（信号与信息处理专业论文）电动潜油螺杆泵工况诊断方法研究.pdf

摘要 电动潜油螺杆泵因其能耗小、占地面积小的优点及其在水平井、斜井j 含砂井开采 中的独特优势，在我国采油行业获得了较快的推广。然而，目前由于不能及时准确诊断 机组工况，影响了机组寿命和生产效益，限制了电动潜油螺杆泵的进一步推广。本文根 据电动潜油螺杆泵油井安全、高效生产的需要，对电动潜油螺杆泵工况诊断方法进行了 研究。论文研究完成的主要工作如下： 提出了电动潜油螺杆泵工况诊断系统的设计方案。从原理及结构的角度对电动潜油 螺杆泵系统进行了简要介绍，并结合其特点及现状，分析了螺杆泵常用的工况诊断技术， 确定了电动潜油螺杆泵工况诊断系统的参数和方法。 实现了基于m a t l a b 的电动潜油螺杆泵电参数状态识别和三相异步电机转速辨识建 模仿真分析。提出了基于支持向量机( s v m ) 的多类分类算法，并根据分类目标不同对 分类器进行分组研究，利用潜油电机实验数据完成了分类器的训练及测试。根据m r a s 理论建立s i m u l i n k 电机转速辨识模型，提出了利用辨识结果进行螺杆泵机组相关参数的 计算、分析方法。 进行了工况的推理规则设计。通过多角度分析电动潜油螺杆泵典型工况的特征，采 用逻辑判别的思想，根据主要参数状态与系统工况的关系，对电动潜油螺杆泵典型工况 的推理规则进行了设计。 完成了基于v i s u a lb a s i c 的工况诊断系统软件编程。实现了数据接收、实时曲线显 示、数据存储、工况诊断及操作建议、历史数据查询、油井管理及人员管理等功能模块 的设计。 实验室仿真结果和数据分析表明，利用本课题研究提出的工况诊断方法，可以判断 出电动潜油螺杆泵井的常见工况，为现场试验及应用奠定了基础。 关键词：电动潜油螺杆泵；工况诊断；支持向量机；异步电机；转速辨识 r e s e a r c ho nw o r k i n gc o n d i t i o nd i a g n o s i sm e t h o df o r e l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep r o g r e s s i n gc a v i t yp u m p k o n gq i a n q i a nf s i g n a l & i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o f m ax i g e n g ，a s s o c i a t ep r o f y uy u n h u a a b s t r a c t t h ee l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep r o g r e s s i n gc a v i t yp u m p ( e s p c p ) h a sp r e v a i l e dw i d e l yi nt h e o i le x t r a c t i o ni n d u s t r y h o w e v e r , t h e r ei sn op r o p e rw o r k i n gc o n d i t i o nd i a g n o s i sp r o c e d u r ei n p r a c t i c e ，w h i c hh a sr e d u c e dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y r e s e a r c ho nm e t h o do fe s p c pw o r k i n g c o n d i t i o nd i a g n o s i si sc a r d e do u ti nt h i sp a p e r t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sa sf o l l o w s ： t h ee s p c ps y s t e mi si n t r o d u c e da n dr u n n i n gp a r a m e t e r sa r es e l e c t e d , a 8w e l la s s y s t e m a t i cd e s i g no fe s p c pw o r k i n g c o n d i t i o nd i a g n o s i si sp r o p o s e d s t a t u sr e c o g n i t i o no ft h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r sa n ds p e e di d e n t i f i c a t i o no ft h ee l e c t r i c a l s u b m e r s i b l em o t o ra r em o d e l e da n ds i m u l a t e db ym a t l a bp l a t f o r m t