【正文】 有桿抽油井工程診斷方法及程序第一章 緒論 研究目的和意義有桿泵采油是世界石油工業(yè)傳統(tǒng)的采油方式之一，也是迄今在采油工程中一直占主導(dǎo)地位的人工舉升方式。在我國，采油生產(chǎn)井中大約有90%采用有桿抽油技術(shù)，全國各油田產(chǎn)液量的60%，產(chǎn)液量的75%是靠有桿抽油技術(shù)采出的[1]。然而由于抽油泵是在近千米到數(shù)千米的井下，工況十分復(fù)雜，工作環(huán)境極其惡劣，不但受“機(jī)、桿、泵”抽油設(shè)備的影響，而且直接受到“砂、蠟、氣、水”的影響，故障發(fā)生率很高，1998年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：，嚴(yán)重影響油田的正常生產(chǎn)。因此，及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握有桿抽油系統(tǒng)井下設(shè)備的工作狀況，診斷油井所存在的故障問題，制定合理的技術(shù)措施，使油井及時(shí)恢復(fù)正常生產(chǎn)，最大限度的提高原油產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本和提高抽油效率，對石油工業(yè)的發(fā)展和提高經(jīng)濟(jì)效益都具有非常重大的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義[1]。石油工業(yè)的發(fā)展對抽油丼故障診斷技術(shù)的研究提出強(qiáng)烈要求。幾十年來，抽油丼故障診斷技術(shù)一直是國內(nèi)外采油工程技術(shù)人員的一個重要研究課題，經(jīng)過長期的研究與實(shí)踐，抽油丼故障診斷技術(shù)取得了相當(dāng)大的發(fā)展。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢自從有桿泵在油田服役以來，有桿抽油井的故障診斷先后經(jīng)歷了從靠感覺分析到靠儀器測量分析，從儀器測量分析到計(jì)算機(jī)處理分析，并向智能化診斷不斷邁進(jìn)的發(fā)展過程。近幾十年來診斷技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)診斷技術(shù)的出現(xiàn)，使有桿抽油系統(tǒng)故障診斷技術(shù)進(jìn)入了一個嶄新的階段，即從定性分析到部分定量分析、從人工到初級智能。具體發(fā)展歷程如下： 國外發(fā)展概況早期的油井故障診斷僅靠手感，工作人員用手握住光桿，上下運(yùn)動幾個沖程，憑感覺來判斷抽油泵的某些故障，這種方法只適用于淺井，并且誤差比較大[3]。到了二十年代，1927年發(fā)明地面光桿動力儀，利用光桿動力儀繪制光桿載荷與位移的關(guān)系曲線，即光桿示功圖，然后對光桿示功圖進(jìn)行解釋，以判斷油井與設(shè)備故障，幾十年來，許多國家進(jìn)行了大量的研究工作：一方面，不斷改進(jìn)動力儀，提高檢測精度；另一方面，不斷改進(jìn)示功圖的解釋方法，擴(kuò)大解釋范圍[4]。1936年美國的Gilbert和Surgent發(fā)明井下動力儀。這種方法是將井下動力儀隨同抽油泵一起下入丼內(nèi)，用其直接測量泵示功圖，因這種方法耗資甚巨，工藝也較復(fù)雜，沒有得到推廣應(yīng)用[5]。1966年美國殼牌石油公司的Gibbs建立了帶阻尼的波動方程作為描述應(yīng)力波在抽油桿柱中過程的基本微分方程，通過求解方程，可以得到抽油桿柱任意截面及泵處的示功圖，隨后很多人在模型完善及求解方面做了大量的工作[1]。20世紀(jì)70年代末期，Schafer和Jennings在使用有限差分求解波動方程時(shí)，使用等步長差分形式，在抽油桿截面積和性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，采用了等效值的概念，解決了多級桿及混合桿的波動方程求解問題。隨后Nikea采用有限元計(jì)算求解波動方程，取得了較好的效果[17]。1969年8月，美國有桿泵研究股份公司與中西部研究所經(jīng)美國石油學(xué)會采油設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)委員會批準(zhǔn)，發(fā)表API標(biāo)準(zhǔn)示功圖。1981年美國塔爾薩大學(xué)的Doty和Schmidt建立了考慮液柱振動的二維預(yù)測數(shù)學(xué)模型。1988年Daek等在走訪許多著名專家后研制處有桿抽油井故障診斷專家系統(tǒng)，它是將地面實(shí)測的示功圖轉(zhuǎn)換成井下示功圖，然后與標(biāo)準(zhǔn)示功圖進(jìn)行比較以判斷故障類型。同年，Svinos等，推出了一種由Basic語言編譯的有桿泵診斷專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)有5個模塊，用產(chǎn)生式法則建立規(guī)則庫，運(yùn)用反向推理機(jī)建立了一個可以識別典型示功圖并計(jì)算出有關(guān)數(shù)據(jù)的專家系統(tǒng)，然后利用這些數(shù)據(jù)診斷有桿抽油系統(tǒng)的故障。