專利名稱：多參數抽油機智能測試診斷儀的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于石油采油工程中油井測試儀器。它用于機械采油中，通過對井上示功圖、動液面、弊壓、漏失及電機的電流電壓等參數的測試，從而對抽油機和有桿泵的工作狀況，電機效率及地層能量利用情況進行分析和處理；對整個抽油機以及與地層之間的生產關系進行診斷及分析，使抽油機合理、協調、正常地進行生產。
目前，在我國油田現場中，常用來對抽油井和深井泵工作狀況進行測試的儀器主要有抽油井數字示功儀，液面回聲儀及便攜式油井雙弊曲線診斷儀。抽油井數字示功儀使用載荷、位移傳感器測出有桿抽油泵地面光桿的載荷和位移信號，經計算機接口板處理后，用微機進行計算，得到抽油桿任一深度的載荷和位移信息，由此繪出井下任一深度的示功圖(包括深井泵)，從而達到考察泵工況的目的。液面回聲儀是通過測量從井口發(fā)出的聲波在油管和套管組成的環(huán)形空間傳播時油管接箍及液面的反射波，測出井下液面的深度，達到分析油層生產能力的目的。便攜式雙弊曲線診斷儀通過壓力傳感器來測出油管內的壓力變化信號，通過A／D轉換和計算機對其進行數據采集和處理，得到壓力～時間關系曲線，從而達到分析油井抽油泵工況的目的。
另外，中國專利局公開的申請?zhí)枮镃N87205901U及CN90216718.9的實用新型專利中，只是針對其某一功能來說的，前一專利中提供的是一種抽油井數字示功儀，后一個專利中公開的是一種油井雙憋曲線診斷儀，這兩種儀器都屬于功能儀器，測示功圖的示功儀不能測動液面，測雙弊壓力的雙弊診斷儀不能測示功圖。同時，這些儀器只能完成測試任務，不能進行診斷和分析，在實際應用中有許多不便之處。再外，我國專利局公開的一種申請?zhí)枮?0100721.8的名稱為微機測井通迅裝置及其程序的發(fā)明專利，雖利用了微機技術改變了其功能和精度，但對油田中的許多參數還不能作系統的分析及其處理，還明顯地存在功能單一的缺陷。并且這些儀器往往由于選擇元件和結構設計不夠合理，沒有充分考慮現場情況及操作人員的技術素質情況，使其還存在這樣一些缺點對操作人員技術素質要求高，操作不簡便；測試和處理速度慢；輸出方式不夠直觀和方便；測試誤差大、不穩(wěn)定；有的不便于和微機通訊，不能對測試數據作更深一步的處理。
本實用新型的目的是針對現有測試儀器的不足，而提供一種使用性能高和測試準確，并且同時具有示功圖診斷、憋壓診斷，壓力計算、系統效率計算、調平衡計算的多參數抽油機智能測試診斷儀。不但能用來測試抽油泵和抽油井的工況，而且能對整個抽油系統進行診斷和分析。
本實用新型的技術方案是這樣實現的借助于一次儀表，測量抽油桿載荷、位移、電機電流、電壓及環(huán)境等各種參數信號，通過各放大和轉換電路，把測試和采集到的數據傳給中央微處理器，經過處理可得描述抽油井各部件工況的圖形、曲線和數據。其中包括井上示功圖，動液面反射波形曲線，弊壓曲線，電流、功率曲線，漏失曲線及各有關參數。這些信息均可以在儀器內存儲，顯示和打印出來。借助于診斷儀中的硬件和軟件，通過進一步處理和計算，可得到井下示功圖，抽油機系統效率，泵的工作狀況，抽油機平衡情況及關于抽油機工況的診斷報告和建議作業(yè)措施。
本實用新型的多參數抽油機智能測試診斷儀，包括機箱，面板，線路板，電源，各種信號輸入接口和主機，其特征在于上述的主機由放大器、多路開關、A／D轉換器、微處理器，數據存貯器組成，信號輸入接口與主機的放大器相連，放大器經多路開關接至A／D轉換器，A／D轉換器與微機處理器和數據存貯器相連。以上的信號輸入接口可包括有抽油桿載荷和位移組成的示功信號接口、抽油管的壓力傳感的憋壓信號接口、抽油管的壓力傳感的憋壓信號接口、井口的微音器的音頻信號接口、電機電流和電壓的功率信號接口。這些接口可任意組合而成具有各種功能的測試診儀。
