[发明专利]一种基于示功图矩特征的有杆抽油系统摩擦因数辨识方法

说明书

本发明提供一种基于示功图矩特征的有杆抽油系统摩擦因数辨识方法，涉及抽油井模型参数的辨识优化技术领域。该方法通过抽油系统主要参数模拟抽油泵工作形式，得到模拟泵功图；通过对实测悬点示功图进行差分求解得到仿真泵功图；对归一化的模拟泵功图和仿真泵功图进行基于角度的分区处理；在各子区域上分别计算Hu不变矩的三个低阶不变矩特征，得到表示示功图形状特征的矩值序列；对矩值序列进行标准化处理作为两组图形的特征向量；利用特征向量建立度量两泵功图相似程度的标准化欧氏距离；利用粒子群算法对摩擦因数寻优，得到使标准化欧氏距离最小的摩擦因数值，即为相应抽油系统的摩擦因数辨识值。本发明仿真精度高、计算方法简便、便于应用。

技术领域

本发明涉及抽油井模型参数的辨识优化技术领域，尤其涉及一种基于示功图矩特征的有杆抽油系统摩擦因数辨识方法。

背景技术

对有杆抽油系统来说，井下设备长期处于高温、高压环境，抽油杆以及抽油泵的工作状况很难直接测量。我们通常的做法是通过地面示功图建立诊断模型求解得到泵功图，进行工况的判断。而在实际生产中通过实测功图和检泵结果对比发现，随着采油年限的增加摩擦因数不断变化，直至成为影响抽油井工况的主要因素，而在此过程中我们进行模型求解通常使用一成不变的阻尼系数，这严重影响工况的准确判断，甚至产生较大误差。从保证抽油井系统安全运行的角度来看，摩擦因数的及时准确辨识对于抽油井系统的仿真和诊断具有重要的现实意义。

有杆抽油系统的摩擦因数主要由粘滞阻尼和库仑摩擦两部分组成，其中粘滞阻尼存在于抽油杆柱、杆柱接箍与油液之间。库仑摩擦主要指抽油杆柱、接箍与扶正器、油管之间的摩擦力。

目前常用的摩擦因数计算方法主要有等效计算法和辨识法两类。等效计算法是通过对有杆抽油系统的假设，由粘滞阻尼的耗能与杆柱的耗能之间的关系推导出等效的阻尼系数公式。该方法的局限在于都是只考虑了粘滞阻尼对系统的影响而忽略了库仑摩擦力的作用。对于由于井斜的影响，杆管之间的库仑摩擦力不能忽略的定向井该方法并不适用。

辨识法基于实测的示功图，根据示功图参数来确定阻尼系数。余国安等根据S.G.吉布斯方程推导出了油井粘滞阻尼系数与地面功图参数和泵功图参数之间的关系式。通过实测地面示功图迭代计算，确定了油井的粘滞阻尼系数。该方法避开了复杂的机理分析过程，计算方法简单，但是同样也只考虑了粘滞阻尼的影响，不适用于库仑摩擦不可忽略的定向井。刘柏希在总结前人研究的基础上对实测功图和仿真功图进行了链码化处理，然后建立链码和傅里叶系数之间的关系式，进而提取出实测和仿真功图曲线的各项形状特征，通过形状特征的相似度度量完成了摩擦因数的辨识。该方法能够实现库仑摩擦不可忽略的定向井的参数辨识，但是该方法在应用中傅里叶系数的选择对结果影响很大，甚至产生信息漏失；另外在特征向量构成和相似度度量环节，不同量纲及刻度范围的特征没有进行处理，导致某些特征的作用被放大；同时该方法针对悬点示功图进行特征提取，结果受杆柱振动影响较大，不能满足实际辨识的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于示功图矩特征的有杆抽油系统摩擦因数辨识方法，能够针对定向井完成粘滞阻尼和库仑摩擦组合的整体摩擦因数的辨识，利用示功图的矩特征进行参数的辨识，避开了复杂的机理分析过程，计算简单，便于应用。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种基于示功图矩特征的有杆抽油系统摩擦因数辨识方法，包括以下步骤：

步骤1：通过有杆抽油系统中抽油机几何尺寸、冲程、冲数、泵径、泵深、杆柱组合油液及杆柱的密度和动液面深度对抽油泵工作形式进行数值模拟得到模拟泵功图；

步骤2：建立定向井有杆抽油系统模型，以实测悬点示功图为上边界，给定摩擦因数初值，对定向井有杆抽油系统模型进行差分求解得到仿真泵功图；

步骤3：对进行归一化和二值化处理后的模拟泵功图和仿真泵功图进行基于角度的分区处理，得到N个子区域；