一种抽油机悬点位移的确定方法及示功仪技术领域
本发明涉及抽油机技术领域，尤其涉及一种抽油机悬点位移的确定方法及
示功仪。
背景技术
在数字化油田整体解决方案中，对油田采油井工作情况的监测是其中重要
的一个环节。其中，对抽油机的监控主要是通过仪表对抽油机驴头上下往复运
动过程中拉杆(抽油杆)的悬点位移与悬点载荷进行采集，在采集值的基础上可
以绘制一幅以“悬点位移-悬点载荷”为坐标系的闭合曲线，俗称示功图，通
过示功图表征该抽油机的工作情况。
业界目前普遍使用一体化示功仪，来同时完成对悬点位移和悬点载荷的采
集，从而得到抽油机示功图。此类一体化示功仪通过悬点加速度来计算悬点位
移值，其理论基础是通过加速度与位移二次积分的关系，但经实践发现，基于
该理论基础计算出来的位移曲线效果不理想，表现为位移曲线一致性不佳、与
理论曲线误差较大等。此类一体化示功仪仪表普遍有精度不高、大冲程下精度
大幅下降、容易受到震动干扰等缺陷，具体原因如下：
1、加速度芯片本身不适用于在有干扰环境下进行加速度信号的精确采集。
2、在不同的地理位置，重力与气压的差别，加速度芯片的零点不一样，
加速度芯片对加速度的采集值有固定的偏移。
3、现场采油机的工作过程中会有细微震动，导致加速度源信号会受到较
大的噪声干扰，失真的源信号在进行二次积分后其误差会被进一步放大。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的主要目的在于提供一种抽油机悬点位移的确定
方法及示功仪，以实现准确获取抽油机悬点位移的目的。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种抽油机悬点位移的确定方法，
包括：
根据抽油机悬点加速度的变化趋势，确定抽油机完成的每单个冲程所花费
的时间长度；
根据所述时间长度确定所述单个冲程内的悬点位移值。
可选的，所述根据抽油机悬点加速度的变化趋势，确定抽油机完成的每单
个冲程所花费的时间长度，包括：
采集至少一个冲程内的悬点加速度数据；
对采集到的悬点加速度数据进行滤波；
根据滤波后的悬点加速度数据的极值点，从滤波后的悬点加速度数据中提
取单个冲程内的加速度数据；
根据所述单个冲程内每相邻两个加速度数据的采样间隔，确定所述单个冲
程所花费的时间长度。
可选的，所述对采集到的悬点加速度数据进行滤波，包括：
采用卡尔曼滤波算法对采集到的悬点加速度数据进行滤波，以从采集到的
数据中提取出实际的悬点加速度数据。
可选的，所述根据所述时间长度确定所述单个冲程内的悬点位移值，包括：
根据所述时间长度P确定抽油机电机角速度w，其中，w＝2π/P；
根据所述抽油机电机角速度确定所述单个冲程内的悬点位移值。
可选的，按照下述公式计算所述单个冲程内的第i个采样点的悬点位移值：
S
i
=
R
[
1
-
c
o
s
(
2
π
i
t
P
)
+
R
2
L
sin
2
(
2
π
i
t
P
)
]
]]>
其中，
P为所述时间长度；
t为所述单个冲程内的悬点位移的采样间隔时间；
i为所述单个冲程内的位移采样点的序列号，i＝0，1，……，P/t；
R为抽油机曲柄滑块机构中与曲柄连接的连杆的长度。
L为抽油机曲柄滑块机构中与滑块连接的连杆的长度。
可选的，所述方法还包括：
根据所述单个冲程内的每个采样点的悬点位移值，计算所述单个冲程内的
总位移值。
本发明实施例还提供了一种示功仪，包括：
周期确定单元，用于根据抽油机悬点加速度的变化趋势，确定抽油机完成
的每单个冲程所花费的时间长度；
位移确定单元，用于根据所述周期确定单元确定的时间长度确定所述单个
冲程内的悬点位移值。
可选的，所述周期确定单元，包括：
数据采集模块，用于采集至少一个冲程内的悬点加速度数据；
数据滤波模块，用于对所述数据采集模块采集到的悬点加速度数据进行滤
波；
数据提取模块，用于根据所述数据滤波模块滤波后的悬点加速度数据的极
值点，从滤波后的悬点加速度数据中提取单个冲程内的加速度数据；
时间确定模块，用于根据所述数据提取模块提取的所述单个冲程内每相邻
两个加速度数据的采样间隔，确定所述单个冲程所花费的时间长度。
可选的，所述数据滤波模块，具体用于采用卡尔曼滤波算法对采集到的悬
点加速度数据进行滤波，以从采集到的数据中提取出实际的悬点加速度数据。
可选的，所述位移确定单元，包括：
角速度确定模块，用于根据所述时间长度P确定抽油机电机角速度w，其中，
w＝2π/P；