隨后出現(xiàn)了各種診斷系統(tǒng)。美國Arc油氣公司（DES）委內(nèi)瑞拉Corpoven公司和Central de Venezuela（有桿泵抽油專家系統(tǒng)）。 國內(nèi)發(fā)展概況1989年西安石油學(xué)院的余國安和烏亦炯建立了綜合考慮抽油桿柱、液柱和油管振動的三維數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了求解。這種三維振動的數(shù)學(xué)模型比起前兩種數(shù)學(xué)模型來，在理論上顯然更加符合實(shí)際一些[3]。1990年。1991年，張潤偉運(yùn)用故障樹分析技術(shù)也建立了一個有桿泵抽油診斷專家系統(tǒng)[5]。1993年，天津大學(xué)與大港油田共同開發(fā)了抽油機(jī)井集成化智能診斷，它集成多種診斷方法進(jìn)行綜合診斷（但不是多種方法的有機(jī)融合，而是幾種方法的簡單堆砌）。該系統(tǒng)中的元系統(tǒng)由C語言寫成，[5]。上述研究成果有力地推進(jìn)了有桿抽油系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，但是，由于抽油泵工況診斷極其復(fù)雜，我國油田的抽油丼故障診斷還沒有實(shí)現(xiàn)智能化，還處在人工診斷階段，有待于進(jìn)一步深入研究[5]。近年來我國學(xué)者的研究與各石油單位聯(lián)合，都具有一定的針對性，主要集中在：（1）有桿抽油系統(tǒng)預(yù)測和數(shù)值模擬的動力學(xué)模型建立；（2）預(yù)測和數(shù)值模擬數(shù)學(xué)模型的計(jì)算求解方法；（3）井下工況診斷；（4）地面設(shè)備的仿真；（5）有桿抽油系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]。 本文的主要工作本設(shè)計(jì)以有桿抽油丼抽油桿柱力學(xué)行為分析為基礎(chǔ)，以有桿抽油機(jī)的診斷為研究對象，建立了基于波動方程的診斷數(shù)學(xué)模型，并仔細(xì)推導(dǎo)了波動方程的數(shù)值解法。本文主要完成了以下幾方面的工作：（1） 分析抽油機(jī)的運(yùn)動特性，建立常規(guī)型抽油機(jī)的運(yùn)動規(guī)律模型，得出了抽油機(jī)懸點(diǎn)位移、速度、加速度的運(yùn)動規(guī)律曲線圖；（2） 分析抽油桿柱的動力學(xué)特性，根據(jù)描述抽油桿動態(tài)特性的波動方程，有限差分求解波動方程；（3） 利用Visual Basic語言根據(jù)上述理論建立的模型編寫程序，實(shí)現(xiàn)有桿抽油系統(tǒng)工況的計(jì)算機(jī)診斷；（4） 根據(jù)所編程序?qū)?shí)際生產(chǎn)井進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，繪出井下泵功圖，診斷油井工況。第二章 游梁式抽油機(jī)動力學(xué)特性分析游梁式抽油機(jī)可以分為常規(guī)型、前置型、異相型等幾種類型。抽油機(jī)作為主要動力傳輸單元是最重要的地面設(shè)備之一，其懸點(diǎn)運(yùn)動規(guī)律是有桿抽油系統(tǒng)診斷數(shù)學(xué)模型的邊界條件，其運(yùn)行狀況直接影響有桿抽油系統(tǒng)效率的高低，本文針對常規(guī)游梁抽油機(jī)運(yùn)動特性的研究，建立了懸點(diǎn)運(yùn)動規(guī)律數(shù)學(xué)模型，并通過模型使用VB程序來繪出懸點(diǎn)的位移、速度、加速度曲線圖[2]。 常規(guī)游梁式抽油機(jī)簡介抽油機(jī)是有桿抽油的地面驅(qū)動設(shè)備。按其基本結(jié)構(gòu)，抽油機(jī)可分為游梁式和無游梁式，目前我國應(yīng)用最為廣泛的是游梁式抽油機(jī)。游梁式抽油機(jī)主要由游梁—連桿—曲柄機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)、動力設(shè)備和輔助裝置等四部分組成，游梁式抽油機(jī)工作時(shí)，電動機(jī)通過傳動皮帶將高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞給減速器的輸出軸，經(jīng)減速后由低速旋轉(zhuǎn)的曲柄通過四連桿機(jī)構(gòu)帶動游梁作上下往復(fù)擺動。游梁前端圓弧狀的驢頭經(jīng)懸繩器帶動抽油桿作上下往復(fù)直線運(yùn)動。圖21常規(guī)型游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)1—剎車裝置；2—電動車；3—減速器皮帶輪；4—減速器；5—輸入軸；6—中間軸；7—輸出軸；8—曲柄；9—連桿軸；10—支架；11—曲柄平衡塊；12—連桿；13—橫船軸；14—橫船；15—游梁平衡塊；1