CN2122232U - 多参数抽油机智能测试诊断仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多参数抽油机智能测试诊 断仪，包括机箱，面板，线路板，电源，各种信号输入接 口和主机，上述的主机由放大器、多路开关、A/D转 换器、微处理器，数据存贮器组成，信号输入接口与主 机的放大器相连，放大器经多路路程开关接至A/D 转换器，A/D转换器与微机处理器和数据存贮器相 连。本实用新型不但能用来测试抽油泵和抽油井的 工况，而且能综合各种测试参数对整个抽油系统进行 诊断和分析。

Description

本实用新型属于石油采油工程中油井测试仪器。它用于机械采油中，通过对井上示功图、动液面、弊压、漏失及电机的电流电压等参数的测试，从而对抽油机和有杆泵的工作状况，电机效率及地层能量利用情况进行分析和处理；对整个抽油机以及与地层之间的生产关系进行诊断及分析，使抽油机合理、协调、正常地进行生产。

目前，在我国油田现场中，常用来对抽油井和深井泵工作状况进行测试的仪器主要有抽油井数字示功仪，液面回声仪及便携式油井双弊曲线诊断仪。抽油井数字示功仪使用载荷、位移传感器测出有杆抽油泵地面光杆的载荷和位移信号，经计算机接口板处理后，用微机进行计算，得到抽油杆任一深度的载荷和位移信息，由此绘出井下任一深度的示功图（包括深井泵），从而达到考察泵工况的目的。液面回声仪是通过测量从井口发出的声波在油管和套管组成的环形空间传播时油管接箍及液面的反射波，测出井下液面的深度，达到分析油层生产能力的目的。便携式双弊曲线诊断仪通过压力传感器来测出油管内的压力变化信号，通过A／D转换和计算机对其进行数据采集和处理，得到压力～时间关系曲线，从而达到分析油井抽油泵工况的目的。

另外，中国专利局公开的申请号为CN87205901U及CN90216718.9的实用新型专利中，只是针对其某一功能来说的，前一专利中提供的是一种抽油井数字示功仪，后一个专利中公开的是一种油井双憋曲线诊断仪，这两种仪器都属于功能仪器，测示功图的示功仪不能测动液面，测双弊压力的双弊诊断仪不能测示功图。同时，这些仪器只能完成测试任务，不能进行诊断和分析，在实际应用中有许多不便之处。再外，我国专利局公开的一种申请号为90100721.8的名称为微机测井通迅装置及其程序的发明专利，虽利用了微机技术改变了其功能和精度，但对油田中的许多参数还不能作系统的分析及其处理，还明显地存在功能单一的缺陷。并且这些仪器往往由于选择元件和结构设计不够合理，没有充分考虑现场情况及操作人员的技术素质情况，使其还存在这样一些缺点：对操作人员技术素质要求高，操作不简便；测试和处理速度慢；输出方式不够直观和方便；测试误差大、不稳定；有的不便于和微机通讯，不能对测试数据作更深一步的处理。

本实用新型的目的是针对现有测试仪器的不足，而提供一种使用性能高和测试准确，并且同时具有示功图诊断、憋压诊断，压力计算、系统效率计算、调平衡计算的多参数抽油机智能测试诊断仪。不但能用来测试抽油泵和抽油井的工况，而且能对整个抽油系统进行诊断和分析。

本实用新型的技术方案是这样实现的：借助于一次仪表，测量抽油杆载荷、位移、电机电流、电压及环境等各种参数信号，通过各放大和转换电路，把测试和采集到的数据传给中央微处理器，经过处理可得描述抽油井各部件工况的图形、曲线和数据。其中包括井上示功图，动液面反射波形曲线，弊压曲线，电流、功率曲线，漏失曲线及各有关参数。这些信息均可以在仪器内存储，显示和打印出来。借助于诊断仪中的硬件和软件，通过进一步处理和计算，可得到井下示功图，抽油机系统效率，泵的工作状况，抽油机平衡情况及关于抽油机工况的诊断报告和建议作业措施。

