水基動力無桿抽油機(jī)典型故障診斷的研究現(xiàn)狀

劉嬌，朱春梅，蔣章雷，陳祥臻，卞家磊

（北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測控技術(shù)教育部重點實驗室，北京 100192）

0 引言

目前，國內(nèi)外的機(jī)械采油裝置有有桿泵和無桿泵（電潛泵和水力活塞泵），有桿泵是出現(xiàn)最早的采油裝置，在很大程度上促進(jìn)了石油開采的發(fā)展，但是桿管間的偏磨問題等缺點越來越突出；電潛泵具有結(jié)構(gòu)簡單、排量大等優(yōu)點［1］，但是它不能實現(xiàn)深抽；水力活塞泵下泵的深度不受其井深度的限制，可實現(xiàn)深抽，在一定程度上促進(jìn)了我國機(jī)械采油設(shè)備的發(fā)展，但是水力活塞泵采用純凈原油作為動力液，隨著油田中后期含水的增加，水力活塞泵采油地面脫水工作量日益加大，采油成本越來越高，它們所表現(xiàn)出來的缺點也越來越明顯。而近年來出現(xiàn)的水基動力無桿抽油機(jī)，是利用液體壓力作動力，避免傳統(tǒng)采油設(shè)備的偏磨，采用高壓動力液作為動力源，大大提高了可抽油的深度，實現(xiàn)了深抽甚至是超深抽；水基動力無桿抽油機(jī)是將動力液水和采出來的油液分開的采油設(shè)備，這樣從根本上避免了采油后期因含水多而增加地面脫水工作量的現(xiàn)象。與之前的采油設(shè)備相比，具有明顯的優(yōu)越性。

1 水基動力無桿抽油機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

1.1 水基動力無桿抽油機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成

水基動力無桿抽油機(jī)是利用液體的壓力作為動力的采油設(shè)備。整體設(shè)備是由地面動力站、動力傳輸部分、井下液力抽油系統(tǒng)等3 部分組成［2］。地面的動力站將電動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成液體的壓力能，通過動力傳輸部分傳至井下，借助于抽油系統(tǒng)，將液體的壓力能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，以此來驅(qū)動抽油泵。抽油泵上行靠的是動力液的壓力，下行靠的是井下抽油泵的自重和配重塊的拉力作用。

1）地面動力站。地面液壓驅(qū)動系統(tǒng)是一臺小型液壓工作站，是整套抽油系統(tǒng)的動力及控制核心，其作用是驅(qū)動井下液壓抽油泵柱塞上行做功以實現(xiàn)抽油過程。地面驅(qū)動部分包括：三柱塞泵、地面管路、溢流閥、機(jī)械換向水閥、蓄能器、單流閥、水箱、計量儀表、過濾器、油井井口裝置、控制系統(tǒng)等。

在地面驅(qū)動部分中最主要的就是三柱塞泵，它是采油系統(tǒng)的心臟部分，地面柱塞泵將水箱中的動力液加壓到所需壓力后進(jìn)入地面管路。地面管路主要包括各種元件及裝置之間連接所用的各種不同的管路，主要有金屬硬管和耐壓軟管。換向閥能夠準(zhǔn)確工作是該系統(tǒng)實現(xiàn)地面控制技術(shù)的關(guān)鍵，在地面驅(qū)動系統(tǒng)中對地面液力換向起著關(guān)鍵性的作用。控制系統(tǒng)包括換向閥控制模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測部分、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳部分等，完成系統(tǒng)運行參數(shù)的檢測、換向控制、監(jiān)測參數(shù)遠(yuǎn)程傳輸及發(fā)送故障報警信息等。

2）動力傳輸部分。地面系統(tǒng)輸出的動力液由動力傳輸部分通過動力管線傳輸至井下，保證壓力能夠通過長距離且低損耗傳遞，驅(qū)動井下動力缸做往復(fù)運動，為井下泵提供能量。動力傳輸部分主要包括井口裝置、產(chǎn)出液通道、動力液通道。

3）井下液力抽油系統(tǒng)。井下液力抽油系統(tǒng)是執(zhí)行部件，它由動力缸和抽油泵組成，它是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，抽油泵將井下油液吸入泵內(nèi)，通過管路將油液排到地面。

