CN115012910A - 用于电参转示功图的曲柄平衡抽油机参数估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及抽油机装置领域，尤其涉及用于电参转示功图的曲柄平衡抽油机参数估计方法。本发明是利用上、下死点的对应的电机扭矩，根据参数自动修正算法，自动修正曲柄最大平衡扭矩、平衡相位角以及电机空载转矩，解决了曲柄最大平衡扭矩、平衡相位角、电机空载转矩等参数难获取或不准确的问题。

Description

用于电参转示功图的曲柄平衡抽油机参数估计方法

技术领域

本发明涉及抽油机装置领域，尤其涉及用于电参转示功图的曲柄平衡抽油机参数估计方法。

背景技术

示功图是抽油机井生产过程中至关重要的第一手资料，是一个冲程周期内以悬点位移为横坐标，悬点载荷为纵坐标而组成的封闭曲线，包含油井大量的有用信息。通过示功图可以判断油井工况，如卡泵、供液不足、抽油杆断脱、凡尔漏失、气体影响、脱筒、结蜡等几十种工况，还可以分析冲程损失、抽油机载荷利用率、油井产液量、含水率、动液面等参数。

由于油田的地理环境特殊，分布范围及其广泛，目前示功图测试主要采用以下方式：

(1)第一种采用的是便携式示功仪，该方法需要人工定期去现场一口井一口井测试，存在周期长、劳动强度大和时效性不强的问题，并且由于受尼龙线和电位器的使用寿命限制，其不适合于在线测试。

(2)第二种是利用载荷传感器和角位移传感器，自动采集悬点载荷和悬点相对位移，并计算生成光杆示功图，实现油井光杆示功图的远程监控，取代人工测试，但载荷传感器是有限的，存在修井易损坏及不利于标准化建设等问题。

(3)第三种是利用载荷位移一体化传感器，位移测试采用加速度传感器，对于低冲次油井存在测试不准的问题。

(4)第四种是利用三相电参量采集模块获取电机的输入功率、通过转速传感器获取电机实时速率及上下死点触发器获取上死点或下死点的触发时刻，然后通过物理模型推导悬点处的示功图，但是构建物理模型需要抽油机、抽油杆、抽油泵的资料数据，而数据常存在难以获取、不准确、或经常变化的问题，使此种方法的实际应用受到诸多限制。

第四种方式所需要增加的设备成本和维护成本最低，但是物理建模需要的数据资料多，且存在不准确、常常变化的问题。因此需要寻找一种动用数据资料少，且能自动修正不准确值，保证物理建模准确性的方法。

发明内容

本发明的目的是提供能自动修正不准确值的用于电参转示功图的曲柄平衡抽油机参数估计方法。

本发明的技术方案如下：

用于电参转示功图的曲柄平衡抽油机参数估计方法，其特征在于，步骤1：采样模块按周期完成对一个周期内驴头不同位置所对应电机扭矩的数据采样，并将采样数据发送给上位机；上位机至少提取20个样本周期，并在每个周期内获得上死点的对应的电机扭矩

和下死点所对应的电机扭矩

步骤2：根据公式1：

估计M_cmax和τ，其中η_m为电机效率可以直接从电机厂商处获取、r为传动比、M_m为电机扭矩、M_m0为电机空转扭矩；由于输出的扭矩远大于电机空载扭矩，因此，在本次计算中M_m0＝0；根据公式4：r＝N/N_c计算传动比，其中N为电机转速，N_c为曲柄的转速,电机的转速从传感器获得；根据公式5：N_c＝60/T,计算曲柄的转速，其中T为曲柄周期，即曲柄固定点触发器两次触发之间经过的时间；从而可以求得

和τ^*。

根据步骤2得到固定的平衡相位角τ^*后，由于平衡相位角τ^*不变，为优化

重新修改公式1得到公式2：

；

将步骤2求得的τ^*代入公式2计算出优化后的

本发明的有益效果是：本发明是利用参数自动修正算法，自动修正曲柄最大平衡扭矩、平衡相位角以及电机空载转矩，解决了曲柄最大平衡扭矩、平衡相位角、电机空载转矩等参数不准确的问题，以及曲柄最大平衡扭矩经常改变的问题，使电参量转示功图方法更具易用性和可操作性，实现油井光杆示功图的低成本远程监控，取代人工测试。

