一种抽油机钢丝绳断裂预警方法及预警装置

1.本技术属于抽油机钢丝绳技术领域，尤其涉及一种抽油机钢丝绳断裂预警方法及预警装置。


背景技术：

2.在机械采油中，抽油机、抽油杆、抽油泵以及钢丝绳为主要设备，由钢丝绳通过悬绳器连接抽油杆与抽油泵，钢丝绳是将地面抽油机动力传递到井下抽油泵的唯一载体，所以钢丝绳的使用寿命对于原油的生产来说至关重要，由于钢丝绳的连接方式和长期承受交变载荷，现场应用中存在一些不利因素导致钢丝绳容易发生脱扣和断裂破坏，由于抽油机载荷并不是恒定不变的，其不稳定性导致的钢丝绳寿命缩短且难以计算，现有技术中，采油工作人员大多采用定期更换钢丝绳的方法，导致抽油成本的大幅度提高，或者是通过计算钢丝绳承受的载荷直接计算钢丝绳的使用寿命。
3.综上所述，现有钢丝绳断裂预警方法不能准确考虑到外界环境对钢丝绳的影响，存在不能准确预测钢丝绳断裂的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术实施例提供了一种抽油机钢丝绳断裂预警方法及预警装置，能够解决现有钢丝绳断裂预警方法不能准确考虑到外界环境对钢丝绳的影响，存在不能准确预测钢丝绳断裂的问题。
5.本技术实施例的第一方面提供了一种抽油机钢丝绳断裂预警方法，所述抽油机钢丝绳断裂预警方法包括：
6.在钢丝绳上等距离的选取n个监测点，每个监测点设置一个应变片；
7.测量钢丝绳的第i个监测点的钢丝绳的横截面积si，0＜i≤n，其中，i为正整数，n为正整数；
8.测量钢丝绳第i个监测点的钢丝绳的温度值hi；
9.测量钢丝绳第i个监测点的应变片的电压值vi；
10.建立第i个监测点的钢丝绳发生的形变量di与对应的应变片的电压值vi之间的数学模型为：
[0011][0012]
其中，vi为第i个监测点的应变片的电压值，di为第i个监测点的钢丝绳长度发生的形变量，k1为输出电压的纠正系数，k2为余弦分量系数，k3为正弦分量系数，qi为第i个监测点的应变片的电压的灵敏度系数，ω1为钢丝绳的形变系数，hi为第i个监测点的钢丝绳的温度；
[0013]
建立钢丝绳在提升拉杆以及油泵时受到的拉力f模型；
[0014]
建立第i个监测点的钢丝绳的模量与钢丝绳受到的拉力、钢丝绳的形变以及应变
片的电压值之间的数学模型为：
[0015][0016]
其中，ei为钢丝绳在第i个监测点的模量，f为钢丝绳受到的拉力，a为钢丝绳被提起向上运动时的加速度，hi为第i个监测点处钢丝绳的温度，
[0017]
在第i个监测点的钢丝绳的模量大于或者等于预设的钢丝绳模量时生成钢丝绳断裂预警信号，以提醒用户进行更换钢丝绳。
[0018]
在一个实施例中，所述抽油机钢丝绳断裂预警方法还包括：
[0019]
在预设的基准温度下监测至少四个监测点的形变量和应变片输出的电压，并根据形变量和应变片输出的电压计算输出电压的纠正系数k1，余弦分量系数k2，正弦分量系数k3，以及钢丝绳的形变系数ω1。
[0020]
在一个实施例中，所述抽油机钢丝绳断裂预警方法还包括：
[0021]
计算所述钢丝绳在上升过程中受到的总的拉力用f表示为：
[0022]
f＝f1+f2[0023]
式中，f为钢丝绳被提起时向上运动时承受的总的拉力，f1为钢丝绳被提起向上运动时承受的第一拉力，f2为钢丝绳被提起向上运动时承受的第二惯性附加拉力；
[0024]
建立钢丝绳在上升过程中受到的总的拉力用f的数学模型为：
[0025][0026]
其中，
[0027]