具有抽油桿載荷和位移組成的示功信號接口和井口的微音器的音頻信號接口的測試診斷儀，可以計算井下功圖、井下效率、壓力分布及生產參數設計。其功能的實現方法如下1、根據示功圖的幾個特征參數，即圓形度、細長度、散射度及凹形度，可判斷以下故障液面撞擊；氣體影響；泵下碰；游動凡爾動作的滯后；油管彎曲；井角彎曲；結蠟；液面高；上、下凡爾漏失；工作筒磨損；柱塞磨損；卡泵；抽油桿、油管斷脫；油管滲漏；減速箱輛承磨損；三角皮帶打滑。2、計算井下功圖(參見下面的計算井下功圖的子程序)。3、計算井下效率由井上功圖可計算其井上面積S上，由井下功圖計算其井下面積S下，則其井下效率為S下／S上，從而依此考察泵的工作效率。4、生產參數設計(參見參數設計子程序框圖)。5、壓力分布計算，可計算井底流壓，泵入口壓力，以便考察地層能量的利用情況及泵的工作環(huán)境和沉沒度，從而決定是否改變下泵深度、生產參數及給地層補充能量。
具有示功信號接口和憋壓信號接口的相結合所構成的測試診斷儀可以對抽油機進行綜合診斷。
具有抽油桿載荷和位移組成的示功信號接口和電機電流和電壓的功率信號接口所構成的測試診斷儀可以進行診斷、計算系統效率及根據功率考察平衡情況。
具有抽油管壓力傳感的憋壓信號接口和井口的微音器的音頻信號接口所成的測試診斷儀具有診斷、壓力及參數設計等功能。
具有抽油管的壓力傳感的憋壓信號接口和電機的電流和電壓的功率信號接口的測試診斷儀可以用來進行診斷、計算系統效率及根據功率考察平衡情況。
根據實際應用情況，這些接口具有如上的組合情形外，可綜合地描述成以下情形A、抽油桿載荷和位移組成的示功信號接口，和抽油管的壓力傳感的憋壓信號接口或井口的微音器的音頻信號接口或電機電流和電壓的功率信號接口；或B、抽油管的壓力傳感的憋壓信號接口，和井口的微音器的音頻信號接口或由電機的電流和電壓的功率信號接口；或C、以示功信號接口和／或憋壓信號接口為主的上述各種信號接口的任意組合。
本實用新型具有如下的特點不但能用來測試抽油泵和抽油井的工況，而且能綜合各種測試參數對整個抽油系統進行診斷和分析，具體表現在1、有效系統地分析抽油井工作情況；2、安裝和操作簡便，適合現場需要；3、能及時和準確地了解整個有桿泵抽油系統及各個部件的工作狀況，對地層能量利用情況及變化情況能隨時進行監(jiān)測，適時調整和改變抽油機的工作制度，使抽油機各部件之間或者抽油機和地層能量利用之間更協調地生產，能達到充分利用抽油機的潛力和油層能量目的；4、能提高采油效率，降低采油成本和提高油井產量。
以下結合附圖對本實用新型作進一步的說明


圖1為本實用新型邏輯原理簡圖；圖2為本實用新型的外觀示意圖；圖3為本實用新型拆開機箱后的內部結構簡圖；圖4為本實用新型中的微處理器的原理圖，其中圖4A為單個微處理器邏輯原理圖，圖4B為兩個微處理器的邏輯原理圖；圖5為本實用新型實施例的詳細電路總體圖；圖6為各種測試信號的采樣電路圖。
參見
圖1，本實用新型的工作原理如下一次儀表通過上述的各種信號接口將采集到的信號傳給放大器7，傳感器輸出的微弱信號經放大器7放大成可供A／D轉換器9的電壓信號。由于采集路數較多，故經過多路開關8把采樣信號送到A／D轉換器9進行轉換。轉換結果傳送給微處理器10，經過微處理器10計算和處理，輸出處理后的結果，處理后的結果存放在數據貯存器中，這些結果可經命令輸入后通過輸出裝置輸出。
參見
圖1及圖3，抽油機智能測試診斷儀包括機箱4，面板6，線路板3，電源5，各種信號輸入接口4和主機2，其主機2由放大器7、多路開關8、A／D轉換器9、微處理器10，數據存貯器11組成，信號輸入接口4與主機的放大器7相連，放大器7經多路開關8接至A／D轉換器9，A／D轉換器9與微機處理器10和數據存貯器11相連，主機根據微處理器和程序大小的情況還包括一個或多個程序存貯器。上述的信號輸入接口為A、抽油桿載荷和位移組成的示功信號接口，和抽油管的壓力傳感的憋壓信號接口或井口的微音器的音頻信號接口或由電機的電流和電壓的功率信號接口；或B、抽油管的壓力傳感的憋壓信號接口，和井口的微音器的音頻信號接口或由電機的電流和電壓的功率信號接口；或C、以示功信號接口和／或憋壓信號接口為主的上述各種信號接口的任意組合。
