螺杆泵抽油井工况诊断方法综述
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本栏 目合 办单位 ：中国石油大学 （ 北京 ）北 京雅丹石油技术 开发有限公 司
２． 各 种 工 况 类 型 的 ２
扭矩 ，轴 向 力标 准 图版
ＭＩ
Ｆ
Ｆ ６ ０５
．
油 孟定断 例Ｍ 杆脱 子 为 ｏ 断和 享脱
油杆 说 明情 况 。 ２ ２ １正 常生 产工 况 Ｍ０ ．． ３ 油 井 生 产 过 程 中 ，工 Ｍｌ
Ｆ． ０ ３
． 一
曰．
自重产 生的轴 向力不 同 ，
据 此 可 计 算 出杆 柱 断 脱 深
度。
图 ４ 定 子脱 胶 时的 扭矩 、轴 向力 曲线
２ ２ ３ 定子 脱胶 ．． 定 子脱 胶是 由于 定 子粘接 强 度不 够造 成 的。 脱胶 时 ，
下 降 ，而抽 油 杆和 泵 正 常 ， 因此 曲线形 状 与正 常 时基 本
障形 式都 有相 应 的故 障特 征 ，但各 个 特征量 对 工 况状 态 变 化 的敏 感程 度 不 同 。通 常先 选用 前 面所 述 的某 几个 参
— —
５结 论 本文 通过 详 细调研 得 出如 下结 论 。
从公 式 （） 式 （）中可看 出标 准的 Ｂ 算 法 ，其 １、公 ２ Ｐ 权 值 和 阈值 的修 正是 沿着 误 差性 能 函数 梯度 的反方 向进 行 的 ，收敛 速度慢 ， 在局 部极值 。经过 比较分析 ，采用 存 增 加 了动 量 因子 和 自适应 调 整学 习率 相 结合 的算 法 取代 传统的 Ｂ Ｐ算法 ，效果 更 好 。
动 。液压 力产 生 的轴 向力 为零 ，因此 ， 杆轴 向力 低于 正 光
常范 围 ，但仍 高 于杆 柱在 采 出液 中的重量 。如 图 ４所示 。
３ 有 功功 率时 序 波形 图 法
该 方 法 的主 要 诊 断 信号 是 有 功 功率 ，利 用 有功 功 率 时序 曲线波形 与工 况 的对 应 关系 来诊 断油 井工 况 ＿ ３ ｌ 。下面
４ １ 方 法 原 理 ．
＝
＋
（） ３
人工 神经 网络 中使 用最广 泛 的是 Ｂ Ｐ网络 。其基 本思 想 是通 过 网络 输 出误差 的 反 向传播 ，不 断调 整 和修 改 网 络 的连接权值 和 阈值 ， 而使 网络误差 达到 最小 。 学 习 从 其 过程 包括 前 向计 算和 误差反 向传 播 ２个过程 。Ｂ Ｐ算法 权 值 修正公 式 可 以统 一 ，如 公 式 （ ）所 示 。 １
用诊断油管漏失工况的例子来具体说明该方法的应用。 油管漏失时 ，由于杆柱承受的载荷下降 ，有功功率
图 ５ 管 漏 失有功 功 率 曲线波 形 图
２ ｌ ・３巾同 ０１ ０ 油车化 Ｉ ７ ¨ １ ：５
ｉ
● 闷 卜油程未 闷 工技 石 Ｉ ・ ｊ 譬
４ 人工神 经 网络模 糊诊 断法
一
致 ，只是 有 功 功率 值 下 降 。油 管 漏 失特 点 ：泵 有 用 功
泵有 功扭 矩为 零 ，光杆 扭 矩下 降很大 。 外 ，由于 脱胶 后 另
率 下 降 ；功 率 曲 线无 次 峰 值 。 油 管 漏 失特 征 曲线 如 图 ５
所示 。
定转子之间发生不规则摩擦 ，光杆扭矩会出现不规则波
图 ２ 正 常工 况 的扭矩 、轴 向力 曲线
Ｆ． ０５ ６
Ｆ ３ ０
．
驱 动螺 杆 泵 油 井 抽 油杆 断 脱 的最 明显 的 特 征参 数 是 Ｍｏ － ３ 轴 向载 荷 ，它 小于 或者 等 Ｍ， 于 抽油 杆在液 体 中的重量 ， 即轴 向力 曲 线位 于 载 荷 下 限的下方 （ 图 ３ 扭 矩和 见 ） 轴 向力仍 为 平 稳 直 线 ，但
４． 基 于 Ｂ ２ Ｐ网络 的螺杆 泵 井工 况诊 断的应 用
（ ）扭矩 轴 向力 阈值 法 和有 功功 率 时序 波 形 图法 都 １ 可 以实 时诊 断 ， 且使用 方便 ；但前者 不可 以实时 区分泵漏
失与油管漏失 ， 抽油杆断脱与Leabharlann Baidu管断脱工况的差别， 后者
需要开展 更深 入的研 究 ， 确定 定子脱 胶 ， 子熔 涨等其他 定
Ｆ， ．
图 ３ 杆 断脱 时 的扭 矩 、轴 向力 曲线
由于缺少了井下泵的工作 Ｍｍ
ａ ｘ
Ｆａ ｍ） 【 Ｆ ６５ ｏ
．
正工 围 需缺一 常 善力 ｓ 誓 范，向 轴 作