其中，ρ1为钢丝绳的密度，为钢丝绳的平均横截面积，l1为钢丝绳的总长度，ρ2为抽油杆的密度，s2为抽油杆的横截面积，l2为抽油杆的长度，ρ3为油泵的密度，s3为油泵的有效横截面积，l3为油泵的长度，ρ4为原油的密度，ρ5为水的密度，m1为原油所占的比例系数，m2为水所占的比例系数，s4为油泵中原油和水的有效横截面积，l4为油泵中原油和水的有效长度，g为重力加速度，a为钢丝绳被提起向上运动时的加速度。
[0028]
在一个实施例中，所述建立第i个监测点的钢丝绳的模量与钢丝绳受到的拉力、钢丝绳的形变以及应变片的电压值之间的数学模型为：
[0029]
其中，ei为第i个监测点钢丝绳的模量，f为钢丝绳受到的拉力，a为钢丝绳被提起向上运动时的加速度，hi为第i个监测点处钢丝绳的温度；
[0030]
根据求得的钢丝绳发生的形变量与对应的应变片输出电压值之间的数学模型可以变形为：
[0031][0032]
将其带入改进的杨氏模量方程中，可以得到钢丝绳模量与电压之间的关系为：
[0033][0034]
即，通过应变片的设置于钢丝绳上，通过钢丝绳在提升油泵时，发生的形变程度，即可计算出即可计算出第i个监测点处钢丝绳发生的形变与对应的应变片输出电压值之间的关系，进而通过第i个监测点处钢丝绳对应的应变片输出电压值、形变量以及温度对钢丝绳的影响，即可计算出第i个监测点钢丝绳模量，然后当此时的钢丝绳模量超过了预设的钢丝绳模量则需要更换钢丝绳。
[0035]
在一个实施例中，还包括：
[0036]
根据n个监测点的钢丝绳的模量确定所述钢丝绳的整体模量e；
[0037]
在所述整体模量e大于预设的整体模量阈值时，生成所述钢丝绳断裂预警信号；
[0038]
其中，e＝x1e1+x2e2+
…
+x
iei
+
…
+x
nen
[0039]
其中，x1、x2、
…
、xi、
…
、xn为预设的权重系数，且x1+x2+
…
+xi+
…
+xn＝1。
[0040]
在一个实施例中，所述第i个监测点预设的权重系数xi与悬绳器之间的距离呈正相关。
[0041]
在一个实施例中，所述在钢丝绳等距离的选取n个监测点包括：
[0042]
在所述钢丝绳上延垂直方向等距离的选取n个监测点。
[0043]
本技术实施例的第二方面提供了一种预警装置，所述预警装置用于执行如上述任一项所述的抽油机钢丝绳断裂预警方法。
[0044]
在一个实施例中，所述的预警装置还包括：
[0045]
报警器，所述报警器用于在钢丝绳模量超过了预设的钢丝绳模量时报警。
[0046]
本技术实施例提供了一种抽油机钢丝绳断裂预警方法及预警装置，其中，抽油机钢丝绳断裂预警方法包括：在钢丝绳等距离的选取n个监测点，每个监测点设置一个应变片，测量钢丝绳的第i个监测点的钢丝绳的横截面积，测量钢丝绳第i个监测点的钢丝绳的温度值，测量钢丝绳第i个监测点的应变片的电压值，建立第i个监测点的钢丝绳发生的形变量与对应的应变片的电压值之间的数学模型，建立钢丝绳在提升拉杆以及油泵时受到的拉力模型，建立第i个监测点的钢丝绳的模量与钢丝绳受到的拉力、钢丝绳的形变以及应变片的电压值之间的数学模型，对钢丝绳的断裂进行预警，解决了现有的钢丝绳断裂预警方法不能准确考虑到外界环境对钢丝绳的影响，存在不能准确预测钢丝绳断裂的问题。
附图说明
[0047]
为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0048]
图1是本技术一个实施例提供的一种抽油机钢丝绳断裂预警方法的步骤示意图；
[0049]
图2是本技术一个实施例提供的一种抽油机钢丝绳断裂预警方法的监测点结构示意图；
[0050]
图3是本技术一个实施例提供的一种抽油机钢丝绳断裂预警方法的实验次数与误差示意图。