h es u p p o r tv e c t o r m a c h i n e ( s v m ) b a s e d m u l t i c l a s sc l a s s i f i c a t i o nm e t h o di sp r o p o s e d m o r e o v e r , t r a i n i n ga n d t e s to nd i f f e r e n tc l a s s i f i e ra r ec a r r i e do u tc o n s i d e r i n gd i f f e r e n tc l a s s i f i c a t i o na i m s s p e e d i d e n t i f i c a t i o nm o d e l i n gb a s e do nt h em r a st h e o r yh a sb e e n d o n eb ys i m u l i n kp l a t f o r m ，a n d a n a l y s i sm e t h o df o re s p c p b a s e do nt h ei d e n t i f i e ds p e e di sp r o p o s e d e a i m a t i o nm l eo ft y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n sb a s e do nl o g i cr e l a t i o n s h i pi sp r o p o s e d a f t e rm u l t i a n g l ea n a l y s i so nt y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h el o g i cd i s c r i m i n a t i o nr u l e sa r e d e s i g n e dc o n s i d e r i n gm a j o rp a r a m e t e rs t a t u s w o r k i n g c o n d i t i o nd i a g n o s i ss y s t e mi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e db yv i s u a lb a s i cp l a t f o r m ， w h i c hi n c l u d e ss o m en e c e s s a r ym o d u l e s ，s u c ha sw e l lm a n a g e m e n t ，p e r s o n n e lm a n a g e m e n t ， r e a l t i m ec u r v ed r a w , d a t as t o r a g e ，h i s t o r i c a ld a t aq u e r y , w o r k i n gc o n d i t i o nd i a g n o s i s ，e t e s i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a ld a t aa n a l y s i sh a v es h o w nt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o d f o re s p c pd i a g n o s i sc a i lm o n i t o ra n dd e t e m i n et h ew o r k i n gc o n d i t i o nc o r r e c t l y , w h i c hm a k e s i tp o s s i b l et oa p p l yi np r a c t i c e k e y w o r d s ：e l e c t r i c a l s u b m e r s i b l ep r o g r e s s i n gc a v i t yp u m p ；w o r k i n gc o n d i t i o n d i a g n o s i s ；s v m ；a s y n c h r o n o u sm o t o r ；s p e e di d e n t i f i c a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：互i 籀：随 日期：唧年歹月二尹日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：也箍筮 指导教师签名：互幽蝥 1 7 1j 胡：叫年 日期：矽罗年 箩月渺日 厂月矽日 f 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章前言 电动潜油螺杆泵( e l e c t r i c a ls u b m e r s i b l ep r o g r e s s i v ec a v i t yp u m p ，e s p c p ) 是人工 举升石油的方式之一。