基于抽油機井的電參數診斷技術研究與應用

摘要：目前油田在用的抽油機井的示功圖獲取需要放置一個載荷/位移傳感器，但該方法存在易損壞、精度低、安裝不方便、操作危險等缺點。本文提出一種基于電參數的測控與優(yōu)化新技術，該技術改變了加速度計的安裝位置，省去了載荷傳感器的安裝，通過電參數實現對抽油機井工況的診斷分析，從根本上解決了采用載荷傳感器存在的安全、精度漂移、無線數據傳輸阻塞等多種問題，具有良好的應用前景。

關鍵詞：載荷;神經網絡;電參數

1.引言

抽油機有桿泵是當前石油生產應用最廣泛的采油工藝，在實際工作中，示功圖是分析井下泵運行狀況、計算產液量及進行故障診斷的重要依據。

抽油機井示功圖是由載荷隨位移的變化關系曲線所構成的封閉曲線圖。抽油機井通過在油井懸點處放置載荷表來獲得載荷數據，通過加速度傳感器或者位移傳感器測量位移，由此來繪制出示功圖[1]，目前大港油田油井的示功圖都是采用這種方法繪制，但這種示功圖采集法還存在幾方面的不足。一是安全問題：為安裝載荷表，經常性的停井和開井增加了安全隱患;二是儀表可靠性問題：戶外安裝容易被腐蝕，增加更換頻率和維護成本，同時測量數據容易受外部環(huán)境影響;三是測量精度問題：安裝位置振動嚴重，信號中噪聲成分較多、不穩(wěn)定，位移信號也并不能完全閉合，導致示功圖繪制精度較低，并不能完全說明抽油機井工況的好壞;四是儀表老化及載荷漂移問題：由于機械壓力，傳感器易老化，載荷表工作一段時間需要重新校正;五是數據傳輸問題：通過無線傳輸，由于數據量巨大容易造成網絡的擁塞和數據延時。

電參數是一組抽油機電機運行過程中電壓有效值、電流有效值和電功率等構成的電氣參數，本文提出從電機運行狀況反映抽油機的運行狀況，通過一套油井電參數采集設備，用于對油井運行電參數進行采集處理，實現功圖繪制分析和工況診斷。

2.關鍵技術及其技術原理

2.1 電參數測量技術

電參數采集系統(tǒng)是一套通過采集電機瞬時電壓和電流參數，并計算獲得電機的各種功率參數的系統(tǒng)。系統(tǒng)首先通過互感器變換得到適合測量的電流電壓參數，然后通過ADE7758采集和計算電參數，最后通過ARM處理器的SPI接口讀取ADE7758內的電參數。

由電參數采集硬件系統(tǒng)得到的電參數數據傳遞到后文的神經網絡算法輸入端，運用訓練好的網絡推算載荷值。硬件系統(tǒng)測量的加速度數據，通過后文算法計算懸點位移量。最終繪制出示功圖，并進行接下來的分析。電參數采集系統(tǒng)模塊架構圖（圖1）及現場試驗照片（圖2）。

2.2 載荷計算

由電參數采集硬件系統(tǒng)可同步采集電功率參數 和轉速 。轉速 經函數擬合可得懸點位移。通過一個黑匣子網絡F（），使輸入 的狀態(tài)下，網絡輸出載荷的估計值P，實際的Payload和P之間會有誤差 ?[2]。

BP神經網絡算法可以完全自動校準，將誤差沿負梯度反饋給隱層，不需要外部的干預。網絡訓練成功后，即可運用神經網絡的函數逼近功能進行電參數到載荷值的推導。

2.3 加速度測量

ADXL345可選擇的測量范圍有±2g，±4g，±8g或±16g。既能測量運動或沖擊導致的動態(tài)加速度，也能測量靜止加速度，例如重力加速度，使得器可作為傾斜傳感器使用。