少 了 液压 力 对 转 子 产 生 的 轴 向力 ， 因此 也 小 于 正常 Ｍ ０ － ３ 范 围 ， 据断 脱部 位 ， 根 杆柱 Ｍ，
工况下对应的有功功率的微观波形图。
（ ）人工神 经 网络模糊 诊断法 实用 性和 准确性 较强 ， ２ 但需 要一 定量 的故 障样 本数 据作 为基 础 ，要 求 操作 者 的
专业 知识 水平 较高 。
４ ２ １样 本模式 的选取 ．．
螺杆泵井工况状态复杂 ， 故障形式多种多样 ， 各种故
式 中 ： 一 输入层 节点数 ； 一 输 出层节 点数 ； ａ为
１ ０之 间 的常数 。 ～１
神 经 网络结 构 向量 图如 图 ６所 示 。将 各工 况类 型 的 典 型 目标输 出结 果 列 出 ，将 待检 验 的测 试井 的 输 出结果 与 典型 目标 输 出结 果对 比 ，即 可判 定螺 杆泵 井 的工 况类
型。
＋１＝ ）
一
） ＋叩
（） １
（） ２
ｌ ０ ｌ １
式中： ——神经元的连接权 ； ——网络 ， ７
学 习率 ； — —单 元 ｉ ｏ 的输 出； — — 单元 ｊ 的 输人总 和 ； — —总 的误差 性 能函数 ；
误 差 修 正值 。
图 ６ 神经 网络 结构 向量 图
Ｆ＿ Ｏ ３
Ｆ， ＇ ． Ｆ
作 扭 矩 和轴 向力 为 平 稳 直 线 ，且 光 杆 扭 矩 值 和 轴 向 力 在 正常 范 围 内 ，则 油 井 为正 常生 产 。如 图 ２ 所示 。 ２ ２２ 抽油 杆 断脱 ．． Ｍ 一
杆 断脱 后 ，反 映地 面 Ｍｏ５ Ｉ ６
Ｆａ ｍｘ
２． 各 种 工 况 类 型 的 ２
扭矩 ，轴 向 力标 准 图版
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油 孟定断 例Ｍ 杆脱 子 为 ｏ 断和 享脱
油杆 说 明情 况 。 ２ ２ １正 常生 产工 况 Ｍ０ ．． ３ 油 井 生 产 过 程 中 ，工 Ｍｌ
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曰．
自重产 生的轴 向力不 同 ，
据 此 可 计 算 出杆 柱 断 脱 深
度。
图 ４ 定 子脱 胶 时的 扭矩 、轴 向力 曲线
２ ２ ３ 定子 脱胶 ．． 定 子脱 胶是 由于 定 子粘接 强 度不 够造 成 的。 脱胶 时 ，
下 降 ，而抽 油 杆和 泵 正 常 ， 因此 曲线形 状 与正 常 时基 本
障形 式都 有相 应 的故 障特 征 ，但各 个 特征量 对 工 况状 态 变 化 的敏 感程 度 不 同 。通 常先 选用 前 面所 述 的某 几个 参
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５结 论 本文 通过 详 细调研 得 出如 下结 论 。
从公 式 （） 式 （）中可看 出标 准的 Ｂ 算 法 ，其 １、公 ２ Ｐ 权 值 和 阈值 的修 正是 沿着 误 差性 能 函数 梯度 的反方 向进 行 的 ，收敛 速度慢 ， 在局 部极值 。经过 比较分析 ，采用 存 增 加 了动 量 因子 和 自适应 调 整学 习率 相 结合 的算 法 取代 传统的 Ｂ Ｐ算法 ，效果 更 好 。
动 。液压 力产 生 的轴 向力 为零 ，因此 ， 杆轴 向力 低于 正 光
常范 围 ，但仍 高 于杆 柱在 采 出液 中的重量 。如 图 ４所示 。
３ 有 功功 率时 序 波形 图 法
该 方 法 的主 要 诊 断 信号 是 有 功 功率 ，利 用 有功 功 率 时序 曲线波形 与工 况 的对 应 关系 来诊 断油 井工 况 ＿ ３ ｌ 。下面
４ １ 方 法 原 理 ．
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人工 神经 网络 中使 用最广 泛 的是 Ｂ Ｐ网络 。其基 本思 想 是通 过 网络 输 出误差 的 反 向传播 ，不 断调 整 和修 改 网 络 的连接权值 和 阈值 ， 而使 网络误差 达到 最小 。 学 习 从 其 过程 包括 前 向计 算和 误差反 向传 播 ２个过程 。Ｂ Ｐ算法 权 值 修正公 式 可 以统 一 ，如 公 式 （ ）所 示 。 １
用诊断油管漏失工况的例子来具体说明该方法的应用。 油管漏失时 ，由于杆柱承受的载荷下降 ，有功功率
图 ５ 管 漏 失有功 功 率 曲线波 形 图
