李 勇，范新冉，高守華，賀建軍

（中國石化勝利油田分公司設備管理部，山東東營 257000）

1 抽油機管理現狀

游梁式抽油機以結構簡單、易損件少、操作簡單、維護方便、相比其他機型維護費用低等優(yōu)點，長期占據著有桿抽油系統地面設備的主導地位，在各類型抽油機中占比高達94%。近幾年，管理區(qū)四化建設逐步推廣，抽油機設備已經基本實現了電流、電壓、功率、沖次、沖程、負荷等數據的采集和現場視頻監(jiān)控，但是本質技術狀況檢查仍需要人工巡檢完成，導致以下突出問題存在：

（1）巡檢要求與人員不足矛盾突出。四化建設推廣以來，人員大幅減少，設備技術配套跟不上新型管理建設要求，人員不足與設備巡檢要求之間的矛盾將更加突出。

（2）認識及知識能力不足，巡檢標準執(zhí)行力差。抽油機通常被認為“傻大笨粗”設備，“皮實耐用”的老思想普遍存在，日常管理粗放，標準要求低，在巡檢工作量大、現場工人老齡化、壓縮用工等情況下，易導致設備巡檢走過場。無法做到掌握抽油機故障形勢及發(fā)生趨勢，一些輕微故障不能及時發(fā)現，易導致小問題發(fā)展成大問題。

（3）執(zhí)行力不足。如電機功率匹配問題、負載與抽油機型號及電機匹配問題、平衡率與供液量匹配問題、井下工況與地面設備匹配等，不能利用四化數據及時調整、優(yōu)化設備。

進行游梁式抽油機技術狀況監(jiān)測與評價系統研究，可有效解決目前抽油機維護和巡檢面臨的實際問題，同時可將設備與四化進一步融合，提高抽油機設備管理水平和信息化程度。

2 監(jiān)測與評價技術研究

2.1 技術思路

基于物聯網技術的工業(yè)監(jiān)測平臺的整體技術框架組成為無線振動采集傳感器、區(qū)域控制基站、系統分析軟件。

振動采集器高度集成高精度壓電陶瓷加速度傳感器、恒流源發(fā)生電路、溫度補償電路、AD 采集模塊、無線收發(fā)模塊、鋰電池管理電路和嵌入式主控芯片，采用無線技術進行數據交換，實時精確采集振動位移、速度、加速度，然后進行AD 量化，將其進行閾值比較，能夠按照設置的格式設定休眠與喚醒時間，持續(xù)工作時間可達1 年以上。

區(qū)域控制基站通過接收該區(qū)域范圍內設備的無線振動傳感器的信息，通過接收終端監(jiān)控室的指令，來控制無線傳感器節(jié)點，其內部基于Linux 操作系統，能夠方便終端對其訪問和程序更改。依據產品系統應用場所，控制器功能劃分為：數據采集、數據處理、數據存儲、控制輸出功能、遠程通信、數據顯示等功能模塊。

顯示系統能夠將整個工業(yè)現場的設備運營情況上報到整個系統，一目了然看到整個監(jiān)測平臺的信息，顯示監(jiān)測平臺每個設備的運行狀況，提供報警信息，而這些信號的傳輸與報警模式都由軟件設置，在自動設置的同時支持人工操控對設備的信號采集與分析，并且能夠將采集到的信息送至后端進行診斷。通過對設備加速度的頻譜分析能夠提前預知設備內部的零部件的狀況和分析設備的故障現象，給出維修意見。

2.2 主要研究內容

抽油機技術狀況監(jiān)測與評價系統技術路線分3 步進行：①研究抽油機主要故障類型；②采集振動和溫度等實施監(jiān)測數據；③監(jiān)測數據分析，進行抽油機狀態(tài)識別，做出評價決策

2.2.1 主要故障類型

游梁式抽油機故障類型如下：減速箱故障主要體現在異響、竄軸、斷齒、軸承損壞等；電機技術狀況主要體現在溫度、異響等；曲柄銷子技術狀況主要體現在銷子斷裂、銷子軸承脫落等，會造成游梁翻轉，連桿蹩彎，不僅嚴重損壞井口設備，甚至會危及人身安全；基礎主要體現在土基礎下沉，鋼基礎斷裂，水泥基礎斷裂等。以上故障可大體分為3 類：①以游梁為中心的故障，主要包含毛辮子斷裂、中軸承損壞、變速箱故障等；②以橫梁為中心的故障，主要包含尾軸承損壞、曲柄銷斷裂等；③以底座為中心的故障，主要包含水泥基礎斷裂、底座斷裂、機架扭曲等。

2.2.2 故障采集及特征分析

故障采集分析系統主要由左右曲柄狀態(tài)測控儀、橫梁狀態(tài)測控儀等組成（圖1）。左、右曲柄狀態(tài)測控儀分別安裝在左、右連桿上，隨連桿一起運動，監(jiān)測曲柄及其與之相連接的連桿、減速機輸出軸的運動狀態(tài)；橫梁狀態(tài)測控儀安裝在抽油機橫梁上，隨橫梁一起運動，監(jiān)測抽油機橫梁、游梁，及其與之相連接的連桿、尾軸承、中軸承、抽油桿、毛辮子、抽油泵等的運動狀態(tài)。先根據各傳感器測得的正常數據進行抽油機沖次計算和抽油運行上半周、下半周所用時間計算，然后將這些數據備份，以實時計算值與之比較，判斷由故障引起的沖次變化來判斷故障類型。與周期無關的故障類型則用角度變化和距離變化計算判斷。

