CN114517673A - 一种基于电参的示功图预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种基于电参的示功图预测方法，包括获取抽油机井在预设曲柄转角下的样本电机输入功率、样本电机转速和样本悬点载荷；根据上述参数与电机输入功率之间的关系式，反演关系式中的多个综合效率参数；计算抽油机井的实时悬点载荷；若实时悬点载荷与理论悬点载荷之间的偏差在预设偏差范围内，则计算实时悬点载荷对应角度下的位移；根据实时悬点载荷和对应的所述位移，在统一坐标系中预测得到所述抽油机井的公示图。本发明不仅避免了单纯地依靠理论模型或者人工智能算法预测示功图，还充分利用了综合效率参数，达到降低油田物联网建设与运维成本，提高电参数转化示功图的准确性，以及提升油井生产数字化与智能化应用水平的目的。

Description

一种基于电参的示功图预测方法

技术领域

本发明涉及石油工程、人工智能与物联网深度融合技术领域，特别是涉及一种基于电参的示功图预测方法。

背景技术

示功图是抽油机井生产监控与工况诊断的关键数据。数字油田时代，用于获得示功图的载荷与位移传感器，或者载荷位移一体化示功仪成为数字油田物联网化抽油机井的标配。对于抽油机井数量巨大且单井产量低的油田，一井一套的示功图测试设备不仅投资巨大，而且后期运维成本也不低。为了降低数字油田成本，业内开发了基于包括电流、功率在内的电参数预测示功图的技术。

目前该技术已经得到一定程度的发展，主要的技术路线有两条：一是物理模型基于示功图-扭矩-载荷的关系，采用理论模型进行计算；二是利用人工智能算法，基于历史数据，建立电参与载荷之间的数据模型。这两种技术路线各有利弊，总体上而言，由于对抽油机井一些关键参数的忽略，导致其适用范围有限，精度难以满足生产管理的需要。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明实施例以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于电参的示功图预测方法。

为了解决上述问题，根据本发明提供一种基于电参的示功图预测方法，所述方法，包括：

获取抽油机井在预设曲柄转角下的样本电机输入功率、样本电机转速和样本悬点载荷；

根据所述样本电机输入功率、所述样本电机转速、所述样本悬点载荷以及悬点载荷与电机输入功率之间的关系式，反演所述关系式中的多个综合效率参数；

根据多个所述综合效率参数、所述关系式以及所述抽油机井的实时电机输入功率，计算所述抽油机井的实时悬点载荷；将所述实时悬点载荷与预测的理论悬点载荷进行比较；

若所述实时悬点载荷与所述理论悬点载荷之间的偏差在预设偏差范围内，则计算所述实时悬点载荷对应角度下的位移；

根据所述实时悬点载荷和对应的所述位移，在统一坐标系中预测得到所述抽油机井的公示图。

优选地，所述关系式的计算步骤，包括：根据不同曲柄转角下的减速箱输出的净扭矩、平衡扭矩、扭矩因素和所述抽油机井的不平衡重生成所述关系式。

优选地，所述关系式表示为：

其中，所述W(θ)表示不同曲柄转角下的悬点载荷、所述θ表示曲柄转角、所述

表示所述净扭矩、所述a、b、c、d和e表示多个所述综合效率参数、所述ηm表示电机负载率、所述N(θ)表示不同曲柄转角下的电机输入功率、所述n(θ)表示不同曲柄转角下的电机转速、所述9.8(W_bR_bX+2W_cR_c)sin(θ+τ)表示所述平衡扭矩、所述W_b表示每块曲柄平衡重、所述R_b表示曲柄平衡半径、所述X表示平衡重块数、所述W_c表示每个曲柄的自重、所述R_c表示曲柄重心半径、所述τ表示曲柄平衡相位角、所述TF表示所述扭矩因素、所述Bu表示所述不平衡重。

优选地，所述计算所述实时悬点载荷对应角度下的位移，包括：根据位移因素和冲程计算所述位移。

优选地，所述位移表示为：POS＝S*PR＝A(ψ_max-ψ)；其中，所述POS表示所述位移、所述S表示所述冲程、所述PR表示所述位移因素、所述A表示游梁前臂长度、所述