本实用新型的多参数抽油机智能测试诊断仪，包括机箱，面板，线路板，电源，各种信号输入接口和主机，其特征在于：上述的主机由放大器、多路开关、A／D转换器、微处理器，数据存贮器组成，信号输入接口与主机的放大器相连，放大器经多路开关接至A／D转换器，A／D转换器与微机处理器和数据存贮器相连。以上的信号输入接口可包括有抽油杆载荷和位移组成的示功信号接口、抽油管的压力传感的憋压信号接口、抽油管的压力传感的憋压信号接口、井口的微音器的音频信号接口、电机电流和电压的功率信号接口。这些接口可任意组合而成具有各种功能的测试诊仪。

具有抽油杆载荷和位移组成的示功信号接口和井口的微音器的音频信号接口的测试诊断仪，可以计算井下功图、井下效率、压力分布及生产参数设计。其功能的实现方法如下：1、根据示功图的几个特征参数，即圆形度、细长度、散射度及凹形度，可判断以下故障：液面撞击；气体影响；泵下碰；游动凡尔动作的滞后；油管弯曲；井角弯曲；结蜡；液面高；上、下凡尔漏失；工作筒磨损；柱塞磨损；卡泵；抽油杆、油管断脱；油管渗漏；减速箱辆承磨损；三角皮带打滑。2、计算井下功图（参见下面的计算井下功图的子程序）。3、计算井下效率：由井上功图可计算其井上面积S上，由井下功图计算其井下面积S下，则其井下效率为S下／S上，从而依此考察泵的工作效率。4、生产参数设计（参见参数设计子程序框图）。5、压力分布计算，可计算井底流压，泵入口压力，以便考察地层能量的利用情况及泵的工作环境和沉没度，从而决定是否改变下泵深度、生产参数及给地层补充能量。

具有示功信号接口和憋压信号接口的相结合所构成的测试诊断仪可以对抽油机进行综合诊断。

具有抽油杆载荷和位移组成的示功信号接口和电机电流和电压的功率信号接口所构成的测试诊断仪可以进行诊断、计算系统效率及根据功率考察平衡情况。

具有抽油管压力传感的憋压信号接口和井口的微音器的音频信号接口所成的测试诊断仪具有诊断、压力及参数设计等功能。

具有抽油管的压力传感的憋压信号接口和电机的电流和电压的功率信号接口的测试诊断仪可以用来进行诊断、计算系统效率及根据功率考察平衡情况。

根据实际应用情况，这些接口具有如上的组合情形外，可综合地描述成以下情形：

A、抽油杆载荷和位移组成的示功信号接口，和抽油管的压力传感的憋压信号接口或井口的微音器的音频信号接口或电机电流和电压的功率信号接口；

或B、抽油管的压力传感的憋压信号接口，和井口的微音器的音频信号接口或由电机的电流和电压的功率信号接口；

或C、以示功信号接口和／或憋压信号接口为主的上述各种信号接口的任意组合。

本实用新型具有如下的特点：不但能用来测试抽油泵和抽油井的工况，而且能综合各种测试参数对整个抽油系统进行诊断和分析，具体表现在：1、有效系统地分析抽油井工作情况；2、安装和操作简便，适合现场需要；3、能及时和准确地了解整个有杆泵抽油系统及各个部件的工作状况，对地层能量利用情况及变化情况能随时进行监测，适时调整和改变抽油机的工作制度，使抽油机各部件之间或者抽油机和地层能量利用之间更协调地生产，能达到充分利用抽油机的潜力和油层能量目的；4、能提高采油效率，降低采油成本和提高油井产量。

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明：

图1为本实用新型逻辑原理简图；

图2为本实用新型的外观示意图；

图3为本实用新型拆开机箱后的内部结构简图；

图4为本实用新型中的微处理器的原理图，其中图4A为单个微处理器逻辑原理图，图4B为两个微处理器的逻辑原理图；

图5为本实用新型实施例的详细电路总体图；

图6为各种测试信号的采样电路图。

参见图1，本实用新型的工作原理如下：一次仪表通过上述的各种信号接口将采集到的信号传给放大器7，传感器输出的微弱信号经放大器7放大成可供A／D转换器9的电压信号。由于采集路数较多，故经过多路开关8把采样信号送到A／D转换器9进行转换。转换结果传送给微处理器10，经过微处理器10计算和处理，输出处理后的结果，处理后的结果存放在数据贮存器中，这些结果可经命令输入后通过输出装置输出。

