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抽油机井示功图诊断偏磨刘骞1曹蕾2（1.中国石油大学（北京） 2.斯伦贝谢公司）在有杆泵抽油系统中，随着油田开发的不断深入，泵挂越来越深，综合含水率逐年上升，井筒状况和产出液性质等都发生了很大变化，致使杆、管的工作条件日益恶化，导致抽油杆的偏磨和断脱，加速了井下设备的损坏，增大了检泵作业的工作量和杆管更换成本，缩短了检泵周期，对油田开发造成巨大的浪费和严重的经济损失。
因此有必要对偏磨的原因加以分析，为防治偏磨提供理论依据。
利用抽油机井的地面示功图来判断井下管柱的偏磨，可以定量分析抽油杆柱受力状况，监测不同时期抽油机井偏磨状况，给采油工艺的设计提供参考依据[1]。
并可以预测油井何时偏磨，以便提前加上防偏磨措施，延长检泵周期，间接节约作业费用，给油田的顺利生产创造更便利的条件。
关键词：示功图、诊断、偏磨1偏磨诊断的意义及发展状况1.1偏磨诊断及防偏磨措施的意义通过文献调研与检索开展本课题的研究，对于油田矿场生产的意义在于：(1)为偏磨诊断和防偏磨提供依据：井下杆柱偏磨已经严重影响了油井的正常生产，对油田开发造成巨大的浪费和严重的经济损失。
因此有必要对管杆偏磨的原因加以分析，为防治偏磨和偏磨的治理提供理论依据。
(2)动态诊断抽油机井偏磨：利用抽油机井的地面示功图来判断井下管柱的偏磨，可以动态、定量的诊断正在运行的抽油机井的杆管是否存在着偏磨，在抽油机生产运行中对其进行诊断。
(3)为偏磨的井的偏磨预测提供动态监测手段：利用抽油机井的地面示功图来判断井下管柱的偏磨，还可以预测抽油机井何时偏磨，这样就给采油工艺的设计带来了提前量。
1.2论文主要内容借鉴以往国内外在抽油机井杆、管防偏磨机理方面研究的成果，油井抽油杆失效、偏磨的机理和影响因素。
从理论上分析抽油杆失效、偏磨与功图之间内在的联系，研究一种有效地抽油机井杆管偏磨诊断方法。
为油井抽油杆失效、偏磨问题的解决措施提出理论依据[2]。
2抽油机井偏磨原因2.1机械磨损机械磨损是抽油机井偏磨的最主要原因[3],主要包括如下几种形式：(1)井深结构引起的偏磨(2)封隔器坐封造成油管弯曲，发生管杆偏磨；(3)油井生产参数造成管杆偏磨；(4)油管弯曲造成管杆偏磨；(5)抽油机井杆柱弯曲造成偏磨。
油井产液量计量原理目前，我厂已经在40多口抽油井、自喷井以及注水井上推广应用了微功耗无线变送器油水井井口自动计量装置，应用范围涉及6个采油队。
这套系统最基本的求产原理、示功图以及泵功图的定性分析有必要向各采油队技术人员做如下介绍，希望能对各位分析油井的生产状况起到作用。
(一)游梁式抽油机井功图法求产原理抽油井示功图的纵坐标为光杆（露出地面，通过悬绳器与驴头连接的第一根光滑的抽油杆）在抽油过程中受力的载荷坐标，横坐标为抽油杆上、下行程时的位移坐标。
抽油机驴头所悬拄的悬绳器承受光杆和井下全部抽油杆柱，并带动最下部有杆泵的柱塞作上、下运动，即一个周期。
相应地可画出一个载荷与位移的函数关系曲线，即示功图。
抽油井生产情况千变万化，井下泵况相当复杂，只有通过自动量油技术或动力仪、诊断仪测得反映有杆泵工作状况的示功图，只有掌握了诊断技术，才能分析和管理好抽油井。
采油二厂管辖的油田抽油机井目前已经有30多口井采用了“功图法”自动计量，相比较采用分离器求产，由于受各种因素影响求产波动较大，而且求产时间较长，不利于快速、准确、及时掌握油井生产动态，直接关系到油田的稳产，流量计或分离器的检修，也大量增加油气操作成本；以往在油田产量紧张时，大多是技术人员通过繁重的油水井大调查工作来摸清所辖井的生产情况，费时费力，其中个别油井因工程技术人员水平差异而无法进行定论，不但增加了井下作业工作量，也存在一定程度的误诊，漏诊，给油田生产造成极大不便。
通过示功图求产可以解决常期困绕油田的各类机采井求产、诊断和综合评判中存在的问题，在一定程度上不仅解决油井的求产困难，而且减轻采油工作者劳动强度。
