邵克勇 錢(qián) 坤 劉遠(yuǎn)紅 張鳳武 蔣召平 吳 寧 張力鵬

(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2. 大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院，黑龍江 大慶 163712；3.中國(guó)石油管道公司技術(shù)服務(wù)中心，河北 廊坊 065000)

電潛柱塞泵是一種新型的無(wú)桿采油技術(shù)，適用于油田發(fā)展中后期的低產(chǎn)低滲油井，具有良好的發(fā)展前景[1～4]。由于其在深井中工作環(huán)境惡劣，極易帶故障運(yùn)行，因此尋求一種在機(jī)組發(fā)生嚴(yán)重故障前進(jìn)行故障檢測(cè)和早期診斷的方法，對(duì)油田生產(chǎn)具有實(shí)際意義。目前無(wú)成熟的電潛柱塞泵故障檢測(cè)和診斷方法，文獻(xiàn)[5，6]以柱塞泵單個(gè)泵缸內(nèi)的壓力信號(hào)作為故障信息，提出一種基于自適應(yīng)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的柱塞泵故障診斷方法，但其僅針對(duì)柱塞泵本身提出，沒(méi)有考慮潛油直線電機(jī)對(duì)柱塞泵的直接影響，且需在泵缸中安裝傳感器，不便于機(jī)組使用；文獻(xiàn)[7]分析了機(jī)組在不同工況下的電流特征，提出一種基于支持向量機(jī)的工況診斷方法，建立了SVM診斷模型，但現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用有局限性；在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)站在井口“聽(tīng)”機(jī)組振動(dòng)和觀察電流表指針“抖動(dòng)”情況，人為判斷故障，準(zhǔn)確程度低。示功圖方法在有桿抽油機(jī)故障診斷中是十分成熟的技術(shù)[8]，但應(yīng)用于電潛柱塞泵故障診斷尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。由于潛油直線電機(jī)動(dòng)子舉升力與實(shí)時(shí)位移在井底測(cè)量難度很大，不便于實(shí)際生產(chǎn)，且機(jī)組功率損耗較小，因此筆者提出一種基于間接示功圖測(cè)量的機(jī)組故障診斷方法，以功率信號(hào)作為故障信息，應(yīng)用小波去噪繪制出清晰的功率-時(shí)間示功圖。筆者研究了機(jī)組運(yùn)行機(jī)理，在大量模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試基礎(chǔ)上，分析示功圖反映的非正常工況的特征，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的有效診斷。

1 理論示功圖的建立和分析①

理論示功圖是認(rèn)為動(dòng)子只承受自身重力與柱塞截面積以上液柱的載荷，理論上所得到的示功圖，是規(guī)則的平行四邊形[9]。將動(dòng)子往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中最頂端定義為上死點(diǎn)，最底端定義為下死點(diǎn)。定義從一個(gè)下死點(diǎn)時(shí)刻向上運(yùn)動(dòng)至上死點(diǎn)，再由上死點(diǎn)時(shí)刻向下返回到下死點(diǎn)的過(guò)程為一個(gè)沖次。在一個(gè)沖次過(guò)程中，以潛油直線電機(jī)動(dòng)子運(yùn)行時(shí)間t為橫軸，以動(dòng)子消耗功率P為縱軸，就可以繪制出一張關(guān)于P-t的閉合曲線。理想條件下，電潛柱塞泵理論示功圖如圖1所示。

圖1 理論示功圖分析

由圖1可知電潛柱塞泵舉升過(guò)程分為4個(gè)階段：

a. 上行程開(kāi)始瞬間，動(dòng)子上多了一個(gè)柱塞截面以上液柱的重力，油管上少了一個(gè)柱塞截面以上液柱的重力，此時(shí)發(fā)生彈性變形，油管與動(dòng)子都縮短。動(dòng)子雖然在上移，但柱塞相對(duì)于泵筒實(shí)際未動(dòng)，即斜直線AB，它表示彈性變形所用的時(shí)間和動(dòng)子電能蓄積的過(guò)程，稱為蓄能線。

b.BC線長(zhǎng)代表上行程柱塞運(yùn)行時(shí)間，B、C點(diǎn)所承受的負(fù)載一樣。如果柱塞上行之前油管內(nèi)已充滿液體，在井口將排出相當(dāng)于柱塞沖程長(zhǎng)度的一段液體。上行程是泵筒吸入液體和井口排出液體的過(guò)程。

c. 在轉(zhuǎn)入下行程的瞬間，固定凡爾關(guān)閉，游動(dòng)凡爾打開(kāi)，柱塞上下連通，原所承受的液柱重力又加在油管上，于是二者又發(fā)生彈性變形，油管與動(dòng)子都伸長(zhǎng)，柱塞相對(duì)于泵筒沒(méi)有移動(dòng)，即斜線CD，它表示彈性形變所用時(shí)間和動(dòng)子電能減少的過(guò)程，稱為卸能線。

d.DA線長(zhǎng)代表下行程時(shí)間(假設(shè)上下行程動(dòng)子位移相等)，DA段動(dòng)子只克服自身重力。下行程柱塞上下連通，柱塞下部液體通過(guò)游動(dòng)凡爾進(jìn)入柱塞上部。下行程是套管內(nèi)液體進(jìn)入柱塞行程段的過(guò)程。