所述B表示游梁后臂长度、所述K表示曲柄轴中心到游梁轴中心的距离、所述L表示横梁轴中心到曲柄销中心的距离、所述R表示曲柄半径、所述Ψ＝ξ+ρ、所述

所述J表示曲柄销中心到游梁轴承中心之间的距离、ρ表示曲柄销游梁中心曲柄中心转角。

与现有技术相比，本发明实施例提供的技术方案具有如下优点：

本发明实施例提供的一种基于电参的示功图预测方法，根据样本电机输入功率、样本电机转速、样本悬点载荷以及悬点载荷与电机输入功率之间的关系式，反演出关系式中的多个综合效率参数，进而根据多个综合效率参数、关系式以及抽油机井的实时电机输入功率，计算得到抽油机井的实时悬点载荷。再结合预测的理论悬点载荷，在实时悬点载荷与理论悬点载荷之间的偏差较小的情况下，计算实时悬点载荷对应角度下的位移。最终，根据实时悬点载荷和对应的位移，在统一坐标系中预测抽油机井的公示图。

本发明实施例反演出悬点载荷与电机输入功率之间的关系式中的多个综合效率参数，利用综合效率参数和关系式计算与实时电机输入功率对应的实时悬点载荷，再与理论悬点载荷相结合，最终在实时悬点载荷与理论悬点载荷之间偏差较小的情况下，根据实时悬点载荷和对应的位移预测示功图，不仅避免了单纯地依靠理论模型或者人工智能算法预测示功图，还充分利用了综合效率参数，达到降低油田物联网建设与运维成本，提高电参数转化示功图的准确性，以及提升油井生产数字化与智能化应用水平的目的。

附图说明

图1是本发明实施例基于电参的示功图预测方法的步骤流程图；

图2是抽油机几何结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1和图2，其中，图1示出了本发明实施例的一种基于电参的示功图预测方法的步骤流程图。该基于电参的示功图预测方法可以应用于终端或者服务器。该基于电参的示功图预测方法具体可以包括如下步骤：

步骤S101，获取抽油机井在预设曲柄转角下的样本电机输入功率、样本电机转速和样本悬点载荷。

在本发明的实施例中，为了后续反演得到多个综合效率参数，可以获取多组样本电机输入功率、样本电机转速和样本悬点载荷。理论上通过5组样本电机输入功率、样本电机转速和样本悬点载荷即可反演出多个综合效率参数。但是，本发明实施例可以获取尽量多组的样本电机输入功率、样本电机转速和样本悬点载荷，例如，180组。然后采用最小二乘法得到最终的样本数据，进而利用样本数据反演出更加准确的综合效率参数。

步骤S102，根据所述样本电机输入功率、所述样本电机转速、所述样本悬点载荷以及悬点载荷与电机输入功率之间的关系式，反演所述关系式中的多个综合效率参数。

当通过同时测定给定曲柄转角下的电机输入功率、电机转速与悬点载荷后，就是可以获得待定系数a,b,c,d,e的关系式。在配备电参采集装置的油井，通过功图标定测试，就可以获取上述关系式，理论上只需要取5个以上的不同测点，就可以确定a,b,c,d,e。为了精确起见，每一个功图测试可以取180点以上，采用最小二乘法，可以获得更加准确的综合效率关系式。

在本发明的实施例中，所述关系式的计算步骤，包括：

根据不同曲柄转角下的减速箱输出的净扭矩、平衡扭矩、扭矩因素和所述抽油机井的不平衡重生成所述关系式。

具体的，定义从电机输入端开始至减速箱输出端的综合效率指数为η，在正常工况下将其视为电机负载率的函数，用下式表示：

电机负载率：

η_m＝(N(θ)f₀)/(N_nf) (1)

公式(1)考虑了变频情况下电机负载率的换算。

综合效率：

a,b,c,d,e为待定系数

不同曲柄转角下的减速箱输出的净扭矩可表示为:

M(θ)＝9550*η*N(θ)/n(θ) (3)

n(θ)为不同曲柄转角下的电机转速，

N(θ)为不同曲柄转角下的电机输入功率，

N_n电机额定功率，f电机实际运行频率，f₀工频

根据扭矩平衡关系

M(θ)＝M_o(θ)-M_c(θ) (4)