自动计量系统油井产量提供了一个快速、准确测算方法，使决策部门能够对我厂所辖油井实现宏观上的控制和决策。
1.理论示功图特征分析在实际的示功图分析工作中，为便于分析常常要拿理论示功图与实测示功图进行对比，从中分析该油井的工作状况。
下面就先来了解一下理论示功图的绘制和解释。
示功图测试操作规程北京德美高科科技有限责任公司2012年9月16日示功图测试操作规程一、操作规程（1）目的：确保操作之安全性，正确性。
（2）适用范围：适用于抽油机井示功图现场测试。
二、测试设备检查1、准备工具1.1 GY-JL Y200数据记录仪、GY300.5B分体位移传感器GY300.5B分体载荷传感器。
1.2 手套、电笔、卸载器、方卡子、活动扳手、扁锉、液压千斤顶、大布、报表、记录笔。
2、设备检查2.1检查GY-JLY200数据记录仪2.1.1 检查GY-JLY200数据记录仪开关机是否正常，电源是否充足。
2.1.2 设置及调试好GY-JLY200数据记录仪各项测试参数。
2.2 检查液压千斤顶2.2.1检查时如出现打空现象，可先放松泵体上的放油螺钉，将泵体垂直起来头向下空打几下，然后旋紧放油螺钉，即可继续使用。
2.2.2在有载荷时，切忌将快速接头卸下，以免发生事故及损坏机件。
2.2.3液压千斤顶是用油为介质，必须做好机具的保养工作，以免淤塞或漏油，影响使用效果。
2.2.4新的或久置的液压千斤顶，因油缸内存有较多空气，开始使用时，活塞杆可能出现微小的突跳现象，可将液压千斤顶空载往复运动2-3次，以排除腔内的空气。
长期闲置的千斤顶，由于密封件长期不工作而造成密封件的硬化，从而影响液压千斤顶的使用寿命，所以液压千斤顶在不用时，每月将液压千斤顶空载往复运动2-3次。
2.3、检查GY300.5B分体位移传感器3.1检查GY300.5B分体位移传感器的电源是否充足。
3.2检查GY300.5B分体位移传感器的位移线是否完好。
2.4 检查卸载器检查卸载器本体是否有裂口或者形变，开关是否灵活。
三、施工程序3.1.施工前的准备工作3.1.1入场前须开入场许可证。
3.1.2穿戴好工服、工鞋、戴安全帽进入井场，有硫化氢的井需带硫化氢检测仪及正压式空气呼吸器。
3.1.3到达井场，找属地主管人员，告知作业内容及需要配合事项。
§毳霾游梁式抽油机平衡及测试的新方法赵继良(大庆油田有限责任公司第二采油厂黑龙江大庆163459)裂衄V A L LE工应用科学[摘要]目前各油田测试抽油机平衡的判别方法是扭矩法，电流法，功率法等。
扭矩法成本高，难操作。
电流法中所采用的普通的钳型电流表，只能反映电流的幅值，不能反映正负。
一般功率法只是在电流法基础上进行一下补充，存在同样不足之处。
而本文提出的一种新的功率测试方法，综合考虑了瞬时电流，电压及功率因数的影响，能够判断电机处于发电还是用电状态，因此为抽油机的平衡调节提供了重要的依据，同时也对油田生产的节能降耗具有重要的意义。
[关键词]抽油机平衡调试功率法中图分类号：TE3文献标识码：^文章编号：1671—7597(2008)0710095—02一、引青目前，油田生产的举升方式包括抽油机、螺杆泵、电泵等，其中游粱式抽油机是油田生产的主要设备，也是主要的电能消耗源之一，同时其利用效率很低，一般在20％～30％之间，甚至更低。
在游粱式抽油机的工作过程中，它的平衡直接影响到其效能。
从理论上讲，一个平衡很好的游粱式抽油机在其生产过程中仅需消耗极少的电能。
但是。
在实际中，井下载荷随着生产的进行会不断发生变化，如杆管之间摩擦的改变，含水量改变，沉没度的升降等从而不断打破游梁式抽油机原有的平衡。
要实现再平衡就需要操作人员不断的调整游粱式抽油机的平衡机构。
调整抽油机平衡的方法有扭矩法；电流法，功率法以及一些经验公式等。
在扭矩法中，目前没有直接测减速器轴扭矩的仪器，用贴应变片的方法计算扭矩，成本高，难操作。
