基于動力學方程的水基動力無桿抽油機井下故障診斷方法研究

朱春梅，呂俊燕,2，陳祥臻,2，胡金鵬,2

（1.北京信息科技大學 機電工程學院，北京 100192；2.現代測控教育部重點實驗室，北京 100192）

基于動力學方程的水基動力無桿抽油機井下故障診斷方法研究

朱春梅1，呂俊燕1,2，陳祥臻1,2，胡金鵬1,2

（1.北京信息科技大學 機電工程學院，北京 100192；2.現代測控教育部重點實驗室，北京 100192）

水基動力無桿抽油機是一種新型的抽油裝置，對其開展故障診斷工作具有重要的意義。分析了水基動力無桿抽油機動力缸受力情況，建立了動力缸運動學方程，研究了動力缸運動方程中的參數變化與井下典型故障的映射關系，提出了運用動力缸運動方程組合系數的變化進行水基動力無桿抽油機故障診斷的方法。研究結果表明在不同工作狀態下，動力缸運動方程系數的變化與井下故障有明確的對應關系，可以做到對于水基動力無桿抽油機幾個典型故障的定性診斷，并能在一定程度上對于故障類型做出判斷。研究結果對于水基動力無桿抽油機的故障診斷工作有工程實踐意義，并對后續研究工作的參考價值。

水基動力無桿抽油機；運動方程；故障診斷

0　引言

在油田開發過程中，選擇合理的采油方式可以充分發揮油井產能，提高采收效率和降低生產成本。在深井、超深井、斜井、方向井、粘油井、多蠟井等有一定開采難度的油田中，常規的采油方式的采油效果不佳[1～3]。而水基動力無桿抽油機不借助于抽油桿柱來傳遞動力，特別適用于進行上類油井的開采。其研制對于解決有一定開采難度的油井的開采具有重要意義。

由于水基動力無桿抽油機是一類新型的抽油裝置[4～6]，尚未大規模用于油井開采，對于其故障方法的研究工作還有待深入進行。

本文建立了水基動力無桿抽油井下關鍵部分的動力學方程，并在動力學方程的基礎上對其井下典型故障進行了診斷。

1　無桿抽油機工作原理

水基動力無桿抽油系統包括地面動力站和井下液力抽油系統兩大部分，采用液動力傳動原理，由一臺地面動力站通過水基動力液驅動井下液壓抽油泵工作。上行時由地面動力站通過中心油管向井下提供高壓動力液，推動井下動力缸上行，通過液力舉升產液；下行時中心油管與水箱連通，動力缸在配重及油管內產液作用下下行，完成吸液過程，動力缸上下往復循環完成采油。其原理如圖1所示。

圖1　水基動力無桿抽油系統結構原理圖

水基動力無桿抽油機的井下動力缸是其工作的核心部件，通過分析其動力學方程，可以了解水基動力無桿抽油機的工作狀態，尤其是對井下的工作狀態進行直觀的了解，因此本文選擇針對井下動力缸進行研究。井下動力缸主要完成兩大功能，將井下產液吸入抽油泵內，將產液通道內的產液舉升至井口，其結構主要包括可上下運動的動力缸和單活塞驅動的桿式抽油泵，井下動力缸的結構如圖2所示。

圖2　井下液力抽油泵系統結構示意圖

2　無桿抽油機動力缸受力分析[7～10]

為了分析井下動力缸的運動方程，首先必須知道井下的受力情況。根據動力缸的結構對動力缸進行受力分析，在分析過程中，適當忽略管間摩擦等相對微小的力的影響，以便達到簡化模型的目的。得到動力缸的受力分析圖3所示。

