抽油機狀態監測實驗臺在石油鉆采機械課程實踐教學中的應用

劉俊燚 艾 樂 陳傳智 王 暢 李 寧

①長江大學機械工程學院 ②武漢天之逸科技有限公司

隨著計算機技術的發展以及智慧油田的提出，對抽油機狀態進行實時監測成為油田數字化發展的必然趨勢，因此有必要在石油相關專業中加入相關理論知識的教學。針對這些問題，為更直觀地展示抽油機狀態監測的過程及原理，編寫了抽油機監測系統并搭建了實驗臺，實驗臺可實現抽油機狀態監測中功圖、抽油桿載荷、電參數等基本信息的采集。本平臺在石油鉆采機械課程實踐教學中的應用有利于加深學生對抽油機結構以抽油機狀態監測的認識，對培養學生的科研創新能力有較好的幫助。

游梁式抽油機結構簡單，可靠性強，廣泛應用于油田的實際生產中[1]。在長時間服役以及井下的復雜工況下，抽油機的故障發生率較高，對油田的正常工作效率影響較大[2]，同時，隨著計算機網絡技術的不斷發展，智慧油田成為油田科學管理的必然趨勢[3]，推進石油裝備智能制造是化解當前石油裝備制造業發展矛盾的主要方式之一[4]。

工程上通常對抽油機工作狀態下的示功圖、抽油桿載荷、電機的電流、電壓來實現抽油機狀態的實時監測，由于交通成本、安全問題、現場環境等原因，在油田現場進行抽油機相關理論知識的教學具有一定的難度，傳統教學方式以課堂理論教學或者建立三維模型為主[5]，學生對抽油機狀態監測機理的認識不夠直觀，難以深入理解，造成學生所掌握的理論知識與實際生產的需要有較大的差距。因此有必要設計一種可以實現抽油機狀態實時監測的教學實踐平臺，對抽油機工作機理以及各特征參數的測量原理進行直觀的演示，加強學生對抽油機狀態監測機理的認識。

1 實驗臺硬件系統設計

實驗臺設計總體如圖1所示，實驗臺通過抽油機井口及配電箱里安裝電參數傳感器，電參數傳感器可以 采集電動機三相電壓、電流以及電功率參數；安裝在游梁中部的傾角傳感器采集到的游梁傾角可經系統計算出抽油機的工作周期以及抽油桿的位移；在懸點處安裝的載荷傳感器采集到的抽油機工作載荷經處理可在系統中得到示功圖等信息。

圖1 實驗臺結構

數據收集處理部分中，傳感器的信號轉換成數字信號后通過數據采集卡傳輸到計算機終端對工作數據進行分析處理，繪制出示功圖、電流曲線、功率曲線等圖像，依照不同信息對應的抽油機不同故障情況來分析抽油機的工作狀態。同時，系統可對示功圖信號和電參數信號進行監控，若信號超出系統預設的正常范圍，系統可實時做出報警。抽油機的各項運行參數在采集過程中可實時保存并生成文本文件，以記錄每天的生產數據，完成數據的收集處理。系統在工作時，可以對多個采集模塊的參數進行同時采集，也可以對不同的參數單獨采集分析。

1.1 工控機

在工程現場中，作業環境通常比較惡劣，考慮到生產的利潤，一般不允許停機檢修，對硬件的環境適應能力要求較高。工控機可以在極低或者極高的環境中穩定運行，并且防腐蝕、防沖擊性能好，在采油現場中可以應對多變的工況，所以本系統采用工控機對生產過程及機電設備、工藝裝備等進行檢測與控制。與常見的電腦主機相比，工控機具有計算機的主板、CPU、硬盤、內存、外接口、操作系統、計算能力、人機界面等屬性和特征，但是體積比電腦主機小得多。

1.2 載荷傳感器

載荷傳感器安裝在抽油桿與懸點之間，對抽油機抽油桿的工作運行狀態進行實時監測，可通過工作載荷的大小獲取抽油機實際工作中的示功圖各項指標參數，進而通過載荷大小變化識別抽油機的工作周期，與其他參數進行耦合來判斷抽油機工作狀態。

載荷傳感器利用電阻應變原理構成。載荷通過拉壓頭直接作用于粘貼有電阻應變片的空心圓柱體的應變筒上，應變筒軸向壓縮，徑向膨脹，相應軸向電阻值降低，徑向電阻值增加，電橋失去平衡，在外界提供電橋電源時則角輸出端有不平衡的電壓輸出，該電壓正比于作用在載荷傳感器上的被測力。

