一種有桿泵抽油井故障診斷方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種有桿泵抽油井故障診斷方法，獲取已知和待診斷有桿泵抽油井地面示功圖，將有桿泵抽油井地面示功圖轉(zhuǎn)化為有桿泵抽油井泵示功圖，采用16方向鏈碼對(duì)歸一化處理后的泵示功圖進(jìn)行邊界鏈碼重畫，將邊界鏈碼重畫后的泵示功圖進(jìn)行區(qū)域劃分，并提取各區(qū)域的特征向量，利用基于粒子群優(yōu)化的譜聚類算法對(duì)量化后的泵示功圖特征向量進(jìn)行聚類，完成有桿泵抽油井故障診斷，本發(fā)明采用16方向鏈碼的數(shù)量對(duì)各個(gè)泵示功圖特征向量進(jìn)行量化能夠有效、細(xì)致地描述圖形特征，有桿泵抽油井故障診斷是利用基于粒子群優(yōu)化的譜聚類算法對(duì)量化后的泵示功圖特征向量進(jìn)行聚類，不依賴訓(xùn)練樣本，可以提高診斷的性能。
【專利說(shuō)明】-種有桿累抽油井故障診斷方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于抽油井故障診斷領(lǐng)域，特別設(shè)及一種有桿累抽油井故障診斷方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 有桿累抽油井累示功圖在油田生產(chǎn)中具有十分重要的作用，它是判斷抽油系統(tǒng)井 下工作狀態(tài)的主要依據(jù)。累示功圖可W用來(lái)進(jìn)行井下生產(chǎn)狀況的故障診斷，也可W用來(lái)計(jì) 算井口的出液量，還可W用來(lái)計(jì)算井下動(dòng)液面的位置。傳統(tǒng)生產(chǎn)中，一般依靠技術(shù)人員對(duì)采 集的累示功圖進(jìn)行人工分析，從而判斷抽油系統(tǒng)的實(shí)際工作狀況。該種人工方式工作周期 長(zhǎng)，受主觀因素影響較大，越來(lái)越無(wú)法滿足企業(yè)不斷提高生產(chǎn)效率的需求。
[0003] 隨著計(jì)算機(jī)、通信、電子技術(shù)等領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，利用計(jì)算機(jī)取代人力勞動(dòng)方式已 成為國(guó)內(nèi)外油田生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。鑒于累示功圖在生產(chǎn)中的重要性，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算 和分析已成為該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。利用計(jì)算機(jī)處理累示功圖，關(guān)鍵在于提取其顯著 的特征，識(shí)別越準(zhǔn)確，計(jì)算越正確。目前，對(duì)于累示功圖的特征提取方法，主要有面積法、匹 配法、網(wǎng)格法、矢量法等。但是該些方法都不能很好地結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)，從而使得 到的特征向量不能準(zhǔn)確、細(xì)致地反映不同過(guò)程的顯著特征。
[0004] 有桿累抽油井的抽油累一般工作在數(shù)千米的地下，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，故障發(fā)生率很 高，采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)診斷是很有意義的?，F(xiàn)有的診斷方法主要W有監(jiān)督學(xué)習(xí)為主，根據(jù)生產(chǎn) 經(jīng)驗(yàn)得到不同故障類型的訓(xùn)練樣本集，然后由該些訓(xùn)練樣本訓(xùn)練出不同故障類型的訓(xùn)練集 模型，從而實(shí)現(xiàn)待診斷樣本的診斷。該種有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法主要存在W下兩方面問題；一是診 斷的準(zhǔn)確率很大程度上取決于所構(gòu)成訓(xùn)練樣本集的樣本特征向量是否能夠準(zhǔn)確反映樣本 的典型特征；二是該種有監(jiān)督方式主要依靠人為劃分訓(xùn)練樣本集，容易受到主觀因素的影 響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種有桿累抽油井故障診斷方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0007] 一種有桿累抽油井故障診斷方法，包括W下步驟：
[000引步驟1 ;獲取M個(gè)已知故障類型的有桿累抽油井地面示功圖和1個(gè)待診斷故障類 型的有桿累抽油井地面示功圖；
[0009] 步驟2 ;將M+1個(gè)有桿累抽油井地面示功圖轉(zhuǎn)化為有桿累抽油井累示功圖，并對(duì)有 桿累抽油井累示功圖進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化處理后的累示功圖；
