与组合系统模块，所述DSP系统模块通过标准SPI总线与所述单片机系统模块相连，同时通过通用并行输入输出口与所述CPLD逻辑与组合系统模块相连，所述单片机系统模块通过通用并行输入输出口和所述CPLD逻辑与组合系统模块相连，所述串行通信模块通过第一个磁耦合器模块隔离后与所述单片机系统模块内嵌的UART串行口相连，所述键盘模块的输出端经第三个磁耦合器模块隔离后与所述CPLD逻辑与组合系统模块的输入端相连，所述CPLD逻辑与组合系统模块的显示输出端经第二个磁耦合器模块隔离后与所述液晶显示模块的输入端相连；
所述控制输出模块通过所述光电耦合器隔离后与所述CPLD逻辑与组合系统模块的输出端相连。
本发明具有以下有益效果：
一、采用本发明所述的方法及装置通过实时监测抽油机驱动电机电参量实现油井动液面的测量，是一种典型的“以软代硬”间接软测量方法，不受套管环空内死油、稠油、泡沫油、结蜡环等因素影响，不受套管环空空间限制，可靠性好、准确性高，工程应用性强；
二、对于斜井仍然具有适用性。
附图说明
图1为本发明所述的抽油机的四连杆结构图；
其基本参数及意义表示如下：
A——抽油机游梁前臂的长度(m)；
C——抽油机游梁后臂的长度(m)；
R——曲柄半径(m)；
K——极距，减速器输出轴中心到游梁支承中心的距离(m)；
P——连杆长度，横梁轴承中心到曲柄销轴承中心的距离(m)；
X——水平线(实际不存在)；
α——抽油机连杆与曲柄之间的夹角(°)；
β——抽油机游梁后臂与连杆的夹角(°)；
φ——极距与水平线的夹角(°)；
Ω——游梁倾角，当游梁前臂在水平线以上时为正值，而当游梁前臂在水平线以下时为负值(°)；
ψ——抽油机游梁后臂与极距之间的夹角(°)；
H——抽油机游梁支承中心点到底座最下方的高度(m)；
I——游梁支承中心到减速器输出轴中心的水平距离(m)；图2为本发明所述的油井动液面软测量装置的硬件原理图。
具体实施方式
下面以采用游梁平衡的游梁式抽油机为例，结合附图对本发明做进一步详细描述。
本发明所述的油井动液面软测量方法的基本内容是通过油井动液面软测量装置的三相电压检测模块1和三相电流检测模块2分别采集抽油机系统中驱动电机的实时三相瞬时输入电压uai(t)、ubi(t)、uci(t)和瞬时电流值iai(t)、ibi(t)、ici(t)，通过游梁倾角测量模块测量游梁倾角对应的电流值Isi(t)，经模拟信号调理电路模块5放大、限幅、滤波、I/V变换后，根据瞬时功率定义公式由油井动液面软测量装置的DSP系统模块计算获得驱动电机输入的实时合相有功功率值pi(t)、游梁倾角Ωi，再由平均有功功率定义计算获得驱动电机输入平均有功电功率值Pi；
由DSP系统模块计算获得的游梁倾角识别抽油机冲程周期T，由油井动液面软测量装置的单片机系统模块8根据前述发明内容实施步骤中的公式(1)计算扭矩因数
其中各未知参量可通过公式(2)、(3)计算，所需参量及其含义可在图1四连杆机构图中得出；
由油井动液面软测量装置的单片机系统模块8根据公式(4)计算出抽油机悬点载荷Wi，其中可通过公式(5)计算驱动电机的输出转矩Mdi确定指数m，由油井动液面软测量装置的单片机系统模块8根据公式(6)、公式(7)计算出多周期上、下冲程平均悬点载荷Wav上、Wav下；
将计算出的多周期上、下冲程平均悬点载荷Wav上、Wav下代入公式(8)，由油井动液面软测量装置的单片机系统模块8计算出油井动液面深度Ld。
本发明所述油井动液面软测量装置的一种实施例结构如附图2所示，它由抽油机驱动电机电参量采集单元、抽油机驱动电机电参量处理单元、输出执行单元三大工作单元组成，抽油机驱动电机电参量采集单元、输出执行单元分别通过相应接口与抽油机驱动电机电参量处理单元相连。
抽油机驱动电机电参量采集单元由三相电压检测模块1、三相电流检测模块2、游梁倾角测量模块3和遥信检测与闭锁模块4组成，三相电压检测模块1、三相电流检测模块2、游梁倾角测量模块3的输出端接入驱动电机电参量处理单元内模拟信号调理电路模块5的输入端，遥信检测与闭锁模块4的输出端接入驱动电机电参量处理单元内数字信号调理电路模块6的输入端。