傳感器結構簡單，安裝、使用、攜帶方便，具有良好的防潮性能，防水等級達到IP67，具有較高的抗振動、沖擊穩定性。傳感器電路采用八片電阻應變片組成全橋結構。所選取傳感器額定荷載是300KG-10T，精度可達到0.03%，滿足工作需求。

1.3 傾角傳感器

傾角傳感器安裝在游梁中部，安裝時首先要保證傳感器安裝面與被測量面完全緊靠，被測量面要盡可能水平，其次傳感器的安裝面與被測量面必須固定緊密、接觸平整、轉動穩定，要避免由于加速度、振動產生的測量誤差。傾角傳感器工作時采集游梁工作時的傾角，進而計算出抽油桿的位移，本系統采用的傾角傳感器精度達到0.2°，量程為±180°，可滿足診斷系統的工作要求。

1.4 聲音傳感器

聲音傳感器采集抽油機工作時的聲音信號，將其轉換成數字信號，通過數據采集卡傳輸到計算機內對其進行信號分析。聲音傳感器可直接輸出線性模擬量，AD采集將采集的聲音信號轉換為數字信號，方便數據采集。聲音傳感器可采集聲音波形信號，采樣率可達到44.2kHz，AD精度大于等于16位，并且靈敏度高，在封閉環境中，正常說話10米范圍內可以檢測到，可對抽油機工作信號進行精確的采集。

1.5 電參數采集模塊

三相電參數采集模塊采集抽油機電路中的電參數信息，軟件系統可基于此計算出電流平衡度、電功率平衡度、電能平衡度等電參數數據。該電參數采集模塊為6通道，A/D轉換位數是16位，每通道均以4KHz速率同步交流采樣，模塊實時數據的更新周期最小可設置為40ms，最大為1000ms，每步為10ms。

2 軟件系統設計

軟件部分主要負責對采集到的信號進行計算以及可視化，對現場的參數進行實時監控并將數據保存到后臺。本系統采用Visual Basic語言編寫，Visual Basic是Microsoft公司開發的一種通用的基于對象的程序設計語言，為結構化的、模塊化的、面向對象的、包含協助開發環境的事件驅動為機制的可視化程序設計語言。

油井實時監測系統軟件在對抽油機井進行實時測量時，通過載荷值的波峰波谷識別出抽油機工作時的周期，通過傾角傳感器測得的游梁傾角計算出抽油桿的位移值。軟件系統以每個工作周期為一循環，軟件可實時顯示抽油桿的載荷、豎直方向上的位移、當前沖次以及單向電壓、電流，同時也能計算出電流平衡度、電功率平衡度、電能平衡度等電參數平衡度。能夠進行示功圖曲線、電流曲線、功率曲線等的實時繪制，方便了對抽油機井工況的實時監控。同時，軟件可以根據設定的報警值對該井的運行狀態進行分析，如果狀態異常，將會在軟件界面上做出報警。還可以通過人工導出該井的電參數的運行曲線加以進一步人工分析。

軟件的報警功能通過對油井的運行參數進行實時監測、對分析判斷的結果進行報警。包括示功圖異常、電參數信號異常等的報警。圖2為軟件操作界面。

圖2 軟件系統界面

3 基于抽油機監測試驗臺的課程實踐教學

抽油機裝填檢測實驗臺的建立，可以為石油鉆采機械課程的有桿采油設備部分，提供一個非常好的實驗和實訓平臺。具體可以開展的課程實踐教學內容如下所示。

3.1 游梁式抽油機結構組成與機械調平衡原理

（1）抽油機四桿機構組成與運動規律分析。游梁式抽油機的基本結構為如圖所示的四桿機構。其中OA為曲柄部分，AB為連桿部分，BO1為抽油機支架中的游梁后臂部分。減速器輸出軸帶動曲柄OA旋轉，與OA連接的連桿AB帶動游梁BC繞O1點擺動，抽油桿隨著驢頭的豎直往復運動完成抽汲過程。

圖3 抽油機結構

（2）抽油機懸點位移、速度、加速度測試分析。實驗臺在游梁的上方安裝傾角傳感器，采集游梁運動時的傾角，游梁在工作中傾斜的角度與前臂的長度之積即為抽油桿的位移。

抽油機在工作時，上、下沖程時的工作載荷大小有差別，系統可利用載荷傳感器采集到的工作載荷的波峰與波谷對系統的工作周期進行精確識別，通過抽油機懸點的位移與周期，即可計算出抽油機懸點運行時的速度以及加速度，其他參數的采集計算也可基于此周期進行計算或監測。

