電潛泵故障診斷技術現狀及發展趨勢

王慶龍，柳海嘯，李凌宇，魏舒，李亦白

(1.中海石油(中國)有限公司蓬勃作業公司，天津 300459；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

在油田開采過程中，開采企業會使用大量機械設備，電潛泵是其中重要的組成部分。電潛泵由多個部件構成，結構較為復雜，并且關聯性較強，從而也因此提升電潛泵發生故障問題的概率。由于開采環境復雜，隨著油田開采規模的不斷增加，電潛泵如果發生故障問題，不僅會影響開采效率，而且也會增加維修成本，影響開采企業經濟效益。所以，提升電潛泵故障診斷技術的應用水平，無疑對推動我國原油開采事業發展有著絕對意義。

1 電潛泵基本工作原理

在油田采油階段，電潛泵與離心泵相互配合，從而完成整個采油流程。電潛泵在地層中工作，電流經過電壓器的作用傳遞至電潛泵中，將電能轉換為機械能，帶動電機工作，完成原油的開采與收集。隨后，在壓力作用下，將采集到的原油輸送出地面。為了提升電潛泵的運行質量，關鍵在于如何高精度地完成對電潛泵的控制，并且也要降低電潛泵故障問題的發生頻率，提升電潛泵正常工作時間，將電潛泵的作用最大限度地發揮出來。

2 電潛泵的發展狀況

由于世界經濟的不平衡發展，發達國家與發展中國家的采油工程行業發展也存在差異。作為采油技術最發達的國家，美國的電潛泵技術最為先進，并且技術也更加成熟。與此同時，隨著科學技術的不斷發展，為了滿足不斷提升的采油需求，大排量、高功率、低故障的電潛泵技術成為了今后的重要方向。隨著自動化、智能化、信息化技術的不斷發展，電潛泵還將迎來更大的發展機遇。隨著我國改革開放的不斷深入，我國對于電潛泵的依賴更加顯著，并且也從美國等先進國家進口了大量電潛泵整機與相關設備，在各大油田收獲了不錯的應用效果。以大慶油田為例，電潛泵采油井的比例逐步提升，極大地提升了大慶油田的石油產量，進而提升了大慶油田的經濟效益。從我國引進第一臺電潛泵算起，至今已經有近30多年的發展，隨著我國機械制造技術的不斷提升，電潛泵生產企業數量已經發展到數十家，電潛泵制造技術處于不斷發展的態勢之中，除了要制造高質量的電潛泵及其組件外，還需要在電潛泵故障診斷技術方面下大力氣，快速實現提升電潛泵工作質量。

3 電潛泵故障診斷技術概述

3.1 傳統電潛泵故障診斷方法

通過使用傳統故障診斷方法檢查電潛泵，多使用憋壓診斷法與電流卡片診斷法。所謂電流卡片診斷法，指的是檢查使用電流卡片，對電潛泵是否存在故障問題進行判斷。在電潛泵通電運行后，電流表上的指針會發生偏轉，并在電流卡片中留下一條曲線，根據曲線的變化情況，得出電潛泵是否存在故障。對于憋壓診斷法來說，其操作流程要更加復雜，但是故障準確度要高于前者。在使用憋壓診斷法時，保證電潛泵處于通電運行狀態，關閉井口的生產閥，隨著憋壓時間的增加，井口的油壓也會處于時刻變化狀態，對井口的油壓變化進行監測，完成曲線圖的繪制，隨后根據曲線特征變化情況判斷電潛泵是否存在故障問題。憋壓診斷法的原理為：氣體與液體在油管中呈現混合狀態，如果此時關閉生產閥，氣體由于密度低，則會向油管上部流動，液體沉降至下部，管內壓力增加，隨著管內壓力增加至一定范圍，氣體在油管內的體積會被不斷擠壓，此時壓縮系數會與壓力、時間表現出線性關系，從而判斷電潛泵是否存在故障問題。

3.2 現代電潛泵故障診斷方法

隨著傳統電潛泵故障診斷方法越來越無法滿足油田開采要求，現代電潛泵故障診斷方法也就由此出現。對于現代電潛泵故障診斷方法來說，其主要有三種方式，下面將對此進行詳細闡述：(1)故障樹分析法。故障檢查人員可通過樹形圖，對電潛泵工作情況進行判斷。其中，檢查人員要了解電潛泵的工作原理與實際現場運行數據，羅列出電潛泵各個部件可能存在故障問題的概率，并完成樹形圖的繪制，通過計算與定量分析等方式，判斷電潛泵是否存在故障；(2)模擬數學分析法。利用模糊矩陣分析電潛泵可能出現故障問題的概率，并得出故障的集合；(3)神經網絡分析法。在對電潛泵進行故障診斷時，將電潛泵故障特征值輸入至神經網絡模型之中，通過得到的輸出值明確電潛泵的故障類型。

4 電潛泵故障診斷技術中存在的問題

4.1 傳統電潛泵故障診斷方法中存在的問題

4.1.1 電流卡片診斷方法中存在的問題

同其他方法相比，電流卡片診斷法的適用范圍比較有限，只能解釋一些特征較為明顯的故障問題，無法準確、全面地對整個電潛泵系統進行故障判斷，故障診斷的準確率十分有限。例如，如果需要再次開啟電潛泵時，將會導致故障問題進一步嚴重，無法給予現場檢修人員精準的參考，降低故障檢修效率。