附图说明

通过下面结合附图的详细描述，本发明前述的和其他的目的、特征和优点将变得显而易见。

其中：图1为本发明结构抽油机模型示意图；

图2为本发明流程示意图；

具体实施方式

对于曲柄平衡抽油机具有公式1：

其中M是曲柄轴扭矩、W是光杆载荷、B是抽油机本身不平衡值、

是扭矩因数、M_cmax是曲柄最大平衡扭矩、τ是曲柄平衡相位角；

由于

是曲柄角度θ的函数，因此具有公式2：

其中Δθ是曲柄角度的变化、ΔS是悬点位置的变化，Δt是时间的变化，v_p为光杆的线速度，ω_c为曲柄的旋转角速度；由于在上下死点处，光杆的线速度为0，因此在上死点或下死点位置时

等于零，得到公式3：

将上、下死点处的

代入公式1中得到公式4：M^t+M_cmax sin(θ^t+τ)＝0以及公式5：M^b+M_cmax sin(θ^b+τ)＝0

其中θ^t表示上死点时对应的曲柄角度；θ^b表示下死点时对应的曲柄角度。当抽油机型号和冲程确定后，θ^t和θ^b为固定值，可以通过附录中的公式求解。

另外，曲柄轴扭矩是由电机扭矩经过传动机构而获得的，得到公式6：M＝η_m·r·(M_m-M_m0)；其中η_m为电机效率可以直接从电机名牌获取、r为传动比、M_m为电机扭矩、M_m0为电机空转扭矩。因此根据公式4、公式5和公式6得到公式7：

和公式8：

其中，

表示上死点对应的电机扭矩，

表示下死点对应的电机扭矩。

采样模块(采集模块可以采用三相电参量采集模块或者电参量采集模块，扭矩公式Mm＝9550P/N，电机有功功率为P，电机转速为N，)按周期完成对一个周期内驴头不同位置所对应电机扭矩的数据采样，并将采样数据发送给上位机；上位机至少提取20个样本周期，并在每个周期内获得上死点的对应的电机扭矩

和下死点所对应的电机扭矩

在采集每个采样周期内的上、下死点所对应的电机扭矩时可以通过放在下死点对应曲柄处的接近开关检测下死点的位置从而确定下死点在该周期内所对应的电机扭矩；在曲柄是匀速转动的前提下，根据上死点和下死点之间的角度关系，可以计算上死点对应的位置，从而确定上死点在该周期内所对应的电机扭矩。具体方式为：首先根据公式α＝(θ^t-θ^b)/(2π)计算上死点在一个以下死点为起始的周期中的比例关系，其中a表示曲柄从下死点运行到上死点转过的角度占一个周期角度的比例；则若一个周期中采样了q个电机扭矩，则选取第round(α·q)的扭矩为上死点扭矩。其中round函数表示四舍五入函数；θ^b的求解公式：

θ^t的求解公式：

其中R为抽油机曲柄半径，P为连杆长度，A为游梁前臂长度，C为游梁后臂长度，I为游梁支撑中心与曲柄旋转中心之间的水平距离，h为游梁支撑中心与曲柄旋转中心之间的垂直距离，K为游梁支撑中心与曲柄旋转中心之间的距离，S为游梁支撑中心与连杆轴之间的距离。

虽然上下死点满足公式6和公式7，但实际测试中不可能完全等于0，而只能接近于0；为了估计更准确的M_cmax和τ，将公式6和公式7修改为公式8：

其中f₁(M_cmax，τ)为代价函数，其中：

其中η_m为电机效率可以直接从电机厂商处获取、r为传动比、M_m为电机扭矩、M_m0为电机空转扭矩；根据公式10：r-N/N_c计算传动比，其中N为电机转速，N_c为曲柄的转速,电机的转速从传感器获得；根据公式11：N_c＝60/T计算曲柄的转速，其中T为曲柄周期，即曲柄固定点触发器两次触发之间经过的时间。