电流法是采用模拟式钳型电流表，测量电动机上下冲程中的电流峰值，用两者中的小者比大者，即平衡率=I小／I大，当比值≥8096即认为达到了平衡状态。
这种方法被称为电流法。
很显然，这种方法与平衡的定义差距较大：①没有考虑到电流在整个上下冲程的变化情况，更没有考虑功率因素在上下冲程中的变化情况，只能是一种粗略的估计，误差较大；②在实际操作上，由于在上下冲程中电流峰值所占的时间宽度窄，电流表指针不断摆动等因素的影响，测试人员仅靠眼的目测很难读取准确的数值；③某些严重不平衡的井，其下冲程(或上冲程)的电流在相位上已反相变成做负功的电流，而钳型电流表无法区分电流的相位，仍把其当成做正功的电流处理，这显然得不出正确结果。
D O I :10.3969/j.i s s n .1001-5337.2023.3.065 *收稿日期:2022-08-17基金项目:曲阜师范大学科技项目(k j2021h x 054).通信作者:田海峰,男,1976-,博士,副教授;研究方向:物联网技术㊁大数据技术;E -m a i l :w m t h f @163.c o m.一种游梁式抽油机示功图测量方法*田海峰, 陈 默, 张 藤, 邱茂顺(曲阜师范大学网络空间安全学院,273165,山东省曲阜市) 摘要:游梁式抽油机广泛应用于石油开采工作中.针对游梁式抽油机工况的诊断存在不能兼顾准确性与可靠性的问题,提出了一种新型游梁式抽油机示功图测量方法.该方法根据抽油机的机械结构和运动学公式计算出抽油机单个工作周期内的位移数据,保存至云端服务器.利用加速度传感器和载荷传感器,同步采集抽油机的加速度数据和载荷数据.通过对加速度数据进行均值滤波处理,截取出单个完整周期内的载荷数据,并上传至云端服务器,采用云计算绘制出抽油机示功图.实验证明,该方法优于现有的方法,具有精确度高㊁可靠性高㊁易于安装维护㊁成本低廉的优点.关键词:示功图;游梁式抽油机;加速度传感器;均值滤波中图分类号:T E 937 文献标识码:A 文章编号:1001-5337(2023)03-0065-060 引 言游梁式抽油机是目前国内油田广泛使用的抽油机类型之一[1].抽油机的工况影响着采油的效率,示功图是一种常用的诊断抽油机工况的方法.示功图是光杆的载荷随位移变化的关系曲线所构成的封闭图形,其坐标纵轴为光杆的负载,坐标横轴为光杆的位移,其面积表示了泵在一个行程中做功的量,可以反映深井泵工作状况的好坏.绘制示功图最直接的办法是分别测量出载荷和位移,载荷数据可以通过载荷传感器直接获得,但是位移数据较难测得[2],所以光杆位移测量是相关研究的重点.目前测量位移的主要方法有4种.第1种是利用拉绳位移传感器[3]直接测量位移,这种方法准确度高,但是拉绳容易磨损,需要频繁更换;第2种是使用加速度传感器[4]间接测得,这种方法受机械振动和冲次的影响,对于冲次小于2次/分钟的低冲次油井很难完成示功图的采集;第3种是使用倾角传感器[5],这种方法的采集精度不高;第4种是利用电功率等电参数反演示功图[6],这种方法容易受到噪声干扰,很难反演出真实示功图.本文提出一种使用载荷传感器测量载荷数据,利用加速度传感器确定采油周期,通过机械关系和运动学公式计算每个周期光杆位移变化曲线的示功图采集方法.1 方法设计1.1 游梁式抽油机结构游梁式抽油机主要由电机㊁曲柄㊁连杆㊁游梁㊁支点㊁驴头㊁悬绳器㊁支架㊁减速箱和皮带轮组成[7],如下页图1所示.光杆负载随位移的变化曲线形成封闭图形的面积表示驴头在一次往复运动中抽油机所做的功.往复运动中的最高点称为上死点,最低点称为下死点,驴头从下死点出发经过上死点回到下死点的过程可以定义为一个运动周期.光杆运动的位移大小等于驴头沿圆弧往复运动时的弧长.这个弧长可以通过抽油机的机械结构和运动学公式解得.国内的一些学者[8]在抽油机位移计算方面提出了很多算法,本文提出了一种算法(下称间接法),具体如下文.1.2 位移的推导游梁式抽油机结构简图如图1所示.