4.1.2 憋壓診斷方法中存在的問題

當使用憋壓診斷方法時，隨著生產閥關閉時間的增加，油井周邊地層壓力也會發生變化。在開啟電潛泵后，地層壓力需要經過很長時間才可恢復至開采要求，極大地影響原油開采效率。另外，憋壓診斷方法屬于間接故障檢測手段，無法直接對電潛泵機組工作情況進行判斷，僅僅是通過曲線特征對電潛泵是否有故障進行推測，故障判斷的準確率達不到當前石油開采的要求，并且測試時間往往比較久。

4.2 現代電潛泵故障診斷技術存在的問題

4.2.1 故障樹診斷方法中存在的問題

計算機分析技術是故障樹診斷方法的重要工具，當電潛泵出現故障問題后，檢修人員可將故障數據輸入至計算機中。與其他診斷方式相比，故障樹診斷方法的運用，可以較為準確地對電潛泵工作情況進行判斷，但是當有局部故障出現時，由于此時數學模型的差異性較大，故障樹診斷法的判斷準確率將會明顯下降。如果電潛泵各個部件之間獨立運轉，故障樹診斷法是最佳的診斷手段。然而，在實際工況條件下，電潛泵在工作時會將各個部件緊密連接在一起，所以也導致故障樹診斷法的應用質量受到影響。定量計算是電潛泵故障樹診斷法應用的重要支撐，并且需要許多數據的收集才可提升定量計算的準確性，從而提升故障判斷的準確率。當電潛泵的運行環境改變，原有數據信息將不具備代表性，需要重新開始數據收集工作，不僅會增加數據收集時間，而且也存在不小的工作量。

4.2.2 模糊數學法診斷中存在的問題

在診斷電潛泵過程中，由于模糊數學法缺乏靈活性，導致無法準確判斷電潛泵的工作狀態，如果電潛泵出現新的故障問題，則模糊數學法的適用性將大幅度下降。其中，只有對故障信息進行歸類統計，通過得到有效的系數，方可將關系矩陣建立起來。如果無法得到新的系數，那么將會導致模糊數學法受到極大的限制，不確定性也就會由此增加。

5 電潛泵故障診斷技術的發展趨勢

油田開采進入中后期，開采難度逐漸增加，現今使用的診斷方式面臨極大的考驗。必須要對診斷技術進行大力創新，提升電潛泵故障診斷的效率與準確性。

5.1 逐步建立并完善在線監測診斷系統

建立可以實時監測機組與地層條件的在線診斷系統，可以對電潛泵在井下的工作狀態進行不間斷的監測，地面人員可通過反饋回的信息了解電潛泵是否存在故障問題，及時針對故障做好應對。一般來說，在電潛泵出現故障前，其通常會正常工作一段時間，將正常工作條件下的參數與故障參數進行對比，可以計算出合理的闕值，當電潛泵某個工作參數的變化幅度高于闕值，在線監測診斷系統便可自動判定電潛泵存在故障，地面人員可進一步對參數指標進行分析，明確故障類型與故障位置，及時制定故障檢修方案。

5.2 借助振動信號完成電潛泵故障診斷

作為一種旋轉機械設備，電潛泵機組的各項功能需要依靠葉輪轉動來實現。如果某個部件發生故障，電潛泵則會出現振動異常，如果振動過大，將會導致部件發生損壞，甚至引發嚴重安全事故。因此，通過對電潛泵振動情況進行監測，可以真實地將電潛泵機組工作狀態反映出來。此外，電潛泵大多在井下工作，振動信號監測也可幫助地面人員了解電潛泵工作狀態，監測手段也更加便捷、實用。

5.3 多種診斷方法結合運用

無論選用何種故障診斷方法，均有其優點與弊端。因此，檢修人員可將現代與傳統診斷方法相結合，汲取各自的優勢，從而形成更加完善的診斷方法，不僅可提升故障診斷方法的適用性，而且故障診斷的準確率也會大幅度提升。對于電流卡片診斷法而言，其缺乏自我學習功能，所以將人工神經網絡與電流卡片診斷法相結合，借助人工神經網絡的存儲與信息處理功能，將電流曲線圖形特征與故障參數兩者的關系輸入至計算機中，由人工神經網絡準確地對電潛泵運行狀態進行判斷。故障樹故障診斷法需要借助統計數據與經驗，分析電潛泵可能發生故障的概率，大部分數據存在一定的不確定性，所以可借助模糊數學分析法對故障樹中的不確定信息進行分析，提升數據的可靠性，避免誤差在統計數據中出現，而且也可確保故障分析結果與實際情況相一致，適應性與靈活性可以得到大幅度提升。

6 結語

在當前經濟形勢下，我國對于石油資源的需求更加迫切。與此同時，隨著石油開采規模的增加，油田開采工況更加復雜，導致電潛泵在實際工作中時常出現故障問題，影響油田開采效率與經濟效益。與此同時，隨著故障診斷技術的不斷發展，診斷準確率與可靠性均比以往有著明顯的改觀，借助現代化技術手段以及將多種診斷方法相結合的模式，不僅可以提升電潛泵故障診斷的準確性，同時也可延長電潛泵正常工作時間。總之，不斷下大力氣研究電潛泵故障診斷技術，并了解故障診斷技術的發展趨勢，對提升電潛泵工作質量與可靠性有著十分重要的意義。