邵克勇 錢 坤 張鳳武 劉遠(yuǎn)紅 吳 寧 蔣召平 張力鵬

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

數(shù)控往復(fù)式潛油電泵是針對低產(chǎn)低滲油田提出的一種重要的新型無桿采油技術(shù)，應(yīng)用前景良好[1,2]。由于潛油直線電機在井下惡劣環(huán)境中連續(xù)工作時間短及抽油泵本身工況不佳等問題導(dǎo)致機組故障率相對較高，因此對其進行故障監(jiān)測和診斷，對油田生產(chǎn)具有重要意義。目前還沒有成熟的故障監(jiān)測和診斷系統(tǒng)，有些學(xué)者的研究成果還處于實驗室階段。文獻[3]提出一種基于支持向量機的工況診斷方法，建立了SVM工況診斷模型，并進行了仿真驗證，但是并未設(shè)計實時故障診斷系統(tǒng)，在現(xiàn)場難以應(yīng)用，有很大局限性；文獻[4]以壓力信號為主、流量信號為輔作為故障信息，應(yīng)用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行故障診斷，設(shè)計了往復(fù)泵故障智能診斷系統(tǒng)，但是該方法只針對往復(fù)泵本身提出的，沒有考慮潛油直線電機對往復(fù)泵的直接影響，并且需要在泵缸中安裝傳感器以實現(xiàn)實時監(jiān)測，不便于深井中工作的潛油電泵使用。而現(xiàn)場技術(shù)人員通過經(jīng)驗診斷機組故障適應(yīng)性差，不利于推廣?；诖?，筆者在對其工作機理深入研究的基礎(chǔ)上，利用虛擬儀器作為其故障監(jiān)測和診斷方法的平臺，提出以功率信號作為故障信息，將LabVIEW與Matlab混合編程技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)的研發(fā)，使二者優(yōu)勢互補，實現(xiàn)了電參信號的采集、小波去噪及波形分析等功能，建立了故障監(jiān)測和診斷系統(tǒng)，現(xiàn)場應(yīng)用效果較好。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計及其功能①

虛擬儀器是一種基于計算機的先進儀器，通過計算機軟件和硬件仿真?zhèn)鹘y(tǒng)測量設(shè)備，是以數(shù)據(jù)采集、信號處理和圖形顯示為主，控制為輔的科學(xué)儀器[5,6]。筆者以虛擬儀器為基礎(chǔ)，開發(fā)了往復(fù)式潛油電泵故障監(jiān)測和診斷系統(tǒng)，并將測試系統(tǒng)采集的模擬信號通過信號傳輸設(shè)備送入計算機，以實現(xiàn)對信號的實時顯示與分析處理。該系統(tǒng)分為硬件和軟件兩大部分，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計及其功能

1.1.1測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)的主要功能是完成對采油工藝運行過程中實時電壓與電流信號的采集，其直接與地面高壓變頻控制柜相連，主要包括電壓和電流互感器。二者是信號輸入通道的首要環(huán)節(jié)，決定了整個測試系統(tǒng)的性能，可以把被測物理量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系并且容易檢測的信號輸出，以滿足信息的傳輸、存儲及分析等要求。因此選擇互感器時，在滿足測量范圍、速度、精度、靈敏度和分辨率的情況下，還需考慮經(jīng)濟投入、相配電路是否方便及安全性能等因素。筆者綜合考慮了以上方面，又結(jié)合井場工作平臺環(huán)境惡劣和機組運行時故障信息豐富的特點，選用了抗外界干擾能力強、測量線圈精度為0.2的性價比較高的電壓和電流互感器，現(xiàn)場應(yīng)用效果較好。

1.1.2信號傳輸設(shè)備

系統(tǒng)設(shè)計成雙通道并行輸入，信號采集硬件外置，通過信號傳輸設(shè)備與計算機交換數(shù)據(jù)。筆者采用高精度USB-6008數(shù)據(jù)采集卡作為信號傳輸設(shè)備的主要組成，它是一種基于USB總線的采集卡，可直接與計算機的USB接口連接，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集、波形顯示、信號處理和生產(chǎn)過程監(jiān)測系統(tǒng)，具有信號調(diào)理、采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換、模擬輸入、模擬輸出及數(shù)字I/O等典型功能；逐次逼近類型的轉(zhuǎn)換器；10kS/s的采樣率。

綜上所述，硬件系統(tǒng)的設(shè)計即下位機設(shè)計，是以計算機為整個系統(tǒng)的中樞，以電壓和電流信號采集為工作核心，負(fù)責(zé)對二者分通道采集、采樣參數(shù)配置和信號調(diào)理，然后向上位機的數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)。因此首先要通過測試系統(tǒng)測取信號，然后信號傳輸設(shè)備進行信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換，最后傳輸?shù)接嬎銠C診斷系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫。為了方便現(xiàn)場應(yīng)用，筆者將測試系統(tǒng)、信號傳輸設(shè)備和電源組成的硬件系統(tǒng)組裝，形成便攜式故障診斷儀器。