由于其特殊的结构设计，电动潜油螺杆泵的适用范围比游梁式抽 油机、皮带式抽油机、地面驱动螺杆泵和潜油电泵更广，不仅适合稠油井、含砂井、含 蜡井、斜井和水平井开采，而且适用于沼泽及海上油田生产。 前苏联和法国较早开展了电动潜油螺杆泵的研究【l 】，2 0 世纪5 0 年代末前苏联就研 制了井下电驱动三螺杆泵采油系统，9 0 年代，美国、前苏联、加拿大、法国、罗马尼亚 等国家已开始采用井下驱动螺杆泵采油【2 1 。我国1 9 9 8 年由辽河油田钻采工艺研究院、沈 阳工业大学和大连理工大学三方合作，成功地将e s p c p 系统投入生产试运行 3 1 。 由于电动潜油螺杆泵油井工作环境复杂，工作人员无法及时掌握井下情况，不合理 工况甚至机组故障得不到及时有效的处理，造成部分油井带病运行，影响了系统的寿命 和经济效益。随着螺杆泵制造技术和应用技术的不断完善，螺杆泵采油井的数量日益增 多，如何进一步提高螺杆泵采油的技术和管理水平，成为各油田工程技术人员普遍关心 的问题【4 】【5 1 。通过对电动潜油螺杆泵的工作参数进行监测和分析，进行工况诊断，以便 指导电动潜油螺杆泵油井的生产，提高经济效益。 1 1 本课题的研究背景及意义 目前我国电动潜油螺杆泵采油的各项配套工艺技术尚不成熟，随着电动潜油螺杆泵 使用规模的扩大，相关管理和配套技术还有待于进一步研究 6 1 。井下工况难判断的问题 日益受到重视，本课题就电动潜油螺杆泵工况诊断方法进行了研究，以便指导生产，提 高经济效益。 近年来电动潜油螺杆泵在国内油田得到了较快的推广，其应用前景和发展潜力非常 乐观1 3 】【7 j 【8 j 。一方面，电动潜油螺杆泵能够克服潜油电泵携砂能力差的缺点和地面驱动 螺杆泵杆管磨损、容易结蜡的问题；另一方面，其系统效率和节能效果明显高于游梁式 抽油机和皮带抽油机；同时，它还有井口装置简单、占地面积小的特点。因此，电潜螺 杆泵的适用范围更广，不仅适合稠油井、含砂井、含蜡井的开采，而且在水平井、斜井、 沼泽及海上油井的开发中也具有明显的优势【9 】【10 1 。电动潜油螺杆泵机组在我国推广应用 以来，已分别在河南油田、胜利油田、大庆油田等多个油田成功应用，在海上油田开发 中也得到了应用【i l l 1 2 】【1 3 i 。 第l 章前言 电动潜油螺杆泵得到推广的同时，存在的问题也逐渐凸显。电动潜油单螺杆泵采油 工艺的稳定性、可靠性及配套工艺技术的完善程度还存在一定差距【8 l 。目前电动潜油螺 杆泵油井存在的主要问题有： ( 1 ) 在高温、腐蚀环境下，定子橡胶容易失效【8 j ； ( 2 ) 低渗透率油井的供液量不足问题常常导致“烧泵现象发生【3 1 ： ( 3 ) 产液含砂高、粒径大容易引起螺杆泵的转子一定子副磨损，砂沉积还会造成 砂埋泵或堵转【6 1 ； ( 4 ) 螺杆泵转子做偏心的行星运动，会引起一定的振动，由于井下机组结构复杂、 工作环境恶劣，在使用过程中机组有较高的综合故障率，严重时会出现整个机组落井的 重大事故，造成经济损失【1 4 j 。 目前电动潜油螺杆泵的远程监控能力差，管理自动化水平低i 引，限制了电动潜油单 螺杆泵在低产量、间歇油井的开采及注水、排水采气方面的实际应用。一方面，电动潜 油螺杆泵机组主要部件都处于井下，难以利用人工观察的方法检查其运行状态，因此常 常不能及时判断异常工况，使得机组长时间处于不合理状态甚至是带病运行，使油井产 量远低于其产能，一旦某个部件出现问题，可能引起故障传播现象，导致其他零部件受 损或失效，还会缩短系统寿命甚至可能会使整个机组报废。另一方面，对井下工况判断 不当造成的不合理甚至是不必要的修井也增加了油井的生产成本，降低了经济效益。因 此，迫于电动潜油螺杆泵高效生产和进一步推广的需求，电动潜油螺杆泵的工况监测、 工况诊断及自动控制技术的研究日益受到重视。对井下工况做出及时、准确的判断，成 为螺杆泵进一步推广的关键。 电动潜油螺杆泵工况诊断系统，根据生产参数的状态判断机组工作状态，并根据经 验对异常工况提出合理的建议，指导油井生产人员或自动管理系统进行操作，从而减少 系统故障损失。 本课题针对电动潜油螺杆泵工况监测诊断系统进行研究，将有利于提高电动潜油螺 杆泵井的自动化水平，促进它的推广。 1 2 课题的国内外研究现状 电动潜油螺杆泵采油机组结构复杂，机械部分整体被置于油井中1 5 1 ，由于井筒范围 有限，在其模块化部件上安置传感器比较困难，油井的实时监控受到一定限制，但随着 传感器和数据采集技术的发展，许多关键参数的采集逐步成为可能。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 在工况诊断方法上，目前地面驱动螺杆泵井主要的诊断方法有扭矩法、电流法、憋 压法、光杆受力法等，电动潜油螺杆泵的工况诊断中可以借鉴或参考上述方法。 1 2 1 螺杆泵参数监测技术的国内外现状 电动潜油螺杆泵的工作参数包括油井井底压力、井下液体温度、油井动液面高度、 下泵深度、井液粘度、含沙量、含水率、油气比、工作电压、电流、有功功率、功率因 数、转速、流量、容积效率等。 ( 1 ) 电参数监测 对电量进行监测，可以分辨出系统的过载、过电压、过电流、供电电压不稳定以及 三相不平衡等不正常状态。 目前电参数的监测技术比较成熟，市场上不同国家生产的多种电能测量仪器都能够 完成电参数的实时监测并能够实现数据的保存，例如日本的日置( h i o ) 生产的各类 电能测量仪、电力分析仪、英国v o l t e c h 公司生产的电力测量仪等。但这些产品在线 实时测量的成本较高，对此，中国石油大学( 华东) 采用霍尔电压、电流传感器、电力 测量专用a d 转换器及单片机对电能测量单元进行设计，开发了电动潜油螺杆泵运行状 态检测与远传系统。 ( 2 ) 流量监测 通过对井口流量的监测可以发现油井产量的明显变化，同时可以作为油井工况诊断 的重要参考。例如油井产量明显降低的情况就属异常，应迅速查看该井动液面高度是否 正常，是否存在油管漏失及泵漏失等问题。 目前，国内油田多数油井的井口流量一般都在计量站选井并测量来油的油、气、水 含量。鉴于原油是一种多组分碳氢化合物的混合物，同时还含有水、砂、蜡、盐及h 2 s 等杂质，在不同温度、压力条件下油、气相态可以相互转化，因而做到对原油的精确计 量是困难的【1 6 】。流量计应用的关键之一在于能否适应井下测试环境要求。井下泵排出口 流量的计量不仅对精度的要求高，而且要求传感器的体积要小，同时不能影响泵送油液， 同时，还需要解决小直径制造以适应井下测试环境问题【1 7 】。 ( 3 ) 井下压力、温度监测 我国现有的油气井在生产过程中，几乎没有对井下压力等参数进行实时监测，通常 是根据测量的井口压力、温度、流量来判断井下情况。一旦发现井下出现意外情况，技 术或操作人员首先根据经验对监测到的井口参数进行分析和判断，情况复杂时只能通过 3 第1 章前言 生产试井来探明井下情况，但该方法容易导致判断错误或投入不必要的测试作业费用。 目前国外解决该问题普遍采用的方法是在完井时下入井下数据监测系统，从而实现了生 产井井下压力等参数的实时监测【1 8 1 。我国沈阳工业大学雷清泉院士设计的井下温度、压 力双传感器已应用在螺杆泵井和电潜泵井中。目前应用中的还有q c w y - 1 潜油电泵井下 测温测压系统【1 9 】。随着光纤传感技术的发展，国外已有光纤传感器在流量、压力、温度 检测中的应用研究。 ( 4 ) 动液面的监测 目前，油田最常使用采用超声波发射方法测量环空动液面，一般由操作工人采用轮 巡的方式进行。这种方法的缺点是实时性差，同时由于工人技术水平参差不齐，也难以 保证其准确性。声波液位监测不仅可以准确得到油井的液面位置，同时可以计算出螺杆 泵外空间中的含液量【删。使用超敏扩音器发射不同频段( 1 0 h z 7 0 h z ) 的声波，还可 以用来发现油井存在的问题。可实现每隔特定时间( 3 0 分钟) 检测一次，同时能够避免 人工操作所引起的误差，监测精度为1 0 英尺( 3 0 5 米) ，可应用于油井控制过程中【2 。 ( 5 ) 井下数据的上传 如何实现井下传感器的测量结果上传，是电动潜油螺杆泵工作参数监测技术的关键 也是难点。目前的主要技术有信号线传输、电力线载波数据传输和电磁波数据传输。特 设信号线传输质量高，但需要占用油井内有限的空间，同时也增加了下井j 修井和起井 工作的复杂度：电力线载波技术最大的优点是节约成本和空间，但它需要特殊的信号发 射和接收单元，同时需要较强的信号滤波和去干扰能力，技术难度较高；电磁波传输技 术同样存在噪声和干扰强的问题。 1 2 2 螺杆泵工况诊断技术的国内外现状 美国i n t e r r e p 公司开发的螺杆泵优化系统p c p o s ( p r o g r e s s i n gc a v i t yp u m p i n g o p t i m i z a t i o ns y s t e m s ) ，可根据地面螺杆泵驱动装置的实时模拟参数( 如轴向负荷、油 管及套管压力、电机转速与工作电流) 送入远程控制单元进行诊断分析，经v f d ( i r i a b l e f r e q u e n c yd e v i c e s ) 控制电机转速，调节抽油量。p c p o s 根据螺杆泵抽油设备特性建立 了判别动态液位的方法。井下动态液位的高低直接影响泵的吸入压力值，当动态液位较 高，泵吸入压力值较大，产油量相应就可以较高，杆柱轴向负荷及电机电流增高，电机 转速随转动力矩上升而下降：反之，动液位低造成抽空现象，吸入压力值较低、电机供 电频率未变情况下，轴向负荷会下降，电机电流减少，而电机转速呈上升趋势。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 p h o e n i x 公司开发了井下监测系统，采用实时监测工具针对各类油井包括螺杆泵井 进行优化控制，提高油井产量并延长设备使用寿命。 我国沈阳工业大学王世杰等人研究提出建立潜油螺杆泵采油系统在线监测系统，通 过监测油井振动信号，进行故障诊断的方案【9 】。该系统在井口安装传感器，采集振动信 号，以正常运转时井壁上的振动信号为样本库建造样本库，并将实时采集的信号与样本 进行比较分析，来进行在线状态监测。 目前，国内现场实际应用的螺杆泵诊断方法主要有光杆受力法、电流法、电参数法、 扭矩法、憋压法等。