基于凡尔工作点的有杆泵抽油井井下工况诊断方法技术

本发明专利技术涉及一种基于凡尔工作点的有杆泵抽油井井下工况诊断方法，采集有杆泵抽油机地面示功图K+1个，前K个示功图对应N种工况，最后一个为待诊断工况的示功图；将示功图进行归一化处理；采用重心分割法将归一化后的示功图划分为左上区域、右上区域、右下区域和左下区域；提取凡尔的四个工作点以及地面示功图的七个几何特征；利用有杆泵抽油井地面示功图的七个几何特征特征作为输入，建立连续隐马尔科夫的工况诊断模型，描述工作点及示功图特征与有杆泵抽油井井下工况之间的映射关系，实现工况诊断。本发明专利技术方法能够全面地、准确地体现井下各种工况的特点，并利用这些特征建立工况实时诊断模型，可提高有杆泵抽油井生产的安全性和高效性。

【技术实现步骤摘要】
基于凡尔工作点的有杆泵抽油井井下工况诊断方法
本专利技术涉及一种油井井下工况诊断技术，具体地说是一种基于凡尔工作点的有杆泵抽油井井下工况诊断方法。
技术介绍
有杆泵是一种常用的采油设备，它具有综合成本低、结构简单和操作方便等优点。至今，国内80％以上的油井依然使用这种方法进行生产。采油过程通常是在地下数千米进行，井下的工作状况无法使用传感器进行检测，并且恶劣条件经常导致各种故障，严重影响了油田的生产效率和经济效益。所以对有杆泵的井下工作状态进行准确地诊断很有必要。目前通过悬点示功图进行井下工作状态的判断。悬点示功图，也称地面示功图或光杆示功图，是抽油井采油现场采集的第一手资料，它是由载荷和位移变化构成的封闭曲线，可以全面地展示柱塞的井下工作状态。有经验的工程师对其进行分析可为解除油井故障、保证油井正常生产或提高油井产量等提供依据。但是这种方法不能进行实时监控并且成本也很高昂，人工诊断无法满足企业不断提高生产效率的需求。
技术实现思路
针对现有技术井下工作状态的判断不能进行实时监控、无法满足企业不断提高生产效率的需求等不足，本专利技术要解决的问题是提供一种能够全面地、准确地体现井下各种工况特点的基于凡尔工作点的有杆泵抽油井井下工况诊断方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：本专利技术一种基于凡尔工作点的有杆泵抽油井井下工况诊断方法，包括以下步骤：采集有杆泵抽油机地面示功图共K+1个，前K个示功图对应N种工况，用于建立工况诊断模型，最后一个为待诊断工况的示功图；将K+1个有杆泵抽油井地面示功图进行归一化处理；采用重心分割法将归一化后的示功图划分为四部分，左上区域、右上区域、右下区域和左下区域；提取凡尔的四个工作点以及地面示功图的七个几何特征；利用有杆泵抽油井地面示功图的七个几何特征特征作为输入，建立连续隐马尔科夫(CHMM)的工况诊断模型，该模型用来描述工作点及示功图特征与有杆泵抽油井井下工况之间的映射关系，完成有杆泵抽油井工况诊断。采用重心分割法将归一化后的示功图划分为四部分，左上区域、右上区域、右下区域和左下区域为：对归一化后的示功图进行多边形分解，将示功图分为248个三角形，并根据三角形的重心和面积公式计算出每个三角形的重心和面积，然后通过下式求出示功图的重心(x*，y*)：其中xi和yi为示功图上第i个点的横坐标和纵坐标；并将归一化后的示功图按x＝x*和y＝y*划分为左上区域、右上区域、右下区域和左下区域四部分。