[0010] 步驟3 ;采用16方向鏈碼對(duì)歸一化處理后的累示功圖進(jìn)行邊界鏈碼重畫，得到邊 界鏈碼重畫后的累示功圖，其中，邊界鏈碼的類型由Zt表示，t = 1、2、--?16，NUMt表示邊界 鏈碼類型為zt的邊界鏈碼個(gè)數(shù)，NUM表示邊界鏈碼重畫后的累示功圖的邊界鏈碼總數(shù)； [ocm] 步驟4;將邊界鏈碼重畫后的累示功圖進(jìn)行區(qū)域劃分，并提取各區(qū)域的特征向量， 各特征向量W 16方向鏈碼形式表示；劃分的區(qū)域包括；左上區(qū)、右上區(qū)、左下區(qū)和右下區(qū)； 所述的特征向量包括：左上區(qū)欠缺程度特征向量、左上區(qū)快速加載程度特征向量、右上區(qū)突 出程度特征向量、右上區(qū)欠缺程度特征向量、右上區(qū)快速卸載程度特征向量、左下區(qū)突出程 度特征向量、左下區(qū)欠缺程度特征向量、右下區(qū)欠缺程度特征向量和右下區(qū)快速卸載程度 特征向量；
[0012] 步驟4. 1 ;確定有桿累抽油井累示功圖的上沖程和下沖程；將有桿累抽油井累示 功圖曲線的橫坐標(biāo)最大的點(diǎn)作為上沖程的結(jié)束點(diǎn)，則有桿累抽油井累示功圖的上沖程為有 桿累抽油井累示功圖曲線第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)到上沖程結(jié)束的數(shù)據(jù)點(diǎn)，有桿累抽油井累示功圖的 下沖程為有桿累抽油井累示功圖曲線上沖程結(jié)束點(diǎn)的下一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)到最后一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；
[0013] 步驟4.2 ;提取有桿累抽油井累示功圖各區(qū)域的累示功圖特征向量，包括左上區(qū) 欠缺程度特征向量、左上區(qū)快速加載程度特征向量、右上區(qū)突出程度特征向量、右上區(qū)欠缺 程度特征向量、右上區(qū)快速卸載程度特征向量、左下區(qū)突出程度特征向量、左下區(qū)欠缺程度 特征向量、右下區(qū)欠缺程度特征向量和右下區(qū)快速卸載程度特征向量；
[0014] 左上區(qū)欠缺程度特征向量表示為：
[0015] ，
[0016] 左上區(qū)快速加載程度特征向量表示為：
[0017]

【權(quán)利要求】
1. 一種有桿泵抽油井故障診斷方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1 :獲取M個(gè)已知故障類型的有桿泵抽油井地面示功圖和1個(gè)待診斷故障類型的 有桿泵抽油井地面示功圖； 步驟2 :將M+1個(gè)有桿泵抽油井地面示功圖轉(zhuǎn)化為有桿泵抽油井泵示功圖，并對(duì)有桿泵 抽油井泵示功圖進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化處理后的泵示功圖； 步驟3 :采用16方向鏈碼對(duì)歸一化處理后的泵示功圖進(jìn)行邊界鏈碼重畫，得到邊界鏈 碼重畫后的泵示功圖，其中，邊界鏈碼的類型由zt表示，t= 1、2、--?16，NUMt表示邊界鏈碼 類型為zt的邊界鏈碼個(gè)數(shù)，NUM表示邊界鏈碼重畫后的泵示功圖的邊界鏈碼總數(shù)； 步驟4 :將邊界鏈碼重畫后的泵示功圖進(jìn)行區(qū)域劃分，并提取各區(qū)域的特征向量，各特 征向量以16方向鏈碼形式表示；劃分的區(qū)域包括：左上區(qū)、右上區(qū)、左下區(qū)和右下區(qū)；所述 的特征向量包括：左上區(qū)欠缺程度特征向量、左上區(qū)快速加載程度特征向量、右上區(qū)突出程 度特征向量、右上區(qū)欠缺程度特征向量、右上區(qū)快速卸載程度特征向量、左下區(qū)突出程度特 征向量、左下區(qū)欠缺程度特征向量、右下區(qū)欠缺程度特征向量和右下區(qū)快速卸載程度特征 向量； 步驟4. 1 :確定有桿泵抽油井泵示功圖的上沖程和下沖程：將有桿泵抽油井泵示功圖 曲線的橫坐標(biāo)最大的點(diǎn)作為上沖程的結(jié)束點(diǎn)，則有桿泵抽油井泵示功圖的上沖程為有桿泵 抽油井泵示功圖曲線第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)到上沖程結(jié)束的數(shù)據(jù)點(diǎn)，有桿泵抽油井泵示功圖的下沖 程為有桿泵抽油井泵示功圖曲線上沖程結(jié)束點(diǎn)的下一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)到最后一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)； 步驟4. 2 :提取有桿泵抽油井泵示功圖各區(qū)域的泵示功圖特征向量，包括左上區(qū)欠缺 程度特征向量、左上區(qū)快速加載程度特征向量、右上區(qū)突出程度特征向量、右上區(qū)欠缺程度 特征向量、右上區(qū)快速卸載程度特征向量、左下區(qū)突出程度特征向量、左下區(qū)欠缺程度特征 向量、右下區(qū)欠缺程度特征向量和右下區(qū)快速卸載程度特征向量；