圖3　上沖程動力缸受力分析圖

圖4　下沖程動力缸受力分析圖

圖中運動部件的重力為G，動力液的壓力為F1，粘性流體阻力為F2，產出液的作用力為F3。

2.1動力缸中動力液的壓力計算

動力液在沖程中，通過動力管時其輸出壓強經過動力液管的傳輸會產生壓力損失，產生的壓力損失包括沿程壓力損失和局部壓力損失。同時泵深液柱在動力缸頂部產生的壓力會與動力液一起推動動力缸上行。沿程壓力損失計算如式(1)所示：

式中：λ為沿程阻力系數，與Re（雷諾數）有關；

L為管路長度（m）；

u為平均流速（m/s）；

p為液體密度（kg/m3）；

d為管路內徑（m）；

g為重力加速度（m/s2）。

局部壓力損失計算如式(2)所示：

式中：u1為擴張之前的流速；

u2為擴張之后的流速。

液柱產生的壓強如式(3)所示：

動力液作用面積如式(4)所示：

式中：D為動力缸內徑(m)；

d2為活塞桿外徑(m)。

推導得動力液的壓力如式(5)所示：

2.2動力缸受到的阻力計算

動力缸在上沖程中受到阻力包括：運動部件的重力、粘性流體對動力缸等部件的阻力。

運動部件的重力隨動力缸一起上行的零部件主要包括：缸體上接頭、動力缸、動力缸下接頭、配重、抽油柱塞、下游動閥座接頭等。其零部件的總質量為，則運動件的重力為：

動力缸的實際運動過程中，產液在管道中流動會產生粘性流體阻力，粘性流體阻力動力缸受到的粘性流體阻力F2計算如式(6)所示：

2.3外部油液對缸體的向下的作用力

油液會作用在動力缸外徑與活塞桿外徑之間的環形面積上，其作用力如式(7)所示：

式中：P3為外部油液壓強；

A2為環形面積。

3　動力缸運動方程

通過以上對動力缸的受力分析，推導得出運動方程如式(8)所示：

整理得：

式中：U為動力缸的運動位移量。

動力缸上沖程的運動方程普遍形式如式(11)所示：

通過參數的設立，使動力缸的運動方程得以簡化，具有普遍性，便于后續的理論分析。

通常工況條件下F1、F3的數量級都為m的一百倍以上，導致參數b的數值敏感于F1、F3，而參數b的數值又直接影響著動力缸的位移，因此F1、F3的計算的精確與否對于動力缸運動方程求解結果具有非常顯著的影響。

4　基于動力缸運動方程的故障診斷方法研究

為了便于對上下沖程運動方程進行分析，將上下沖程的運動學方程分別記為：以及由推導過程知：a為粘性阻尼系數，與動力液的流量成正比例關系；b，c為常數項，與動力液的壓力F1（F'1）、運動部件的重力G、外部油液的壓力F3有密切的關系，實際計算中可以發現，F1（F'1）、F3的數量級均為的一百倍，而G與m之間是固定的比例系數重力加速度g，因此，F1（F'1）、F3的變化對b，c的影響非常明顯。F1（F'1）、F3計算的準確性對分析結果的正確與否有著至關重要的作用，故將b，c兩個系數分別定義為上下沖程運動參數的“敏感因子”。

將動力學方程簡化為以上形式，可以發現系數a、b、c的不同取值反映了水基動力無桿抽油機的不同運行狀態，可將系數a、b、c設為“第三因子”，通過研究a、b、c的取值，如果能找出動力缸運動方程與不同故障之間的映射關系，就能對水基動力無桿抽油機進行有效的故障診斷。基于以上思路，分別選取動力液管漏失、動力缸卡堵、配重的磨損、出油口堵塞這幾種典型故障進行診斷研究。

由于水基動力無桿抽油機井下故障所需的井下狀態信號無法從深井直接采集得到，可以通過采集井上信號，并建立井上井下信息的映射關系來間接獲得井下運行情況。本文通過采集壓力信號間接獲得井下動力缸的受力情況，采集流量信號間接獲得動力缸的位移情況。研究所用數據采用某油田所裝備的水基動力無桿抽油機的的實際數據。通過動力學方程得到的幾種故障分別對應的a、b、c三個參數的范圍如表1所示。

