基于間接示功圖測量的電潛柱塞泵故障診斷研究與應(yīng)用

邵克勇 錢 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)行故障檢測和早期診斷的方法，對油田生產(chǎn)具有實(shí)際意義。目前無成熟的電潛柱塞泵故障檢測和診斷方法，文獻(xiàn)[5，6]以柱塞泵單個泵缸內(nèi)的壓力信號作為故障信息，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，但其僅針對柱塞泵本身提出，沒有考慮潛油直線電機(jī)對柱塞泵的直接影響，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)場應(yīng)用有局限性；在現(xiàn)場通過站在井口“聽”機(jī)組振動和觀察電流表指針“抖動”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相關(guān)報道。由于潛油直線電機(jī)動子舉升力與實(shí)時位移在井底測量難度很大，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量的機(jī)組故障診斷方法，以功率信號作為故障信息，應(yīng)用小波去噪繪制出清晰的功率-時間示功圖。筆者研究了機(jī)組運(yùn)行機(jī)理，在大量模擬實(shí)驗和現(xiàn)場測試基礎(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]。將動子往復(fù)運(yùn)動過程中最頂端定義為上死點(diǎn)，最底端定義為下死點(diǎn)。定義從一個下死點(diǎn)時刻向上運(yùn)動至上死點(diǎn)，再由上死點(diǎn)時刻向下返回到下死點(diǎn)的過程為一個沖次。在一個沖次過程中，以潛油直線電機(jī)動子運(yùn)行時間t為橫軸，以動子消耗功率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程分為4個階段：

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

b.BC線長代表上行程柱塞運(yùn)行時間，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程。

c. 在轉(zhuǎn)入下行程的瞬間，固定凡爾關(guān)閉，游動凡爾打開，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，油管與動子都伸長，柱塞相對于泵筒沒有移動，即斜線CD，它表示彈性形變所用時間和動子電能減少的過程，稱為卸能線。

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

2 實(shí)測示功圖的繪制

采用db6小波對f(t)進(jìn)行小波分解，確定分解層數(shù)N=3，使用一維信號的自動消噪函數(shù)wden對信號f(t)進(jìn)行消噪。選用長度對數(shù)閾值方案，即TPTR=’sqtwolog’，閾值計算公式為e=sqrt(2×log(length(X))。使用軟閾值函數(shù)對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，達(dá)到消除噪聲的目的，在實(shí)際信號中恢復(fù)真實(shí)信號。對實(shí)測數(shù)據(jù)完成去噪，繪制出實(shí)測示功圖，去噪結(jié)果如圖2所示，可知實(shí)測示功圖的去噪效果較好。

a. 去噪前

b. 去噪后

實(shí)測示功圖是在慣性載荷、振動載荷、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)測示功圖比理論示功圖復(fù)雜得多。電潛柱塞泵動子在上、下沖程開始時會有一個較大的啟動電流，導(dǎo)致功率曲線突變，且有些機(jī)組故障能夠影響動子啟動電流的大小，所以在分析示功圖時要熟悉油井的生產(chǎn)規(guī)律及動液面特點(diǎn)等信息，這樣才能對非正常工況進(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)驗的方案。針對電潛柱塞泵卡泵、固定凡爾漏失和供液不足3種典型故障，開展了大量室內(nèi)跟蹤實(shí)驗。使用油井仿真循環(huán)系統(tǒng)作為實(shí)驗平臺，控制單一變量變化，通過改變機(jī)組工藝結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行模擬實(shí)驗，該平臺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采集一個點(diǎn)，每種工況仿真實(shí)驗采集500個沖次下的數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障特征的分析。

3.1 卡泵仿真實(shí)驗

通過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)行過程中，柱塞與泵筒某一位置之間發(fā)生卡泵現(xiàn)象。卡泵模擬示意圖如圖3所示。

圖3 潛油柱塞泵卡泵模擬示意圖

圖4是機(jī)組卡泵時所得到的示功圖，可以清晰地看到當(dāng)x=272時，直線電機(jī)上、下功率急劇增大，泵體振動增大，卡泵現(xiàn)象明顯，泵體抖動。動子行程1.23m，通過橫坐標(biāo)可以確定卡泵的具體位置，上行程卡泵時間為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

通過在固定凡爾座上加工豁口，實(shí)現(xiàn)對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示功圖的比較。固定凡爾漏失時，不影響動子上行程運(yùn)行。下行程運(yùn)行開始時，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)與游動凡爾之間，使游動凡爾不能及時打開，延緩了卸能時間，由圖5可知，當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行時，橫坐標(biāo)x=850時開始卸能；當(dāng)固定凡爾漏失時，橫坐標(biāo)x=816時開始卸能，卸能時間增加了0.07s；且下行程開始時，動子啟動電流減小；下行程后半段時柱塞減速，液體繼續(xù)漏出，使游動凡爾提前關(guān)閉，動子蓄能時間提前。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

通過改變油井仿真循環(huán)系統(tǒng)的控制方式，控制進(jìn)水閥門的開關(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，柱塞式抽油泵泵筒內(nèi)液體不能充滿，此時對直線電機(jī)動子上行程沒有影響。動子下行程開始時，游動凡爾不能及時打開，使卸能時間變長，卸能過程滯后，且游動凡爾接觸到泵筒內(nèi)液面時，會導(dǎo)致電流波動。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，橫坐標(biāo)x=852時開始卸能；當(dāng)機(jī)組供液不足時，橫坐標(biāo)x=814時開始卸能，卸能時間增加了0.08s。電潛柱塞泵舉升工藝常見的卡泵(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)驗的準(zhǔn)確率見表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)場應(yīng)用

為了驗證電潛柱塞泵故障診斷方法現(xiàn)場應(yīng)用的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，針對油管結(jié)蠟故障進(jìn)行故障檢測和診斷，開展了現(xiàn)場測試，對某油田采油廠3個區(qū)塊27口該工藝油井進(jìn)行了診斷。測試過程中控制動子上頻率、下頻率、柱塞泵沖次一致，準(zhǔn)確記錄每一口井的詳細(xì)井況及井號等現(xiàn)場實(shí)際情況。數(shù)據(jù)處理與分析過程中把同類型機(jī)組、井況接近的示功圖進(jìn)行比較分析，對油管結(jié)蠟故障開展合理的分析研究。

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

現(xiàn)場測試A區(qū)塊電潛柱塞泵油井的井況和針對油管結(jié)蠟故障的診斷情況見表2。故障診斷方法現(xiàn)場應(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)場診斷情況

5 結(jié)束語

提出一種基于間接示功圖測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)測示功圖，便于對機(jī)組非正常工況特征的研究。針對機(jī)組典型故障的模擬實(shí)驗和現(xiàn)場測試說明，間接測量法得到的電潛柱塞泵示功圖，對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。