位移确定模块，用于根据所述角速度确定模块确定的抽油机电机角速度确
定所述单个冲程内的悬点位移值。
可选的，所述位移确定单元按照下述公式计算所述单个冲程内的第i个采
样点的悬点位移值：
S
i
=
R
[
1
-
c
o
s
(
2
π
i
t
P
)
+
R
2
L
sin
2
(
2
π
i
t
P
)
]
]]>
其中，
P为所述时间长度；
t为所述单个冲程内的悬点位移的采样间隔时间；
i为所述单个冲程内的位移采样点的序列号，i＝0，1，……，P/t；
R为抽油机曲柄滑块机构中与曲柄连接的连杆的长度。
L为抽油机曲柄滑块机构中与滑块连接的连杆的长度。
可选的，所述示功仪还包括：
总位移计算模块，用于根据所述位移确定单元计算的单个冲程内的每个采
样点的悬点位移值，计算所述单个冲程内的总位移值。
本发明实施例提供的抽油机悬点位移的确定方法及示功仪，仅使用加速度
芯片还原采油机加速度变化的趋势，整体趋势不会因具体采集值的偏差有大的
变化，通过此趋势可以较为准确且稳定地找到采油机的单冲程周期P即单个冲
程所花费的时间长度，找到采油机单冲程周期P的作用是为了计算采油机电机
角速度w，这是因为采油机本身的曲柄滑块机构为刚性结构，因此采油机机械
模型的拉杆长度L和R(R即圆盘半径)为常数，同时采油机驱动电机维持匀速
转动，使得采油机位移变化趋势稳定，因此采油机拉杆本身的加速度变化趋势
具有很好的抗干扰性，继而确保通过单冲程周期P计算的电机角速度w是准确
的，进而根据P确定单个冲程内的悬点位移值的准确性较高，可以有效规避现
有技术中加速度芯片因固有特性及自然原因导致的无法稳定地对加速度信号
进行精确采集的问题，最终避免了利用加速度数据计算悬点位移的不准确问
题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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
中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创
造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例抽油机悬点位移的确定方法的流程示意图；
图2为本发明实施例确定单个冲程时间的流程示意图；
图3为本发明实施例原始加速度数据的曲线图；
图4为本发明实施例经数次卡尔曼滤波算法迭代后得到的加速度曲线示
意图；
图5为本发明实施例200点的加速度曲线图；
图6为本发明实施例一个完整采油机冲程的加速度曲线图；
图7为本发明实施例曲柄滑块机构示意图；
图8为本发明实施例单个冲程内的悬点位移曲线示意图之一；
图9为本发明实施例单个冲程内的悬点位移曲线示意图之二；
图10为本发明实施例示功仪的组成示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明
实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，
所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中
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，都属于本发明保护的范围。
在数字化油田整体解决方案中，对油田采油井工作情况的监测，主要是通
过仪表在抽油机作业时对示功图的采集和绘制。本发明实施例在建立曲轴回环
配合加速度的位移趋势分布算法模型的基础上，通过示功仪完成对抽油机位移
和载荷参数的采样，具体是利用示功仪的加速度芯片还原现场抽油机的加速度
变化趋势，在趋势曲线中找到抽油机单次冲程周期，再结合抽油机曲柄滑块机
构的位移计算公式即可计算出悬点位移。该方案可有效提高位移采集精度，有
效还原实际示功图曲线，从而能有效的对油田采油井工作情况进行监测。
下面具体介绍本发明实施例。
参见图1，为本发明实施例提供的抽油机悬点位移的确定方法的流程示意
图，包括：
步骤101：根据抽油机悬点加速度的变化趋势，确定抽油机完成的每单个
冲程所花费的时间长度。
在本发明实施例中，所述单个冲程包括上冲程和下冲程，但不限制所述单
个冲程的起点位置，所述起点位置可以是所述上冲程的任意位置或所述下冲程
的任意位置。
在本发明实施例中，可按照下述方式实现步骤101，参见图2所示的确定单
个冲程时间的流程示意图，包括：