参见图1及图3，抽油机智能测试诊断仪包括机箱4，面板6，线路板3，电源5，各种信号输入接口4和主机2，其主机2由放大器7、多路开关8、A／D转换器9、微处理器10，数据存贮器11组成，信号输入接口4与主机的放大器7相连，放大器7经多路开关8接至A／D转换器9，A／D转换器9与微机处理器10和数据存贮器11相连，主机根据微处理器和程序大小的情况还包括一个或多个程序存贮器。上述的信号输入接口为：

A、抽油杆载荷和位移组成的示功信号接口，和抽油管的压力传感的憋压信号接口或井口的微音器的音频信号接口或由电机的电流和电压的功率信号接口；

或B、抽油管的压力传感的憋压信号接口，和井口的微音器的音频信号接口或由电机的电流和电压的功率信号接口；

或C、以示功信号接口和／或憋压信号接口为主的上述各种信号接口的任意组合。

本实用新型的主机2由放大器7、多路开关8、A／D转换器9、微处理器10，数据存贮器11组成，参见图5、6，实施例中各种传感器所传来的各种信号经放大器电路放大，放大后的电信号由多路开关进行选通，由微处理器进行控制，把选通的电信号经A／D转换后输入微处理器进行处理，然后把其结果存贮在数据存贮器中，数据存贮器中处理后的结果由键盘12的命令可在液晶显示屏13上显示，或由打印机14打印，本实施例中的各种元件型号可参见附图。

为了更好地使使用者了解抽油机的各种工况，面板上可安有显示装置或／和结果输出装置或／和输入键盘。所说的结果输出装置可为打印机或绘图仪；显示装置可为液晶显示屏。在主机的线路板上可具有显示装置或／和结果输出装置或／和输入键盘的接口，并且根据情况还可以具有通讯接口，例如RS－232接口。

参见图4，本实用新型中的微处理器是本诊断仪的核心部分控制其测试及诊断的全部工作，本诊断仪满足油田各个层次的需要，形成系列化产品，其对应的微处理器也有多种，如第一代的INTEL8008；第二代的INTEL8080，MOTOROLA6800，SIGNECTICS2650，ROCKWELPPS8；第三代的Z80（Z8系列），INTEL8085（包括MCS－48、MCS－51、MCS－96等系列）；四代的INTEL8086、Z8000、M68000。参见图4，微处理器外挂A／D转换器和程序存贮器，也可以把A／D转换器和程序存贮器与微处理器集成为一个单片机。也就是说微处理器为一带有A／D转换器的单片机。

参见图4b，对于该诊断仪，可以采用二个或二个以上的微处理器来完成同样的目的，以两个微处理器为例，二个IC之间通过串口或通过数字开关之间相互联络，其中的输入或输出可以任意接到IC上，例如输入接到一个IC上，输出接到另一个IC上，或者输入输出分别按至二个IC，在这种情况下每个IC均应有各自的程序存贮器。上述的输入输出应广义理解为信号接口、程序存储器、数据存储器、打印绘图机、键盘等。

本实用新型可以实现示功图测试、动液面测试、漏失测试、憋压测试、电机电流电压测试。其每一种测试原理说明如下：

示功图测试：借助于载荷传感器和位移传感器，测量有杆抽油机的地面示功图，根据理论推导关系，计算出有杆抽油泵在井下的示功图。推断井下示功图的基本原理（美国专利US3343409）是将抽油杆视为传输载体，井下泵的载荷和位移以应力波形式传输到地面的光杆。用载荷传感器和位移传感器在地面光杆上接收每个瞬间的载荷和位移信号，并将测试数据等提供给微机进行计算，从而得到抽油杆任一深度的载荷和位移，也即可得出井下任一深度包括泵处的示功图。关于全部方程的导出和所需要公式与计算步骤，请参阅美国专利US3343409。

动液面测试：动液面是指油井生产时，在油井套管环形空间所测得的液面深度。知道动液面即可计算沉没度，了解泵的工作状况，计算井下流动压力等。声波在油气混合气介质中传播时，遇到障碍物便反射回来。当装在井口的音响发声器产生音响后，产生强波信号，声波沿油井套管环形空间向下传，碰到油管节箍和液面，就产生反射波信号。这样仪器就将这些信号记录下来，形成一波形曲线。在波形曲线上，根据油管节箍反射波信号及油管长度，即可确定一口井的动液面深度。