本實用新型的主機2由放大器7、多路開關8、A／D轉換器9、微處理器10，數據存貯器11組成，參見圖5、6，實施例中各種傳感器所傳來的各種信號經放大器電路放大，放大后的電信號由多路開關進行選通，由微處理器進行控制，把選通的電信號經A／D轉換后輸入微處理器進行處理，然后把其結果存貯在數據存貯器中，數據存貯器中處理后的結果由鍵盤12的命令可在液晶顯示屏13上顯示，或由打印機14打印，本實施例中的各種元件型號可參見附圖。
為了更好地使使用者了解抽油機的各種工況，面板上可安有顯示裝置或／和結果輸出裝置或／和輸入鍵盤。所說的結果輸出裝置可為打印機或繪圖儀；顯示裝置可為液晶顯示屏。在主機的線路板上可具有顯示裝置或／和結果輸出裝置或／和輸入鍵盤的接口，并且根據情況還可以具有通訊接口，例如RS－232接口。
參見圖4，本實用新型中的微處理器是本診斷儀的核心部分控制其測試及診斷的全部工作，本診斷儀滿足油田各個層次的需要，形成系列化產品，其對應的微處理器也有多種，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。參見圖4，微處理器外掛A／D轉換器和程序存貯器，也可以把A／D轉換器和程序存貯器與微處理器集成為一個單片機。也就是說微處理器為一帶有A／D轉換器的單片機。
參見圖4b，對于該診斷儀，可以采用二個或二個以上的微處理器來完成同樣的目的，以兩個微處理器為例，二個IC之間通過串口或通過數字開關之間相互聯絡，其中的輸入或輸出可以任意接到IC上，例如輸入接到一個IC上，輸出接到另一個IC上，或者輸入輸出分別按至二個IC，在這種情況下每個IC均應有各自的程序存貯器。上述的輸入輸出應廣義理解為信號接口、程序存儲器、數據存儲器、打印繪圖機、鍵盤等。
本實用新型可以實現示功圖測試、動液面測試、漏失測試、憋壓測試、電機電流電壓測試。其每一種測試原理說明如下示功圖測試借助于載荷傳感器和位移傳感器，測量有桿抽油機的地面示功圖，根據理論推導關系，計算出有桿抽油泵在井下的示功圖。推斷井下示功圖的基本原理(美國專利US3343409)是將抽油桿視為傳輸載體，井下泵的載荷和位移以應力波形式傳輸到地面的光桿。用載荷傳感器和位移傳感器在地面光桿上接收每個瞬間的載荷和位移信號，并將測試數據等提供給微機進行計算，從而得到抽油桿任一深度的載荷和位移，也即可得出井下任一深度包括泵處的示功圖。關于全部方程的導出和所需要公式與計算步驟，請參閱美國專利US3343409。
動液面測試動液面是指油井生產時，在油井套管環(huán)形空間所測得的液面深度。知道動液面即可計算沉沒度，了解泵的工作狀況，計算井下流動壓力等。聲波在油氣混合氣介質中傳播時，遇到障礙物便反射回來。當裝在井口的音響發(fā)聲器產生音響后，產生強波信號，聲波沿油井套管環(huán)形空間向下傳，碰到油管節(jié)箍和液面，就產生反射波信號。這樣儀器就將這些信號記錄下來，形成一波形曲線。在波形曲線上，根據油管節(jié)箍反射波信號及油管長度，即可確定一口井的動液面深度。
漏失測試漏失測試是用來考察抽油泵上、下凡爾的漏失情況。將抽油機停在上或下死點，借助壓力傳感器來測量懸點載荷隨時間變化情況。如果泵的凡爾工作正常，油管中的油重量是不變的，這樣懸點載荷也應保持一常數，或者即使有變化也不大。這時載荷和時間的關系應近似為直線。反之，不是一條直線，就說明抽油泵的凡爾密封不好，有漏失情況。
弊壓測試關閉抽油井生產閘門，使油管內部處于暫時封閉狀態(tài)的過程稱為弊壓。常用有開機弊壓，關機弊壓和停機弊壓。將三種弊壓方式下取得的關井油壓與關井時間的關系曲線稱為弊壓曲線，根據弊壓曲線的形狀可對抽油井下發(fā)生的各種情況進行判定。通過弊壓診斷可判定抽油桿斷脫、雙閥失靈的情況，游動凡爾和固定凡爾漏失情況及泵下堵死、氣鎖等井下故障。