设曲柄的运动中心为A ,支点为D ,连杆与曲轴的连接点为B ,连杆与游梁的连接点为C .以A 为原点,AD 所在直线为X 轴建立平面直角坐标系,游梁后臂C D第49卷 第3期2023年7月 曲阜师范大学学报J o u r n a l o f Q u f u N o r m a l U n i v e r s i t yV o l .49 N o .3J u l y 2023与曲轴A B 的运动关系如图2所示.图1游梁式抽油机结构简图图2 游梁后臂与曲轴的运动关系1(a)情况一(b)情况二图3 游梁后臂与曲轴的运动关系2图2中的C 1㊁C 2分别为上死点和下死点.设曲柄A B 的长度为a ,连杆B C 的长度为b ,游梁后臂C D 的长度为c ,空间中A D 的长度为d ,游梁前臂D E 的长度为f ,悬点位移为s .规定θ角均从X 轴开始,以沿逆时针旋转为正方向,沿B D 做一条辅助线.在抽油机运动过程中,规定起始点为下死点C 2,曲柄A B 以A 点为中心逆时针匀速旋转.当曲柄A B 在一㊁二象限运动时,曲柄连杆的状态如图2中的四边形A B CD 所示,øA D C =øB D C +øB D A ;(1)当曲柄A B 在三㊁四象限运动时,曲柄连杆的状态如图3两种情况中的多边形A B C D 所示,øA D C =øB D C -øB D A .(2)由此可得到曲柄旋转角度θ1与游梁旋转角度θ2的关系:|B D |2=a 2+d 2-2㊃a ㊃d ㊃c o s θ1,(3)øB D C =a r c c o s|B D |2+c 2-b 22㊃|BD |㊃c ,(4)øA D B =a r c c o s|BD |2+d 2-a 22㊃|BD |㊃d ,(5)θ2=π-øA D C .(6)在三角形A D C 2中,根据余弦定理可知øA D C 2=a r c c o s c 2+d 2-(b +a )22㊃c ㊃d,(7)当驴头处于下死点时,游梁后臂从X 轴逆时针旋转角度θ2'=π-øA D C 2,(8)曲柄从X 轴逆时针旋转角度θ1'=øD A C 2.(9)曲柄的运动可以近似看成匀速圆周运动,当驴头从下死点开始运动时,θ1=θ1'+ω㊃t ,(10)其中,t 为工作时间;ω为角速度,可通过冲次计算得出.再根据公式(6)可计算得出θ2,游梁旋转角度θ3=θ2-θ2',(11)根据弧长公式可求得悬点位移s =θ3㊃f .(12)通过带入不同冲次(即不同ω)进行计算可知,冲次不同会影响一个周期内计算出位移点的个数,但位移曲线不会发生变化,即冲程大小与抽油机冲次无关.由于抽油机运行期间其机械结构不变,所以往复运动的周期不变.而同工厂加工的同一批次的抽油机机械结构参数往往是相同的,能在一定范围内调整的部件只有曲柄半径A B ,当抽油机正常运行一段时间后一般也不再调整.1.3 周期的计算为了获得一个完整周期,需要获得2个相邻的下死点.我们在悬绳器处安装加速度传感器.在驴头的往复运动中,加速度传感器可以实时监测加速度的瞬时变化,进而获得加速度变化曲线.曲线的极大值点为下死点,极小值点为上死点,周期值为相邻2个极大值序号之差的绝对值.所以我们只需要在加速度变化曲线中寻找2个相邻的极大点,便可找到66 曲阜师范大学学报(自然科学版) 2023年一个完整周期.于是本文提出了算法1,其核心思想是先寻找曲线内最特殊的极大值点 最大值,然后寻找与最大值相邻的极大值,进而可以获得一个完整周期.后面的实验也基于这个算法展开.