光杆受力法和扭矩法需要对抽油杆进行受力分析；由于憋压对泵有 不良作用，因此生产中较少采用憋压法诊断；电流法和电参数法都是基于潜油电机工作 电流进行诊断，这两种方法在生产中具有可行性，但判断精度有待提高。因此，有人提 出螺杆泵的综合诊断方法，将几种常用方法结合，进行判断，判断的准确度有了提高， 但仍不能实现实时诊断，不能在问题初始阶段发现工作异常，只有问题发展到较严重的 程度才能发现问题并判断故障。当前电动潜油螺杆泵生产中需要尽早发现问题，阻止其 影响扩大，甚至需要在故障发生前进行预测与预防。 综上所述，目前电动潜油螺杆泵油井各项生产参数的监测技术正走向成熟，为螺杆 泵工况诊断系统的研究提供了基本保证：同时电动潜油螺杆泵的工况诊断技术仅靠少数 生产参数来判断生产状态，能判断的工况类型较少。因此，亟待对更多生产参数进行全 面深入的研究，以适应电动潜油螺杆泵油井安全、高效生产的需要。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题主要在电动潜油螺杆泵井工作状态识别方法及系统诊断软件设计等方面进 行研究。研究的主要内容包括：电动潜油螺杆泵特性及不同工况特点分析、电动潜油螺 杆泵电参数状态分类，三相异步潜油电机转速辨识的研究，电动潜油螺杆泵机组的工况 诊断，利用v i s u a lb a s i c 软件开发平台完成电动潜油螺杆泵工况诊断系统初步设计。 论文的主要研究工作如下： 第l 章为绪论部分，阐述了本论文的研究背景、目的、意义及内容，介绍了电动潜 油螺杆泵工况监测诊断技术的研究现状。 第2 章阐述了电动潜油螺杆泵系统工作原理与结构，对电动潜油螺杆泵工况诊断系 统的总体方案进行了设计，完成了系统参数和诊断方法的选取。 第3 章建立了基于支持向量机的电参数状态分类器的设计，并进行了数值仿真实验。 5 第l 章前言 完成了电动潜油螺杆泵实测电参数特征的提取及状态分类，作为机组工况推断的依据。 第4 章对异步电机驱动螺杆泵的转速辨识和漏失情况分析的方法进行了研究。根据 模型参考自适应( m r a s ) 理论，在s i m u l i n k 下建立了异步电机转速辨识模型并完成仿 真试验。在此基础上，研究了螺杆泵的转速辨识、容积效率计算、漏失情况分析的方法。 第5 章主要分析了电动潜油螺杆泵不同工况下的特性，根据生产参数的状态与机组 工况的逻辑关系设计了电动潜油螺杆泵的工况推断规则。 第6 章主要对电动潜油螺杆泵工况诊断应用软件进行设计。软件包括了工况诊断模 块、登录设计、油井信息管理、数据接收与保存显示模块和历史数据与历史曲线查询等 辅助模块。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章电动潜油螺杆泵概述及工况诊断方案设计 电动潜油螺杆泵在油井中出现问题时，如果不能及时察觉并采取合理的维护措施， 故障可能从机组的一个部件延伸到整个系统，以致泵或电机烧毁、机组失效，造成重大 经济损失。对电动潜油螺杆泵工况诊断方法进行研究是优化电动潜油螺杆泵采油生产的 需要，也是进一步推广的关键。 2 1电动潜油螺杆泵系统概述 螺杆泵属转子式容积泵，由定子和转子两大部分组成，按转子数目可以分为单螺杆 泵、双螺杆泵、三螺杆泵和五螺杆泵，其中单螺杆泵在采油生产中应用较多。按驱动方 + 式分类有地面驱动螺杆泵、电动潜油螺杆泵和液压驱动螺杆泵【2 1 。1 9 3 0 年法国工程师 m o i n e a n 发明了第一台单螺杆泵，如今螺杆泵已成为了世界石油生产中重要的人工举升 方式之一。 我国在螺杆泵的研制方面起步较晚，最初，国内螺杆泵采油使用较多的是地面驱动 方式，随着油田发展，出于高粘度油、含砂井、水平井、斜井等油井的开采需要，电动 潜油螺杆泵在各大油田得到逐步推广。1 9 8 9 年石油大学万邦烈教授在胜利油田现河采油 厂进行了潜油电动螺杆泵采油技术试验，辽河油田在金马进行了电动潜油螺杆泵的现场 试验，重庆虎溪电机厂也开始对电潜螺杆泵机组进行开发，并在中原油田进行下井试验， 9 0 年代中期开始在国内油田小规模应用【7 1 。近年来，随着国内油田开发的进一步深入， 诸如高粘油、稠油、高含蜡、含砂原油及一些难动用储量区块等开采比例不断增加，而 电动潜油螺杆泵在开采高粘油、稠油、高含蜡、含砂原油、斜井和高含气原油中具有独 特优势，有泵效高、检泵周期长、能耗低等优点，能够大幅降低开采成本；这促进了电 动潜油螺杆泵采油系统和工艺的发展【2 2 】。 2 1 1 螺杆泵结构及举升原理 如图2 1 中所示，螺杆泵由定子和转子组成，其定子由特殊橡胶材料制成，被永久 粘结于钢管内部，具有坚固、耐油、抗腐蚀的特性。 螺杆泵内定子内表面及转子外表面均为螺旋结构，其中转子型线数目比定子型线数 目少一个( 油田生产所用单螺杆泵一般采用2 ：1 结构) ，转子和定子相啮合形成一个个 连续的密封腔室，当转子在定子内转动时，空腔从泵的入口端向出口端移动【矧。 7 第2 章电动酱油螺杆条掇述丑i 配镕断方寡设计 子 转予 国。警叁! 