潜油电泵机组状态监测与辨识方法研究

1、潜油电泵机组状态监测与辨识方法研究 哈尔滨工程大学 博士学位论文 潜油电泵机组状态监测与辨识方法研究 姓名：董振刚 申请学位级别：博士 专业：机械设计及理论 指导教师：张铭钧 20090401 潜油电泵机组状态监测与辨识方法研究 摘 要 随着全球对石油需求的不断增长以及易采原油的日益减少，潜油电泵作 为一种重要的采油设备，在二次及三次采油中发挥不可替代的作用。潜油电 泵机组一般工作在lkm或更深的油井中，高温、高压、振动等恶劣工作环境 严重影响着机组的安全与高效运行。研究潜油电泵井下状态监测技术对提高 潜油电泵采油技术水平，形成具有自主知识产权的潜油电泵技术和产品具有 重要的研究意义和实用价值

2、。 本文以大庆石油管理局技术合作项目为依托，以大庆力神泵业有限公司 生产的潜油电泵机组为研究对象，开展潜油电泵井下多参数测试关键技术及 工程化研究工作。本文围绕潜油电泵机组运行时的压力、温度、振动、泄漏 电流等多参数实时监测系统的信号提取、传输、调制与解调技术以及泵排量 辨识、井下多参数测试系统可靠性等关键技术，根据科研项目的要求和工程 类课题的特点，进行了较为系统的理论和实验研究工作。 通过国内外井下多参数测试技术的研究现状及潜油电泵机组特殊的工作 环境分析，研究基于电力线载波技术进行信号传输方法与实现技术。确定了 温度、压力、振动以及泄漏电流等潜油电泵井下状态信号的提取与处理方法 以及井下

3、多参数测试系统的电源供给方案。对空载、带载情况下变频器产生 的不平衡电压和高次谐波的含量进行了测试与分析。研究了基于电力线载波 技术将井下状态信号传输到地面井口的调制解调技术及滤波等后处理方法。 研究在井下环境中工作的传感器自身状态监测与故障诊断方法。基于 RBF网络时序预测状态监测方法，建立传感器的RBF时序预测模型，引入最 近聚类算法的思想，研究初始聚类中心自动调整问题。研究基于状态参数变 化对传感器故障进行分类和辨识的方法，通过井下温度传感器实验数据，进 行了实验研究和验证。进行了传感器受温度变化影响分析，通过软件补偿方 法进行了压力传感器输出特性的温度校正。 潜油电泵排量是描述潜油电泵

4、机组运行状态的重要参数，受到井下环境 以及流量计自身结构特性的限制，实现排量直接测量的技术还不成熟。依据 井下压力参数、泵出口压力参数以及潜油电机运行电流，研究排量与井下压 哈尔滨T程大学博十学位论文 力、泵出口压力、电机运行电流之间的关系，基于神经网络技术研究潜油电 泵的排量辨识。研究基于递归神经网络的潜油电泵排量辨识方法，设计了隐 层反馈、输出层反馈及自反馈的递归神经网络结构。针对具体问题，改进了 网络学习算法，给出了放大倍数和动量系数的取值范围。通过实验数据对潜 油电泵排量辨识的可行性进行验证。 研究井下多参数测试系统的可靠性问题。在分析潜油电泵机组可靠性的 基础上，采取模糊可靠性分析方

5、法，通过反向干涉模型分析了井下多参数测 试系统的可靠性，研究了井下多参数测试系统的寿命分布规律并对故障发生 概率较高的基本事件提出了具体改进措施。 根据课题要求和本文所研究的工程问题的需要，对所研制的潜油电泵井 下多参数测试系统进行了实验室环境和现场试验井环境的实验研究和运行性 能考核。进行了温度传感器的标定试验及压力、振动及泄漏电流传感器随温 度变化产生漂移的性能分析。基于监测数据，对潜油电泵的故障诊断与运行 状态进行了简要分析，对潜油电泵运行参数调节方法进行初步探讨。现场试 验结果表明，所完成的井下多参数测试系统可实时地监测井下潜油电泵机组 的运行状态。 潜油电泵井下多参数测试系统关键技术

6、及工程化研究为形成具有自主知 识产权的技术和产品打下了较好的技术基础。 关键词： 潜油电泵；多参数测试系统；状态监测； 排量辨识；可靠性 潜油电泵机组状态监测与辨识方法研究 Abstract Withthe increaseofworldoildemandandthe of rapid reducing easy extractionoil Submersible an oil daybyday,ElectricalPump ESP ，asimportant extraction all rolein or oil equipment，playsimportantsecondary terti

