張瑞超,尹玉瓊,徐林穎，陳德春,肖良飛,楊康敏

(1.中國石油大學(xué)勝利學(xué)院 油氣工程學(xué)院,山東 東營 257000; 2.東營職業(yè)學(xué)院 石油裝備與機(jī)電工程學(xué)院,山東 東營 257091; 3.東營職業(yè)學(xué)院 會計(jì)學(xué)院，山東 東營 257091;4.中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院,山東 青島 266580; 5.中國石化河南油田分公司 石油工程研究院,河南 鄭州 473000)

目前,我國大部分油田已進(jìn)入開發(fā)中后期[1-2],采出液的含水率不斷升高[3-5],而電潛泵因其排量大、功率高、能量傳遞方式簡單及管理方便等優(yōu)點(diǎn)[6-7],已成為保持油井高產(chǎn)的必然選擇。但電潛泵一般為深井作業(yè),井下工作環(huán)境復(fù)雜,運(yùn)行工況難以掌握,而且電泵成本較高[8-10],如果不能及時(shí)地把握電泵的工作狀況,對故障進(jìn)行及時(shí)的處理,就可能造成很大的損失。因此,通過工況診斷分析來及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障,減少電泵在不正常工況下的工作時(shí)間,是電潛泵井高效穩(wěn)定生產(chǎn)的重要保障。油田現(xiàn)場一般是人工通過電流卡片來進(jìn)行電潛泵井的工況診斷分析[11-13],但人工診斷方法工作技術(shù)性強(qiáng),依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和方法,效率較低且工作量大,嚴(yán)重影響著工況診斷分析的及時(shí)性與準(zhǔn)確性。因此,以電潛泵的工作原理為基礎(chǔ),結(jié)合電流卡片和油井生產(chǎn)數(shù)據(jù),分析電潛泵井常見的工況類型和每種工況類型下電流曲線的形態(tài)特征,提取不同工況類型下的電流曲線特征量,形成基于特征識別的電潛泵井工況智能診斷新方法,以判斷油井工況故障,并提出解決措施。

1 基于特征識別的電潛泵井工況診斷方法

1.1 不同典型工況下電流卡片樣本庫

以油田現(xiàn)場采集的電流卡片為數(shù)據(jù)來源,進(jìn)行整理和歸納,形成了10種不同典型工況下的電流卡片樣本庫,并分析了每種典型工況下電流曲線的形態(tài)特征及其形成原因,為后面電潛泵井的工況診斷及故障處理提供依據(jù),不同典型工況下的電流卡片樣本庫如圖1所示。

(1)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電流卡片如圖1(a)所示,電流是恒定的,電流曲線比較理想,是平滑對稱的曲線,可能會產(chǎn)生細(xì)小的波動,但不可能較大。

(2)含氣狀態(tài)下運(yùn)行的電流卡片如圖1(b)所示,電流曲線呈現(xiàn)為有規(guī)律的長期波動,工作電流波動的周期、幅度幾乎相同,波動時(shí)間長,但沒有形成過載或欠載。

(3)泵氣鎖時(shí)的電流卡片如圖1(c)所示,電潛泵由于氣鎖而產(chǎn)生停泵現(xiàn)象,電流曲線表現(xiàn)為A段由于液面高,工作電流高于正常值;B段為電潛泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)電流;C段由于液面下降、低于額定排量而工作電流下降,氣體在泵附近脫氣,電流開始出現(xiàn)波動;D段由于液面低、間歇出氣和不規(guī)則液流引起工作電流既低又不穩(wěn)定,最后泵因欠載而停機(jī)。

圖1 不同典型工況類型下的電流卡片樣本庫

(4)泵抽空時(shí)的電流卡片如圖1(d)所示,電潛泵由于抽空而欠載停泵,電流曲線表現(xiàn)為A、B、C三段曲線的分析與氣鎖情況相同,但由于該井內(nèi)無游離氣體逸出,也無脈動,所以電流平穩(wěn)。在D段中,由于液面低,電流急劇下降并欠載停機(jī),在機(jī)組再起動過程中,電流迅速下降,短時(shí)間內(nèi)欠載停機(jī)。

