螺桿泵采油系統(tǒng)故障診斷理論基礎(chǔ)

1、螺桿泵采油系統(tǒng)故障診斷理論基礎(chǔ)作為越來越受到推崇的螺桿泵采油技術(shù)，其工業(yè)應(yīng)用率在不斷的擴大。目前，各油田的螺桿泵采油所占份額在逐年增加，螺桿泵正在發(fā)揮著巨大的作用。但是，地面驅(qū)動螺桿泵抽油井的設(shè)計理論還不夠完善，礦場生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計及抽汲參數(shù)的選擇等長期處于半經(jīng)驗狀態(tài)，致使油井生產(chǎn)能力得不到充分發(fā)揮，并造成系統(tǒng)資源和能源、人力和物力的浪費。從螺桿泵應(yīng)用于油田現(xiàn)場以來，大批石油技術(shù)人員也進行了螺桿泵的優(yōu)化設(shè)計。但是，這些優(yōu)化設(shè)計主要參考了有桿泵抽油的一些思想，而且多由經(jīng)驗來確定計算模型中的參數(shù)選取，沒有充分考慮螺桿泵的特點，使得螺桿泵優(yōu)化設(shè)計沒有達到很好的效果。但不可否認這些優(yōu)化設(shè)計的思想也為進一步

2、發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。由于螺桿泵采油系統(tǒng)要求的技術(shù)水平較高，因此螺桿泵的設(shè)計和管理不善很容易導致出現(xiàn)故障。目前的故障分析多停留在宏觀井況的基礎(chǔ)上，憑借經(jīng)驗進行感性的判斷，沒有建立類似于有桿泵采油專家系統(tǒng)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型庫，也沒有判斷各種工況界限的標準。所以，現(xiàn)場工人的判斷準確率很低，只能根據(jù)噪音和振動信號來判別，且要求判斷者具有較高的專業(yè)水平和豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗。所以現(xiàn)場管理很不容易，無法高效地進行螺桿泵采油生產(chǎn)。因此，為了實現(xiàn)對螺桿泵采油的科學管理，提高螺桿泵采油的科技含量，達到低投入、高產(chǎn)出、高效益，對螺桿泵的故障診斷和優(yōu)化設(shè)計進一步研究有重大現(xiàn)實意義。2.1技術(shù)方案由于目前螺桿泵采油技術(shù)尚處于新興

3、階段，無論從管理上還是從理論上都不很完善。因此，它的故障診斷主要是經(jīng)過大量的試驗研究和現(xiàn)場測試，根據(jù)螺桿泵的生產(chǎn)資料，通過對比、核對，確定各種螺桿泵工況下的生產(chǎn)參數(shù)特征值。然后采用邏輯診斷，判斷具體油井的生產(chǎn)參數(shù)與各種工況特征值的符合情況，從而判定油井的工作狀態(tài)，進行故障診斷。2.2故障分類從大量的現(xiàn)場生產(chǎn)資料和經(jīng)驗我們發(fā)現(xiàn)，螺桿泵油井經(jīng)常出現(xiàn)的工作狀態(tài)有以下幾種：(1) 油井處于正常的生產(chǎn)狀態(tài)；(2) 抽油桿斷脫；(3) 油管斷脫；(4) 油管漏失嚴重；(5) 油管結(jié)蠟嚴重；(6) 螺桿泵定子脫落；(7) 螺桿泵定子磨損嚴重，油井漏失；(8) 螺桿泵定子溶漲；(9) 工作參數(shù)設(shè)置偏低；(10