電機的電流、電壓測試用鉗形電流表與電壓表分別將電機電壓和電流轉換為標準電信號，由多路模擬開關送A／D轉換電路。經微處理器處理，得到電流－位移，功率－位移曲線，以考察電機能量利用情況及抽油機平衡情況。
上述的測試在本實用新型中主要是通過下面方式來實現的由于本實用新型測試主要參數有載荷、位移、電流、電壓、相位、漏失、動液面、弊壓、流量及環(huán)境溫度等，對應的一次儀表有載荷傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、電流、電壓傳感器、動液面?zhèn)鞲衅骷傲髁總鞲衅?、溫度傳感器等。測試過程是借助于載荷傳感器，把懸繩器上的載荷變化信號通過放大電路傳給A／D轉換；位移傳感器測量懸點位移變化并傳給A／D轉換器；電流、電壓傳感器的分別測量電機的電流和電壓，并傳給A／D轉換器；借助于動液面?zhèn)鞲衅鳒y量油井節(jié)箍及動液面反射波的信號，通過濾波放大器處理后傳給A／D轉換器；借助于壓力傳感器將油井井筒的壓力信號傳給A／D轉換器。經過A／D轉換的結果經多路開關送微處理器進行處理。
本實用新型還可作為綜合測試診斷儀器。它不僅是測試功能的綜合可測量抽油井的示功圖，動液面，油管壓，套管壓，雙弊壓力，電機電流、電壓等資料；更是診斷技術和解釋方法的綜合它綜合抽油井的各種信息，然后對其進行綜合分析和回歸處理，得到關于抽油井各部分的工作情況及提供對非正常部件進行作業(yè)的措施。這樣可減少單一信息的片面性，使對所研究的系統有更清楚和全面的了解。
本實用新型把測試電路部分放在一塊控制板上，互相之間功能沒有冗余，使各部件有機地結合在一起。使之能充分支持對抽油井進行綜合診斷分析的軟件。整個軟件的實現和編制基于這樣幾個原則1、多信息原則；依據本儀器所有手段，采集和獲取關于該油井的所有確定性信息(如載荷、位移和動液面等)獲得最大信息量，這是對抽油井進行全面、清楚地認識的基礎；2、可靠性原則綜合診斷的基礎數據以實際測量為主，避免因測試人員的失誤或另一種測試手段獲得的參數的不準確影響本儀器的診斷結果。如在現場中，井隊提供的產液量數據往往很不精確，如果用井隊的產液量有可能對診斷結果的準確性產生一定的影響。采取對策是用自已的儀器來測量該參數。3、對應一致的原則以同步采集為基礎，對所獲得的各種信息(如示功圖、弊壓)的解釋必須對應分析，互相參照和對比，得出一致的結論，如遇結果不一致時，可增加一些輔助手段加以判斷，這樣可以大大地減少失誤率。4、與措施相結合的原則對抽油井進行測試和診斷的目的是為了生產不正常的井，以對其采取合理措施以保證抽油井正常的工作?；谝陨显瓌t本軟件的解釋方法包括以下幾個方面1)功圖分析方法
示功圖為一條封閉曲線組成，即一個周期函數。這個周期函數可展開成傅立葉級數，而傅立葉級數的系統與邊界曲線了形狀有關。通過對傅立葉級數的系統系數與邊界曲線了形狀有關。通過傅立葉系數提取反映泵示功圖形狀了四個特征參數即圖形的圓形度，細長度，散射度和凹形度。并用歐氏距離和對差距離為分類判別函數，對抽油井系統進行計算機自動識別，其詳細敘述請參閱〈西安石油學院學報〉中的“應用模式識別技術實現抽油井井下故障了自動診斷”一文。
2)開機弊壓、弊壓高、自噴弊壓、套管弊壓等井口弊壓曲線與沖程曲線對應分析。
深井泵工作時，關閉油井回壓閘門后，每沖程凈入管內的流體體積Q1是該沖程管內流體被壓縮的體積Q2和抽油桿彈性增容出體積Q3之和，而該沖程凈入管內的流體Q1又是該沖程內泵入量Q和間隙漏失量q1，油管漏失量q2，閥漏失量q3的代數則有Q－q1－q2－q3＝Q2＋Q3通過推導有油壓＝關井前油壓＋(Q－q1－q2－q3)＊沖數＊時間／Q／流體壓縮系數根據該關系式，可分析各種類型故障下關、停、抽的曲線形狀，制成標準圖版。然后對照圖版即可分析所測試的弊壓曲線。