(5)頻繁的短期循環(huán)的電流卡片如圖1(e)所示,電流和電潛泵機(jī)組的啟停表現(xiàn)為周期性的波動。

(6)欠電流停泵的電流卡片如圖1(f)所示,當(dāng)泵啟動后,馬上因?yàn)榍冯娏鞫C(jī),在再啟動過程中,這一過程不斷循環(huán)。

(7)欠載保護(hù)失靈的電流卡片如圖1(g)所示,表現(xiàn)為電潛泵機(jī)組正常啟動后,運(yùn)行一段時(shí)間電流逐漸下降,一直降到接近電機(jī)的空載電流為止,幾乎在空載條件下運(yùn)行一段比較長的時(shí)間突然過載停機(jī)。

(8)過載停機(jī)的電流卡片如圖1(h)所示,設(shè)備由于過載而停泵,A段表示電機(jī)在低于額定電流的情況下啟動,啟動后電流逐漸趨于額定值;B段表示電泵正常運(yùn)行;C段表示電流逐漸升高,最后達(dá)到過載電流整定值,導(dǎo)致電潛泵機(jī)組過載停機(jī)。

(9)井液中含有雜質(zhì)的電流卡片如圖1(i)所示,電流曲線運(yùn)行到某一時(shí)間突然發(fā)生波動,過一段時(shí)間又自動恢復(fù)正常。

(10)突發(fā)情況下引起停機(jī)的電流卡片如圖1(j)所示,前期工作電流正常,到某一時(shí)刻,工作載荷突然降為零,工作電流急劇下降,并馬上停機(jī)。

1.2 基于特征識別的工況診斷數(shù)學(xué)模型

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化處理

獲得實(shí)時(shí)電流數(shù)據(jù)之后,首先需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。由于樣本庫中經(jīng)過處理后的正常工作電流對應(yīng)的值為0.7,停機(jī)后的電流對應(yīng)的值為0.4。所以可對待診斷的電流數(shù)據(jù)I測做如下處理,以便進(jìn)行后續(xù)的特征分析:

(1)

式中,I標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)化處理之后的電流,A;I測為測得的電流,A;I正常為電泵設(shè)定的正常工作電流,A。

此外樣本庫中的時(shí)間量是弧度θ(0～2 π)對應(yīng)著24 h,所以還須將時(shí)間進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理:

(2)

式中,θ為標(biāo)準(zhǔn)化處理之后的時(shí)間,弧度;T為測定電流值對應(yīng)的時(shí)間,min。

完成標(biāo)準(zhǔn)化處理之后,通過計(jì)算各點(diǎn)斜率,可獲得一組反映電流變化規(guī)律的標(biāo)準(zhǔn)斜率數(shù)據(jù)。

1.2.2 特征參數(shù)及其閾值的確定

特征量提取之前,定義以下5個(gè)特征參數(shù)及其閾值:

①α+為 較大的正值(α+>5);

②α-為 較大的負(fù)值(α-<-5);

③β+為 較小的正值(0.2≤β+≤2);

④β-為 較小的負(fù)值(-2≤β-≤-0.2);