7、aryrecovery works of thanl Normally,ESPundergrounddeeperkm，thehightemperature，hi曲 and vibrationofformidableenvironmenteffects and pressure working reliability ofESPResearchonESPstate has hi曲performance monitoringimportant and valueto theoilextraction witIlESP significancepractical improve technology

8、 andto ESP withself-ownedintellectual developproducts property Thisdissertationis the Petroleum supportedby cooperativeprojectofDaqing Administrative ontheESPsthat in Oilfield Bureau,based producedDaqing Powerlift downhole multisensor Co，Ltd，the PumpIndustry ESPandits Realizationarecarried the Engin

9、eering outConsideringproject andcharactersof and requirement engineering，comparativelytheoryexperiment workonmulti anddemodulationof signalssampling，transmission，modulation pressure，temperature，vibration,etcaredevelopedThedisplacement identificationofESPand ofMDTarealsofinished reliabilityanalysis o

10、f ReferencetoresearchstatusMDTand the byanalyzingspecialworking of arecarried、析th environmentthe motor ESP,themulti-signal powerlineSignal extractionand aboutstatus of conditioning parameters vibrationandcurrent is electric totheMDT leakagepresented，thepowersupply and is forwardalsoTests ofunbalance

11、and harmonic put analysis voltagehigher the converteronnoandfull of by frequency load，transmission generated multi-sensor line and signals丽thpower carried are out conditioningtechnology and State fault ofthedownholesensorsarecarriedout monitoringdiagnosis thestate RBF Basedon methodof networksseries

12、 monitoring of initial timeseries modelsensoriSbuilta11 center method forecasting choosing 哈尔滨T程大学博士学位论文 II I the center isusedto radiusoftheinitial with adjust clusteringautomatically tothe trendofthesensor sensor sampleseriesAccordingchanging output,the faultis on sensorverifiedtheidentification i

13、dentified，experimentstemperature wim resultsThe sensor iscalibrated pressure output temperaturesignalby sothvare oftheESPisthe toESP status Displacement keyparameterworking andthestructureoftheflow the ofwellfluid Consideringcomposition gauge，itS of oilwell ontherelation difficulttomeasurethe the di

14、splacement directlyBased betweenthe andthe modelof ESPU lift，the pumping displacement dynamic tointake andthe currentofthe displacement pressureworking pressure，discharge electricalsubmersiblemotorisbuiltwithneuralnetworksThe of displacement ESPisidentifiedwithrecurrentneural networks networks，thele

15、arningalgorithm ale isalso of factorandmomentum improved，valuerangesamplification given ESP resultsverifiestheidentificationof Experiment displacement oftheMDTOn the of ESP,fuzzy Reliabilityanalysis analyzingreliability is to the oftheMDT method by reliabilityanalyzing adoptanalyzereliability backwa

16、rdinterferenceastomasterthedistributionlawofthelifetimeif model，SO theMDTandto thebasic of fault improve componenthigh probability oil arecarriedOut testsofMDTinlabandin field Experiment testing anddriftsof sensorsarecalibrated Temperature pressure and to are sensorscurrent sensors leakage temperatu

17、re of andfault ofESPbasedonMDTisexecuted state study monitoringdiagnosis showthatthe MDTCanmonitortheESP results working Experiment developed statusinrealtime Researchon ofMDTforESPandits isthebase keytechnology engineering of MDT、ithself-ownedintellectual producing property submersible Down?-hole w

18、ords：Electrical Tool；State Key pump；Multi?sensor Monitoring；DisplacementIdentification；Reliability 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者 签字 ：专昆州 日期：

19、 口仵钥sr'Et 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文 剧在授予学位后即可口在授予学位12个月后口 解密后 由哈尔滨工程大学送交有关

20、部门进行保存、汇 作者 签字 ：气镌刚 导师 签字 ： 日期 。f6月灯日 。月f，日 第1章绪论 第1章绪论 11课题背景及研究意义 随着全球对石油需求的不断增长以及易采原油的Et益枯竭，石油行业在 向更广泛领域找油，积极研究新的采油技术，包括稠油开采、石油砂开采、 深海石油开采等都取得新的发展，有效增加了全球石油的供给量。但随着采 油难度的不断增大，迫使采油企业及采油装备制造企业更加依托于技术进步 来提高生产绩效，新的采油技术研究具有重要的研究意义和实用价值【1,21。 潜油电泵作为一种重要的机械采油设备，自1926年开始生产以来，迄今 已有80多年的历史，需求量逐年增加，技术水平也在不断

