抽油机状态监测实验台在石油钻采机械课程实践教学中的应用

2022-10-27 02:41刘俊燚陈传智
内江科技 2022年9期
关键词:冲程抽油机载荷

刘俊燚 艾 乐 陈传智 王 畅 李 宁

①长江大学机械工程学院 ②武汉天之逸科技有限公司

随着计算机技术的发展以及智慧油田的提出,对抽油机状态进行实时监测成为油田数字化发展的必然趋势,因此有必要在石油相关专业中加入相关理论知识的教学。针对这些问题,为更直观地展示抽油机状态监测的过程及原理,编写了抽油机监测系统并搭建了实验台,实验台可实现抽油机状态监测中功图、抽油杆载荷、电参数等基本信息的采集。本平台在石油钻采机械课程实践教学中的应用有利于加深学生对抽油机结构以抽油机状态监测的认识,对培养学生的科研创新能力有较好的帮助。

游梁式抽油机结构简单,可靠性强,广泛应用于油田的实际生产中[1]。在长时间服役以及井下的复杂工况下,抽油机的故障发生率较高,对油田的正常工作效率影响较大[2],同时,随着计算机网络技术的不断发展,智慧油田成为油田科学管理的必然趋势[3],推进石油装备智能制造是化解当前石油装备制造业发展矛盾的主要方式之一[4]。

工程上通常对抽油机工作状态下的示功图、抽油杆载荷、电机的电流、电压来实现抽油机状态的实时监测,由于交通成本、安全问题、现场环境等原因,在油田现场进行抽油机相关理论知识的教学具有一定的难度,传统教学方式以课堂理论教学或者建立三维模型为主[5],学生对抽油机状态监测机理的认识不够直观,难以深入理解,造成学生所掌握的理论知识与实际生产的需要有较大的差距。因此有必要设计一种可以实现抽油机状态实时监测的教学实践平台,对抽油机工作机理以及各特征参数的测量原理进行直观的演示,加强学生对抽油机状态监测机理的认识。

1 实验台硬件系统设计

实验台设计总体如图1所示,实验台通过抽油机井口及配电箱里安装电参数传感器,电参数传感器可以 采集电动机三相电压、电流以及电功率参数;安装在游梁中部的倾角传感器采集到的游梁倾角可经系统计算出抽油机的工作周期以及抽油杆的位移;在悬点处安装的载荷传感器采集到的抽油机工作载荷经处理可在系统中得到示功图等信息。

图1 实验台结构

数据收集处理部分中,传感器的信号转换成数字信号后通过数据采集卡传输到计算机终端对工作数据进行分析处理,绘制出示功图、电流曲线、功率曲线等图像,依照不同信息对应的抽油机不同故障情况来分析抽油机的工作状态。同时,系统可对示功图信号和电参数信号进行监控,若信号超出系统预设的正常范围,系统可实时做出报警。抽油机的各项运行参数在采集过程中可实时保存并生成文本文件,以记录每天的生产数据,完成数据的收集处理。系统在工作时,可以对多个采集模块的参数进行同时采集,也可以对不同的参数单独采集分析。

1.1 工控机

在工程现场中,作业环境通常比较恶劣,考虑到生产的利润,一般不允许停机检修,对硬件的环境适应能力要求较高。工控机可以在极低或者极高的环境中稳定运行,并且防腐蚀、防冲击性能好,在采油现场中可以应对多变的工况,所以本系统采用工控机对生产过程及机电设备、工艺装备等进行检测与控制。与常见的电脑主机相比,工控机具有计算机的主板、CPU、硬盘、内存、外接口、操作系统、计算能力、人机界面等属性和特征,但是体积比电脑主机小得多。

1.2 载荷传感器

载荷传感器安装在抽油杆与悬点之间,对抽油机抽油杆的工作运行状态进行实时监测,可通过工作载荷的大小获取抽油机实际工作中的示功图各项指标参数,进而通过载荷大小变化识别抽油机的工作周期,与其他参数进行耦合来判断抽油机工作状态。

载荷传感器利用电阻应变原理构成。载荷通过拉压头直接作用于粘贴有电阻应变片的空心圆柱体的应变筒上,应变筒轴向压缩,径向膨胀,相应轴向电阻值降低,径向电阻值增加,电桥失去平衡,在外界提供电桥电源时则角输出端有不平衡的电压输出,该电压正比于作用在载荷传感器上的被测力。