⑤0為βmax-< 0 <βmin+。

上述5個(gè)特征參數(shù)的閾值是在綜合分析典型電流卡片下電流斜率變化規(guī)律的基礎(chǔ)之上,再經(jīng)過數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析確定的。例如,將樣本庫里所有電流卡片中提取出正常工作情況下的98組標(biāo)準(zhǔn)斜率數(shù)據(jù)匯入統(tǒng)計(jì)圖,其標(biāo)準(zhǔn)斜率數(shù)據(jù)均處于-0.2～0.2,如圖2所示,樣本庫中其他的電流卡片電流正常時(shí)的斜率也完全符合此閾值。圖3顯示的是電流波動時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)斜率變化范圍,從圖3中可以看出其所有標(biāo)準(zhǔn)斜率數(shù)值的絕對值均小于2。同理可得到停機(jī)和重啟情況下標(biāo)準(zhǔn)斜率數(shù)據(jù)的變化范圍,其標(biāo)準(zhǔn)斜率數(shù)據(jù)的絕對值均大于5,即電流卡片中電流變化的標(biāo)準(zhǔn)斜率值小于-5時(shí),都會確定地出現(xiàn)停機(jī)情況;電流卡片中電流變化的標(biāo)準(zhǔn)斜率值大于5時(shí),都會確定地出現(xiàn)重啟動情況。上述確定的閾值都是具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的,在新增或編輯樣本庫之前無須對其進(jìn)行修改。

圖2 穩(wěn)定情況下的標(biāo)準(zhǔn)斜率

圖3 波動情況下的標(biāo)準(zhǔn)斜率

1.2.3 特征量提取與分析

在樣本庫中定義3類特征。

(1)穩(wěn)定電流特征:斜率都為0。

(2)非穩(wěn)定電流特征:

① 電流緩慢減小。斜率維持為β-較長一段時(shí)間。

② 電流快速減小。斜率很短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)β-。

③ 電流增加。斜率維持為β+一段時(shí)間。

④ 電流波動。斜率為β+和β-交替出現(xiàn)。

(3)電流突變特征:

① 停機(jī)。斜率數(shù)據(jù)中檢測到α-。

② 再啟動。斜率數(shù)據(jù)中檢測到α+。

在進(jìn)行電流卡片分析時(shí),要在標(biāo)準(zhǔn)斜率數(shù)據(jù)中檢測以上特征,進(jìn)而用以對不同電流卡片進(jìn)行區(qū)分。進(jìn)行檢測時(shí)規(guī)定每5%個(gè)連續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)斜率數(shù)據(jù)為一個(gè)數(shù)據(jù)單元,例如100個(gè)標(biāo)準(zhǔn)斜率數(shù)據(jù)依次為:A,B,C,D,E,F,G,H,…,將{A,B,C,D,E}{B,C,D,E,F,}和{D,E,F,G,H}都視為不同的數(shù)據(jù)單元。該數(shù)據(jù)單元主要用于電流漸變特征的檢測,所以包含α-或α+的數(shù)據(jù)單元沒有意義,分析時(shí)不將其視為一個(gè)數(shù)據(jù)單元。

在進(jìn)行穩(wěn)定電流特征檢測時(shí),如果一個(gè)數(shù)據(jù)單元中0出現(xiàn)的頻數(shù)大于數(shù)據(jù)單元中數(shù)據(jù)總數(shù)的60%(不包含60%)時(shí),也就是說對于上述提到的時(shí)間單元{A,B,C,D,E}中的5個(gè)數(shù)據(jù)中必須檢測到4或5次0,才開始啟動電流穩(wěn)定特征的檢測,將其稱作穩(wěn)定電流特征檢測的啟動條件。

在進(jìn)行非穩(wěn)定電流特征檢測時(shí),如果數(shù)據(jù)單元中β+和β-出現(xiàn)的總頻數(shù)大于數(shù)據(jù)單元中數(shù)據(jù)總數(shù)的40%(包含40%)時(shí),開啟非穩(wěn)定電流特征的檢測,將其稱作非穩(wěn)定電流特征檢測的啟動條件。

對于存在電流突變特征的電流卡片,先檢測停機(jī)特征即[α-],然后再從停機(jī)數(shù)據(jù)點(diǎn)按時(shí)間自后向前搜索。如果非穩(wěn)定電流特征的檢測開啟,繼續(xù)一次取一個(gè)時(shí)間單元往前檢測,直至出現(xiàn)穩(wěn)定電流特征或電流突變特征時(shí),檢測終止,并把自非穩(wěn)定電流特征開啟時(shí)的第一個(gè)數(shù)據(jù)單元至其終止時(shí)的最后一個(gè)數(shù)據(jù)單元(不包含該單元的數(shù)據(jù))之間的所有數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)非穩(wěn)定數(shù)據(jù)組,該非穩(wěn)定數(shù)據(jù)組的形式可能是以下4種:

① [β+、0、β-]表示電流波動;

② [β-、0、β-]表示電流緩慢減小;

③ [β-、β-]表示電流迅速減小;

④ [β+、β+]表示電流增加。

完成非穩(wěn)定數(shù)據(jù)組的提取之后,便可以在數(shù)據(jù)組中進(jìn)一步檢測,能很容易將以上4種數(shù)據(jù)組形式區(qū)分開來,從而可以確定其所屬的不同特征類型。

如果從停機(jī)數(shù)據(jù)點(diǎn)按時(shí)間自后向前搜索時(shí),穩(wěn)定電流特征的檢測開啟。然后,同樣一次取一個(gè)時(shí)間單元往前檢測,假如出現(xiàn)非穩(wěn)定電流特征,且繼續(xù)向前檢測能提取到[β-、0、β-]的非穩(wěn)定數(shù)據(jù)組,則可判斷其屬于欠載保護(hù)失靈的電流卡片特征。否則,假如沒有出現(xiàn)非穩(wěn)定特征,則可判斷其屬于突發(fā)情況下引起停機(jī)的電流卡片特征。

如果從停機(jī)數(shù)據(jù)點(diǎn)按時(shí)間自后向前搜索時(shí),第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)便檢測到再啟動特征即[α+],則可判斷其屬于欠電流停泵的電流卡片特征。

基于上述的特征參數(shù)及診斷規(guī)則,對樣本庫中10種不同典型工況下的電流卡片進(jìn)行了特征量分析,并提取其特征值,形成了基于特征識別的電潛泵井工況診斷新方法,從而實(shí)現(xiàn)了電潛泵井工況的智能診斷。典型工況下電流卡片的特征量分析及其特征值提取見表1。

表1 典型工況下電流卡片的特征量分析及其特征值提取

2 實(shí)例計(jì)算與分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證所建立模型的計(jì)算精度,需運(yùn)用油田現(xiàn)場實(shí)際的電流卡片數(shù)據(jù)對工況診斷模型進(jìn)行檢驗(yàn)。對現(xiàn)場6口油井的電流卡片進(jìn)行工況診斷,計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可知,工況診斷符合率為100%,證明所建立的模型具有很好的精度,可以滿足油田現(xiàn)場工程對診斷精度的要求,能夠?yàn)橛吞铿F(xiàn)場的生產(chǎn)提供理論支持和指導(dǎo)。

表2 驗(yàn)證檢驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)以油田現(xiàn)場采集的電流卡片為數(shù)據(jù)來源,進(jìn)行整理和歸納,形成了10種不同典型工況下的電流卡片樣本庫,并分析了每種典型工況下電流曲線的形態(tài)特征及其形成原因,為電潛泵井的工況診斷及故障處理提供依據(jù)。

(2)統(tǒng)一規(guī)范和確定了5個(gè)特征參數(shù)和7個(gè)電流特征以及它們的閾值,這7個(gè)電流特征的不同組合可以將10種典型工況下的電流卡片完全區(qū)分開,并對每種典型工況下的電流卡片進(jìn)行了特征提取,從而形成了基于特征識別的電潛泵井工況智能診斷新方法。

(3)對油田現(xiàn)場6口油井的電流卡片進(jìn)行工況診斷,工況診斷符合率為100%,所建立的診斷模型能夠非常準(zhǔn)確地探尋樣本庫中已定義的各種電流卡片特征或特征組合,具有良好的精度,可以滿足油田現(xiàn)場工程對診斷精度的要求,能夠?yàn)橛吞铿F(xiàn)場的生產(chǎn)提供理論支持和指導(dǎo)。