[发明专利]一种碳纤维抽油杆杆柱优化及工况诊断方法

权利要求书

1.一种碳纤维抽油杆杆柱优化及工况诊断方法，其特征在于，包括：

步骤S1、采用波动方程描述抽油杆柱的纵向振动，建立碳纤维-钢质混和杆柱波动方程的数值仿真模型；

式中：

u(x,t)：抽油杆柱任意截面x、在时刻t的轴向位移，m；

c：声音在抽油杆中的传播速度m/s；

ν：油井液体对抽油杆柱的阻尼系数，1/s；

ρ_r：抽油杆材料密度，kg/m³；

E_r：抽油杆材料弹性摸量，N/m²；

A_r：抽油杆的横截面积，m²；

u*(t)：悬点运动位移，m；

P_p：作用于抽油泵柱塞上的液体负荷，N；

根据建立的抽油杆柱纵向振动的数学模型与数值仿真模型，可以求得抽油杆柱任意截面x在任意时刻t的位移u(x，t)；抽油杆柱任意截面载荷由下式计算：

式中：

u(x,t)：抽油杆柱任意截面x、在时刻t的轴向位移，m；

E_r：抽油杆材料弹性摸量，N/m²；

A_r：抽油杆的横截面积，m²；

P：抽油杆柱任意截面载荷，N；

步骤S2、基于抽油杆柱纵向振动与示功图的仿真结果，建立曲柄轴净扭矩、电动机输入功率的仿真模型；

其中：曲柄轴净扭矩仿真：

式中：M_N：曲柄轴净扭矩，N.m；

曲柄系数，m；

B_W：抽油机结构不平衡重，N；

M_C：曲柄平衡重的最大平衡扭矩，N.m；

g：重力加速度，m/s²；

τ：曲柄平衡重偏置角，rad；

θ₀：曲柄初始转角，rad；

θ：曲柄转角，rad；

η_CL：减速箱输出轴到抽油机悬点的机械传动效率；

k₁：系数，当v_A＞0，k₁＝－1；当v_A≤0时，k₁＝1；

W：游梁平衡重重量，N；

L_W：游梁平衡重平衡半径，m；

τ_y0：游梁平衡重偏置角，rad；

τ_y：游梁摆角，rad；

其中，电动机输入功率仿真

式中：N_M：电动机瞬时输入功率，kW；

电动机平均输入功率，kW；

β：电动机的瞬时功率利用率，β＝N_MO/P_N；

P_N：电动机的额定功率，kW；

P₀：电动机的空耗功率，kW；

η_N：电动机额定效率；

其中：石油行业标准有效功率仿真模型为：

式中：P_e：系统有效功率，kW；

H：有效举升高度，m；

ρ_m：油水两相混合液密度，10³kg/m^3；

根据油井协调方程确定优化设计的目标函数：

maxη＝maxη(L₁,L₂)

依据上述建立的目标函数结合约束条件可得杆柱组合优化模型，应用罚函数优化算法求最优解，获取杆柱与系统优化设计方法：

步骤S3、根据不同工况泵示功图的图形特征，描述泵示功图图形的特征参数，建立特征参数的计算模型，建立基于人工神经网络的泵况智能诊断方法；

所述诊断方法还包括：

依据油井的油藏与生产参数绘制井流入特性曲线，显示流压与产量的关系；依据油井的油藏与生产参数、油层与井口回油温度绘制井筒压力和温度随井深的变化曲线，得到排出压力、吸入压力、流动压力和油层温度的仿真结果；依据油井的油藏与生产参数、调参参数设置等绘制油井目前流出动态曲线以及调参后流出动态曲线，得出供产协调关系，并对调参后产量与流压进行预测；

依据油井的油藏与生产参数进行系统效率与动态参数仿真，进而求得排量系数与系统效率计算结果、悬点与柱塞运动规律曲线、悬点与抽油泵示功图、减速箱输出轴扭矩曲线、电机功率与效率曲线；

进行动态特性仿真评；

分相同参数、相同产量两种工况对比仿真评价碳纤维系统与钢质杆系统的动力性能；

通过油井基本参数设计、杆柱设计约束条件设置，对杆柱组合对和系统动态参数的影响规律进行仿真，得到杆柱组合优选设计结果；

依据抽油机的生产参数、抽油杆柱参数和一定的约束条件设置，以系统效率最高为优化目标，应用优化算法进行抽油参数优化设计，得出优化后参数组合以及优化前后系统效率、优化前后示功图、曲柄扭矩、电机效率的对比结果；

根据油藏与油井生产参数，悬点实测示功图，仿真泵示功图，并对泵况进行诊断，输出诊断结果。