负载扭矩M_o(θ)：M_o(θ)＝TF[W(θ)-9.8Bu] (5)

平衡扭矩Mc(θ)：M_c(θ)＝9.8(W_bR_bX+2W_cR_c)sin(θ+τ) (6)

由公式1-6可得：悬点载荷与电机输入功率的关系式

除了a,b,c,d,e为待定系数以外，其余参数主要为测试数据与抽油机设计参数。

上式重各项的含义：

W(θ)，不同曲柄转角下的悬点载荷，N

Bu，抽油机结构不平衡重，kg，与角度无关

TF，扭矩因素，m

ɑ，连杆与曲柄之间的夹角

ɑ＝2π-(θ_x+ψ+β) (9)

θ_x＝θ+ψ (10)

当驴头在左侧时，曲柄逆时针方向旋转θ取正值，曲柄顺时针方向旋转θ取负值，

A、B、J、L、K、R、H为抽油机几何尺寸参数，如下图所示。

Mc-曲柄平衡扭矩,N.m；

Wb-每块曲柄平衡重质量,kg；

Rb-曲柄平衡半径,m；

X-平衡重块数；

Wc-每个曲柄的自重,kg；

Rc-曲柄重心半径,m；

θ-曲柄转角,rad；

τ-曲柄平衡相位角,rad.

具体的，关系式表示为：

其中，所述W(θ)表示不同曲柄转角下的悬点载荷、所述θ表示曲柄转角、所述

表示所述净扭矩、所述a、b、c、d和e表示多个所述综合效率参数、所述η_m表示电机负载率、所述N(θ)表示不同曲柄转角下的电机输入功率、所述n(θ)表示不同曲柄转角下的电机转速、所述9.8(W_bR_bX+2W_cR_c)sin(θ+τ)表示所述平衡扭矩、所述W_b表示每块曲柄平衡重、所述R_b表示曲柄平衡半径、所述X表示平衡重块数、所述W_c表示每个曲柄的自重、所述R_c表示曲柄重心半径、所述τ表示曲柄平衡相位角、所述TF表示所述扭矩因素、所述Bu表示所述不平衡重。

步骤S103，根据多个所述综合效率参数、所述关系式以及所述抽油机井的实时电机输入功率，计算所述抽油机井的实时悬点载荷。

通过反演的关系式，就可以获得输入功率与悬点载荷的关系式。在测试实时功率的条件下，就可以应用该关系式计算悬点载荷。

步骤S104，将所述实时悬点载荷与预测的理论悬点载荷进行比较；若所述实时悬点载荷与所述理论悬点载荷之间的偏差在预设偏差范围内，则计算所述实时悬点载荷对应角度下的位移。