3)系統效率分析方法系統效率是衡量整個抽油機工作效率的指標。通過對抽油機各部分效率的計算，可發(fā)現各部分能量消耗情況，采取針對性的措施以降低損耗。如平衡不體會造成電機電流的不均勻，電機的功耗增大，電機效率降低，從而導致整個抽油機系統效率降低，如使抽油機調整平衡，則可提高抽油機的能量利用效率。整個抽油機的總效率為四個部分電機效率η1；皮帶與減速箱機械效率η2；四連桿機構效率η3；井下效率η4。
η1＝電機輸出功率／電機輸入功率η2＝減速箱輸出功率／電機輸出功率η3＝光桿功率／減速箱輸出功率η4＝井下功圖面積／地上功圖面積系統效率＝η1＊η2＊η3＊η44)功率曲線判斷抽油機平衡法根據功率曲線的形狀可分析判斷抽油機的平衡狀況如果功率平衡率(上下沖程的最大百分比)大于70％，則認為平衡；反之不平衡。根據上、下沖程的扭矩峰值可計算平衡半徑的調整值，然后由電動機的功率和平衡半徑調整值來計算加上或去掉一部分平衡塊后的平衡半徑調整量。
5)用液面和油套計算沉沒壓力和流壓從而對地層能量及泵生產參數是否合理進行分析。
以上的分析診斷可通過類似專家系統的軟件包來完成軟件由一個主程序及若干子程序組成。主要診斷子程序為計算井下功圖及電機扭矩、功率子程序；計算井下壓力子程序；計算系統效率子程序；抽油井參數優(yōu)化設計子程序；憋壓診斷子程序；利用功率曲線調平衡子程序。為了更好理解本實用新型，下面詳細列出全部程序，其流程圖如下
權利要求1.一種多參數抽油機智能測試診斷儀，包括機箱，面板，線路板，電源，各種信號輸入接口和主機，其特征在于上述的主機由放大器、多路開關、A/D轉換器、微處理器，數據存貯器組成，信號輸入接口與主機的放大器相連，放大器經多路路程開關接至A/D轉換器，A/D轉換器與微機處理器和數據存貯器相連，上述的信號輸入接口為A、抽油桿載荷和位移組成的示功信號接口，和抽油管的壓力傳感的憋壓信號接口或井口的微音器的音頻信號接口或由電機的電流和電壓的功率信號接口；或B、抽油管的壓力傳感的憋壓信號接口，和井口的微音器的音頻信號接口或由電機的電流和電壓的功率信號接口；或C、以示功信號接口和/或憋壓信號接口為主的上述各種信號接口的任意組合。
2.根據權利要求1所述的多參數抽油機智能測試診斷儀，其特征在于主機還包括一個程序存貯器。
3.根據權利要求1所述的多參數抽油機智能測試診斷儀，其特征在于線路板上具有顯示裝置和／或結果輸出裝置和／或輸入鍵盤的接口和／或通訊接口。
4.根據權利要求1所述的多參數抽油機智能測試診斷儀，其特征在于機箱面板上安有顯示裝置和／或結果輸出裝置和／或輸入鍵盤。
5.根據權利要求1所述的多參數抽油機智能測試診斷儀，其特征在于微處理器為一帶有A／D轉換器的單片機。
6.根據權利要求1所述的多參數抽油機智能測試診斷儀，其特征在于微處理器為二個或二個以上，它們之間通過串口或數字開關相連。
7.根據權利要求1所述的多參數抽油機智能測試診斷儀，其特征在于顯示裝置為液晶顯示屏。
8.根據權利要求1所述的多參數抽油機智能測試診斷儀，其特征在于結果輸出裝置為打印機或繪圖儀。
專利摘要本實用新型涉及一種多參數抽油機智能測試診斷儀，包括機箱，面板，線路板，電源，各種信號輸入接口和主機，上述的主機由放大器、多路開關、A/D轉換器、微處理器，數據存貯器組成，信號輸入接口與主機的放大器相連，放大器經多路路程開關接至A/D轉換器，A/D轉換器與微機處理器和數據存貯器相連。本實用新型不但能用來測試抽油泵和抽油井的工況，而且能綜合各種測試參數對整個抽油系統進行診斷和分析。
文檔編號E21B44/00GK2122232SQ9222355
公開日1992年11月18日 申請日期1992年6月6日 優(yōu)先權日1992年6月6日
發(fā)明者孫國鋒, 孫太升 申請人:北京金時石油測試技術有限公司