2 實(shí)測(cè)示功圖的繪制

采用db6小波對(duì)f(t)進(jìn)行小波分解，確定分解層數(shù)N=3，使用一維信號(hào)的自動(dòng)消噪函數(shù)wden對(duì)信號(hào)f(t)進(jìn)行消噪。選用長(zhǎng)度對(duì)數(shù)閾值方案，即TPTR=’sqtwolog’，閾值計(jì)算公式為e=sqrt(2×log(length(X))。使用軟閾值函數(shù)對(duì)每一層分解的小波系數(shù)進(jìn)行閾值量化處理，公式為：

最后進(jìn)行小波重構(gòu)，即根據(jù)小波分解的第三層低頻小波系數(shù)和經(jīng)過(guò)閾值化處理后的1～3層高頻小波系數(shù)進(jìn)行離散小波反變換重構(gòu)信號(hào)，達(dá)到消除噪聲的目的，在實(shí)際信號(hào)中恢復(fù)真實(shí)信號(hào)。對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)完成去噪，繪制出實(shí)測(cè)示功圖，去噪結(jié)果如圖2所示，可知實(shí)測(cè)示功圖的去噪效果較好。

a. 去噪前

b. 去噪后

實(shí)測(cè)示功圖是在慣性載荷、振動(dòng)載荷、沖擊載荷及摩擦阻力等因素的綜合影響之下繪制的，因此實(shí)測(cè)示功圖比理論示功圖復(fù)雜得多。電潛柱塞泵動(dòng)子在上、下沖程開(kāi)始時(shí)會(huì)有一個(gè)較大的啟動(dòng)電流，導(dǎo)致功率曲線突變，且有些機(jī)組故障能夠影響動(dòng)子啟動(dòng)電流的大小，所以在分析示功圖時(shí)要熟悉油井的生產(chǎn)規(guī)律及動(dòng)液面特點(diǎn)等信息，這樣才能對(duì)非正常工況進(jìn)行合理判斷，準(zhǔn)確地診斷各種故障。

3 典型故障仿真實(shí)驗(yàn)與特征分析

根據(jù)以上研究，筆者確定了電潛柱塞泵故障診斷室內(nèi)仿真實(shí)驗(yàn)的方案。針對(duì)電潛柱塞泵卡泵、固定凡爾漏失和供液不足3種典型故障，開(kāi)展了大量室內(nèi)跟蹤實(shí)驗(yàn)。使用油井仿真循環(huán)系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，控制單一變量變化，通過(guò)改變機(jī)組工藝結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，該平臺(tái)主要由油井仿真循環(huán)系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)和電潛柱塞泵舉升系統(tǒng)組成。所得示功圖橫坐標(biāo)是采樣點(diǎn)數(shù)，采樣頻率是500Hz，所以每0.002s采集一個(gè)點(diǎn)，每種工況仿真實(shí)驗(yàn)采集500個(gè)沖次下的數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障特征的分析。

3.1 卡泵仿真實(shí)驗(yàn)

通過(guò)在柱塞式抽油泵泵體上安裝螺紋銷釘，實(shí)現(xiàn)電機(jī)往復(fù)運(yùn)行過(guò)程中，柱塞與泵筒某一位置之間發(fā)生卡泵現(xiàn)象?？ū媚M示意圖如圖3所示。

圖3 潛油柱塞泵卡泵模擬示意圖

圖4是機(jī)組卡泵時(shí)所得到的示功圖，可以清晰地看到當(dāng)x=272時(shí)，直線電機(jī)上、下功率急劇增大，泵體振動(dòng)增大，卡泵現(xiàn)象明顯，泵體抖動(dòng)。動(dòng)子行程1.23m，通過(guò)橫坐標(biāo)可以確定卡泵的具體位置，上行程卡泵時(shí)間為0.48s，則上行程速度0.78m/s，卡泵位置為距離下死點(diǎn)0.37m處。

圖4 泵體某一位置卡泵示功圖

3.2 固定凡爾漏失仿真實(shí)驗(yàn)