传感器结构简单,安装、使用、携带方便,具有良好的防潮性能,防水等级达到IP67,具有较高的抗振动、冲击稳定性。传感器电路采用八片电阻应变片组成全桥结构。所选取传感器额定荷载是300KG-10T,精度可达到0.03%,满足工作需求。

1.3 倾角传感器

倾角传感器安装在游梁中部,安装时首先要保证传感器安装面与被测量面完全紧靠,被测量面要尽可能水平,其次传感器的安装面与被测量面必须固定紧密、接触平整、转动稳定,要避免由于加速度、振动产生的测量误差。倾角传感器工作时采集游梁工作时的倾角,进而计算出抽油杆的位移,本系统采用的倾角传感器精度达到0.2°,量程为±180°,可满足诊断系统的工作要求。

1.4 声音传感器

声音传感器采集抽油机工作时的声音信号,将其转换成数字信号,通过数据采集卡传输到计算机内对其进行信号分析。声音传感器可直接输出线性模拟量,AD采集将采集的声音信号转换为数字信号,方便数据采集。声音传感器可采集声音波形信号,采样率可达到44.2kHz,AD精度大于等于16位,并且灵敏度高,在封闭环境中,正常说话10米范围内可以检测到,可对抽油机工作信号进行精确的采集。

1.5 电参数采集模块

三相电参数采集模块采集抽油机电路中的电参数信息,软件系统可基于此计算出电流平衡度、电功率平衡度、电能平衡度等电参数数据。该电参数采集模块为6通道,A/D转换位数是16位,每通道均以4KHz速率同步交流采样,模块实时数据的更新周期最小可设置为40ms,最大为1000ms,每步为10ms。

2 软件系统设计

软件部分主要负责对采集到的信号进行计算以及可视化,对现场的参数进行实时监控并将数据保存到后台。本系统采用Visual Basic语言编写,Visual Basic是Microsoft公司开发的一种通用的基于对象的程序设计语言,为结构化的、模块化的、面向对象的、包含协助开发环境的事件驱动为机制的可视化程序设计语言。

油井实时监测系统软件在对抽油机井进行实时测量时,通过载荷值的波峰波谷识别出抽油机工作时的周期,通过倾角传感器测得的游梁倾角计算出抽油杆的位移值。软件系统以每个工作周期为一循环,软件可实时显示抽油杆的载荷、竖直方向上的位移、当前冲次以及单向电压、电流,同时也能计算出电流平衡度、电功率平衡度、电能平衡度等电参数平衡度。能够进行示功图曲线、电流曲线、功率曲线等的实时绘制,方便了对抽油机井工况的实时监控。同时,软件可以根据设定的报警值对该井的运行状态进行分析,如果状态异常,将会在软件界面上做出报警。还可以通过人工导出该井的电参数的运行曲线加以进一步人工分析。

软件的报警功能通过对油井的运行参数进行实时监测、对分析判断的结果进行报警。包括示功图异常、电参数信号异常等的报警。图2为软件操作界面。

图2 软件系统界面

3 基于抽油机监测试验台的课程实践教学

抽油机装填检测实验台的建立,可以为石油钻采机械课程的有杆采油设备部分,提供一个非常好的实验和实训平台。具体可以开展的课程实践教学内容如下所示。

3.1 游梁式抽油机结构组成与机械调平衡原理

(1)抽油机四杆机构组成与运动规律分析。游梁式抽油机的基本结构为如图所示的四杆机构。其中OA为曲柄部分,AB为连杆部分,BO1为抽油机支架中的游梁后臂部分。减速器输出轴带动曲柄OA旋转,与OA连接的连杆AB带动游梁BC绕O1点摆动,抽油杆随着驴头的竖直往复运动完成抽汲过程。

图3 抽油机结构

(2)抽油机悬点位移、速度、加速度测试分析。实验台在游梁的上方安装倾角传感器,采集游梁运动时的倾角,游梁在工作中倾斜的角度与前臂的长度之积即为抽油杆的位移。

抽油机在工作时,上、下冲程时的工作载荷大小有差别,系统可利用载荷传感器采集到的工作载荷的波峰与波谷对系统的工作周期进行精确识别,通过抽油机悬点的位移与周期,即可计算出抽油机悬点运行时的速度以及加速度,其他参数的采集计算也可基于此周期进行计算或监测。