工作时，抽油机配电箱馈电线路中(即抽油机驱动电机电能输入回路)的三线电压通过直采方式送入三相电压检测模块1，三线电流通过既有的电流互感器变换后送入三相电流检测模块2，抽油机游梁倾角通过直采方式送入游梁倾角测量模块3，分别经抽油机驱动电机电参量处理单元内模拟信号调理电路模块5处理后得到抽油机驱动电机电能输入回路的瞬时电压值uai(t)、ubi(t)、uci(t)，瞬时电流值iai(t)、ibi(t)、ici(t)，抽油机的游梁倾角对应的电流值Isi(t)。
具体实例的结构设计上，三相电压检测模块1采用电压互感器(如HPT304A、HRPT-1),三相电流检测模块2采用电流互感器(如HCT255A、HRCT-1),游梁倾角测量模块3采用常见的倾斜传感器，遥信检测与闭锁模块4直接取自配电箱中空气开关的辅助触点信号。
所述抽油机驱动电机电参量处理单元由单片机系统模块8、DSP系统模块7、CPLD逻辑与组合系统模块9、模拟信号调理电路模块5、数字信号调理电路模块6、串行通信模块13、液晶显示模块14和键盘模块15组成，模拟信号调理电路模块5的输出端接至DSP系统模块7的输入端，数字信号调理电路模块6的输出端接至CPLD逻辑与组合系统模块9，DSP系统模块7通过标准SPI总线与单片机系统模块8相连，同时通过通用并行输入输出口与CPLD逻辑与组合系统模块9相连，单片机系统模块8通过通用并行输入输出口和CPLD逻辑与组合系统模块9相连，串行通信模块13通过第一个磁耦合器模块10隔离后与单片机系统模块8内嵌的UART串行口相连，键盘模块15的输出端经第三个磁耦合器模块12隔离后与CPLD逻辑与组合系统模块9的输入端相连，CPLD逻辑与组合系统模块9的显示输出端经第二个磁耦合器模块11隔离后与液晶显示模块14的输入端相连。
具体实例结构设计上，单片机系统模块8可采用内置多路A/D的数字信号处理器(如DSPIC30F6014A),DSP系统模块7可采用TSM320系列器件(如TSM320F2812)，CPLD逻辑与组合系统模块9可采用MAX7000系列器件(如EPM7128)，模拟信号调理电路模块5由I/V转换及放大电路(如RVC420、LM324及外围辅助元件)、钳位二极管(如IN4148)、限幅稳压管、通用阻容器件组成的滤波器实现，数字信号调理电路模块6采用由钳位二极管(如IN4001)、限幅稳压管、通用阻容器件构成的典型限幅、防抖电路实现，三只磁耦合器10、11、12需选用高速磁隔离器件(如ADUM1200)。
所述输出执行单元由光电耦合器模块16和控制输出模块17组成，控制输出模块17通过光电耦合器模块16隔离后与驱动电机电参量处理单元内CPLD逻辑与组合系统模块9的输出端相连。
具体实施结构上，控制输出模块17可采用通用控制继电器(如JQX-14)或固态继电器SSR(如S310ZK)，光电耦合器模块16则需选用输出驱动能力较大的光耦器件(如TLP127)。
实际工作中，该油井动液面软测量装置通过三相电压检测模块1、三相电流检测模块2对抽油机驱动电机电能输入回路的电参数进行采样，经模拟信号调理电路模块5放大、限幅、滤波、I/V变换后，送入含有内置A/D转换器的DSP系统模块7分析处理和记录，得到瞬时电压值uai(t)、ubi(t)、uci(t)和瞬时电流值iai(t)、ibi(t)、ici(t)，再根据瞬时无功理论公式或瞬时功率定义公式由DSP系统模块7计算获得抽油机驱动电机输入的实时合相有功功率值pi(t)，再由平均有功功率定义计算获得驱动电机输入平均有功电功率值Pi送入单片机系统模块8。通过游梁倾角测量模块3对抽油机游梁倾角对应的电流值Isi(t)进行采样，经模拟信号调理电路模块5放大、限幅、滤波、I/V变换后，送入含有内置A/D转换器的DSP系统模块7分析处理和记录，得到游梁倾角Ωi送入单片机系统模块8。单片机系统模块8根据传来的各项参数，依据前述发明实施步骤，最终计算出油井动液面，至此我们通过实时监测抽油机驱动电机电参量实现了对油井动液面的软测量。
