基于抽油机井的电参数诊断技术研究与应用

摘要：目前油田在用的抽油机井的示功图获取需要放置一个载荷/位移传感器，但该方法存在易损坏、精度低、安装不方便、操作危险等缺点。本文提出一种基于电参数的测控与优化新技术，该技术改变了加速度计的安装位置，省去了载荷传感器的安装，通过电参数实现对抽油机井工况的诊断分析，从根本上解决了采用载荷传感器存在的安全、精度漂移、无线数据传输阻塞等多种问题，具有良好的应用前景。

关键词：载荷;神经网络;电参数

1.引言

抽油机有杆泵是当前石油生产应用最广泛的采油工艺，在实际工作中，示功图是分析井下泵运行状况、计算产液量及进行故障诊断的重要依据。

抽油机井示功图是由载荷随位移的变化关系曲线所构成的封闭曲线图。抽油机井通过在油井悬点处放置载荷表来获得载荷数据，通过加速度传感器或者位移传感器测量位移，由此来绘制出示功图[1]，目前大港油田油井的示功图都是采用这种方法绘制，但这种示功图采集法还存在几方面的不足。一是安全问题：为安装载荷表，经常性的停井和开井增加了安全隐患;二是仪表可靠性问题：户外安装容易被腐蚀，增加更换频率和维护成本，同时测量数据容易受外部环境影响;三是测量精度问题：安装位置振动严重，信号中噪声成分较多、不稳定，位移信号也并不能完全闭合，导致示功图绘制精度较低，并不能完全说明抽油机井工况的好坏;四是仪表老化及载荷漂移问题：由于机械压力，传感器易老化，载荷表工作一段时间需要重新校正;五是数据传输问题：通过无线传输，由于数据量巨大容易造成网络的拥塞和数据延时。

电参数是一组抽油机电机运行过程中电压有效值、电流有效值和电功率等构成的电气参数，本文提出从电机运行状况反映抽油机的运行状况，通过一套油井电参数采集设备，用于对油井运行电参数进行采集处理，实现功图绘制分析和工况诊断。

2.关键技术及其技术原理

2.1 电参数测量技术

电参数采集系统是一套通过采集电机瞬时电压和电流参数，并计算获得电机的各种功率参数的系统。系统首先通过互感器变换得到适合测量的电流电压参数，然后通过ADE7758采集和计算电参数，最后通过ARM处理器的SPI接口读取ADE7758内的电参数。

由电参数采集硬件系统得到的电参数数据传递到后文的神经网络算法输入端，运用训练好的网络推算载荷值。硬件系统测量的加速度数据，通过后文算法计算悬点位移量。最终绘制出示功图，并进行接下来的分析。电参数采集系统模块架构图（图1）及现场试验照片（图2）。

2.2 载荷计算

由电参数采集硬件系统可同步采集电功率参数 和转速 。转速 经函数拟合可得悬点位移。通过一个黑匣子网络F（），使输入 的状态下，网络输出载荷的估计值P，实际的Payload和P之间会有误差  [2]。

BP神经网络算法可以完全自动校准，将误差沿负梯度反馈给隐层，不需要外部的干预。网络训练成功后，即可运用神经网络的函数逼近功能进行电参数到载荷值的推导。

2.3 加速度测量

ADXL345可选择的测量范围有±2g，±4g，±8g或±16g。既能测量运动或冲击导致的动态加速度，也能测量静止加速度，例如重力加速度，使得器可作为倾斜传感器使用。

传感器为多晶硅表面微加工结构，置于晶圆顶部。由于应用加速度，多晶硅弹簧悬挂于晶圆表面的结构之上，提供力量阻力。差分电容由独立固定板和活动质量连接板组成，能对结构偏转进行测量。加速度使惯性质量偏转、差分电容失衡，从而传感器输出的幅度与加速度成正比。相敏解调用于确定加速度的幅度和极性。

加速度采集端由加速度传感器和控制器CC2530构成，对外通过ZigBee无线的传输方式，面板包括运行指示灯，自检按键，现场报警设备组成。

3 系统应用过程

3.1 电参数监控设备的安装及应用

共完成40套，实现了实时监控三相电压、电流、功率自动监测。

1、电参数测控系统模块架构

电参数监控系统：依据采集的电参信息和ZigBee无线传输的转速信息计算示工数据，并得出抽油机电能计量、系统效率和平衡分析。

2、电参数高精度监控系统

此部分包括实时监控三相电压，电流，功率，实时电能自动计量，示功图反演，支持RS485协议的数据传输和国标电参RTU通信协议传输，支持能效监控和平衡分析。

3、抽油机转速测量系统架构及功能

转速采集系统分为三轴加速度实时采集、抽油机冲次精确测量、同步数据采集与发送和高可靠ZigBee无线通信协议等组成，可推算出抽油机运动一个周期中，油梁转速与悬点位移关系以及由转速可以精确推导出悬点的位移。

抽油机转速测量系统安装于抽油机和电参数设备中，采用全自主设计，经过多次试验，测量数据精确度高，传输高效可靠。

3.2现场试验结果及分析

已完成对于40口井电参数模块和转速表模块的数据现场采集的工作，通過对以上电参数监控设备和转速测量装置各40套通过后台软件计算、分析得出的示功图与井场现有示功图进行对比后发现，有37口相似度很高，如图4所示的港××电参数采集和载荷采集示功图对比。

4 结论

油田自动化数据采集及管理系统是一个提升油田自动化生产水平的系统，包括抽油机现场的仪表，抽油机电参数仪表，采油现场数据无线传输系统，现场数据以太网的接入和汇总。

1、电参数测控与优化新技术改变了加速度计的安装位置，省去了载荷传感器的安装，为从根本上解决采用载荷传感器存在的安全、精度漂移、无线数据传输阻塞等多种问题提供了切实可靠的方案。

2、完成了数据管理与能效监控系统的初步应用，为油井数据跟踪与对比分析、本地数据查询、电参数远程数据监控、能效监控与变频调节丰富了切实可靠的方法。

3、借助后台数据管理与能效监控系统软件，实现了抽油机平衡分析和能效分析，为抽油机井机采系统系统优化提供了数据支持。

4、完成了抽油机智能节能调控系统试验，油井同时安装了节能型变频器和电参数采集装置，结合后台数据管理与能效监控系统软件，可实现油井油井闭环优化控制，为采油厂提供了整套节能解决方案。

参考文献：

[1]杜宇恒.双驴头游梁式抽油机悬点载荷及扭矩研究[J].节能技术，2009，27（3）：222-224.

作者简介：

刁俊通（1969-），男，助理工程师，主要从事油田电力方面技术的研究和应用工作。