4、) 工作參數(shù)設(shè)置偏高。其中，如何判斷油井處于正常的生產(chǎn)狀態(tài)是判斷其他故障的基礎(chǔ)。之所以把油井的正常生產(chǎn)狀態(tài)放在比較重要的位置，是因為在判斷過程中，我們首先需要判斷的是油井是否處于正常的生產(chǎn)狀態(tài)，進而再進一步判斷不正常井的故障類型。故障類型暫時分為9種，一是考慮了現(xiàn)場生產(chǎn)的情況，二是考慮了現(xiàn)在螺桿泵采油的技術(shù)和理論允許和達到的程度。分類過于粗糙，如只分為桿故障、管故障和泵故障，顯然滿足不了現(xiàn)場的需求；分類過于細致，現(xiàn)有的理論還不能滿足，反而導致判斷的不準確，造成經(jīng)濟損失?，F(xiàn)有的幾種故障，能夠大致覆蓋螺桿泵采油的井下故障，而且理論能夠達到，具有較高的精度。2.3故障判斷條件閾值的確定由于螺桿泵采油

5、的故障判斷采用了邏輯判斷的方式，因此判斷條件閾值的確定，更加需要大量的生產(chǎn)資料和理論的支持，下面分別對螺桿泵采油的產(chǎn)量、電流、動液面、軸向力和扭矩進行分析，確定故障判斷條件的閾值。2.3.1 產(chǎn)量故障判斷條件閾值的確定由（418）我們可以得出油井的理論產(chǎn)量qt，此理論產(chǎn)量qt是該油井在機械采油狀態(tài)下的最大產(chǎn)量。但是由于現(xiàn)場普遍采用了注水驅(qū)油或注聚合物驅(qū)油，不可避免在某一口井或者某一口井的某一時期會出現(xiàn)注入量比較大導致的自噴現(xiàn)象，根據(jù)現(xiàn)場127口螺桿泵生產(chǎn)井的統(tǒng)計資料，泵效高于100%的井有16口?？紤]測量不準確等因素的影響，我們把油井產(chǎn)量的上限定為理論產(chǎn)量的1.10倍。同時由于在正常的生產(chǎn)井中

6、，由于油井長期的運轉(zhuǎn)和磨損，以及油井設(shè)計時的螺桿泵型選擇的失誤，產(chǎn)量的正常生產(chǎn)下限定位理論產(chǎn)量的40%。也就是說對于一口正常生產(chǎn)的井，它的產(chǎn)量范圍為理論產(chǎn)量qt的40%110%。低于40%理論產(chǎn)量的井為產(chǎn)量過低井，高于110%理論產(chǎn)量的井泵效過高井，也處于上述9中故障工作狀態(tài)之列。2.3.2 電流故障判斷條件閾值的確定螺桿泵生產(chǎn)的電流是螺桿泵載荷的一個主要表現(xiàn)形式，載荷的大小直接影響電流的大小，因此我們可以由電流來判斷油井載荷的情況。但是，同時影響電流的還有油田電網(wǎng)的相關(guān)情況，因此，準確獲得載荷的大小只能通過儀器的測量。在簡單判斷油井故障狀態(tài)時，電流的參考價值還是比較高的。通過統(tǒng)計大慶油田12

7、7口生產(chǎn)井，分別對不同泵型的井進行測試，并且和采研工作人員進行的電機實驗相結(jié)合，按照常規(guī)的電機效率為30%70%,得出各種常用電機的正常工作電流范圍如下：表 2-1電機額定功率，kw正常工作電流，a3025412220.9331113.118.587.59.213 在油井結(jié)蠟等情況下，油井的電流會有很大的改變。在表21中，電流的范圍是油井正常生產(chǎn)的最低值和最高值，因此當電流高于最高值時，說明油井載荷過大，故障存在。電流低于最低值，說明油井的載荷低于理論載荷，需要進行故障診斷。2.3.3 動液面故障判斷條件閾值的確定油套環(huán)空中動液面的高低反應(yīng)了油井產(chǎn)量與產(chǎn)能的適應(yīng)程度，同時動液面也是保證油井正常