抽油机驱动电机电参量处理单元中的键盘模块15为用户提供参数设置以及功能选择接口，与液晶显示模块14共同完成人机交互功能；抽油机驱动电机电参量处理单元中CPLD逻辑与组合系统模块9接受经第一磁耦合器模块12隔离后的键盘模块15产生的按键信息，进行逻辑运算与处理形成控制指令或控制参数后直接送至抽油机驱动电机电参量处理单元中的单片机系统模块8，以对油井动液面软测量系统进行运行参数设定。
抽油机配电箱中空气开关的辅助触点直接接入遥信检测与闭锁模块4，以便工作人员远程监控此开关的工作状态。
本发明装置进行软测量油井动液面的过程如下：
一、系统上电、自检、初始化；
二、检查本发明装置自身系统是否有故障，有故障时转入相应处理程序，给出故障诊断提示信息，无故障时向下步执行；
三、不断采集抽油机配电箱馈电支路三相电流、三相电压瞬时值，采集抽油机游梁倾角对应的电流值；
四、计算实时合相有功功率值，从而得到驱动电机输入平均有功电功率测量值Pi，计算游梁倾角Ωi；
五、识别冲程周期T，计算扭矩因数
和驱动电机的输出转矩Mdi；
六、计算瞬时悬点载荷Wi；从而计算多周期上、下冲程平均悬点载荷Wav上、Wav下；
七、计算油井动液面深度Ld；
八、重复步骤二。
通过以上说明和实施例描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，特别是显示了本发明的精髓所在——通过实时采集、处理、计算抽油机驱动电机的输入有功功率、抽油机游梁倾角，得到抽油机冲程周期、瞬时悬点载荷，进一步得到多周期上、下冲程平均悬点载荷，根据上下冲程平均悬点载荷与油井动液面之间的关联关系，实现对油井动液面的软测量。
本发明的实际应用方式并不受上述实施例的限制，在不脱离本发明主旨范围的前提下，本发明还会有各种相应变化和改进(如基于此种方法改进的复合平衡或曲柄平衡游梁式抽油机动液面的软测量方法)，这些变化和改进都应落入本发明要求保护的范围内，而保护范围可由本发明申请文本所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种油井动液面的软测量装置，其特征是包括：抽油机驱动电机电参量采集单元、抽油机驱动电机电参量处理单元和输出执行单元；其中：
所述抽油机驱动电机电参量采集单元由三相电压检测模块、三相电流检测模块、游梁倾角测量模块和遥信检测与闭锁模块组成；
所述抽油机驱动电机电参量处理单元由单片机系统模块、DSP系统模块、CPLD逻辑与组合系统模块、模拟信号调理电路模块、数字信号调理电路模块、串行通信模块、液晶显示模块和键盘模块组成；
所述输出执行单元由光电耦合器和控制输出模块组成；
所述三相电压检测模块、三相电流检测模块、游梁倾角测量模块的输出端分别接入所述抽油机驱动电机电参量处理单元内的所述模拟信号调理电路模块的输入端，所述遥信检测与闭锁模块的输出端接入所述抽油机驱动电机电参量处理单元内所述数字信号调理电路模块的输入端；
所述模拟信号调理电路模块的输出端接至所述DSP系统模块的输入端，所述数字信号调理电路模块的输出端接至所述CPLD逻辑与组合系统模块，所述DSP系统模块通过标准SPI总线与所述单片机系统模块相连，同时通过通用并行输入输出口与所述CPLD逻辑与组合系统模块相连，所述单片机系统模块通过通用并行输入输出口和所述CPLD逻辑与组合系统模块相连，所述串行通信模块通过第一个磁耦合器模块隔离后与所述单片机系统模块内嵌的UART串行口相连，所述键盘模块的输出端经第三个磁耦合器模块隔离后与所述CPLD逻辑与组合系统模块的输入端相连，所述CPLD逻辑与组合系统模块的显示输出端经第二个磁耦合器模块隔离后与所述液晶显示模块的输入端相连；