步骤201：采集至少一个冲程内的悬点加速度数据。
利用示功仪(通过加速度芯片)采集一个采油机冲程内的悬点加速度数据、
或采集至少2个采油机连续冲程的悬点加速度数据，如图3所示的原始加速度数
据的曲线图，图3中，横坐标为采样时间或采样点序号，纵坐标为悬点加速度。
步骤202：对采集到的悬点加速度数据进行滤波。
在本发明实施例中，具体是采用卡尔曼滤波算法对采集到的悬点加速度数
据进行滤波，以从采集到的数据中提取出实际的悬点加速度数据。当然，本发
明实施例包括但不限于采用卡尔曼滤波算法，还可以采用其它滤波算法，只要
能还原出实际的悬点加速度数据即可。
从图3中可以看到，原始加速度数据曲线有明显的噪声毛刺，导致实际的
加速度数据曲线被淹没在其中，因此，需要将原始加速度数据曲线通过滤波算
法滤除噪声，还原出实际的加速度数据曲线。结合该噪声曲线(图3)的特性，
采用最适合该种噪声滤除的卡尔曼滤波算法进行噪声滤除，再结合对采油机的
工作特性及实测噪声曲线及自身实现需求的分析，通过滤波后还原得到光滑的
曲线，如图4所示的经数次卡尔曼滤波算法迭代后得到的加速度曲线示意图。
步骤203：根据滤波后的悬点加速度数据的极值点，从滤波后的悬点加速
度数据中提取单个冲程内的加速度数据。
假设图4所示加速度曲线包括900个采样点，可以按照预设的取点要求，对
图4所示加速度曲线进行间隔取点(如间隔取出200个采样点)，得到图5所示的
200点的加速度曲线图。
图5中的加速度曲线描绘了至少2个冲程的悬点加速度变化趋势，利用核心
思想为“排序-比较”的算法，从图5所示曲线中截取1个完整冲程内的悬点加
速度曲线。所述“排序-比较”算法，主要是将图5中的200个采样点进行排序，
以找到所有极值点，包括最大极值点和最小极值点，并在查找极值点的过程中，
采取了在指定区间内设定阀值、斜率等几个参考值来进行比较，避免可能出现
的干扰点而影响找极值点的准确性。在截取1个完整冲程内的悬点加速度数据
的过程中，将相邻两个最大极值点作为上限值，将所述相邻两个最大极值点之
间的最小极值点作为下限值，或者，将相邻两个最小极值点作为下限值，将所
述相邻两个最小极值点之间的最大极值点作为上限值，将相邻两个最大极值点
或相邻两个最小极值点内的小于所述上限值且大于所述下限值的所有加速度
数据作为1个完整冲程内的加速度数据。上述只是实例性的，当然也可以选取
其他起止点内的完成冲程内的加速度数据，起止点不做任何限值。
通过上述过程得到如图6所示的一个完整采油机冲程的加速度曲线图，该
曲线描绘了一个采油机冲程从中点(上止点和下止点的中间点)开始运动至下
一次回到中点的过程中的加速度变化趋势，即从中点开始向上运动到上止点、
再从上止点运动到下止点、最后从下止点运动到中点的过程。
步骤204：根据所述单个冲程内每相邻两个加速度数据的采样间隔，确定
所述单个冲程所花费的时间长度。
由于图6中每相邻两个加速度采样点之间的间隔时间是固定的，所以将所
有间隔时间相加求和便可得到1个完整冲程(即所述单个冲程)所花费的时间
长度。
步骤102：根据所述时间长度确定所述单个冲程内的悬点位移值。
为实现步骤102中，可首先根据所述时间长度P确定抽油机电机角速度w，
其中，w＝2π/P，然后根据所述抽油机电机角速度确定所述单个冲程内的悬点
位移值。参见图7所示的曲柄滑块机构示意图，图中![]()
具体可按照下述
公式计算所述单个冲程内的第i个采样点的悬点位移值：
S
i
=
R
[
1
-
c
o
s
(
2
π
i
t
P
)
+
R
2
L
sin
2
(
2
π
i
t
P
)
]
]]>
其中，P为所述单个冲程所花费的时间长度；
t为所述单个冲程内的悬点位移的采样间隔时间；
i为所述单个冲程内的位移采样点的序列号，i＝0，1，……，P/t；
R为抽油机曲柄滑块机构中与曲柄连接的连杆的长度。
L为抽油机曲柄滑块机构中与滑块连接的连杆的长度。
举例说明，图6所示单个冲程内包括101个加速度采样点，将这101个采样
点按照时间顺序依次分配一个序列号，分别为i＝0，1，……，100，且确定采
样点之间的间隔时间t，再确定这单个冲程对应的时间长度P＝100*t，R和L是固
定值，然后即可按照上述公式计算所述单个冲程内的每个采样点的悬点位移
值，即可得到如图8所示的单个冲程内的悬点位移曲线示意图之一。
进一步地，本发明实施例还可以根据所述单个冲程内的每个采样点的悬点
位移值，计算所述单个冲程内的总位移值。即将图8中带方向的位移曲线进行