其中，^為有桿泵抽油井泵示功圖的上沖程數(shù)據(jù)點(diǎn)縱坐標(biāo)的平均值，^為邊界 鏈碼的類型為z3、24和z5的邊界鏈碼重畫后的泵示功圖的數(shù)據(jù)點(diǎn)縱坐標(biāo)的平均值； 右上區(qū)欠缺程度特征向量表示為：
右上區(qū)快速卸載程度特征向量表示為：
其中，為有桿泵抽油井泵示功圖的下沖程數(shù)據(jù)點(diǎn)縱坐標(biāo)的平均值，&._?"18為 邊界鏈碼的類型為211、212、213、 214、215和216的邊界鏈碼重畫后的泵示功圖的數(shù)據(jù)點(diǎn)縱坐標(biāo) 的平均值；
步驟4. 3 :將各區(qū)域的泵示功圖特征向量進(jìn)行量化，得到量化后的泵示功圖特征向量； 步驟5 :利用基于粒子群優(yōu)化的譜聚類算法對(duì)量化后的泵示功圖特征向量進(jìn)行聚類， 完成有桿栗抽油井故障診斷； 步驟5.1:設(shè)將M+1個(gè)泵示功圖特征向量聚類為k類，〇為尺度參數(shù)，其中，k<y/M+l ,〇G [〇，1]; 步驟5. 2:將聚類數(shù)k和尺度參數(shù)〇作為粒子進(jìn)行聚類優(yōu)化，得到最優(yōu)的聚類數(shù)k和 最優(yōu)的尺度參數(shù)〇 ; 步驟5. 3:利用最優(yōu)的聚類數(shù)k和最優(yōu)的尺度參數(shù)〇進(jìn)行聚類優(yōu)化，得到最優(yōu)的聚類 中心； 步驟5. 4 :根據(jù)最優(yōu)的聚類中心將M+1個(gè)泵示功圖特征向量聚類為k類，得到最終的聚 類結(jié)果：氏、H2?Hk，若待診斷故障類型的泵示功圖特征向量與某知故障類型的泵示功圖特 征向量聚為一類，則兩者為同類故障，即得到有桿泵抽油井故障診斷結(jié)果，若待診斷故障類 型的泵示功圖特征向量單獨(dú)聚為一類，則該待診斷故障類型為新故障類型，對(duì)該故障類型 的泵示功圖特征向量進(jìn)行保存。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有桿泵抽油井故障診斷方法，其特征在于，所述的步驟 5. 2按以下步驟執(zhí)行： 步驟5.2. 1 :將聚類數(shù)k和尺度參數(shù)〇作為粒子，隨機(jī)產(chǎn)生若干個(gè)粒子，初始化粒子的 速度和位置； 步驟5. 2. 2 :M+1個(gè)量化后的泵示功圖特征向量由屯、d2?dM+1表示，由高斯函數(shù)s(dp， dq) =exp(-| |dp-dq| |V(2〇2))計(jì)算任意兩個(gè)量化后的泵示功圖特征向量的相似度，各相 似度值構(gòu)成相似度矩陣sGRWXW，其中，p、q= 1、2…M+1 ; 步驟5. 2. 3 :將每個(gè)量化后的泵示功圖特征向量看作頂點(diǎn)V，根據(jù)量化后的泵示功圖特 征向量間的相似度對(duì)各頂點(diǎn)間的邊E賦權(quán)重值W，得到一個(gè)基于量化后的泵示功圖特征向 量相似度的無(wú)向加權(quán)圖G= (V，E); 步驟5. 2. 4 :將相似度矩陣S的每行元素相加，即得到對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)的度，以所有頂點(diǎn)的度 作為對(duì)角元素構(gòu)成的對(duì)角矩陣，即度矩陣D; 步驟5. 2. 5 :根據(jù)度矩陣、各頂點(diǎn)間的邊的權(quán)重及單位矩陣，建立拉普拉斯矩陣L"=hTw，其中，I為單位矩陣； 步驟5. 2. 6 :計(jì)算拉普拉斯矩陣1^前k個(gè)最小的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，k個(gè)特征向 量組成特征向量矩陣U; 步驟5. 2. 7 :將特征向量矩陣U的第g行向量（eg)g = 1>2, ...,M+1作為聚類數(shù)據(jù)集； 步驟5. 2. 8 :用CritC指標(biāo)函數(shù)的倒數(shù)作為各個(gè)粒子的適應(yīng)度值； 步驟5. 2. 9 :若當(dāng)前粒子的適應(yīng)度值小于其歷史適應(yīng)度值，則將當(dāng)前粒子的適應(yīng)度值 作為其歷史適應(yīng)度值； 步驟5. 2. 10 :設(shè)定粒子的適應(yīng)度值終止條件，若當(dāng)前粒子的適應(yīng)度值小于其終止條 件，則當(dāng)前的聚類數(shù)k和尺度參數(shù)〇為最優(yōu)的聚類數(shù)k和最優(yōu)的尺度參數(shù)〇,當(dāng)前的聚類 數(shù)據(jù)集為優(yōu)化后的聚類數(shù)據(jù)集，否則，更新粒子的速度和位 置，返回步驟5. 2. 3。
【文檔編號(hào)】E21B44/00GK104481496SQ201410473163
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月16日
【發(fā)明者】李琨, 韓瑩 申請(qǐng)人:渤海大學(xué)