1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計及其功能

軟件平臺的開發(fā)是整個監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的核心，筆者采取了模塊化的編程思想，通過LabVIEW直觀的圖形化人機界面對信號進行采集，并在LabVIEW中使用Matlab script節(jié)點技術(shù)，調(diào)用Matlab中的小波函數(shù)程序?qū)胄盘栠M行降噪處理，這種混合編程的方式充分利用了二者的優(yōu)點。根據(jù)實際需求設(shè)計參數(shù)標(biāo)定、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示四大模塊組成軟件系統(tǒng)，并進行了調(diào)試和集成?，F(xiàn)場應(yīng)用效果表明：功率波形清晰，能夠很好地反映機組工況。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)采集模塊是基于LabVIEW提供的DAQ和硬件測試儀器來實現(xiàn)信號采集、通道設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示和存儲用戶自定義測量系統(tǒng)，整合了機組實際信號、互感器與信號傳輸設(shè)備，采集互感器輸出的模擬信號，通過數(shù)據(jù)采集卡將其轉(zhuǎn)換為計算機可以識別的數(shù)字信號，送入計算機存儲和處理，得到清晰的功率波形，并在人機界面顯示，以實現(xiàn)對整個采油工藝故障的監(jiān)測和診斷。數(shù)據(jù)采集程序如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集程序

2 現(xiàn)場測試與分析

整個系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計完成后，筆者針對數(shù)控往復(fù)式潛油電泵舉升工藝在油田中常出現(xiàn)的卡泵和油管結(jié)蠟故障，在某油田油井區(qū)塊，應(yīng)用該系統(tǒng)對12口油井進行了工作狀態(tài)監(jiān)測，系統(tǒng)通過采集實時的電壓電流信號，得到實時的功率信號，對于典型故障可以從功率信號的波形變化直觀地判斷。數(shù)據(jù)采集前面板顯示的實時功率信號如圖4所示。

調(diào)用Matlab小波去噪程序，并將潛油直線電機動子下沖程功率曲線翻折，設(shè)置采樣頻率500Hz，即每2ms采集一個點。每口油井采集500個沖次的數(shù)據(jù)，選擇潛油直線電機類型、抽油泵泵徑、控制柜參數(shù)設(shè)置及動液面等條件一致或近似的3口油井進行工況分析。當(dāng)機組正常工作時，潛油直線電機動子在上、下沖程開始時會有一個較大的啟動電流，導(dǎo)致功率波形在這兩個位置會有正常的突變，隨之動子平穩(wěn)運行，不發(fā)生抖動或過載等不正常工況，上、下功率大小也符合機組在變頻控制柜上的參數(shù)設(shè)置，機組正常運行時的功率波形如圖5所示。

圖4 機組功率實時信號

圖5 機組正常運行波形

當(dāng)機組發(fā)生卡泵現(xiàn)象時，動子電流會在卡泵位置突然變大，動子運行不平穩(wěn)，導(dǎo)致功率波形發(fā)生明顯變化，如圖6所示，動子上行程在第281個采樣點附近發(fā)生卡泵，功率變大；動子下行程在同一位置出現(xiàn)卡泵現(xiàn)象，功率波形變化更加明顯。

圖6 機組卡泵波形

當(dāng)機組發(fā)生油管結(jié)蠟現(xiàn)象時，潛油直線電機動子在往復(fù)運行過程中，井液內(nèi)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，功率波形表現(xiàn)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。

圖7 機組油管結(jié)蠟波形

故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了機組運行的可靠性，延長了機組的使用壽命，卡泵和油管結(jié)蠟診斷準(zhǔn)確率分別達(dá)到97.0%和98.0%，機組系統(tǒng)效率平均提高25.2%，平均檢泵周期從224天提高到452天，并且實現(xiàn)了自動化管理，提高了工作效率。

3 結(jié)束語

筆者將機械故障診斷方法研究與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了數(shù)控往復(fù)式潛油電泵的故障監(jiān)測和診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能對電壓、電流數(shù)據(jù)進行采集、存儲和查詢，還通過Matlab script節(jié)點將LabVIEW與Matlab優(yōu)勢互補混合編程進行信號的小波去噪和波形分析，實現(xiàn)了故障監(jiān)測和診斷功能?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，該系統(tǒng)適用于井場平臺環(huán)境，能夠直觀、準(zhǔn)確地監(jiān)測機組工作狀態(tài)，做出故障預(yù)警。該系統(tǒng)針對卡泵和油管結(jié)蠟兩種典型故障的診斷效果較好，滿足了實際生產(chǎn)的需求，提出通過研究動子功率波形特征變化來實現(xiàn)故障監(jiān)測和診斷，對機組是實用且有效的。對這一新型采油工藝的規(guī)模應(yīng)用和故障診斷方法的深入研究具有積極意義。