漏失测试：漏失测试是用来考察抽油泵上、下凡尔的漏失情况。将抽油机停在上或下死点，借助压力传感器来测量悬点载荷随时间变化情况。如果泵的凡尔工作正常，油管中的油重量是不变的，这样悬点载荷也应保持一常数，或者即使有变化也不大。这时载荷和时间的关系应近似为直线。反之，不是一条直线，就说明抽油泵的凡尔密封不好，有漏失情况。

弊压测试：关闭抽油井生产闸门，使油管内部处于暂时封闭状态的过程称为弊压。常用有开机弊压，关机弊压和停机弊压。将三种弊压方式下取得的关井油压与关井时间的关系曲线称为弊压曲线，根据弊压曲线的形状可对抽油井下发生的各种情况进行判定。通过弊压诊断可判定抽油杆断脱、双阀失灵的情况，游动凡尔和固定凡尔漏失情况及泵下堵死、气锁等井下故障。

电机的电流、电压测试：用钳形电流表与电压表分别将电机电压和电流转换为标准电信号，由多路模拟开关送A／D转换电路。经微处理器处理，得到电流－位移，功率－位移曲线，以考察电机能量利用情况及抽油机平衡情况。

上述的测试在本实用新型中主要是通过下面方式来实现的：

由于本实用新型测试主要参数有：载荷、位移、电流、电压、相位、漏失、动液面、弊压、流量及环境温度等，对应的一次仪表有：载荷传感器、位移传感器、压力传感器、电流、电压传感器、动液面传感器及流量传感器、温度传感器等。测试过程是：借助于载荷传感器，把悬绳器上的载荷变化信号通过放大电路传给A／D转换；位移传感器测量悬点位移变化并传给A／D转换器；电流、电压传感器的分别测量电机的电流和电压，并传给A／D转换器；借助于动液面传感器测量油井节箍及动液面反射波的信号，通过滤波放大器处理后传给A／D转换器；借助于压力传感器将油井井筒的压力信号传给A／D转换器。经过A／D转换的结果经多路开关送微处理器进行处理。

本实用新型还可作为综合测试诊断仪器。它不仅是测试功能的综合：可测量抽油井的示功图，动液面，油管压，套管压，双弊压力，电机电流、电压等资料；更是诊断技术和解释方法的综合：它综合抽油井的各种信息，然后对其进行综合分析和回归处理，得到关于抽油井各部分的工作情况及提供对非正常部件进行作业的措施。这样可减少单一信息的片面性，使对所研究的系统有更清楚和全面的了解。

本实用新型把测试电路部分放在一块控制板上，互相之间功能没有冗余，使各部件有机地结合在一起。使之能充分支持对抽油井进行综合诊断分析的软件。整个软件的实现和编制基于这样几个原则：1、多信息原则；依据本仪器所有手段，采集和获取关于该油井的所有确定性信息（如载荷、位移和动液面等）获得最大信息量，这是对抽油井进行全面、清楚地认识的基础；2、可靠性原则：综合诊断的基础数据以实际测量为主，避免因测试人员的失误或另一种测试手段获得的参数的不准确影响本仪器的诊断结果。如在现场中，井队提供的产液量数据往往很不精确，如果用井队的产液量有可能对诊断结果的准确性产生一定的影响。采取对策是用自已的仪器来测量该参数。3、对应一致的原则：以同步采集为基础，对所获得的各种信息（如示功图、弊压）的解释必须对应分析，互相参照和对比，得出一致的结论，如遇结果不一致时，可增加一些辅助手段加以判断，这样可以大大地减少失误率。4、与措施相结合的原则：对抽油井进行测试和诊断的目的是为了生产不正常的井，以对其采取合理措施以保证抽油井正常的工作。基于以上原则本软件的解释方法包括以下几个方面：

1）功图分析方法：

示功图为一条封闭曲线组成，即一个周期函数。这个周期函数可展开成傅立叶级数，而傅立叶级数的系统与边界曲线了形状有关。通过对傅立叶级数的系统系数与边界曲线了形状有关。通过傅立叶系数提取反映泵示功图形状了四个特征参数：即图形的圆形度，细长度，散射度和凹形度。并用欧氏距离和对差距离为分类判别函数，对抽油井系统进行计算机自动识别，其详细叙述请参阅〈西安石油学院学报〉中的“应用模式识别技术实现抽油井井下故障了自动诊断”一文。