其中预测的理论悬点载荷包括最大、最小载荷；在本发明的实施例中，理论最大最小载荷预测包括：

W_l′＝A_PL_rodρ_Lg

q′_r＝q_r*(ρ_r-ρ_l)/ρ_r

其中，P_{max_th}-理论悬点示功图最大载荷，KN；

P_{min_th}-理论悬点示功图最小载荷，KN；

W_r′-下冲程作用在悬点上的抽油杆柱载荷，N；

Wr-上冲程抽油杆柱载荷，N；

W_l′-上冲程作用在柱塞上的液柱载荷，N；

R-曲柄旋转半径，m；

L_rod-连杆长度，m；

s-冲程，实时测试数据，m；

n-冲次，实时测试数据，min-1；

q_r-每米抽油杆质量，kg/m；

A_P-柱塞截面积，m²；

L-抽油杆长度，m

ρ_L-管内液体平均密度，kg/m³

对后续的功图预测的载荷进行范围限定。

在本发明的实施例中，计算所述实时悬点载荷对应角度下的位移，包括：

根据位移因素和冲程计算所述位移。

所述位移表示为：

POS＝S*PR＝A(ψ_max-ψ)；

其中，所述POS表示所述位移、所述S表示所述冲程、所述PR表示所述位移因素、所述A表示游梁前臂长度、所述

所述B表示游梁后臂长度、所述K表示曲柄轴中心到游梁轴中心的距离、所述L表示横梁轴中心到曲柄销中心的距离、所述R表示曲柄半径、所述Ψ＝ξ+ρ、所述

所述J表示曲柄销中心到游梁轴承中心之间的距离、ρ表示曲柄销游梁中心曲柄中心转角。

当sinθ大于0时，ρ正值，当sinθ小于0时，ρ负值。将位移与对应载荷在统一坐标系中绘图，即获得油井示功图。

步骤S105，根据所述实时悬点载荷和对应的所述位移，在统一坐标系中预测得到所述抽油机井的公示图。

本发明实施例提供的基于电参的示功图预测方法，根据样本电机输入功率、样本电机转速、样本悬点载荷以及悬点载荷与电机输入功率之间的关系式，反演出关系式中的多个综合效率参数，进而根据多个综合效率参数、关系式以及抽油机井的实时电机输入功率，计算得到抽油机井的实时悬点载荷。再结合预测的理论悬点载荷，在实时悬点载荷与理论悬点载荷之间的偏差较小的情况下，计算实时悬点载荷对应角度下的位移。最终，根据实时悬点载荷和对应的位移，在统一坐标系中预测抽油机井的公示图。

本发明实施例反演出悬点载荷与电机输入功率之间的关系式中的多个综合效率参数，利用综合效率参数和关系式计算与实时电机输入功率对应的实时悬点载荷，再与理论悬点载荷相结合，最终在实时悬点载荷与理论悬点载荷之间偏差较小的情况下，根据实时悬点载荷和对应的位移预测示功图，不仅避免了单纯地依靠理论模型或者人工智能算法预测示功图，还充分利用了综合效率参数，达到降低油田物联网建设与运维成本，提高电参数转化示功图的准确性，以及提升油井生产数字化与智能化应用水平的目的。

需要说明的是，对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种基于电参的示功图预测方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种基于电参的示功图预测方法，其特征在于，所述方法包括：

获取抽油机井在预设曲柄转角下的样本电机输入功率、样本电机转速和样本悬点载荷；

根据所述样本电机输入功率、所述样本电机转速、所述样本悬点载荷以及悬点载荷与电机输入功率之间的关系式，反演所述关系式中的多个综合效率参数；

根据多个所述综合效率参数、所述关系式以及所述抽油机井的实时电机输入功率，计算所述抽油机井的实时悬点载荷；

将所述实时悬点载荷与预测的理论悬点载荷进行比较；

若所述实时悬点载荷与所述理论悬点载荷之间的偏差在预设偏差范围内，则计算所述实时悬点载荷对应角度下的位移；

根据所述实时悬点载荷和对应的所述位移，在统一坐标系中预测得到所述抽油机井的公示图。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述关系式的计算步骤，包括：

根据不同曲柄转角下的减速箱输出的净扭矩、平衡扭矩、扭矩因素和所述抽油机井的不平衡重生成所述关系式。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述关系式表示为：

其中，所述W(θ)表示不同曲柄转角下的悬点载荷、所述θ表示曲柄转角、所述

表示所述净扭矩、所述a、b、c、d和e表示多个所述综合效率参数、所述η_m表示电机负载率、所述N(θ)表示不同曲柄转角下的电机输入功率、所述n(θ)表示不同曲柄转角下的电机转速、所述9.8(W_bR_bX+2W_cR_c)sin(θ+τ)表示所述平衡扭矩、所述W_b表示每块曲柄平衡重、所述R_b表示曲柄平衡半径、所述X表示平衡重块数、所述W_c表示每个曲柄的自重、所述R_c表示曲柄重心半径、所述τ表示曲柄平衡相位角、所述TF表示所述扭矩因素、所述Bu表示所述不平衡重。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述实时悬点载荷对应角度下的位移，包括：

根据位移因素和冲程计算所述位移。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述位移表示为：

Pos＝S*PR＝A(ψ_max-ψ)；

其中，所述Pos表示所述位移、所述S表示所述冲程、所述PR表示所述位移因素、所述A表示游梁前臂长度、所述

所述B表示游梁后臂长度、所述K表示曲柄轴中心到游梁轴中心的距离、所述L表示横梁轴中心到曲柄销中心的距离、所述R表示曲柄半径、所述Ψ＝ξ+ρ、所述

所述J表示曲柄销中心到游梁轴承中心之间的距离、所述ρ表示曲柄销游梁中心曲柄中心转角。

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