在此步骤中，使用大量的实例数据进行优化计算。由于输出的扭矩远大于电机空载扭矩，因此电机空载扭矩在此步骤中被忽略，即认为N_m0＝0；可以得到：

利用初始点：

其中

与τ^e为任意的估值。

f₁(M_cmas，T)的梯度方向函数为：

将代价函数、代价函数的梯度方向函数以及初始点输入BFGS算法，即可获得M_cmax和τ的最优解；令其分别为

和τ^*。由于抽油机型号确定后，相位角不会发生任何变化，因此，τ^*即认为是估计的最优相位角；曲柄最大平衡扭矩可以通过改变配重来调节，因此，以下步骤仅将

作为初始值，仍将利用此初始值，对当前的曲柄最大平衡扭矩做进一步的估计。

上一步骤利用大量的数据估计了曲柄平衡相位角τ^*和曲柄最大平衡扭矩

当前步骤利用前一步骤的结果，并结合当前的电机转矩，对曲柄最大平衡扭矩和电机空载转矩进行更精细化的估计。平衡相位角τ^*确定之后不会再发生变化，但曲柄最大平衡扭矩是有可能通过调整配重块数量和位置而发生改变的。因此，在单次示功图计算之前，需修改公式8以重新修正M_m0和M_cmax。即公式12：

其中f₂(M_cmax,M_m0)为代价函数，其中：

利用初始点

及梯度方向函数：

将代价函数、代价函数的梯度方向函数以及初始点输入给BFGS算法，即可得到最优解

和

至此，获得了最优估计值

和τ^*，将这些值带入曲柄平衡抽油机计算悬点载荷的公式中，即可准确求出驴头悬点载荷。

由于悬点位移公式以及悬点载荷公式为公知的公式，在此不作具体描述；计算悬点位移的公式为：

其中

计算悬点载荷公式为：

其中R为曲柄半径，P为连杆长度，A为游梁前臂长度，C为游梁后臂长度，I为游梁支撑中心与曲柄旋转中心之间的水平距离，h为游梁支撑中心与曲柄旋转中心之间的垂直距离，K为游梁支撑中心与曲柄旋转中心之间的距离，S为游梁支撑中心与连杆轴之间的距离；由于通过下死点的位置、电机实时转速、电机实时转数等数据计算悬点位移公式以及悬点载荷公式为公知的公式，如专利申请号为202110037183，专利申请名称为一种间接获取示功图的测试装置及其方法的说明书0034段到0128段；因此在此不作具体描述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.用于电参转示功图的曲柄平衡抽油机参数估计方法，其特征在于，步骤1：采样模块按周期完成对一个周期内驴头不同位置所对应电机扭矩的数据采样，并将采样数据发送给上位机；上位机至少提取20个样本周期，并在每个周期内获得上死点的对应的电机扭矩

和下死点所对应的电机扭矩

步骤2：根据公式1：

估计M_cmax和τ，其中η_m为电机效率可以直接从电机厂商处获取、r为传动比、M_m为电机扭矩、M_m0为电机空转扭矩；由于输出的扭矩远大于电机空载扭矩，因此，在本次计算中M_m0＝0；根据公式4：r＝N/N_c计算传动比，其中N为电机转速，N_c为曲柄的转速,电机的转速从传感器获得；根据公式5：N_c＝60/T,计算曲柄的转速，其中T为曲柄周期，即曲柄固定点触发器两次触发之间经过的时间；从而可以求得

和τ^*。

2.根据权利要求1所述的用于电参转示功图的曲柄平衡抽油机参数估计方法，其特征在于，根据步骤2得到固定的平衡相位角τ^*后，由于平衡相位角τ^*不变，为优化

重新修改公式1得到公式2：

；

将步骤2求得的τ^*代入公式2计算出优化后的

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