21、提高。从上世纪 80年代初开始，全球开始大量使用潜油电泵采油，由于具有排量大、扬程高、 地面工艺简单、管理方便等特点，在二次采油以及三次采油中发挥了其它机 械采油设备不可替代的作用。以抽油机、螺杆泵为代表的有杆采油设备受到 长距离传动的限制，抽油杆与油管偏磨严重，应用可靠性严重下降，而潜油 电泵由于采用井下电机直接驱动，无长距离传动杆，且扬程能力高，可下到 3500m井深采油，其独特的优势很大程度上弥 b-J"其它机械采油设备的不足。 目前在以斜井和水平井为主的海上油田，基本形成潜油电泵独领风骚的局面。 潜油电泵的运行合理性对自身能耗的影响特别大，一旦超过理想的运行 区间，无功损耗明

22、显增加，且运行寿命会受到严重影响。潜油电泵运行状态 的实时监测及其参数的实时调整是保障潜油电泵合理运行的关键技术，而目 前潜油电泵的运行监控主要采取人工监控的办法，受环境条件及人力资源的 限制，实时性较差，不能保证潜油电泵的实时合理运行，不仅影响油田生产， 而且提高了采油成本。 目前全球潜油电泵需求量呈增长态势。自2003年以来，我国潜油电泵行 业产值以年均3149的同比速度快速增长，见表11。截止2008年10月， 潜油电泵行业的总产值达到了189l亿元人民币，同比上涨了4562。市场 的强劲需求给潜油电泵的快速发展带来了良好机遇。提高潜油电泵技术水平， 增强对各种复杂井况的适应性、降低潜油

23、电泵不合理能耗、实现高可靠性以 哈尔滨T程大学博十学位论文 及智能化控制 包括无人化油井和远程控制等方面 是用户普遍关注的问题， 也是专业制造商的重点攻关方向【21。 表1120032008中国潜油电泵产量及产值对比 Table11 Oil andvalueoftheESPat20032008 growingoutput 年份 产量台 同比增长 产值万元 同比增长 2003 6535 195l 71522 224l 2004 7972 2199 82995 1604 2005 9343 1720 99597 2000 2006 125lO 3390 147854 4845 2007 17279

24、 3812 22258l 5054 2008年110月14399 2987 189062 4562 显然，实现潜油电泵机组运行状态的实时监测已成为提高潜油电泵技术 水平的瓶颈技术【3'41。受潜油电泵机组自身特点及井下高温高压等恶劣环境条 件的限制，潜油电泵机组实时监测系统必须具有较高的可靠性和准确性，特 别是温度变化带来的温漂问题，同时监测系统必须与潜油电泵机组一起安放 在井下，井下部件损坏难以随时修复，而且不同的井况环境差异较大，决定 了潜油电泵机组运行状态的实时监测与地面监测系统相比具有更高的技术要 求。载波形式的选择以及信号的处理也是实现潜油电泵机组井下运行状态实 时监测的关键

25、问题，目前所采用的电力载波技术本身比较成熟，但将工作在 地下几千米深的潜油电泵机组运行状态信息传输到地面，受变频谐波、不平 衡电压、瞬态高压等影响，针对潜油电泵具体的应用对象和工况，调制解调 技术还有很多问题需要解决。因此实现潜油电泵机组实时运行状态监测是 个复杂的、需要适应多种应用环境且可靠性要求高的系统技术。 12潜油电泵机组运行状态监测技术国内外研究现状 121潜油电泵与温度压力监测系统应用效果分析与评价 在全球范围内，潜油电泵机组的应用仍以工频运行机组为主，综合运行 效果基本上是优差参半。部分潜油电泵之所以应用的效果不好，一方面和油 田的管理水平相关，另一方面和监测手段以及运行参数调整