具体实施方式
[0051]
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
[0052]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0053]
在机械采油中，抽油机、抽油杆、抽油泵以及钢丝绳为主要设备，由钢丝绳通过悬绳器连接抽油杆与抽油泵，钢丝绳是将地面抽油机动力传递到井下抽油泵的唯一载体，所以钢丝绳的使用寿命对于原油的生产来说至关重要，由于钢丝绳的连接方式和长期承受交变载荷，现场应用中存在一些不利因素导致钢丝绳容易发生脱扣和断裂破坏，由于抽油机载荷并不是恒定不变的，其不稳定性导致的钢丝绳寿命缩短且难以计算，现有技术中，采油工作人员大多采用定期更换钢丝绳的方法，导致抽油成本的大幅度提高，或者是通过计算钢丝绳承受的载荷直接计算钢丝绳的使用寿命，现有钢丝绳断裂预警方法不能准确考虑到外界环境对钢丝绳的影响，存在不能准确预测钢丝绳断裂的问题。
[0054]
为了解决上述技术问题，本技术实施例提供了一种抽油机钢丝绳断裂预警方法，参考图1、图2所示，抽油机钢丝绳断裂预警方法可以包括步骤s10至步骤s70。
[0055]
步骤s10，在钢丝绳等距离的选取n个监测点，每个监测点设置一个应变片；
[0056]
具体的，选取n个监测点，每个监测点设置一个应变片，可以监测钢丝绳不同监测点的情况，进而可以对抽油机钢丝绳的任意一处做到监测，解决了现有的钢丝绳断裂预警方法只在一处进行监测的问题。其中，选取n个监测点，可以表示为n1、n2、
…
、ni、
…
、nn，0＜i≤n，其中，i为正整数，n为正整数。
[0057]
步骤s20，参考图1、图2所示，测量钢丝绳的第i个监测点的钢丝绳的横截面积si，0＜i≤n，其中，i为正整数，n为正整数；
[0058]
具体的，在日常生活中，我们一般认为钢丝绳是的横截面积是均匀分布的，但是，严格意义来讲，钢丝绳的不同段的横截面积是不同的，然而钢丝绳的断裂一般也是因为其横截面积不同而从横截面积相对比较小的地方断裂，所以测量钢丝绳的不同监测点的钢丝绳的横截面积，可以使得计算结果更加准确，在本实施例中，可以用千分尺测量钢丝绳的横截面积。
[0059]
步骤s30，测量钢丝绳第i个监测点的钢丝绳的温度值hi；
[0060]
具体的，钢丝绳因为一部分设置经抽油井中，一部分设置在抽油井中，一部分设置在井外，并且监测点的钢丝绳的温度值对于钢丝绳热胀冷缩的影响至关重要。
[0061]
步骤s40，测量钢丝绳第i个监测点的应变片的电压值vi；
[0062]
步骤s50，建立第i个监测点的钢丝绳发生的形变量di与对应的应变片的电压值vi之间的数学模型为：
[0063][0064]
其中，vi为第i个监测点的应变片的电压值，di为第i个监测点的钢丝绳长度发生的形变量，k1为输出电压的纠正系数，k2为余弦分量系数，k3为正弦分量系数，qi为第i个监测点的应变片的电压的灵敏度系数，ω1为钢丝绳的形变系数，hi为第i个监测点的钢丝绳的温度；
[0065]
在本实施例中，应变片是由敏感栅等构成用于测量应变的元件，当应变片的形变发生变化时，其电阻值相应的发生变化，应变片设置在钢丝绳的监测点处，并且与钢丝绳紧密贴和，当钢丝绳受到拉力作用，形变发生变化时，带动应变片发生形变，其电阻值也会发生形变，但是由于应变片的形变量较小，当其发生微小形变时，难以测量或者测量不准确，通过建立钢丝绳发生的形变量与对应的应变片的电压值之间的数学模型，可以通过应变片的电压值变化，计算出其形变量，进而将形变量带入步骤s70建立的钢丝绳的模量与钢丝绳受到的拉力、钢丝绳的形变以及应变片的电压值之间的数学模型中，即可计算出钢丝绳受到的模量变化，进而将第i个监测点的钢丝绳的模量与预设的钢丝绳模量进行比较，当将第i个监测点的钢丝绳的模量大于或者等于预设的钢丝绳模量时，说明钢丝绳有断裂的危险需要更换，解决了现有钢丝绳断裂预警方法不能准确考虑到外界环境对钢丝绳的影响，存在不能准确预测钢丝绳断裂的问题。