通過(guò)在固定凡爾座上加工豁口，實(shí)現(xiàn)對(duì)固定凡爾漏失故障的模擬。圖5為機(jī)組正常運(yùn)行和固定凡爾漏失時(shí)示功圖的比較。固定凡爾漏失時(shí)，不影響動(dòng)子上行程運(yùn)行。下行程運(yùn)行開(kāi)始時(shí)，由于固定凡爾漏失，液體由固定凡爾座豁口處流入上死點(diǎn)與游動(dòng)凡爾之間，使游動(dòng)凡爾不能及時(shí)打開(kāi)，延緩了卸能時(shí)間，由圖5可知，當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，橫坐標(biāo)x=850時(shí)開(kāi)始卸能；當(dāng)固定凡爾漏失時(shí)，橫坐標(biāo)x=816時(shí)開(kāi)始卸能，卸能時(shí)間增加了0.07s；且下行程開(kāi)始時(shí)，動(dòng)子啟動(dòng)電流減?。幌滦谐毯蟀攵螘r(shí)柱塞減速，液體繼續(xù)漏出，使游動(dòng)凡爾提前關(guān)閉，動(dòng)子蓄能時(shí)間提前。漏失量越大，現(xiàn)象越明顯。

a. 正常運(yùn)行

b. 固定凡爾漏失

3.3 供液不足仿真實(shí)驗(yàn)

通過(guò)改變油井仿真循環(huán)系統(tǒng)的控制方式，控制進(jìn)水閥門(mén)的開(kāi)關(guān)，使泵體充不滿液，實(shí)現(xiàn)供液不足故障的模擬。當(dāng)供液不足時(shí)，柱塞式抽油泵泵筒內(nèi)液體不能充滿，此時(shí)對(duì)直線電機(jī)動(dòng)子上行程沒(méi)有影響。動(dòng)子下行程開(kāi)始時(shí)，游動(dòng)凡爾不能及時(shí)打開(kāi)，使卸能時(shí)間變長(zhǎng)，卸能過(guò)程滯后，且游動(dòng)凡爾接觸到泵筒內(nèi)液面時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電流波動(dòng)。圖6為正常運(yùn)行和供液不足示功圖，由圖6可知當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，橫坐標(biāo)x=852時(shí)開(kāi)始卸能；當(dāng)機(jī)組供液不足時(shí)，橫坐標(biāo)x=814時(shí)開(kāi)始卸能，卸能時(shí)間增加了0.08s。電潛柱塞泵舉升工藝常見(jiàn)的卡泵(D1)、固定凡爾漏失(D2)和供液不足(D3)3種典型故障室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確率見(jiàn)表1。

a. 正常運(yùn)行

b. 供液不足

表1 典型故障診斷準(zhǔn)確率

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為了驗(yàn)證電潛柱塞泵故障診斷方法現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，針對(duì)油管結(jié)蠟故障進(jìn)行故障檢測(cè)和診斷，開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)某油田采油廠3個(gè)區(qū)塊27口該工藝油井進(jìn)行了診斷。測(cè)試過(guò)程中控制動(dòng)子上頻率、下頻率、柱塞泵沖次一致，準(zhǔn)確記錄每一口井的詳細(xì)井況及井號(hào)等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。數(shù)據(jù)處理與分析過(guò)程中把同類型機(jī)組、井況接近的示功圖進(jìn)行比較分析，對(duì)油管結(jié)蠟故障開(kāi)展合理的分析研究。

油管結(jié)蠟會(huì)縮小油流通道，增大油流阻力，嚴(yán)重時(shí)可將油管全部堵死，迫使油井停產(chǎn)。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，當(dāng)油管內(nèi)壁出現(xiàn)結(jié)蠟現(xiàn)象時(shí)，潛油直線電機(jī)動(dòng)子在往復(fù)運(yùn)行過(guò)程中，井液內(nèi)析出堆積的蠟會(huì)使其增加一個(gè)全程的阻力，使電機(jī)動(dòng)子載荷在整個(gè)過(guò)程中都超過(guò)了最大理論值，示功圖表現(xiàn)出明顯的“肥胖”特征，同時(shí)增加了下行程的振動(dòng)載荷，如圖7所示。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試A區(qū)塊電潛柱塞泵油井的井況和針對(duì)油管結(jié)蠟故障的診斷情況見(jiàn)表2。故障診斷方法現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好，油管結(jié)蠟故障診斷準(zhǔn)確率可達(dá)98%。

a. 油管結(jié)蠟

b. 正常運(yùn)行

表2 某油田采油廠A區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)診斷情況

5 結(jié)束語(yǔ)

提出一種基于間接示功圖測(cè)量的電潛柱塞泵故障診斷方法，采用小波去噪的方法得到了清晰的實(shí)測(cè)示功圖，便于對(duì)機(jī)組非正常工況特征的研究。針對(duì)機(jī)組典型故障的模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試說(shuō)明，間接測(cè)量法得到的電潛柱塞泵示功圖，對(duì)其典型的供液不足和漏失故障特征主要體現(xiàn)在卸能線上；對(duì)卡泵和油管結(jié)蠟故障特征的體現(xiàn)比較明顯，診斷準(zhǔn)確率較高。實(shí)際應(yīng)用效果表明了筆者方法的正確性和可行性，對(duì)這一新型工藝的規(guī)模應(yīng)用和故障診斷方法的深入研究其有積極意義。