（1）毛辮子斷裂（繩帽脫落）。毛辮子斷裂即引起懸點載荷突變至零，由于平衡塊的作用，下沖程速度變慢、上沖程速度變快，下半周期變短、上半周期變長。此故障現象可用電機電流校驗：上沖程電機電流變小，下沖程電機電流變大。

（2）中軸承損壞。中軸承損壞即引起游梁振動，使驢頭左右擺動，橫梁偏斜運動，橫梁傳感器所測數據振動幅度大，且橫梁方向的角度變化已超出正常運行角度。

（3）尾軸承損壞。尾軸承損壞即引起橫梁的強烈振動，且會引起連桿變形、疲勞斷裂。橫梁傳感器所測數據振動幅度大，且橫梁方向的角度變化已超出正常運行角度和中軸承損壞的角度范圍。

（4）曲柄銷斷脫。曲柄銷斷脫即引起橫梁急劇偏斜，如不及時停機還會影響尾軸承的正常工作，促使游梁扭曲變形，甚至翻機。橫梁傳感器所測角度數據遠遠超過正常數據。

圖1 游梁式抽油機技術狀況監(jiān)測與評價系統

（5）變速箱輸出軸竄。變數箱輸出軸竄即表示減速箱輸出軸處的軸承損壞，輸出軸振動，曲柄傳感器所測距離數據一邊變長一邊變短，且變長量與變短量的絕對值基本一致。

（6）水泥基礎斷裂。水泥基礎斷裂即表示抽油機底座與水泥基礎連接松動，抽油機安裝的平穩(wěn)性遭到破壞。安裝在抽油機上的各處傳感器所測數據都將由于振動受到干擾，特別是橫梁傳感器沿游梁方向的數據變化范圍超出正常范圍較多。

（7）底座斷裂。抽油機底座斷裂即表示抽油機整體運行不平穩(wěn)，與水泥基礎的連接松動，從而引起抽油機整體振動，上沖程驢頭前傾下沖程驢頭復位，橫梁傳感器沿游梁方向的數據變化范圍超出正常范圍較多（多于水泥基礎斷裂）。

（8）機架扭曲。機架強度變弱引起扭曲變形，游梁離開原位，橫梁、連桿扭曲振動。橫梁傳感器沿游梁方向和沿橫梁方向的數據變化均超出正常范圍。

2.2.3 數據分析處理及決策

橫梁狀態(tài)測控儀、左曲柄狀態(tài)測控儀、右曲柄狀態(tài)測控儀將采集的數據通過無線傳輸模塊傳送至DTU 控制器，DTU 控制器由IO 集成單元、433 MHz 無線雙通道通信單元、ARM 處理芯片、外部通信單元等組成（圖1）。IO 模塊執(zhí)行測控儀監(jiān)測到停機、報警信息進行本地處理，同時具備2 路AD 用于現場監(jiān)控模擬數據運行（抽油機周期、頻率、沖刺，測控儀自檢數據）；433 MHz 無線雙通道通信單元收發(fā)測控儀數據；ARM 處理芯片對數據進行高速計算、對比，實現測控儀自檢、自學習、0.1 s 間隔的實時測控功能。

工作狀態(tài)實時傳輸到采油管理區(qū)（采油廠）監(jiān)控室，使工作人員隨時掌握抽油機的工作狀態(tài)。任何一狀態(tài)測控儀或DTU 控制器出現故障后進行遠程報警，顯示故障代碼，通過查詢故障代碼表即可得知故障點，然后進行故障排查，省時、方便。

3 應用情況

自2019 年起，在勝利油田孤島采油廠試運行2 臺，能夠實時輸出抽油機狀態(tài)、展示實時抽油機運轉參數和相關的報警信息處理功能，數據采集準確、傳輸及時、分析準確率高。2019 年累計各類預警、報警累計26 次。如37-414 井振幅超限報警后，減速箱清洗換油后消除；左曲柄銷松動報警1 次，緊固后消除。

取得了以下效果：①初步實現設備預知性維修，有效減少設備維修成本支出；②緩解巡檢人員不足的壓力，解決巡檢標準執(zhí)行不到位的問題；③提供標準數據接口，易于“四化”系統融合，提升設備管理信息化程度。

4 結語

游梁式抽油機技術狀況監(jiān)測與評價系統，按照游梁式抽油機巡檢內容制定的抽油機運行狀態(tài)監(jiān)測方案，根據傳感器性能特點確定安裝位置，關注設備自身工況管控，填補了油田抽油機類設備數據采集的空白，對抽油機信息化建設起到一定指導作用。抽油機技術狀況監(jiān)測與評價還需要長期的試驗開發(fā)、技術改良、再測試、再改良，要求有大量的現場抽油機數據支撐，記錄抽油機的運行狀況，判斷抽油機的運行故障，分析抽油機各部件的劣化曲線，以實現預知性維修。