提取活塞的四个工作点以及七个示功图的几何特征为：提取活塞的四个工作点即固定凡尔打开点、固定凡尔关闭点、游动凡尔打开点和游动凡尔关闭点，以及七个几何特征即四个工作点围成的四边形面积、左上区域缺失面积、右上区域缺失面积、右下区域缺失面积、左下区域缺失面积、固定凡尔工作距离以及游动凡尔工作距离，其中，固定凡尔打开点和游动凡尔打开点，分别为左上区域曲率的变化量最大的点和右下区曲率的变化量最大的点，对于由离散点(xi,yi)组成的示功图，采用有限差分法来计算每一点的曲率：其中，K(t)为第t个点的曲率，x(t)为示功图第t个点的横坐标，y(t)为示功图第t个点的纵坐标；相邻点曲率之差的绝对值来计算曲率的变化：ΔK＝|K(t)-K(t-1)采用均值滤波法对ΔK进行处理：曲率变化最大的点按下式计算：左上区域曲率的变化量最大的点和右下区曲率的变化量最大的点即为固定凡尔打开点和游动凡尔打开点，提取固定凡尔关闭点和游动凡尔关闭点，分别为右上区最大位移和左下区最小位移。凡尔工作点以及示功图的七个几何特征，根据凡尔的四个工作点，提取由四个工作点围成的四边形面积；根据重心分解结果，提取左上区域缺失面积，左上区域曲线与x＝0和y＝1所围成封闭图形的面积；根据重心分解结果，提取右上区域缺失面积，右上区域曲线与x＝1和y＝1所围成封闭图形的面积；根据重心分解结果，提取右下区域缺失面积，右上区域曲线与x＝1和y＝0所围成封闭图形的面积；根据重心分解结果，提取左下区域缺失面积，左上区域曲线与x＝0和y＝0所围成封闭图形的面积；根据固定凡尔关闭点，提取固定凡尔工作距离，固定凡尔打开点到关闭点的直线距离；根据游动凡尔关闭点，提取游动凡尔工作距离，游动凡尔打开点到关闭点的直线距离。将有杆泵抽油井地面示功图的七个几何特征作为输入，建立连续隐马尔科夫(CHMM)的工况诊断模型为：确定CHMM的模型结构；对CHMM进行训练，将每种工况类型作为隐藏状态的输入，并将不同工况类型示功图的七个几何特征作为观测向量的输入，共训练出N个CHMM模型，每一个模型对应一种工况，训练是为了让模型能够根据观测序列O＝{O1,O2,…,OM}来确定模型参数(A，c，μ，U，π)，其中，A为状态转移矩阵，c为混合权重，U为协方差矩阵，μ为平均向量，π为初始状态矩阵；将待诊示功图七个几何特征作为观测向量分别输入到N个CHMM中，然后分别计算出待诊断示功图与N个CHMM中的相似概率，与待诊断示功图相似概率最大的模型所对应的工况即为待诊断示功图的工况。确定CHMM的模型结构为：每一个状态对应一个工况种类，由不同状态构成的集合为：S＝{S1,S2,…,SN}其中N为隐藏状态的数量；每一个观测向量Oi由示功图的七个几何特征组成，i＝1，2，……M，观测序列为：O＝{O1,O2,…,OM}其中M是观测向量的数量；A＝{aij}为状态转移矩阵，其中aij是指在时间t到时间t+1的过程中由第i种工况转移到第j种工况的概率；aij＝p(qt+1＝Sj|qt＝Si)1≤i,j≤N根据功图及几何特征的变化为连续过程这一特点，通过混合高斯概率密度函数对观测值转移概率进行描述：其中bn(ot)表示在时间t时第n个状态的高斯概率密度函数；c是混合权重；U是协方差矩阵；μ是平均向量；初始状态矩阵π＝{πi}表示在初始时刻处于各种工况的概率，即；π＝p(q0＝Si)1≤i≤N其中，P为条件概率，q0为在初始时刻的工况。本专利技术具有以下有益效果及优点：1.本专利技术方法根据不同工况下示功图图形的特点对其进行合理的区域划分，并对示功图的特征进行定性和定量的分析，提取出了活塞的四个工作点，以及在每个工作点周围曲线的几何特征，利用这些特征对井下的工作过程进行全面、准确地描述，并利用连续隐马尔科夫模型建立工况诊断模型，实现对杆泵抽油井井下工况的实时诊断，很大程度上少了提高了诊断效率，降低了生产成本，可保证杆泵抽油井安全、高效的进行生产。2.本专利技术方法能够全面地、准确地体现井下各种工况的特点，并利用这些特征建立工况实时诊断模型，有效提高了有杆泵抽油井生产的安全性和高效性。