采油螺杆泵转子转速优化方法研究

论文摘要

螺杆泵采油是一种新型的人工举升方式，具有结构简单、高效节能、机组占地面积小等特点，尤其适宜于高粘度、高含砂量、高油气（水）比原油开采，已经在国内外的油田生产中普遍使用。在螺杆泵采油过程中，转速的选择十分重要，直接影响到泵的效率和使用寿命。如果转速选择不合理，将引发油井抽空“烧泵”、泵效下降以及使用寿命缩短等诸多问题。目前，国内外已经有研究人员采用建立最佳转速模型的方法来选择合理的转速，其不足之处在于没有考虑泵的结构参数和油井工况的耦合影响，而且所建立的模型收敛速度慢、精度低；没有对转速的智能控制问题进行深入研究，对提高泵效、延长寿命的效果仍不明显。为此，本文从理论和实验两方面开展了采油螺杆泵转子转速优化方法的研究，旨在进一步提高螺杆泵采油作业中转速控制技术水平。论文首先分析了螺杆泵结构和工作原理，综述了螺杆泵采油技术的国内外发展状况，重点对螺杆泵采油技术领域中存在的关键技术问题进行了剖析，确定了论文工作的切入点。速度是影响螺杆泵定子橡胶寿命的主导因素，研究他们之间的关系正是论文工作的核心。但是速度对橡胶磨损的影响又受制于螺杆泵结构参数和油井工况参数，这种影响呈非线性耦合形态。对此，文中在梳理了两大类影响因素的基础上，对解决非线性耦合关系问题的方法进行了考证，提出基于人工神经网络技术建立螺杆泵转速优化模型的思路，选取原油温度、原油粘度、螺杆泵泵端压差和螺杆泵定子橡胶磨损量作为输入量，以螺杆泵转速作为输出量，模拟实际工况并以其为参考考察优化效果。文中阐述了基于四种典型的人工神经网络模型（BP网络、RBF网络、Elman网络和GA-BP网络）进行优化的具体算法及优化结果与实际值的对比分析过程，从中遴选了比较理想的优化模型。在螺杆泵采油系统的实际工作过程中，转速需根据实际工况的变化而变化。为实现螺杆泵转速的实时控制，自行开发了螺杆泵转速优化系统。文中介绍了软硬件开发环境、软件中内含的算法以及基于此平台对螺杆泵转速及其影响因素的测量和实时调控等操作过程。为验证螺杆泵转速优化模型的有效性，并对转速优化问题深入研究，自行设计并研制了能够模拟实际油井工况的螺杆泵转速优化结果检验平台。该实验平台以环-块式摩擦磨损试验机为主体，结合所开发的螺杆泵转速优化系统，能够完成螺杆泵转速优化模型实效性的验证以及不同控制方式实效性的试验研究。在螺杆泵转速优化效果检验平台上，对基于人工神经网络优化模型获得的螺杆泵转速优化结果进行了实验分析。采用不同试验方案（橡胶配方）进行了试验，对比分析实验结果可以看出，基于BP神经网络优化模型优化出的转速对减轻螺杆泵定子橡胶磨损量的效果比较明显。最后，对进一步完善基于人工神经网络的螺杆泵转速优化平台提出了建设性思路，给出了优化系统的开放性架构和与实际信号采集子系统的接口。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 采油螺杆泵概述
• 1.2.1 螺杆泵的工作原理
• 1.2.2 螺杆泵的定子及转子
• 1.2.3 螺杆泵的种类
• 1.2.4 螺杆泵采油系统
• 1.2.5 采油螺杆泵的主要特点
• 1.3 采油螺杆泵国内外研究现状
• 1.4 螺杆泵转速优化研究现状
• 1.4.1 螺杆泵转速优化概述
• 1.4.2 螺杆泵转速设定存在的问题
• 1.4.3 螺杆泵转速优化方面研究工作进展
• 1.5 人工智能方法研究现状
• 1.6 本文研究的目的和意义
• 1.7 本文研究的主要内容
• 第二章 螺杆泵转子转速影响因素分析
• 2.1 引言
• 2.2 油井的工况
• 2.2.1 原油粘度
• 2.2.2 井下原油温度
• 2.2.3 泵端压差
• 2.2.4 原油中的含砂量
• 2.2.5 原油中的含气量
• 2.2.6 油井的产量
• 2.3 螺杆泵的容积效率和机械效率
• 2.3.1 螺杆泵的容积效率
• 2.3.2 螺杆泵的机械效率
• 2.4 螺杆泵定子橡胶的磨蚀
• 2.5 螺杆泵的结构参数
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于人工神经网络的螺杆泵转速优化模型构建
• 3.1 引言
• 3.2 四种典型的神经网络模型
• 3.2.1 BP 神经网络模型
• 3.2.2 RBF 神经网络模型
• 3.2.3 Elman 神经网络模型
• 3.2.4 基于遗传算法的神经网络模型
• 3.3 四种典型神经网络在螺杆泵转速优化中的比较
• 3.3.1 基于 BP 神经网络的螺杆泵转速优化
• 3.3.2 基于 RBF 神经网络的螺杆泵转速优化
• 3.3.3 基于 Elman 神经网络的螺杆泵转速优化
• 3.3.4 基于遗传算法（神经网络）的螺杆泵转速优化
• 3.3.5 基于四种人工神经网络的螺杆泵转速优化效果比较分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 螺杆泵转速优化系统开发
• 4.1 引言
• 4.2 螺杆泵转速优化系统开发平台及支撑软件
• 4.3 Delphi 与 Matlab 混合编程
• 4.3.1 Delphi 与 Matlab 混合编程简介
• 4.3.2 基于文件传输方式实现的混合编程
• 4.4 螺杆泵转速优化系统总体设计及组成模块
• 4.5 螺杆泵转速优化系统的硬件和软件构成
• 4.5.1 硬件设计
• 4.5.2 软件设计
• 4.6 螺杆泵转速优化系统运行界面
• 4.7 本章小结
• 第五章 螺杆泵转速优化结果检验平台构建与转速的模拟控制
• 5.1 引言
• 5.2 实验平台的总体构建方案
• 5.2.1 总体方案
• 5.2.2 工作原理
• 5.2.3 主要技术指标
• 5.3 环-块式摩擦磨损试验机结构
• 5.3.1 环-块摩擦副设计
• 5.3.2 动力与传动机构设计
• 5.3.3 加载装置设计
• 5.3.4 加热装置设计
• 5.3.5 环-块式摩擦磨损试验机的总体结构
• 5.4 本章小结
• 第六章 螺杆泵转速优化结果的实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 试验材料制备及试验机调试
• 6.2.1 试验材料制备
• 6.2.2 试验机调试
• 6.3 试验步骤
• 6.4 试验转速与磨损间隙的关系
• 6.5 试验方案与试验结果分析
• 6.5.1 试验方案
• 6.5.2 试验结果及分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