2）开机弊压、弊压高、自喷弊压、套管弊压等井口弊压曲线与冲程曲线对应分析。

深井泵工作时，关闭油井回压闸门后，每冲程净入管内的流体体积Q1是该冲程管内流体被压缩的体积Q2和抽油杆弹性增容出体积Q3之和，而该冲程净入管内的流体Q1又是该冲程内泵入量Q和间隙漏失量q1，油管漏失量q2，阀漏失量q3的代数：

则有Q－q1－q2－q3＝Q2＋Q3

通过推导有：

油压＝关井前油压＋（Q－q1－q2－q3）＊冲数＊时间／Q／流体压缩系数

根据该关系式，可分析各种类型故障下关、停、抽的曲线形状，制成标准图版。然后对照图版即可分析所测试的弊压曲线。

3）系统效率分析方法

系统效率是衡量整个抽油机工作效率的指标。通过对抽油机各部分效率的计算，可发现各部分能量消耗情况，采取针对性的措施以降低损耗。如平衡不体会造成电机电流的不均匀，电机的功耗增大，电机效率降低，从而导致整个抽油机系统效率降低，如使抽油机调整平衡，则可提高抽油机的能量利用效率。整个抽油机的总效率为四个部分：电机效率η1；皮带与减速箱机械效率η2；四连杆机构效率η3；井下效率η4。

η1＝电机输出功率／电机输入功率

η2＝减速箱输出功率／电机输出功率

η3＝光杆功率／减速箱输出功率

η4＝井下功图面积／地上功图面积

系统效率＝η1＊η2＊η3＊η4

4）功率曲线判断抽油机平衡法

根据功率曲线的形状可分析判断抽油机的平衡状况：如果功率平衡率（上下冲程的最大百分比）大于70％，则认为平衡；反之不平衡。根据上、下冲程的扭矩峰值可计算平衡半径的调整值，然后由电动机的功率和平衡半径调整值来计算加上或去掉一部分平衡块后的平衡半径调整量。

5）用液面和油套计算沉没压力和流压从而对地层能量及泵生产参数是否合理进行分析。

以上的分析诊断可通过类似专家系统的软件包来完成：

软件由一个主程序及若干子程序组成。主要诊断子程序为：计算井下功图及电机扭矩、功率子程序；计算井下压力子程序；计算系统效率子程序；抽油井参数优化设计子程序；憋压诊断子程序；利用功率曲线调平衡子程序。为了更好理解本实用新型，下面详细列出全部程序，其流程图如下：

Claims (8)

1、一种多参数抽油机智能测试诊断仪，包括机箱，面板，线路板，电源，各种信号输入接口和主机，其特征在于：上述的主机由放大器、多路开关、A/D转换器、微处理器，数据存贮器组成，信号输入接口与主机的放大器相连，放大器经多路路程开关接至A/D转换器，A/D转换器与微机处理器和数据存贮器相连，上述的信号输入接口为：

A、抽油杆载荷和位移组成的示功信号接口，和抽油管的压力传感的憋压信号接口或井口的微音器的音频信号接口或由电机的电流和电压的功率信号接口；

或B、抽油管的压力传感的憋压信号接口，和井口的微音器的音频信号接口或由电机的电流和电压的功率信号接口；

或C、以示功信号接口和/或憋压信号接口为主的上述各种信号接口的任意组合。

2、根据权利要求1所述的多参数抽油机智能测试诊断仪，其特征在于：主机还包括一个程序存贮器。

3、根据权利要求1所述的多参数抽油机智能测试诊断仪，其特征在于：线路板上具有显示装置和／或结果输出装置和／或输入键盘的接口和／或通讯接口。

4、根据权利要求1所述的多参数抽油机智能测试诊断仪，其特征在于：机箱面板上安有显示装置和／或结果输出装置和／或输入键盘。

5、根据权利要求1所述的多参数抽油机智能测试诊断仪，其特征在于：微处理器为一带有A／D转换器的单片机。

6、根据权利要求1所述的多参数抽油机智能测试诊断仪，其特征在于：微处理器为二个或二个以上，它们之间通过串口或数字开关相连。

7、根据权利要求1所述的多参数抽油机智能测试诊断仪，其特征在于：显示装置为液晶显示屏。

8、根据权利要求1所述的多参数抽油机智能测试诊断仪，其特征在于：结果输出装置为打印机或绘图仪。

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