算法1 寻找极值点序号及周期输入: A r r a y 加速度值的数组,n 数组大小输出: 最大值㊁极大值㊁极小值的序号㊁周期1: f u n c t i o n G e t C y c l e (A r r a y,n )2: l a r g e s tѳ遍历A r r a y,获得其中最大值的序号3: i f l a r ge s t<n /2 t h e n 4: m i n i m u m ѳ从l a r g e s t 开始向右遍历剩余A r r a y ,找到第一个比其右边50个点都小的值,这个值就是最大值右边第一个极小值,获得其序号5: m a x i m u m ѳ从m i n i m u m 开始向右遍历剩余A r r a y ,找到第一个比其右边50个点都大的值,这个值就是极小值右边第一个极大值,获得其序号6: c y c l eѳm a x i m u m-l a r g e s t 7: e l s e8: m i n i m u m ѳ从l a r g e s t 开始向左遍历剩余A r r a y,找到第一个比其左边50个点都小的值,这个值就是最大值左边第一个极小值,获得其序号9: m a x i m u m ѳ从m i n i m u m 开始向左遍历剩余A r r a y ,找到第一个比其左边50个点都大的值,这个值就是极小值左边第一个极大值,获得其序号10: c y c l eѳl a r g e s t m a x i m u m11: e n d i f12: r e t u r n l a r g e s t ,m a x i m u m ,m i n i m u m ,c y c l e 13: e n d f u n c t i o n由于机械振动,从加速度传感器直接采集的数据有较多的离群点,无法直接获得极大值点和极小值点.为解决此问题,引入均值滤波的思想,对每个点的值都与其周围N 个点取平均值.实验过程如图4所示.图4中的圆点是使用上述算法计算出的极值点,该图展示了N 在不同取值下曲线的光滑程度及极值点情况.图4 均值滤波实验过程76第3期 田海峰,等:一种游梁式抽油机示功图测量方法如图5所示,实验中通过对N 的不同取值发现:当N 过小时,无法找到极值点,进而无法算出准确的周期值;当N 过大时,找到的极值点有较大误差,周期值也有较大误差.为了兼顾实用性和尽可能小的误差,在本文中取N =15.图5 均值滤波实验结果在悬绳器处安装加速度传感器得到驴头往复运动时加速度的变化曲线,对该曲线进行15点的均值滤波,寻找相邻的2个极大值,即可得到周期值和一个完整周期的起始位置.1.4 示功图绘制载荷数据由悬绳器处安装的载荷传感器直接采集获得.为了进行示功图绘制,需要使用上述方法预先计算出抽油机一个完整周期内等时间间隔的固定200个点的位移值,并保存在云端服务器中.再将载荷与加速度同步采集,使其一一对应,每隔20m i n 采集3个以上完整周期,采集频率要远远大于每周期200个点.然后使用前述方法对加速度数据进行处理,找出一个完整周期,对这个完整周期取等时间间隔的200个载荷值并上传至云端服务器,进而在云端服务器绘制示功图.2 实验与结果2.1 实验环境本实验中使用消息队列遥测传输协议(m e s -s a g e q u e u i n g t e l e m e t r y t r a n s p o r t ,MQ T T )将传感器采集的数据通过窄带物联网(n a r r o wb a n d i n t e r -n e t o f t h i n gs ,N B -I o T )传输至云服务器.MQ T T 协议由I B M 和E u r o t e c h 公司于1999年开发,是一套轻量级跨平台的基于发布/订阅的消息传输协议[9],以其轻量㊁简单㊁开放和易于实现的特点广泛运用于物联网领域.作为众多低功耗广域网通信技术的一种,N B -I o T 是由我国华为公司联合国际相关通信公司共同制定的窄带物联网技术标准,已成为被运营商广泛推广的商用技术[10],以其超低功耗㊁低成本等优点广泛应用于智慧城市㊁智慧农业等新兴物联网系统的搭建.本实验硬件系统选用兼顾运算能力和低功耗的S T M 32F 103系列微控制器作为主控芯片,驱动一个加速度传感器和一个载荷传感器,分别用来确定一个完整周期和检测负载数据.