２ ｌ ・３巾同 ０１ ０ 油车化 Ｉ ７ ¨ １ ：５
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● 闷 卜油程未 闷 工技 石 Ｉ ・ ｊ 譬
４ 人工神 经 网络模 糊诊 断法
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致 ，只是 有 功 功率 值 下 降 。油 管 漏 失特 点 ：泵 有 用 功
泵有 功扭 矩为 零 ，光杆 扭 矩下 降很大 。 外 ，由于 脱胶 后 另
率 下 降 ；功 率 曲 线无 次 峰 值 。 油 管 漏 失特 征 曲线 如 图 ５
所示 。
定转子之间发生不规则摩擦 ，光杆扭矩会出现不规则波
图 ２ 正 常工 况 的扭矩 、轴 向力 曲线
Ｆ． ０５ ６
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驱 动螺 杆 泵 油 井 抽 油杆 断 脱 的最 明显 的 特 征参 数 是 Ｍｏ － ３ 轴 向载 荷 ，它 小于 或者 等 Ｍ， 于 抽油 杆在液 体 中的重量 ， 即轴 向力 曲 线位 于 载 荷 下 限的下方 （ 图 ３ 扭 矩和 见 ） 轴 向力仍 为 平 稳 直 线 ，但
４． 基 于 Ｂ ２ Ｐ网络 的螺杆 泵 井工 况诊 断的应 用
（ ）扭矩 轴 向力 阈值 法 和有 功功 率 时序 波 形 图法 都 １ 可 以实 时诊 断 ， 且使用 方便 ；但前者 不可 以实时 区分泵漏
失与油管漏失 ， 抽油杆断脱与Leabharlann Baidu管断脱工况的差别， 后者
需要开展 更深 入的研 究 ， 确定 定子脱 胶 ， 子熔 涨等其他 定
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图 ３ 杆 断脱 时 的扭 矩 、轴 向力 曲线
由于缺少了井下泵的工作 Ｍｍ
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正工 围 需缺一 常 善力 ｓ 誓 范，向 轴 作
少 了 液压 力 对 转 子 产 生 的 轴 向力 ， 因此 也 小 于 正常 Ｍ ０ － ３ 范 围 ， 据断 脱部 位 ， 根 杆柱 Ｍ，
工况下对应的有功功率的微观波形图。
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专业 知识 水平 较高 。
４ ２ １样 本模式 的选取 ．．
螺杆泵井工况状态复杂 ， 故障形式多种多样 ， 各种故
式 中 ： 一 输入层 节点数 ； 一 输 出层节 点数 ； ａ为
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神 经 网络结 构 向量 图如 图 ６所 示 。将 各工 况类 型 的 典 型 目标输 出结 果 列 出 ，将 待检 验 的测 试井 的 输 出结果 与 典型 目标 输 出结 果对 比 ，即 可判 定螺 杆泵 井 的工 况类
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＋１＝ ）
一
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（） １
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ｌ ０ ｌ １
式中： ——神经元的连接权 ； ——网络 ， ７
学 习率 ； — —单 元 ｉ ｏ 的输 出； — — 单元 ｊ 的 输人总 和 ； — —总 的误差 性 能函数 ；
误 差 修 正值 。
图 ６ 神经 网络 结构 向量 图
Ｆ＿ Ｏ ３
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作 扭 矩 和轴 向力 为 平 稳 直 线 ，且 光 杆 扭 矩 值 和 轴 向 力 在 正常 范 围 内 ，则 油 井 为正 常生 产 。如 图 ２ 所示 。 ２ ２２ 抽油 杆 断脱 ．． Ｍ 一
杆 断脱 后 ，反 映地 面 Ｍｏ５ Ｉ ６
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