一、r 霍o二誓j 一v 图2 - 1 单蟪杆泵结构 图2 - 2 螺秆泵结构参敢 p i g2 - 1s i n g l e l u b e p r o g r e s s i n g c a v i t yp u m p f i g2 - 2p c p s s t r u c t u r a l p a r a m e t e r 生产时，转子圆形横截面的中心相对于泵体中心轴做离心的行星运动，同时封闭空 腔沿轴线方向由吸入端向排出端方向运移，最后在排出端消失，空腔内的原油也就随之 由吸入端均匀地挤到排出端。吸八端叉重新形成新的低压空腔将原油吸入。这样，封闭 空腔不断地形成、运移和消失，原油便不断地充满、挤压和排出，从而把井中的原油不 断地吸入通过油管举升到井口。 螺杆泵举升能力是判断螺杆泵性能的主要指标，其大小主要决定于泵的结构参数和 制造材料。如图2 - 2 所示，螺杆泵的主要结构参数包括三部分： ( 1 ) 转子偏心距e ：螺杆泵转子截面的中心相对于螺杆轴心的偏离量： ( 2 ) 转子截面直径d ：螺杆泵转子任意处的横截面都是直径为| d 的圆； ( 3 ) 定子导程n 为转子导程的2 倍。 212 电动潜油螺杆泵机组构成 电动潜油螺杆泵采油系统主要由潜油电机、保护器、减速器、柔性轴、螺杆泵、电 缆等井下设各和接线盒、控制屏、变送设备等地面控制装置组成。另外t 机组还包括一 些附属部件包括泄油阀、扶正器、井下测量仪表、传感器、驱动装置等。典型的电动 潜油螺杆泵机组结构如图2 - 3 所示。 利用电动潜油螺杆泵采油时，将电机( 带电缆) 、保护器、减速装置、柔性联轴器、 进口节、螺杆泵及油管等部件通过有序连接下入油井中：地面电源通过变压器、控制柜、 接线盒和电缆与电机相连：通过地面的控制变送装置，对电机进行供电。 电动潜油螺杆泵采油系统的工作过程如图2 - 4 所示，井下动力电缆将电力传送至井 下潜油电动机，潜油电动机通过减速器和双万向节带动螺杆泵在低速下转动，将电能转 化为机械能。井液经过螺杆泵增压后，通过油管被举升到地面，从而达到提取井下原油 的目的【”】【州。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论z 图2 - 3 电动潜油螺杆泵机组结构图 f i g2 - 3 s t r u c l u r eo f e l e c t r i c a ls u h m e b i b l ep r o g r e s s i n gc a v i t yp e m p 图2 一电动耩油螵杆泵举升过程示意圈 f i 9 2 4s c h e m a t i c d i a g r a mo f e s p c p l i f t i n g 213 油井工况诊断的作用分析 为提高石油企业的生存和竞争能力，降低生产成本，提高劳动效率，减少安全隐患， 是油田当前和今后一个时期的一项主要任务。自动化系统是实现这一目标的关键途径， 是数字化油田的基础【2 ”。如图2 5 所示，油田自动化监控系统可分为现场数据采集终端、 数据远程传输网络、油井状态分析软件和生产控制单元四大部分。本文的工况诊断系统， 即为上述油井状态分析软件，主要完成油井数据接收及存储、工况诊断、数据显示、操 作建议等功能。油井状态的正确分析，是油田监测的目的，也是油田自动控制实现的必 第2 章电动潜油螺杆泵概述及工况诊断方案设计 要条件。油井生产监测与自动控制系统正是通过油井的工况诊断联为一体。 油田监控中心 现场数据采集终端 么孓粼潲 数据 工况 曲线 存储诊断 显示 i 操作建议 - 一一一一一i 一一一一一一一 操作控制信号 图2 - 5 油田自动化监控系统框图 f i g2 - 5 o i lf i e l dm o n i t o r i n gs y s t e m 综上所述，油井的工况诊断系统是油田自动化监控系统中的重要一环，油井工作状 态判断的速度和效果影响油井的生产操作的及时性和有效性。因此，在充分了解油井工 作特性的基础上，运用有效的数据处理及分析方法快速准确地判断油井工况是当前电动 潜油螺杆泵研究的重点。以下将对电动潜油螺杆泵井的工况诊断方法进行研究。 2 2 螺杆泵工况诊断方法分析与参数选择 伴随着计算机技术、通信技术、自动控制技术以及网络技术的不断发展，油井监控 系统也在不断发展【l o 】。地面驱动螺杆泵采油系统的故障诊断已经形成了电流法、憋压法、 产液量法、扭矩法、综合诊断法等多种方法，而电动潜油螺杆泵工况诊断技术的研究尚 处于起步阶段，现场生产中的实际应用较少。因此，本课题参考地面驱动螺杆泵采油系 统的工况诊断方法，分析其在电动潜油螺杆泵工况诊断中的可行性，设计电动潜油螺杆 泵的工况诊断方案。对地面驱动螺杆泵采油系统的诊断方法进行如下分析： ( 1 ) 电流诊断法。电流诊断法是通过测试驱动电机的电流变化来诊断螺杆泵工作 状况【i l 】。电流法诊断方法的优点是仪器简单，测量方便。电流综合了螺杆泵油井系统的 受力变化，但不能直接区分系统各组成部分对电流的影响，因此不容易直接判断出故障 的原因。在电动潜油螺杆泵系统中，电流属于容易获得的生产数据，因此在工况诊断中 可以借鉴该方法，对电流数据进行诸如其频谱特性分析等处理后可以获得更多便于提取 特征的有用信息。 电流参数可以在一定程度上体现系统的工况，如何确定电流状态是本课题的研究内 容之一。同时，本课题还将针对变频驱动的电动潜油螺杆泵，对其工作电压状态进行分 析。 