基于間接示功圖測量的電潛柱塞泵故障診斷研究與應用

邵克勇 錢 坤 劉遠紅 張鳳武 蔣召平 吳 寧 張力鵬

(1.東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318；2. 大慶油田有限責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服務中心，河北 廊坊 065000)

電潛柱塞泵是一種新型的無桿采油技術，適用于油田發展中后期的低產低滲油井，具有良好的發展前景[1～4]。由于其在深井中工作環境惡劣，極易帶故障運行，因此尋求一種在機組發生嚴重故障前進行故障檢測和早期診斷的方法，對油田生產具有實際意義。目前無成熟的電潛柱塞泵故障檢測和診斷方法，文獻[5，6]以柱塞泵單個泵缸內的壓力信號作為故障信息，提出一種基于自適應小波神經網絡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對柱塞泵的直接影響，且需在泵缸中安裝傳感器，不便于機組使用；文獻[7]分析了機組在不同工況下的電流特征，提出一種基于支持向量機的工況診斷方法，建立了SVM診斷模型，但現場應用有局限性；在現場通過站在井口“聽”機組振動和觀察電流表指針“抖動”情況，人為判斷故障，準確程度低。示功圖方法在有桿抽油機故障診斷中是十分成熟的技術[8]，但應用于電潛柱塞泵故障診斷尚未見相關報道。由于潛油直線電機動子舉升力與實時位移在井底測量難度很大，不便于實際生產，且機組功率損耗較小，因此筆者提出一種基于間接示功圖測量的機組故障診斷方法，以功率信號作為故障信息，應用小波去噪繪制出清晰的功率-時間示功圖。筆者研究了機組運行機理，在大量模擬實驗和現場測試基礎上，分析示功圖反映的非正常工況的特征，從而實現了機組的有效診斷。

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，是規則的平行四邊形[9]。將動子往復運動過程中最頂端定義為上死點，最底端定義為下死點。定義從一個下死點時刻向上運動至上死點，再由上死點時刻向下返回到下死點的過程為一個沖次。在一個沖次過程中，以潛油直線電機動子運行時間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行時間，B、C點所承受的負載一樣。如果柱塞上行之前油管內已充滿液體，在井口將排出相當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. 在轉入下行程的瞬間，固定凡爾關閉，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入柱塞上部。下行程是套管內液體進入柱塞行程段的過程。

2 實測示功圖的繪制

采用db6小波對f(t)進行小波分解，確定分解層數N=3，使用一維信號的自動消噪函數wden對信號f(t)進行消噪。選用長度對數閾值方案，即TPTR=’sqtwolog’，閾值計算公式為e=sqrt(2×log(length(X))。使用軟閾值函數對每一層分解的小波系數進行閾值量化處理，公式為：

最后進行小波重構，即根據小波分解的第三層低頻小波系數和經過閾值化處理后的1～3層高頻小波系數進行離散小波反變換重構信號，達到消除噪聲的目的，在實際信號中恢復真實信號。對實測數據完成去噪，繪制出實測示功圖，去噪結果如圖2所示，可知實測示功圖的去噪效果較好。

a. 去噪前

b. 去噪后

實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，因此實測示功圖比理論示功圖復雜得多。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，導致功率曲線突變，且有些機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規律及動液面特點等信息，這樣才能對非正常工況進行合理判斷，準確地診斷各種故障。

3 典型故障仿真實驗與特征分析

根據以上研究，筆者確定了電潛柱塞泵故障診斷室內仿真實驗的方案。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，開展了大量室內跟蹤實驗。使用油井仿真循環系統作為實驗平臺，控制單一變量變化，通過改變機組工藝結構的方法進行模擬實驗，該平臺主要由油井仿真循環系統、流量控制系統和電潛柱塞泵舉升系統組成。所得示功圖橫坐標是采樣點數，采樣頻率是500Hz，所以每0.002s采集一個點，每種工況仿真實驗采集500個沖次下的數據，進行故障特征的分析。

3.1 卡泵仿真實驗

通過在柱塞式抽油泵泵體上安裝螺紋銷釘，實現電機往復運行過程中，柱塞與泵筒某一位置之間發生卡泵現象。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是機組卡泵時所得到的示功圖，可以清晰地看到當x=272時，直線電機上、下功率急劇增大，泵體振動增大，卡泵現象明顯，泵體抖動。動子行程1.23m，通過橫坐標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驗

通過在固定凡爾座上加工豁口，實現對固定凡爾漏失故障的模擬。圖5為機組正常運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行。下行程運行開始時，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，當機組正常運行時，橫坐標x=850時開始卸能；當固定凡爾漏失時，橫坐標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，液體繼續漏出，使游動凡爾提前關閉，動子蓄能時間提前。漏失量越大，現象越明顯。

a. 正常運行

b. 固定凡爾漏失

3.3 供液不足仿真實驗

通過改變油井仿真循環系統的控制方式，控制進水閥門的開關，使泵體充不滿液，實現供液不足故障的模擬。當供液不足時，柱塞式抽油泵泵筒內液體不能充滿，此時對直線電機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液面時，會導致電流波動。圖6為正常運行和供液不足示功圖，由圖6可知當機組正常運行時，橫坐標x=852時開始卸能；當機組供液不足時，橫坐標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種典型故障室內模擬實驗的準確率見表1。

a. 正常運行

b. 供液不足

表1 典型故障診斷準確率

4 現場應用

為了驗證電潛柱塞泵故障診斷方法現場應用的實用性和準確性，針對油管結蠟故障進行故障檢測和診斷，開展了現場測試，對某油田采油廠3個區塊27口該工藝油井進行了診斷。測試過程中控制動子上頻率、下頻率、柱塞泵沖次一致，準確記錄每一口井的詳細井況及井號等現場實際情況。數據處理與分析過程中把同類型機組、井況接近的示功圖進行比較分析，對油管結蠟故障開展合理的分析研究。

油管結蠟會縮小油流通道，增大油流阻力，嚴重時可將油管全部堵死，迫使油井停產。實際運行時，當油管內壁出現結蠟現象時，潛油直線電機動子在往復運行過程中，井液內析出堆積的蠟會使其增加一個全程的阻力，使電機動子載荷在整個過程中都超過了最大理論值，示功圖表現出明顯的“肥胖”特征，同時增加了下行程的振動載荷，如圖7所示。

現場測試A區塊電潛柱塞泵油井的井況和針對油管結蠟故障的診斷情況見表2。故障診斷方法現場應用效果較好，油管結蠟故障診斷準確率可達98%。

a. 油管結蠟

b. 正常運行

表2 某油田采油廠A區塊現場診斷情況

5 結束語

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測示功圖，便于對機組非正常工況特征的研究。針對機組典型故障的模擬實驗和現場測試說明，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在卸能線上；對卡泵和油管結蠟故障特征的體現比較明顯，診斷準確率較高。實際應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模應用和故障診斷方法的深入研究其有積極意義。