(3)曲柄平衡中的调平衡方法和操作实践。在游梁尾部安装游梁平衡电驱动装置,同时在游梁中部安装游梁平衡摆动机构,通过不同的摆动角度实现抽油机上下冲程中游梁的力矩平衡。

3.2 理论示功图与现场示功图对比分析

(1)理论示功图的的含义分析。抽油机示功图是在抽油机一个抽汲周期即上冲程、下冲程的过程中,测绘得到的一条封闭的曲线。在抽油机工作过程中,光杆提升到最上端的位置称为上死点,即为图4中C点;下降到最低的位置称为下死点,即图4中A点。定义从下死点位置为起点,以抽油机的光杆相对于下死点的位移S作为横轴,以光杆受到的载荷F作为纵轴,可以得到在一个抽汲过程中,关于F和S的闭合曲线,即为这个抽汲周期内抽油机的示功图,下图4为理想状态下抽油机的示功图。其中,抽油机示功图图形所围成的面积值的大小,可表示在这个抽汲周期内的抽油机抽油杆所做的功。计算一个冲次的示功图面积计算公式如下:

图4 理想状态下的示功图

(2)各种典型井下工况对应的示功图特征。作为一个成熟的方法,通过示功图对井下工况进行评判在工程实际中得到了广泛的应用,在不同工况下的示功图如图5~图8所示。

图5 断杆

图6 气体影响

图7 供液不足

图8 泵上碰

3.3 抽油机平衡度的测试评价方法

抽油机电动机上下冲程的输出扭矩可以较好地反映抽油机工作时上下冲程的平衡度,但是测量电动机的输出扭矩有一定难度,所以改用测量抽油机工作时的电参数来反映抽油机的平衡度。

(1)电流法测平衡度的原理。电流平衡度是抽油机在工作时下冲程的峰值电流与上冲程峰值电流之比,计算方法如下式:

(2)功率法测平衡度的原理。功率平衡度是指抽油机下冲程有功功率峰值与上冲程有功功率峰值的比值,计算方法如下式:

(3)电能法测平衡度的原理。电能平衡度是指电动机下冲程输出电能与上冲程输出电能比值,即下冲程中功率曲线所包围面积与上冲程中功率曲线所包围面积的比值,计算方法如下式:

使用建立的监测实验台,对抽油机工作时的各参数进行测量,测量结果如表1所示。

表1 实验台实测参数

电流平衡度、电功率平衡度以及电能平衡度这三个电参数中,电流平衡度是最高的,电功率平衡度以及电能平衡度只有70%多。在三种电参数平衡度的测量中,电流平衡度测量简单,但是会存在虚假平衡,误差较大;电功率平衡度可以避免测量值的虚假平衡,但是在测量过程中只测量峰值,没有对整个周期的情况,也存在一定的误差;电能平衡度的测量较为准确,但计算量较大。在实际生产测量中,需要对多个参数进行综合比较之后再做出判断。

以抽油机状态监测试验台为基础,将线上教学和线下实验相结合,还可以实现基于远程传输控制模块和雨课堂的互动教学。在试验台的工控主机上,增加基于GPRS技术的远程传输模块,与课堂教学电脑主机之间进行远程测试数据和控制指令互传,实现远程监测数据实时同步和视频监控云台控制。同时,将装有“雨课堂”APP的手机安装在视频监控云台上,使实验台的实时运行画面,呈现在课堂教学的投影上,让学生有身临其境的体验。

4 结束语

抽油机状态监测作为机械工程、石油工程、控制工程及通信工程等学科的交叉领域,在石油钻采中占有重要的地位。随着智慧油田的不断发展,对抽油机状态进行可视化、智能化监测成为油田管理的必然趋势。本文搭建了抽油机状态监测实验台,编写的监测系统可对等比例缩小的抽油机模型的工作状态进行实时监测,在石油钻采机械课程的实践教学中可直观地展示系统实现抽油机状态监测的全过程,有利于加深学生对抽油机结构以抽油机状态监测的认识,对培养学生的科研创新能力有较好的帮助。

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