1 0 一 一 = 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 2 ) 憋压法。憋压法要求井1 ：3 憋压达到较高的压力值【1 2 】，目前在某些油田地面驱 动螺杆泵井生产过程中得到了应用。地层供液不足时不能进行憋压，因此，用憋压法进 行故障诊断之前，必须现排除地层供液不足的可能性。在潜油螺杆泵系统中，如果采用 的是实心转子螺杆泵，由于没有测试通道，也不适合使用憋压法【1 3 l 。 憋压法的前提是对油井进行憋压操作，由于憋压对螺杆泵系统存在不良影响，同时 由于电动潜油螺杆泵井尚未实现自动控制，该方法在诊断时需要人工参与操作，无法满 足实时在线诊断的需要，本课题中不考虑采用憋压。 ( 3 ) 产液量变化法。根据产液量变化进行故障诊断，具有数据容易获得且比较可 靠的优势，但是产液量反映的信息比较少，不能够很好地满足故障分析的要求。因此， 提倡将产液量法与其它诊断方法结合使用进行工况诊断。 产液量变化法韵提出是基于工况对产液量的影响，不能分析产液量的下降是动液位 下降的原因。因此，本课题中将动液位、温度、压力、电流等参数的状态与流量状态相 结合，进行系统工况的逻辑判别。 ( 4 ) 扭矩法。扭矩法诊断是对光杆进行扭矩测试，以光杆工作扭矩变化诊断螺杆 泵的工况【1 4 , 1 5 , 2 2 , 2 3 】。扭矩法比较直接，能够较为准确的判断系统工况，电动潜油螺杆泵 系统的工况诊断中也可以借鉴扭矩法。虽然电动潜油螺杆泵的工作扭矩不直接测得，但 可以通过泵的工作压力及结构参数经过计算获得，计算值虽然不能与实际扭矩完全一 致，但通过对公式的修正，使其接近真实值，也可以反映泵的工作状态。 扭矩法进行工况诊断的前提是对光杆扭矩进行测量，由于电动潜油螺杆泵系统中取 消了抽油杆，同时由于机组处于井下，无法直接测量转速及扭矩数据，本课题中将对电 动转速辨识技术和螺杆泵工作扭矩的计算进行研究。 ( 5 ) 综合诊断法。其基本思想为在螺杆泵出现井下故障时，按照先后顺序和一定 步骤对泵况进行诊断。首先用空载电流反转法判断抽油杆断脱问题；其次用产量递减灌 水增速法判断油井供液不足问题；然后用产量突减憋压法判断油管系统漏失问题；最后 用跟踪落实观察法验证故障诊断的符合率。 综合诊断方法的思路为采用多种方法依次进行判断，其中每一步骤均需要人为参 与，因此不适合在线的自动诊断。本课题中对电动潜油螺杆泵的工况诊断提出采用多参 数状态综合判别的方法，依据多种参数的状态，采用逻辑判别方法对工况进行一次性诊 断，同时提出操作建议；而且运行一段时间后系统自动对工况诊断结果及操作建议的合 理性进行周期性测试。 第2 章电动潜油螺杆泵概述及工况诊断方案设计 表2 1 中，对螺杆泵工况诊断中常用的电流法、憋压法、产液量法、扭矩法、综合 诊断法的特点和改进方法进行了简要说明。由表2 1 可见，电流、井口流量等参数可以 分别从不同角度反映电动潜油螺杆泵机组的工作状态，因此选定电机供电电压、工作电 流、井口流量及油井动液面高度作为工况诊断参数。 表2 - 1 螺杆泵常用工况诊断方法分析结果 t a b l e2 - 1 a n a l y s i so ft r a d i t i o n a lw o r k i n gc o n d i t i o nd i a g n o s t i cm e t h o d s 方法优点缺点改进方案 1 仪器简单1 不易判断工况 1 用智能方法识别电参数状态 电流诊断法 2 测量方便2 标准难确定 2 利用电流电压推算其它参数 1 供液不足时不可用 憋压法可判断供排关系未实现自动控制，不采用 2 需人工操作 1 数据容易获得 产液量变化法反映的信息少 与其它参数相结合进行诊断 2 数据可靠性高 扭矩法方法直接、可靠需要测量扭矩在现有条件下进行扭矩计算 依次采用多种方 综合诊断法需要人为参与进行多参数的一次性判别 法，可靠性高 考虑到在堵转及空抽工况下潜油电机及螺杆泵的温度会有明显的上升，因此将温度 作为工况诊断参数之一；在不同的压头之下，螺杆泵的容积效率不同，螺杆泵是否工作 在高容积效率范围内，对螺杆泵的寿命及油井产液量都有影响，因此，将泵的压头作为 工况诊断参数之一。而如果能够得到螺杆泵的转速信息，则可计算螺杆泵的理论排量， 再结合井口流量数据就可以得到螺杆泵的容积效率，从而掌握螺杆泵的内部漏失情况， 因此本课题将螺杆泵的转速信号作为工况诊断的参数，转速信息的获取方法将在下文中 进行详细介绍。 根据上述分析，本课题对工况诊断系统的参数进行了选取，如图2 6 中所示。 豳 l _ jl _ j瀚 图2 石工况诊断参数说明 f i g2 - 6 p a r a m e t e r ss e l e c t e df o rw o r k i n gc o n d i t i o nd i a g n o s i s 1 2 一数一1螺杆泵结构参数一参m止銮一网刻剖 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 - 6 所示参数中，三相电压和三相电流参数可以在地面测得。通过三相电压、三 相电流参数不仅可以判断系统的供电状况，而且能够对机组的耗电量、功率、功率因数 等性能进行计算，方便油井管理人员随时掌握机组与电量相关的性能信息。