[0066]
步骤s60，建立钢丝绳在提升拉杆以及油泵时受到的拉力f模型；
[0067]
具体的，在本实施中，建立钢丝绳在提升拉杆以及油泵时受到的拉力f模型。因为钢丝绳在上升过程中，不仅受到抽油杆、油泵以及油泵中油水混合物向下的拉力，而且还受到钢丝绳自身的重力以及向上运动时加速度对钢丝绳的惯性附加拉力的作用，则钢丝绳在上升过程中受到的总的拉力用f表示为：
[0068]
f＝f1+f2[0069]
式中，f为钢丝绳被提起时向上运动时承受的总的拉力，f1为钢丝绳被提起向上运动时承受的第一拉力，f2为钢丝绳被提起向上运动时承受的第二惯性附加拉力；
[0070]
建立钢丝绳在上升过程中受到的总的拉力用f的数学模型为：
[0071][0072]
其中，
[0073]
其中，ρ1为钢丝绳的密度，为钢丝绳的平均横截面积，l1为钢丝绳的总长度，ρ2为
抽油杆的密度，s2为抽油杆的横截面积，l2为抽油杆的长度，ρ3为油泵的密度，s3为油泵的有效横截面积，l3为油泵的长度，ρ4为原油的密度，ρ5为水的密度，m1为原油所占的比例系数，m2为水所占的比例系数，s4为油泵中原油和水的有效横截面积，l4为油泵中原油和水的有效长度，g为重力加速度，a为钢丝绳被提起向上运动时的加速度。
[0074]
通过考虑到惯性对钢丝绳的拉力影响，可以准确地计算钢丝绳受到的拉力大小，使得计算更加准确。
[0075]
步骤s70，建立第i个监测点的钢丝绳的模量与钢丝绳受到的拉力、钢丝绳的形变以及应变片的电压值之间的数学模型为：
[0076]
其中，ei为所述钢丝绳在第i个监测点的模量，f为钢丝绳受到的拉力，a为钢丝绳被提起向上运动时的加速度，hi为第i个监测点处钢丝绳的温度，
[0077]
在第i个监测点的钢丝绳的模量大于或者等于预设的钢丝绳模量时生成钢丝绳断裂预警信号，以提醒用户进行更换钢丝绳。
[0078]
在本实施例中，根据求得的钢丝绳发生的形变量与对应的应变片输出电压值之间的数学模型：
[0079][0080]
可以变形为：
[0081][0082]
将其带入改进的杨氏模量方程中，可以得到钢丝绳模量与电压之间的关系为：
[0083][0084]
在本事实例中，通过应变片的设置于钢丝绳上，通过钢丝绳在提升油泵时，发生的形变程度，即可计算出即可计算出第i个监测点处钢丝绳发生的形变与对应的应变片输出电压值之间的关系，进而通过第i个监测点处钢丝绳对应的应变片输出电压值、形变量以及温度对钢丝绳的影响，即可计算出第i个监测点钢丝绳模量，然后当将第i个监测点的钢丝绳的模量大于或者等于预设的钢丝绳模量时，说明钢丝绳有断裂的危险需要更换，解决了现有钢丝绳断裂预警方法不能准确考虑到外界环境对钢丝绳的影响，存在不能准确预测钢丝绳断裂的问题。
[0085]
在一个实施例中，所述抽油机钢丝绳断裂预警方法还包括：
[0086]
在预设的基准温度下监测至少四个监测点的形变量和应变片输出的电压，并根据形变量和应变片输出的电压计算输出电压的纠正系数k1，余弦分量系数k2，正弦分量系数k3，以及钢丝绳的形变系数ω1。
[0087]