绝对值运算，得到图9所示的单个冲程内的悬点位移曲线示意图之二，将该曲
线数值每点进行累加，即得到单冲程总位移。
本发明实施例仅使用加速度芯还原采油机加速度变化的趋势，整体趋势不
会因具体采集值的偏差有大的变化，通过此趋势可以较为准确且稳定地找到采
油机的单冲程周期P即单个冲程所花费的时间长度，找到采油机单冲程周期P
的作用是为了计算采油机电机角速度w，这是因为采油机本身的曲柄滑块机构
为刚性结构，因此采油机机械模型的拉杆长度L和R(R即圆盘半径)为常数，
同时采油机驱动电机维持匀速转动，使得采油机位移变化趋势稳定，因此采油
机拉杆本身的加速度变化趋势具有很好的抗干扰性，继而确保通过单冲程周期
P计算的电机角速度w是准确的，进而根据P确定单个冲程内的悬点位移值的准
确性较高，可以有效规避现有技术中加速度芯片因固有特性及自然原因导致的
无法稳定地对加速度信号进行精确采集的问题，最终避免了利用加速度数据计
算悬点位移的不准确问题。
参见图10，为本发明实施例提供了示功仪的组成示意图，包括：
周期确定单元1001，用于根据抽油机悬点加速度的变化趋势，确定抽油机
完成的每单个冲程所花费的时间长度；
位移确定单元1002，用于根据所述周期确定单元1001确定的时间长度确定
所述单个冲程内的悬点位移值。
在本发明实施例中，所述周期确定单元1001，包括：
数据采集模块，用于采集至少一个冲程内的悬点加速度数据；
数据滤波模块，用于对所述数据采集模块采集到的悬点加速度数据进行滤
波；
数据提取模块，用于根据所述数据滤波模块滤波后的悬点加速度数据的极
值点，从滤波后的悬点加速度数据中提取单个冲程内的加速度数据；
时间确定模块，用于根据所述数据提取模块提取的所述单个冲程内每相邻
两个加速度数据的采样间隔，确定所述单个冲程所花费的时间长度。
在本发明实施例中，所述数据滤波模块，具体用于采用卡尔曼滤波算法对
采集到的悬点加速度数据进行滤波，以从采集到的数据中提取出实际的悬点加
速度数据。
在本发明实施例中，所述位移确定单元1002，包括：
角速度确定模块，用于根据所述时间长度P确定抽油机电机角速度w，其中，
w＝2π/P；
位移确定模块，用于根据所述角速度确定模块确定的抽油机电机角速度确
定所述单个冲程内的悬点位移值。
在本发明实施例中，所述位移确定单元1002按照下述公式计算所述单个冲
程内的第i个采样点的悬点位移值：
S
i
=
R
[
1
-
c
o
s
(
2
π
i
t
P
)
+
R
2
L
sin
2
(
2
π
i
t
P
)
]
]]>
其中，P为所述时间长度；
t为所述单个冲程内的悬点位移的采样间隔时间；
i为所述单个冲程内的位移采样点的序列号，i＝0，1，……，P/t；
R为抽油机曲柄滑块机构中与曲柄连接的连杆的长度。
L为抽油机曲柄滑块机构中与滑块连接的连杆的长度。
在本发明实施例中，所述示功仪还包括：总位移计算模块，用于根据所述
位移确定单元计算的单个冲程内的每个采样点的悬点位移值，计算所述单个冲
程内的总位移值。
需要说明的是，对于实施例公开的示功仪而言，由于其与实施例公开的
方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。还需要
说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包
含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，
而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品
或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在
另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本
发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见
的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在
其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而
是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。