电机温度、 螺杆泵温度以及泵进出口压差的测量可以通过井下传感器进行测量，目前国内外均具备 了相关监测技术。动液位高度的测量可通过定时发射声波的方式进行测量j 当前国内常 用的测量方式为利用声发射技术以人工巡检的方式进行测量，目前国外已经具备了动液 位实时监测技术，该技术在国内的实现已是必然。螺杆泵转速信息很难通过测量得到， 本课题中采用模型参考自适应算法对电机的转速辨识进行建模仿真，在此基础上计算螺 杆泵转速及容积效率。 图2 - 6 中的潜油电机参数和螺杆泵结构参数首先需要厂家提供信息，随着应用时间 的增长，系统的结构参数是变化的，螺杆泵结构参数的变化目前尚难以做到准确的估算， 而电机参数目前已有相关的在线辨识技术。本课题暂不考虑结构参数的估算及辨识问 题，文中涉及的结构参数，忽略其变化。 2 3 电动潜油螺杆泵工况诊断方案设计 分析电动潜油螺杆泵系统的特点，研究常见的故障诊断方法，选择合适的工况诊断 方法，进行工况诊断系统的总体设计。 工况诊断方法的选择是进行工况诊断的核心。判断设备处于正常还是异常状态，也 就是两类或多类问题的判别，传统的方法主要有模型分析法、逻辑推理法、模糊诊断法、 故障树分析法等；现代的智能诊断方法的典型代表为专家系统。下面对上述方法进行简 单分析2 6 】： ( 1 ) 模型分析法 用数学方程描述动态过程，可以从本质上表征动态过程规律，根据模型结构或模型 参数的变化，研究机器的运行状态。该方法建模费时长，不能适应实时性要求高的场合， 而且非线性系统的建模实现困难。 电动潜油螺杆泵系统结构复杂、工况多样、影响因素多，实际生产中很难实现对潜 油螺杆泵精确建模。考虑到方法的可行性，本课题不对整个系统进行数学建模。本课题 中选取机组中的- - j ：l | 异步潜油电机进行数学分析，进行电机无速度传感器转速辨识系统 建模研究。 ( 2 ) 模糊诊断法 1 3 第2 章电动潜油螺杆泵概述及工况诊断方案设计 模糊诊断技术就是以模糊数学为基础，把模糊现象与因素间关系用数学表达方式描 述，并用数学方法进行运算，得到某种确切的结果。用隶属函数把事物的模糊性进行数 值化描述，在形式上用数学方法进行计算不确定性，把参数值分为若干等级，如很高、 高、较高、正常、较低、低、很低等。 模糊诊断法用“高”、“较高”、“正常”、“较低”、“低 等概念对参数值进行描述。 本课题可以借鉴这一点，对电流状态划分为“电流过高”、“电流偏高”、“电流正常”、“电 流偏低 四种状态，其中四种状态的判别采用模式识别方法。 ( 3 ) 故障树分析法 故障树分析法把最不希望发生的故障状态作为故障分析的目标，然后寻找直接导致 这一故障发生的全部因素，再找出造成下一事件发生的全部直接因素，一直追查到无需 再深究的因素为止，用树形图将追查故障原因的过程描述出来。故障树将故障原因按树 状逐级细化，方法简单、概念清晰、容易被人们接受。 故障树分析法的目标是在已知系统出现故障的情况下找出故障的根本原因，而本课 题的研究目的是完成机组工作状态的确定。同时，由于电动潜油螺杆泵井下机组情况难 以掌握，除非发生严重故障时进行起井，否则无法对故障树进行验证。从以上两方面考 虑，电动潜油螺杆泵的工况诊断不适合采用故障树方法。 ( 4 ) 专家系统诊断法 专家系统是应用大量人类专家的知识和推理方法求解复杂的实际问题的一种人工 智能计算机程序，能够模拟、再现、保存和复制有时还能够超过人类专家的脑力劳动。 在复杂的、规范化的大型动态系统中，由于大部分故障是随机的，采用其它方法很难判 断时就有必要汇集众多专家知识进行诊断。由于电动潜油螺杆泵机组的应用还处于初期 阶段，因而不具有丰富的专家知识，故不适合采用专家系统的方法。 ( 5 ) 逻辑推理法 在大多数情况下，参数与状态之间没有一一对应的因果关系，然而在某些情况下， 如果征兆与状态之间有一定的逻辑联系，这时可以通过征兆以推理的方式判断机器的运 行状态。逻辑判别方法具有简单、有效的特点。在目前条件下，能够根据电动潜油螺杆 泵系统各参数的状态与机组工况的逻辑关系进行工况的推理。因此，本课题中工况诊断 总体方案设计采用逻辑判别法。 综上分析，提出了电动潜油螺杆泵工况诊断的总体设计方案，如图2 7 所示： 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 7 基于逻辑判别的工况诊断系统框图 f i g2 - 7d i a g r a mo fw o r k i n gc o n d i t i o nd i a g n o s i ss y s t e mb a s e do nl o g i cd i s c r e t i o n 如图2 7 中所示，电动潜油螺杆泵工况诊断系统从整体上采用逻辑判别法进行工况 推理。首先对各参数进行初步分析，根据不同参数状态与系统工况的逻辑关系，由参数 状态初判的结果进行逻辑推理，完成机组工作状态的判定。图2 7 中对电参数进行状态 识别，并根据电参数进行转速辨识，与其它参数初步判断的结果相结合，判断机组工况。 电参数的处理过程为：根据电参数进行供电检查，内容包括供电电压缺相检查、供电电 压三相不平衡检查以及供电电压谐波含量过高检查。在供电正常的基本情况下，对电参 数状态进行模式分类，确定电参数