具体的，当钢丝绳处温度为20℃，钢丝绳长度发生的形变量分别为：0.1mm、0.2mm、0.4mm、0.6mm、时，其应变片输出的电压分别为：3.9mv、7.6mv、15.2mv、22.5mv，计算得vi中的参数，进而可通过应变片的电压得出监测点处钢丝绳的的应变片电压与形变量之间的关系；
[0088]
计算vi中的参数为：
[0089][0090]
在一个实施例中，所述的抽油机钢丝绳断裂预警方法还包括：根据n个监测点的钢丝绳的模量确定所述钢丝绳的整体模量e；在所述整体模量e大于预设的整体模量阈值时，生成所述钢丝绳断裂预警信号；
[0091]
其中，e＝x1e1+x2e2+
…
+x
iei
+
…
+x
nen
[0092]
其中，x1、x2、
…
、xi、
…
、xn为预设的权重系数，且x1+x2+
…
+xi+
…
+xn＝1。
[0093]
具体的，在本实施例中，通过设置不同监测点的权重系数，根据n个监测点的钢丝绳的模量确定所述钢丝绳的整体模量e，可以更全面的监测钢丝绳的整体模量，然后当钢丝绳的整体模量大于或者等于预设的钢丝绳模量时，说明钢丝绳有断裂的危险需要更换，解决了现有钢丝绳断裂预警方法不能准确考虑到外界环境对钢丝绳的影响，存在不能准确预测钢丝绳断裂的问题。
[0094]
在一个实施例中，第i个监测点预设的权重系数xi与悬绳器之间的距离呈正相关。
[0095]
在一个实施例中，钢丝绳等距离的选取n个监测点包括：在所述钢丝绳上延垂直方向等距离的选取n个监测点。
[0096]
具体的，设置的监测点与悬绳器的距离不一样其形变量不同，所以在钢丝绳上垂直方向等距离的选取n个监测点，可以全面的监测钢丝绳的形变量，当钢丝绳受到拉力作用，形变发生变化时，带动应变片发生形变，其电阻值也会发生形变，但是由于应变片的形变量较小，当其发生微小形变时，难以测量或者测量不准确，通过建立钢丝绳发生的形变量与对应的应变片的电压值之间的数学模型，可以通过应变片的电压值变化，计算出其形变量，进而将形变量建立的钢丝绳的模量与钢丝绳受到的拉力、钢丝绳的形变以及应变片的电压值之间的数学模型中，即可计算出钢丝绳受到的模量变化，进而将每一个监测点的钢丝绳的模量与预设的钢丝绳模量进行比较，当监测点的钢丝绳的模量大于或者等于预设的钢丝绳模量时，说明钢丝绳有断裂的危险需要更换，解决了现有钢丝绳断裂预警方法不能准确考虑到外界环境对钢丝绳的影响，存在不能准确预测钢丝绳断裂的问题。
[0097]
在一个实施例中，如图3所示，采用本专利方法在同一抽油机进行了20次钢丝绳断裂预测实验，由图可知钢丝绳断裂预测的平均误差值为1.67％，方差为3，最大误差为2.76％，故本专利方法稳定。采用本专利方法在同一抽油机进行了20次钢丝绳断裂预测实验，并将平均值作为结果记录，可知最大相对误差为1.78，满足工业需求。
[0098]
本技术实施例提供了一种预警装置，预警装置用于执行如上述任一项所述的抽油机钢丝绳断裂预警方法。
[0099]
在一个实施例中，预警装置还包括：报警器，其中，报警器用于在钢丝绳模量超过了预设的钢丝绳模量时报警。
[0100]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0101]
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0102]
另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0103]
以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。