（3）曲柄平衡中的調平衡方法和操作實踐。在游梁尾部安裝游梁平衡電驅動裝置，同時在游梁中部安裝游梁平衡擺動機構，通過不同的擺動角度實現抽油機上下沖程中游梁的力矩平衡。

3.2 理論示功圖與現場示功圖對比分析

（1）理論示功圖的的含義分析。抽油機示功圖是在抽油機一個抽汲周期即上沖程、下沖程的過程中，測繪得到的一條封閉的曲線。在抽油機工作過程中，光桿提升到最上端的位置稱為上死點，即為圖4中C點；下降到最低的位置稱為下死點，即圖4中A點。定義從下死點位置為起點，以抽油機的光桿相對于下死點的位移S作為橫軸，以光桿受到的載荷F作為縱軸，可以得到在一個抽汲過程中，關于F和S的閉合曲線，即為這個抽汲周期內抽油機的示功圖，下圖4為理想狀態下抽油機的示功圖。其中，抽油機示功圖圖形所圍成的面積值的大小，可表示在這個抽汲周期內的抽油機抽油桿所做的功。計算一個沖次的示功圖面積計算公式如下：

圖4 理想狀態下的示功圖

（2）各種典型井下工況對應的示功圖特征。作為一個成熟的方法，通過示功圖對井下工況進行評判在工程實際中得到了廣泛的應用，在不同工況下的示功圖如圖5～圖8所示。

圖5 斷桿

圖6 氣體影響

圖7 供液不足

圖8 泵上碰

3.3 抽油機平衡度的測試評價方法

抽油機電動機上下沖程的輸出扭矩可以較好地反映抽油機工作時上下沖程的平衡度，但是測量電動機的輸出扭矩有一定難度，所以改用測量抽油機工作時的電參數來反映抽油機的平衡度。

（1）電流法測平衡度的原理。電流平衡度是抽油機在工作時下沖程的峰值電流與上沖程峰值電流之比，計算方法如下式：

（2）功率法測平衡度的原理。功率平衡度是指抽油機下沖程有功功率峰值與上沖程有功功率峰值的比值，計算方法如下式：

（3）電能法測平衡度的原理。電能平衡度是指電動機下沖程輸出電能與上沖程輸出電能比值，即下沖程中功率曲線所包圍面積與上沖程中功率曲線所包圍面積的比值，計算方法如下式：

使用建立的監測實驗臺，對抽油機工作時的各參數進行測量，測量結果如表1所示。

表1 實驗臺實測參數

電流平衡度、電功率平衡度以及電能平衡度這三個電參數中，電流平衡度是最高的，電功率平衡度以及電能平衡度只有70%多。在三種電參數平衡度的測量中，電流平衡度測量簡單，但是會存在虛假平衡，誤差較大；電功率平衡度可以避免測量值的虛假平衡，但是在測量過程中只測量峰值，沒有對整個周期的情況，也存在一定的誤差；電能平衡度的測量較為準確，但計算量較大。在實際生產測量中，需要對多個參數進行綜合比較之后再做出判斷。

以抽油機狀態監測試驗臺為基礎，將線上教學和線下實驗相結合，還可以實現基于遠程傳輸控制模塊和雨課堂的互動教學。在試驗臺的工控主機上，增加基于GPRS技術的遠程傳輸模塊，與課堂教學電腦主機之間進行遠程測試數據和控制指令互傳，實現遠程監測數據實時同步和視頻監控云臺控制。同時，將裝有“雨課堂”APP的手機安裝在視頻監控云臺上，使實驗臺的實時運行畫面，呈現在課堂教學的投影上，讓學生有身臨其境的體驗。

4 結束語

抽油機狀態監測作為機械工程、石油工程、控制工程及通信工程等學科的交叉領域，在石油鉆采中占有重要的地位。隨著智慧油田的不斷發展，對抽油機狀態進行可視化、智能化監測成為油田管理的必然趨勢。本文搭建了抽油機狀態監測實驗臺，編寫的監測系統可對等比例縮小的抽油機模型的工作狀態進行實時監測，在石油鉆采機械課程的實踐教學中可直觀地展示系統實現抽油機狀態監測的全過程，有利于加深學生對抽油機結構以抽油機狀態監測的認識，對培養學生的科研創新能力有較好的幫助。