8、生產(chǎn)、螺桿泵正常工作的必要條件。動液面過高說明油井排出能力差，不能最大發(fā)揮油井的產(chǎn)能。動液面過低，說明油井的工作參數(shù)設(shè)置太高，油井供液能力不足。通常情況下，油井的動液面波動還是存在的，但是為了保證油井的正常工作，動液面不能過低。以螺桿泵采油井的下泵深度為依據(jù),介于0.10.8下泵深度的動液面深度視為正常的動液面深度。動液面過高或者過低，都是螺桿泵故障的表現(xiàn)。2.3.4 扭矩和軸向力故障判斷條件閾值的確定扭矩和軸向力是判斷螺桿泵故障的兩個重要條件。作為螺桿泵采油的兩個力學特征值，扭矩和軸向力的判斷條件閾值是相通的。在第四部分我們已經(jīng)建立了抽油桿扭矩和軸向力的數(shù)學模型，這些數(shù)學模型采用了相對簡化的

9、形式，因此計算值與測試值之間會有一定的偏差。因此在采用測試儀器進行測量后的數(shù)值與理論值進行比較時，我們需要對理論值加一個取值范圍。通過反復(fù)的校對、核實和大量測試資料的比較，修正范圍取為0.61.3。高于扭矩理論值的130%，則說明井筒中存在非正常情況的摩擦。低于扭矩理論值的60%，則說明油井載荷損失嚴重，出現(xiàn)了故障。對于軸向力，理論相同。2.4 螺桿泵采油系統(tǒng)的邏輯診斷和閾值診斷油井的工作特征可由若干個選定的特征變量kj（j1，2，n）定性或者定量的表示，即設(shè)備的特征可由特征函數(shù)g（k1，k2kjkn）表示。油井的工作狀態(tài)可由若干個選定的狀態(tài)變量di（i1，2，3，）定性或定量的表示，即設(shè)備的

10、工作狀態(tài)可由特征函數(shù)f（d1，d2djdn）表示。由于油井的工作狀態(tài)和特征不是一一對應(yīng)的，因而要對問題進行仔細的考察，建立一套診斷規(guī)則。顯然，診斷規(guī)則和狀態(tài)間的相互關(guān)系有關(guān)，以函數(shù)e（k1，k2kjkn；d1，d2djdn）表示診斷規(guī)則。油井故障診斷的關(guān)鍵是找到特征、狀態(tài)、診斷規(guī)則三者之間的關(guān)系，從而可根據(jù)診斷規(guī)則由特征函數(shù)推出油井的工作狀態(tài)。根據(jù)診斷規(guī)則的不同，可將油井故障診斷分為三種類型：邏輯診斷、模糊診斷和統(tǒng)計診斷。油井故障診斷過程包括如下步驟：對油井進行測試，取得表征油井狀態(tài)的信號（即參數(shù)），這些信號被稱為初始模式；篩選出有用的特征值，形成待檢模式；將待檢模式與樣板模式對比（故障檔案）

11、，確定故障類型。根據(jù)所用樣板模式的不同，可將診斷分為：閾值診斷、時域波形診斷、頻率特性診斷和指紋診斷。根據(jù)螺桿泵采油的技術(shù)和發(fā)展現(xiàn)狀，其故障診斷采用了邏輯診斷和閾值診斷相結(jié)合的方法。2.4.1 邏輯診斷在邏輯診斷中將特征歸結(jié)為“有”或“無”兩種，油井的狀態(tài)同樣只歸結(jié)為“好”和“壞”兩種（或者成為“無”和“有”某種故障狀態(tài)），即特征和狀態(tài)均采用二值邏輯描述。邏輯診斷簡單明了，應(yīng)用比較廣范。邏輯代數(shù)有一些基本規(guī)則。如邏輯變量x只能取值1或者0（相當于特征的“有”或者“無”，狀態(tài)的“好”與“壞”）。若函數(shù)yf（x1，x2xn）的自變量x1，x2xn和因變量y都是邏輯變量，則它的表達是一種邏輯關(guān)系，被