表1　參數與故障之間的對應關系表（括號內為正常值）

正常工作狀態下參數a約為2.62，參數b約為1.33參數c約為18.4。從表中可以看出，在不同的故障狀態下，參數a、b、c的取值不同，可以作為對于水基動力無桿抽油機的故障進行定性診斷的依據。

同時，在不同故障狀態下，參數a、b、c的取值范圍也各不相同。

動力液管漏失時，動力液的流量變小，動力缸的沖程時間變長，斷面平均流速u2變小，雷諾數Re變小，最終導致粘性阻尼系數變大，即a值變大；動力液壓力F1減小，b減小，當漏失情況較為嚴重時，動力液不能驅動動力缸運行，此時b減小到0；動力液管漏失不會影響下行程系數c，因此c的值不會變化。

動力缸卡堵時，動力缸上沖程受到阻力變大，會延長上沖程時間，斷面平均流速u2變小，雷諾數Re變小，最終導致粘性阻尼系數變大，即a值變大，但與上一種情況動力液管漏失相比，動力缸卡堵對參數a值的影響

【】【】要小的多；動力缸在運行過程中受到的阻力變大，上下沖程的阻力都會增大，參數b、c的值都會減小。

配重的磨損時，配重的磨損會使上沖程時間變短，斷面平均流速u2變大，雷諾數Re變大，最終導致粘性阻尼系數變小，即a值變小；根據計算b、c的式子很容易可以得出，m為分母，b、c的值都會變大。

出油口堵塞時，會使產液對于動力缸的壓力增大，動力缸上沖程受阻，延長上沖程時間，導致粘性阻尼系數變大，即a值變大；上沖程過程中排液受阻，外部油液對動力缸的阻力增大，b減小；出油口堵塞不會影響下行程系數c，因此c的值不會變化。這種情況與動力液管漏失相類似。

通過理論分析并對比以上三種故障狀態的a、b、c的值可知，動力液管漏失、動力缸卡堵、配重的磨損這三種故障可以通過對比參數區分，但“敏感因子”b、c計算的準確與否對實驗結果非常重要。出油口堵塞狀態故障參數與動力液管漏失狀態故障的參數非常接近，很難單憑參數來區分這兩種故障。另外，固定凡爾的漏失與堵塞、游動凡爾的漏失與堵塞在動力缸的運動學方程中很難準確的體現出來，故這兩種故障也不能通過參數變化來判斷。

5　結束語

本文分析了水基動力無桿抽油機動力缸受力情況，建立了動力缸運動學方程，研究了動力缸運動方程中的參數變化與井下典型故障的映射關系，提出了運用動力缸運動方程組合系數的變化進行水基動力無桿抽油機故障診斷的方法。研究結果表明在不同工作狀態下，動力缸運動方程系數的變化與井下故障有明確的對應關系，可以做到對于水基動力無桿抽油機幾個典型故障的定性診斷，并能在一定程度上對于故障類型做出判斷。

本文的研究成果對于水基動力無桿抽油機的狀態維護具有重要的意義。由于對于水基動力無桿抽油機開展的故障診斷工作還處于初期，本文所做的研究工作都是從零開始，其研究還有待進一步的進行，研究成果對于后續的工作將的一定的參考意義。

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Study on the downhole fault diagnosis method of the water-based dynamic rodless pumping unit based on the dynamic equation

ZHU Chun-mei1, LYU Jun-yan1,2, CHEN Xiang-zhen1,2, HU Jin-peng1,2

TE933

A

1009-0134(2016)02-0048-04

2015-11-19

國家自然科學基金資助項目（51275052）；北京市自然科學基金重點項目（3131002）；北京市教委科研計劃重點項目（KZ201311232036）

朱春梅（1971 -），重慶人，副教授，博士，主要從事機電系統故障診斷及趨勢預示相關理論及技術研究。