1.2 工作原理

圖1 是水基動力無桿抽油機(jī)的工作原理圖，水基動力無桿抽油機(jī)依靠動力液的壓力以及配重自重完成抽油和排油的工作過程。

抽油的工作過程為：二位二通電磁閥4 置右位，液壓泵1 打開，動力液通過液壓泵1 和二位二通電磁閥4 回到動力液箱27。將三位四通電磁閥7 置左位，二位二通電磁閥4 置左位，動力液通過液壓泵1、三位四通電磁閥7、雙液控單向 閥8、雙單向節(jié)流閥9 到達(dá)動力油缸11，推動活塞上升，油液箱28 中的油液通過單向閥19 到達(dá)動力油缸11 完成抽油的過程。

排油的工作過程為：二位二通電磁閥4 置右位，液壓泵1 打開，動力液通過液壓泵1 和二位二通電磁閥4 回到動力液箱27。將三位四通電磁閥7 置左位，二位二通電磁閥4 置左位，動力液通過液壓泵1、三位四通電磁閥7、雙液控單向閥8、雙單向節(jié)流閥9 到達(dá)動力油缸11，推動活塞上升，動力油缸的活塞到達(dá)頂部，三位四通電磁閥7置右位，活塞在配重及重力的作用下向下運動，吸入動力缸的油液通過單向閥12 完成排油。

圖1 水基動力無桿抽油機(jī)的工作原理圖

1.3 水基動力無桿抽油機(jī)的優(yōu)點

1）液壓傳動效率高。與同采液量、同下泵深度的常規(guī)游梁式抽油機(jī)相比節(jié)能可達(dá)20%～30%；

2）通過調(diào)節(jié)動力泵排量可方便調(diào)節(jié)井下抽油泵沖次，實現(xiàn)抽油井無級調(diào)參；

3）井下抽油泵全行程工作，無抽油桿拉伸帶來的沖程損失，與常規(guī)抽油泵相比泵效可提高15%以上；

4）水基動力液在密閉系統(tǒng)中循環(huán)，并驅(qū)動井下抽油泵工作，不與井下產(chǎn)出液摻混，大大降低了運行成本；

5）水基動力無桿抽油系統(tǒng)實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控，系統(tǒng)運行參數(shù)通過GSM 網(wǎng)絡(luò)和INTER 網(wǎng)實時傳送到中心控制室；現(xiàn)場運行參數(shù)超限時，監(jiān)控系統(tǒng)會及時給管理人員的手機(jī)上發(fā)送故障報警信息。

2 研究現(xiàn)狀及難點

2.1 典型故障分析

水基動力無桿抽油機(jī)是近幾年發(fā)展起來的采油設(shè)備，在實際的運行中存在著許多的故障。但是，由于缺乏長期的運行數(shù)據(jù)，所以對水基動力無桿抽油機(jī)的故障庫建立還不夠完善。我們根據(jù)水基動力無桿抽油機(jī)的工作機(jī)理，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)，總結(jié)了水基動力無桿抽油機(jī)地面設(shè)備和井下的典型故障。地面設(shè)備典型故障主要有液壓站故障和井口故障。水基動力無桿抽油機(jī)井下的典型故障主要有動力缸故障、抽油泵故障和配重塊故障。具體故障見表1。

表1 水基動力無桿抽油機(jī)的典型故障表

2.2 故障診斷方法研究

結(jié)合水基動力無桿抽油機(jī)的工作機(jī)理和現(xiàn)場的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)水基動力無桿抽油機(jī)的故障具有明顯的隨機(jī)性、非平穩(wěn)性、非線性、隱蔽性等特點，這使得對于水基動力無桿抽油機(jī)的故障診斷十分困難。而基于分形盒維數(shù)的水基動力無桿抽油機(jī)故障診斷方法，基于動力缸運動方程的水基動力無桿抽油機(jī)故障診斷方法，以及對水基動力無桿抽油機(jī)動力學(xué)特性的分析研究，成功地彌補了對水基動力無桿抽油機(jī)故障診斷方法的空缺。由于水基動力無桿抽油機(jī)缺乏長期的運行數(shù)據(jù)，故障數(shù)據(jù)庫建立還不完善。因此，針對小樣本、非線性事件，積極研究基于支持向量機(jī)的水基動力無桿抽油機(jī)的故障診斷方法和基于隱馬爾科夫的水基動力無桿抽油機(jī)的故障診斷方法，將這兩種診斷方法應(yīng)用于水基動力無桿抽油機(jī)的故障診斷中，目前還在研究中。