选用移远B C 260Y -C N 的N B -I o T 通信模块,将数据通过N B -I o T 网络发送至云端服务器.微控制器程序分为3个层次.硬件抽象层(h a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a ye r ,H A L ):H A L 是位于上层服务组件与硬件电路之间的接口层,其目的在于将硬件抽象化.S e r v i c e :服务组件,对H A L 进行服务化抽象和管理.S e r v i c e 的重点是为上层提供服务.T a s k :是满足用户需求的任务,主要是完成加速度与载荷的同步采集㊁通过加速度判断一个完整周期㊁200个等时间间隔载荷的发送.主程序则是按照20m i n 分钟的时间间隔循环顺序调度上述任务.2.2 实验过程在油田选取了使用C Y J 8-3-26H Y 型号抽油机的4口油井Z P 24-X 42,Z P 24-44,Z P 19-35,Z P 19-X 37.首先使用本文提出的间接法测得一组位移数据,再使用拉绳位移传感器收集一组位移数据(下称传统法)并进行对比,如图6所示.(a )Z P 19-35(b )Z P 19-X 3786 曲阜师范大学学报(自然科学版) 2023年(c)Z P24-X42(d)Z P24-44图6实验结果为了进行定量评价,分析不同油井2种方法测得位移数据的差别,选取了2组数据的最大值(即冲程)之间的相对误差作为衡量标准,带入4口井的位移数据得冲程误差如表1所示.表1冲程误差井名Z P19-35Z P19-X37Z P24-X42Z P24-44传统法测冲程/m3.0133.0133.0133.013间接法测冲程/m2.9973.0022,9952.985相对误差/%0.530.350.590.95由表1可见,这些井冲程的相对误差均小于1%,误差在可接受的范围之内.2种方法绘制出的示功图如图7所示.(a)Z P19-35(b)Z P19-X37(c)Z P24-X42(d)Z P24-44图7示功图示功图的面积表示泵在一个行程中做功的量,是抽油机工况的诊断重要指标.我们计算出了2种方法绘制的示功图的面积,并计算了其相对误差,结果如表2所示.结果显示,4口井的相对误差均小于2%,所以间接法的测量精度与传统法相当.表2示功图面积及误差井名Z P19-35Z P19-X37Z P24-X42Z P24-44间接法面积/(k N㊃m)52.78876.13046.48653.003传统法面积/(k N㊃m)52.80775.93845.97552.552相对误差/%0.040.251.110.8696第3期田海峰,等:一种游梁式抽油机示功图测量方法3总结本文提出了一种游梁式抽油机示功图测量方法,通过抽油机的机械尺寸和运动学公式计算出抽油机一个工作周期内等时间间隔200个点的位移,保存在云端服务器上.使用加速度传感器和载荷传感器同步采集数据并一一对应,对加速度数据处理得到一个周期内等时间间隔的200个加速度,将200个加速度对应的载荷上传至云端服务器,便可在云端服务器绘制示功图.本方法位移数据由计算所得,所以不受抽油机的运动及环境因素影响,精确度和可靠性高;使用低功耗㊁低成本和传输距离远的N B-I o T网络,所以安装维护成本低廉.参考文献:[1]刘昕晖,李春爽,陈琳,等.游梁式抽油机节能技术综述[J].吉林大学学报(工学版),2021,51(1):1-26. [2]仲志丹,孙勇军,杜慧颖,等.抽油机示功图位移测量方法研究[J].智能计算机与应用,2018,8(2):68-72,77.[3]王海文,郑伟林,严锦根,等.抽油机悬点位移的在线测试[J].油气田地面工程,2014,33(11):41-42. 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