12、稱為邏輯函數(shù)。最基本的邏輯函數(shù)有：邏輯與、邏輯或和邏輯非。表52為邏輯函數(shù)的真值表。函數(shù)邏輯與邏輯或x10 0 1 10 0 1 1x20 1 0 10 1 0 1y0 0 0 10 1 1 1表22 邏輯函數(shù)真值表邏輯診斷中，油井的特征函數(shù)、診斷規(guī)則、狀態(tài)函數(shù)都是邏輯函數(shù)。油井的故障診斷是由油井的特征g，根據(jù)診斷規(guī)則e，推斷出設(shè)備狀態(tài)f，或者說診斷規(guī)則e應(yīng)能保證由特征g推斷出狀態(tài)f。因此，在邏輯診斷中診斷規(guī)則可用邏輯函數(shù)表達為：eg f這是蘊涵的邏輯關(guān)系。由于g、f的取值都為1，則e的取值也為1，即構(gòu)成診斷規(guī)則時應(yīng)使e1。診斷規(guī)則e由一定數(shù)量的細則e1，e2，es組成，這些細則必定同時存在，

13、即：ee1e2e31綜上所述，邏輯診斷中可由設(shè)備特征g、診斷規(guī)則e求得f，即可判斷出油井的狀態(tài)。fge2.4.2 閾值診斷對油井進行測試，按照所得特征量是否超過規(guī)定閾值來判斷油井工作狀態(tài)的方法稱為閾值診斷。閾值診斷比較簡單，使得它容易推行。當油井的特征量及狀態(tài)比較少且相互間的關(guān)系比較簡單時，進行適當分析，即可作出閾值診斷。但若油井的特征量及狀態(tài)比較多，且相互間的關(guān)系比較復(fù)雜時，借助邏輯運算，有利于作出閾值診斷。2.4.3 螺桿泵采油系統(tǒng)的邏輯診斷和閾值診斷在進行螺桿泵采油系統(tǒng)的故障診斷時，采用了邏輯診斷和閾值診斷相結(jié)合的方法。我們確定了各個工作特征的狀態(tài)變量的閾值，通過進行邏輯診斷的診斷規(guī)則，

14、判斷出油井處于何種工作狀態(tài)。初步統(tǒng)計螺桿泵井的工況特征有10種，即：油井處于正常的生產(chǎn)狀態(tài)；抽油桿斷脫；油管斷脫；油管漏失嚴重；油管結(jié)蠟嚴重；螺桿泵定子脫落；螺桿泵定子磨損嚴重，油井漏失；螺桿泵定子溶漲；工作參數(shù)設(shè)置偏低；工作參數(shù)設(shè)置偏高。每個工作狀態(tài)的狀態(tài)變量分為5種，即：產(chǎn)量、動液面、工作電流、扭矩和軸向力。各種工作狀態(tài)的判斷規(guī)則如表53所示，流程圖如圖5-1所示。圖 2-1 1表2-3 螺桿泵井工況判定規(guī)則工作狀態(tài)狀態(tài)變量產(chǎn)量動液面工作電流測試扭矩測試軸向力邏輯值閾值（以理論產(chǎn)量為標準）邏輯值閾值（以下泵深度為標準）邏輯值閾值（以負載率為1時的電流為準）邏輯值閾值（以扭矩計算值為標準）邏

15、輯值（以軸向力計算值為標準）油井處于正常的生產(chǎn)狀態(tài)1（0.4，1.1）1（0.1，0.8）1（0.3，0.75）0、1（0.8，1.1）0、1（0.8，1.1）抽油桿斷脫1（0，0.4）1（0，0.8）0、1（0，0.3）0、1（0.1，0.8）1（0.1，0.5）油管斷脫1（0，0.4）0、1（0，0.8）1（0，0.3）1（0.1，0.8）0、1（0.1，0.8）油管漏失嚴重0、1（0，0.4）1（0，0.8）0、1（0，0.3）1（0.1，0.8）1（0.1，0.8）油管結(jié)蠟嚴重0、1（0.4，1.1）1（0，0.8）1（0.3，）1（1.1，）0、1（0.1，0.8）螺桿泵定子脫落1（0，0.4）1（0，0.8）1（0，0.