2.2.1 基于動力缸運動方程的水基動力無桿抽油機(jī)故障診斷方法

基于動力缸運動方程的水基動力無桿抽油機(jī)故障診斷方法，采用流量和壓力信號，根據(jù)受力方程和波動方程，推導(dǎo)了水基動力無桿抽油機(jī)動力缸運動方程，并求解了動力缸運動方程。研究了動力缸運動方程中相關(guān)參數(shù)變化與井下故障的映射關(guān)系，研究表明在不同工作狀態(tài)下，動力缸運動方程系數(shù)的變化與井下故障有明確的對應(yīng)關(guān)系，以此證明了基于動力缸運動方程的故障診斷方法應(yīng)用于水基動力無桿抽油機(jī)具有可行性。

2.2.2 水基動力無桿抽油機(jī)的動力學(xué)特性的研究

對水基動力無桿抽油機(jī)建立其有限元分析模型，基于流體動力學(xué)原理和結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理，使用流-固耦合方法，借助有限元分析軟件對水基動力無桿抽油機(jī)動力缸及動力液的動力學(xué)特性進(jìn)行了研究。表明動力缸運行過程中動力液流動較穩(wěn)定，僅在換向時存在較大壓力波動，并且會產(chǎn)生較大振動，因此對壓力信號進(jìn)行分析時，應(yīng)選用平穩(wěn)區(qū)段的信號，忽略掉加載時的信號；當(dāng)壓力和流量升高時，動力缸的最大應(yīng)力也隨之增大，且變化趨勢呈現(xiàn)一定的非線性。

2.2.3 基于分形盒維數(shù)的水基動力無桿抽油機(jī)故障診斷方法

由于水基動力無桿抽油機(jī)的故障具有明顯的非線性、非平穩(wěn)性、隨機(jī)性等特點，使得對于水基動力無桿抽油機(jī)的研究只能采用非線性、非平穩(wěn)信號分析方法。基于非線性理論的分形理論，研究了基于分形盒維數(shù)的水基動力無桿抽油機(jī)故障診斷方法。構(gòu)建了含有隨機(jī)信號的等效理論示功圖，運用分形盒維數(shù)方法對構(gòu)建的理論示功圖求取分形盒維數(shù)，得到了不同工作狀況下分形盒維數(shù)的變化范圍。并以得到的分形盒維數(shù)分布作為判據(jù)，對等效理論示功圖進(jìn)行了快速自動識別和故障診斷。

在以往的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷理論研究中，多是假設(shè)被分析與處理的信號具有線性、平穩(wěn)性等特征，并在此基礎(chǔ)上形成了完整的理論體系和方法［3-4］。但是，在實際應(yīng)用中，結(jié)果卻是差強(qiáng)人意，實際中的信號往往是非線性、非平穩(wěn)的，在一定程度上影響到水基動力無桿抽油機(jī)診斷技術(shù)的發(fā)展。

2.2.4 水基動力無桿抽油機(jī)故障診斷的難點

1）故障機(jī)理研究不足。故障機(jī)理是指通過理論或大量的試驗分析，得到反映設(shè)備故障狀態(tài)信號與設(shè)備系統(tǒng)參數(shù)之間的規(guī)律［5］，而水基動力無桿抽油機(jī)是近年來發(fā)展起來的采油設(shè)備，數(shù)據(jù)庫建立不夠完善，對水基動力無桿抽油機(jī)的故障機(jī)理研究還不足。故障機(jī)理研究是故障診斷的理論基礎(chǔ)，故障機(jī)理研究不足就阻礙了對水基動力無桿抽油機(jī)的故障診斷方法的研究。

2）故障診斷方法有限。機(jī)械設(shè)備診斷首先要分析設(shè)備運轉(zhuǎn)中所獲取的各種信號，然后提取信號中的各種特征信息，從中獲取與故障相關(guān)的征兆，最終利用征兆進(jìn)行故障診斷［6］。而水基動力無桿抽油機(jī)的故障具有隨機(jī)性、非平穩(wěn)性、非線性、隱蔽性等特點，使得對于水基動力無桿抽油機(jī)的故障診斷十分困難。

3）智能診斷系統(tǒng)薄弱。目前智能診斷系統(tǒng)的診斷能力還比較薄弱，雖然可采用人工智能診斷方法，但大部分智能方法都需要滿足一定的假設(shè)條件和人為設(shè)置一定的參數(shù)，因此研究中通過仿真驗證故障診斷算法的較多［7］。于是智能診斷方法往往給人留下“黑匣子”和“因人而異”的印象，診斷方法的推廣性得不到很好的驗證［8］。這也就是說，要真正實現(xiàn)智能診斷，只靠單純一兩種方法是很難滿足要求的，其應(yīng)用也會有一定局限。加之水基動力無桿抽油機(jī)成熟可行的故障診斷方法尚且不多，所以對水基動力無桿抽油機(jī)的智能診斷還比較薄弱。