26、的及时性有很大 关系。以大庆油田为例，潜油电泵应用已近30年，积累了丰富的实践经验， 但是综合应用效果仍不尽理想，表12列出的是大庆油田四种泵型实际排量 效率的统计分析结果。统计井数1752口，占油田潜油电泵总井数的716。 2 - 第1章绪论 i 其中运行较为理想的井数占统计井数508，运行在低排量效率区井数占统 计井数422，运行在高排量效率区井数占统计井数7。图1114反映的 是四种泵型对应的油井数随排量效率变化的统计分析结果。 表12大庆油田四种泵型排鼍效率统计分析结果 Table12Thestatisticaldatafor rateoffourkindsofESPin oil pu

27、mping field Daqing 型号 低排量效率 所rIi比例高排量效率 所fIi比例高效区排量效率 所占比例 平均值慌 平均值慌 平均值M 肠 Q10 654 38 1796 8 123 54 Q15 574 45 1525 8 1063 47 Q20 569 43 1477 7 1047 50 Q25 553 40 1405 3 1012 57 梏 100 求 婊 震 l 高效区 笏一 O 95 160 排量效率 图11QIO泵不同排量效率井分布情况 Thewelldistributionofl0with rate Fig11 Q pumping 恬 ，。蛤 求 软 熙 0 82 1

28、33 排量效率 图12 5泵不同排量效率井分布情况 Q1 Thewelldistributionof 5with rate Fig12 Q1 pumping 梏靼一 隶 橄 爱 O 82 130 排量效率 图13 Q20泵不同排量效率井分布情况 distributionof with Thewell Q20 rate Fig13 pumping 哈尔滨T程大学博士学位论文 100 捂 l 求 高效区 软 广 震 荔笏 图1。4 Q25泵不同排量效率井分布情况 The of welldistributionwith rate Fig14 Q20 pumping 从统计结果看，低排量效率井数比例较

29、大，极大影响了油井产量。年累 计排量差额达到114565万吨，见表13。排量效率高的油井虽然占的比例不 大，但是单井能耗损失却很大，表14列出按统计的平均排量效率计算出的 负载功率损失情况。一年累计损失约为5×106kWh，平均单井年增加能耗损 失费用为25万元左右。 表13大庆油田四种泵型低排量效率产量损失统计分析结果 Table13Thestatisticaldataforlower rateoffourkindsofESPin oilfield pumping Daqing 型号 平均排餐效率 井数 与高效区最低排量差值，m3d 年累计差值m3 QlO 654 132 296

30、1426128 Q15 574 24l 369 32459085 Q20 569 234 502 4287582 Q25 5527 132 51825 24969285 表14大庆油田四种泵型高排量效率能耗损失分析结果 14The rate Table energyconsumptionofhighpumping forfourkindsofESPin oilfield Daqing 高排量效率区 对应理想泵型 型 井 功率差 号 数 排量效 泵扬程泵效 负载 型号繁负载kW功率额kW 率 m 功率kW 26 l796 504 435 2026 61 1688 338 Q10 Q15 44 1

31、52。5 578 43 2935 62 2422 513 Q15 Q20 Q2040 1477 56l 455 366 Q25 61 3079 58l 12 1405 704 525 4728 62 4522 206 Q25 Q40A 综合国内外不同油田潜油电泵应用情况，目前大庆油田潜油电泵机组的 应用处于较高水平。大庆油田地质条件较好，井下温度约60" 2，平均油层深 度为1000m，潜油电泵的平均检泵周期已经达到1300余天。可以想象，全球 潜油电泵井数量达到几十万口，由于运行效果不良造成的产能损失和能耗损 失更为巨大。 为了提高潜油电泵的管理水平，早在20世纪80年代，部分油田

32、就已关 4 第l章绪论 注测温测压装置的应用，开发了基于模拟信号的潜油电泵井下测温、测压装 置，但是这种装置本身可靠性与稳定性较差，监测数据失真，表现为装置的 正常运行寿命较短，损坏率较高，投入与回报不成比例，压力监测数据与实 际测试的数据存在较大误差，甚至出现井口压力大于井下压力的情况，综合 应用效果不甚理想。虽然20世纪90年代开发出新型的测温测压装置，包括 哈尔滨理工大学与大庆油田合作研究的GYW-GBl型本征半导体高分子压力 温度双参数传感器【51，该类装置采用了电力线载波技术进行信号传输，由于 抗谐波能力较差，局限于工频运行机组使用，对于采用变频控制的潜油电泵， 受变频器谐波的影响，信号采集与传输技术以及复杂环境下的系统寿命与稳 定性等问题还