傳感器為多晶硅表面微加工結構，置于晶圓頂部。由于應用加速度，多晶硅彈簧懸掛于晶圓表面的結構之上，提供力量阻力。差分電容由獨立固定板和活動質量連接板組成，能對結構偏轉進行測量。加速度使慣性質量偏轉、差分電容失衡，從而傳感器輸出的幅度與加速度成正比。相敏解調用于確定加速度的幅度和極性。

加速度采集端由加速度傳感器和控制器CC2530構成，對外通過ZigBee無線的傳輸方式，面板包括運行指示燈，自檢按鍵，現場報警設備組成。

3 系統(tǒng)應用過程

3.1 電參數監(jiān)控設備的安裝及應用

共完成40套，實現了實時監(jiān)控三相電壓、電流、功率自動監(jiān)測。

1、電參數測控系統(tǒng)模塊架構

電參數監(jiān)控系統(tǒng)：依據采集的電參信息和ZigBee無線傳輸的轉速信息計算示工數據，并得出抽油機電能計量、系統(tǒng)效率和平衡分析。

2、電參數高精度監(jiān)控系統(tǒng)

此部分包括實時監(jiān)控三相電壓，電流，功率，實時電能自動計量，示功圖反演，支持RS485協議的數據傳輸和國標電參RTU通信協議傳輸，支持能效監(jiān)控和平衡分析。

3、抽油機轉速測量系統(tǒng)架構及功能

轉速采集系統(tǒng)分為三軸加速度實時采集、抽油機沖次精確測量、同步數據采集與發(fā)送和高可靠ZigBee無線通信協議等組成，可推算出抽油機運動一個周期中，油梁轉速與懸點位移關系以及由轉速可以精確推導出懸點的位移。

抽油機轉速測量系統(tǒng)安裝于抽油機和電參數設備中，采用全自主設計，經過多次試驗，測量數據精確度高，傳輸高效可靠。

3.2現場試驗結果及分析

已完成對于40口井電參數模塊和轉速表模塊的數據現場采集的工作，通過對以上電參數監(jiān)控設備和轉速測量裝置各40套通過后臺軟件計算、分析得出的示功圖與井場現有示功圖進行對比后發(fā)現，有37口相似度很高，如圖4所示的港××電參數采集和載荷采集示功圖對比。

4 結論

油田自動化數據采集及管理系統(tǒng)是一個提升油田自動化生產水平的系統(tǒng)，包括抽油機現場的儀表，抽油機電參數儀表，采油現場數據無線傳輸系統(tǒng)，現場數據以太網的接入和匯總。

1、電參數測控與優(yōu)化新技術改變了加速度計的安裝位置，省去了載荷傳感器的安裝，為從根本上解決采用載荷傳感器存在的安全、精度漂移、無線數據傳輸阻塞等多種問題提供了切實可靠的方案。

2、完成了數據管理與能效監(jiān)控系統(tǒng)的初步應用，為油井數據跟蹤與對比分析、本地數據查詢、電參數遠程數據監(jiān)控、能效監(jiān)控與變頻調節(jié)豐富了切實可靠的方法。

3、借助后臺數據管理與能效監(jiān)控系統(tǒng)軟件，實現了抽油機平衡分析和能效分析，為抽油機井機采系統(tǒng)系統(tǒng)優(yōu)化提供了數據支持。

4、完成了抽油機智能節(jié)能調控系統(tǒng)試驗，油井同時安裝了節(jié)能型變頻器和電參數采集裝置，結合后臺數據管理與能效監(jiān)控系統(tǒng)軟件，可實現油井油井閉環(huán)優(yōu)化控制，為采油廠提供了整套節(jié)能解決方案。

參考文獻：

[1]杜宇恒.雙驢頭游梁式抽油機懸點載荷及扭矩研究[J].節(jié)能技術，2009，27（3）：222-224.

作者簡介：

刁俊通（1969-），男，助理工程師，主要從事油田電力方面技術的研究和應用工作。