綜合上述水基動力無桿抽油機(jī)研究存在的問題，總結(jié)起來有以下特點：研究故障表象多，研究故障機(jī)理少；研究單一方法多，研究綜合診斷少；研究部件故障多，研究系統(tǒng)故障少；研究顯著故障多，研究微弱故障少。為此，對水基動力無桿抽油機(jī)的研究要實現(xiàn)由表象研究到機(jī)理研究的突破，實現(xiàn)由單故障研究到群故障研究的突破，實現(xiàn)由超強(qiáng)故障研究到微弱故障研究的突破［9］。

3 測試診斷儀的研究

3.1 硬件部分

測試診斷儀是專門針對水基動力無桿抽油機(jī)而設(shè)計的，主要由PCM-9362 型嵌入式主板，數(shù)據(jù)采集卡接線板、穩(wěn)壓變壓器、觸摸屏控制板、電池、兩路同步采集卡，磁盤陣列和MP426 多通道數(shù)據(jù)采集卡組成，如圖2 所示。

圖2 測試診斷儀內(nèi)部元件的關(guān)系連接圖

處理器是系統(tǒng)的核心，經(jīng)過多種型號CPU 的比較，最終選用研華PCM-9362 型嵌入式主板，配合使用Atom（凌動）N2600 雙核CPU，這樣可以滿足在惡劣環(huán)境下采集信號信噪比較高的要求。而且與采集卡之間采用USB連接，通信簡單，信號的實時性比較好。

系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)需要存儲起來，本系統(tǒng)中采用固態(tài)磁盤陣列對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，磁盤陣列相對于普通硬盤讀寫速度快，緩存空間大、抗震性好，可用于振動明顯且磁場較強(qiáng)的環(huán)境中，適應(yīng)野外油田井口的工作環(huán)境。

3.2 軟件部分

此測試診斷儀能夠?qū)λ鶆恿o桿抽油機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，它是通過高度集成的數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)主板對無桿抽油機(jī)的地上設(shè)備振動、動力液壓力和流量、動力液溫度以及伺服電機(jī)電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和存儲，并運用非線性信號分析理論，通過編制的軟件進(jìn)行快速自動識別和診斷，以實現(xiàn)判斷當(dāng)前設(shè)備工作狀況的功能。圖3 為測試診斷儀的監(jiān)測界面。

圖3 測試診斷儀的監(jiān)測界面

圖4 測試診斷儀的故障診斷評價等級界面

當(dāng)出現(xiàn)故障時，還能對故障進(jìn)行等級評價及報警，將故障診斷結(jié)果發(fā)送到工作人員的手機(jī)上，以便于井上工作人員針對不同的故障采取不同的應(yīng)急措施和防范行為，圖4 為測試診斷儀的評價等級圖。

數(shù)據(jù)管理中可以隨時調(diào)取歷史數(shù)據(jù)，以便于井上工作人員查看設(shè)備運行的歷史數(shù)據(jù)。水基動力無桿抽油機(jī)作為一種近年發(fā)展起來的新型采油設(shè)備，對其狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷則較少涉及。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，安全生產(chǎn)工作在石油產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展中日益重要，抽油機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷就越來越重要。

4 結(jié)語

國內(nèi)的抽油設(shè)備將向著高度自動化、智能化、結(jié)構(gòu)簡潔化、高可靠性、大功率、大排量、深抽和超深抽的方向努力發(fā)展［10］；國外抽油機(jī)向著超大載荷、長沖程、低沖次；自動化、智能化；高效節(jié)能；高適應(yīng)性；無游梁長沖程、大型化方向發(fā)展。水基動力無桿抽油機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)深抽甚至超深抽，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，具有高效節(jié)能的特點，必將在國內(nèi)、國際采油市場占據(jù)一席之地。

水基動力無桿抽油系統(tǒng)以其特有的結(jié)構(gòu)和采油方式，一舉解決了傳統(tǒng)技術(shù)存在的偏磨問題，相對于有桿泵和無桿泵采油設(shè)備，它還具有橇裝化、占地面積小、降低能耗、平穩(wěn)可靠、泵效高等優(yōu)點。這使它在面對傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)和無桿泵采油設(shè)備時，也有著極大的技術(shù)優(yōu)勢。所以水基動力無桿抽油機(jī)必將極大地改變目前的抽油機(jī)市場格局，開辟一塊新的抽油技術(shù)領(lǐng)域。

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