附图说明图1为本专利技术方法流程图；图2为本专利技术方法中待诊断示功图；图3为本专利技术方法中归一化后的待诊断示功图；图4为本专利技术方法中重心划分结果示功图；图5为本专利技术方法中理论示功图；图6为本专利技术方法中示功图的载荷-时间关系曲线；图7为本专利技术方法中正常工况工作点分布示功图；图8为本专利技术方法中气体影响工况工作点分布示功图；图9为本专利技术方法中供液不足工况工作点分布示功图；图10为本专利技术方法中泵下碰工况工作点分布示功图；图11为本专利技术方法中泵上碰况工作点分布示功图；图12为本专利技术方法中游动凡尔漏失工况工作点示功图；图13为本专利技术方法中固定凡尔漏失工况本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于凡尔工作点的有杆泵抽油井井下工况诊断方法，其特征在于包括以下步骤：采集有杆泵抽油机地面示功图共K+1个，前K个示功图对应N种工况，用于建立工况诊断模型，最后一个为待诊断工况的示功图；将K+1个有杆泵抽油井地面示功图进行归一化处理；采用重心分割法将归一化后的示功图划分为四部分，左上区域、右上区域、右下区域和左下区域；提取凡尔的四个工作点以及地面示功图的七个几何特征；利用有杆泵抽油井地面示功图的七个几何特征特征作为输入，建立连续隐马尔科夫即CHMM的工况诊断模型，该模型用来描述工作点及示功图特征与有杆泵抽油井井下工况之间的映射关系，完成有杆泵抽油井工况诊断。

【技术特征摘要】
1.一种基于凡尔工作点的有杆泵抽油井井下工况诊断方法，其特征在于包括以下步骤：采集有杆泵抽油机地面示功图共K+1个，前K个示功图对应N种工况，用于建立工况诊断模型，最后一个为待诊断工况的示功图；将K+1个有杆泵抽油井地面示功图进行归一化处理；采用重心分割法将归一化后的示功图划分为四部分，左上区域、右上区域、右下区域和左下区域；提取凡尔的四个工作点以及地面示功图的七个几何特征；利用有杆泵抽油井地面示功图的七个几何特征特征作为输入，建立连续隐马尔科夫即CHMM的工况诊断模型，该模型用来描述工作点及示功图特征与有杆泵抽油井井下工况之间的映射关系，完成有杆泵抽油井工况诊断。2.按权利要求1所述的基于凡尔工作点的有杆泵抽油井井下工况诊断方法，其特征在于采用重心分割法将归一化后的示功图划分为四部分，左上区域、右上区域、右下区域和左下区域为：对归一化后的示功图进行多边形分解，将示功图分为248个三角形，并根据三角形的重心和面积公式计算出每个三角形的重心和面积，然后通过下式求出示功图的重心(x*，y*)：其中xi和yi为示功图上第i个点的横坐标和纵坐标；并将归一化后的示功图按x＝x*和y＝y*划分为左上区域、右上区域、右下区域和左下区域四部分。3.按权利要求1所述的基于凡尔工作点的有杆泵抽油井井下工况诊断方法，其特征在于提取活塞的四个工作以及七个示功图的几何特征为：提取活塞的四个工作点即固定凡尔打开点、固定凡尔关闭点、游动凡尔打开点和游动凡尔关闭点，以及七个几何特征即四个工作点围成的四边形面积、左上区域缺失面积、右上区域缺失面积、右下区域缺失面积、左下区域缺失面积、固定凡尔工作距离以及游动凡尔工作距离，其中，固定凡尔打开点和游动凡尔打开点，分别为左上区域曲率的变化量最大的点和右下区曲率的变化量最大的点，对于由离散点(xi,yi)组成的示功图，采用有限差分法来计算每一点的曲率：其中，K(t)为第t个点的曲率，x(t)为示功图第t个点的横坐标，y(t)为示功图第t个点的纵坐标；相邻点曲率之差的绝对值来计算曲率的变化：ΔK＝|K(t)-K(t-1)|采用均值滤波法对ΔK进行处理：

【专利技术属性】
技术研发人员：高宪文，王明顺，郑博元，张平，张遨，魏晶亮，刘俊辰，张佳奇，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21