所述控制输出模块通过所述光电耦合器隔离后与所述CPLD逻辑与组合系统模块的输出端相连。
2.一种油井动液面的软测量方法，其特征是包括以下的实施步骤：
步骤一、通过油井动液面软测量装置的三相电压检测模块和三相电流检测模块采集抽油机驱动电机的瞬时电压值uai(t)、ubi(t)、uci(t)和瞬时电流值iai(t)、ibi(t)、ici(t)，由安装于抽油机游梁处的游梁倾角测量模块测量游梁前臂与水平线X夹角的游梁倾角Ωi对应的电流值Isi(t)，由油井动液面软测量装置的DSP系统模块计算获得驱动电机输入的实时合相有功功率值pi(t)、游梁倾角Ωi，再由平均有功功率定义计算获得驱动电机输入平均有功电功率值Pi，其中下标a、b、c分别表示三相交流电制中的a相、b相、c相电，下标i表示一个冲程周期内第i个采样点，i＝1,2,3…；
步骤二、由DSP系统模块计算获得游梁倾角Ωi的变化周期T,因游梁倾角Ωi的变化周期就是抽油机冲程周期，故冲程周期也为T，由油井动液面软测量装置的单片机系统模块根据公式(1)计算扭矩因数
其中，
在公式(1)、(2)、(3)中，A为抽油机游梁前臂的长度、C为抽油机游梁后臂的长度、R为曲柄半径、P为连杆长度、K为极距：减速器输出轴中心到游梁支承中心的距离、K2为垂足O2到减速器输出轴中心O的距离、K3为横梁轴承中心B到极距的距离、K4为横梁轴承中心B到减速器输出轴中心O的距离、H为游梁支承中心到减速器输出轴中心的垂直距离、I为游梁支承中心到减速器输出轴中心的水平距离，β2为B、O连线与R之间的夹角；
步骤三、由油井动液面软测量装置的单片机系统模块根据公式(4)计算抽油机悬点载荷
公式(4)中，Wi表示某个冲程周期悬点载荷的第i个采样点，i＝1,2,3…,η为驱动电机效率、ηE是驱动电机到曲柄轴的传动效率、m是指数、lb是游梁平衡重重心到游梁支承中心的距离、Qb是游梁平衡重重量、B为结构不平衡重，m由驱动电机的输出转矩Mdi确定，Mdi由油井动液面软测量装置的单片机系统模块根据公式(5)计算，nm为驱动电机轴转速，当驱动电机型号、减速器输出轴转速和抽油机型号确定时，这些参数就是确定和已知的，
步骤四、由油井动液面软测量装置的单片机系统模块根据公式(6)和公式(7)计算k个周期上、下冲程平均悬点载荷Wav上、Wav下，n上、n下分别为上、下冲程采样点数，Wij表示第j个冲程周期的抽油机悬点载荷Wi，j＝1,2,3，…，k；
步骤5、由油井动液面软测量装置的单片机系统模块根据公式(8)计算出油井该时间点的动液面深度Ld，
其中，ρ0为油井液体密度、g为重力加速度、Ap为柱塞截面积，当抽油泵型号确定时，这些参数就是确定和已知的。
3.如权利要求1所述的油井动液面的软测量装置，其特征是模拟信号调理电路模块由I/V转换及放大电路、钳位二极管、限幅稳压管、通用阻容器件组成的滤波器实现。
4.如权利要求1所述的油井动液面的软测量装置，其特征是数字信号调理电路模块采用由钳位二极管、限幅稳压管、通用阻容器件构成的典型限幅、防抖电路实现。
5.如权利要求1所述的油井动液面的软测量装置，其特征是抽油机驱动电机电参量处理单元中CPLD逻辑与组合系统模块接受经第一磁耦合器模块隔离后的键盘模块产生的按键信息，进行逻辑运算与处理形成控制指令或控制参数后直接送至抽油机驱动电机电参量处理单元中的单片机系统模块，以对油井动液面软测量系统进行运行参数设定。
6.如权利要求1所述的油井动液面的软测量装置，其特征是抽油机配电箱中空气开关的辅助触点直接接入遥信检测与闭锁模块，以便工作人员远程监控此开关的工作状态。
7.如权利要求1所述的油井动液面的软测量装置，其特征是当游梁前臂在水平线以上时游梁倾角Ωi取正值，在水平线以下时游梁倾角Ωi取负值。
8.如权利要求2所述的油井动液面的软测量方法，其特征是当Mdi＞0、m＝1；当Mdi＜0、m＝-1。
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