王慶龍，柳海嘯，李凌宇，魏舒，李亦白

(1.中海石油(中國(guó))有限公司蓬勃作業(yè)公司，天津 300459；2.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

在油田開(kāi)采過(guò)程中，開(kāi)采企業(yè)會(huì)使用大量機(jī)械設(shè)備，電潛泵是其中重要的組成部分。電潛泵由多個(gè)部件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，從而也因此提升電潛泵發(fā)生故障問(wèn)題的概率。由于開(kāi)采環(huán)境復(fù)雜，隨著油田開(kāi)采規(guī)模的不斷增加，電潛泵如果發(fā)生故障問(wèn)題，不僅會(huì)影響開(kāi)采效率，而且也會(huì)增加維修成本，影響開(kāi)采企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。所以，提升電潛泵故障診斷技術(shù)的應(yīng)用水平，無(wú)疑對(duì)推動(dòng)我國(guó)原油開(kāi)采事業(yè)發(fā)展有著絕對(duì)意義。

1 電潛泵基本工作原理

在油田采油階段，電潛泵與離心泵相互配合，從而完成整個(gè)采油流程。電潛泵在地層中工作，電流經(jīng)過(guò)電壓器的作用傳遞至電潛泵中，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動(dòng)電機(jī)工作，完成原油的開(kāi)采與收集。隨后，在壓力作用下，將采集到的原油輸送出地面。為了提升電潛泵的運(yùn)行質(zhì)量，關(guān)鍵在于如何高精度地完成對(duì)電潛泵的控制，并且也要降低電潛泵故障問(wèn)題的發(fā)生頻率，提升電潛泵正常工作時(shí)間，將電潛泵的作用最大限度地發(fā)揮出來(lái)。

2 電潛泵的發(fā)展?fàn)顩r

由于世界經(jīng)濟(jì)的不平衡發(fā)展，發(fā)達(dá)國(guó)家與發(fā)展中國(guó)家的采油工程行業(yè)發(fā)展也存在差異。作為采油技術(shù)最發(fā)達(dá)的國(guó)家，美國(guó)的電潛泵技術(shù)最為先進(jìn)，并且技術(shù)也更加成熟。與此同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為了滿足不斷提升的采油需求，大排量、高功率、低故障的電潛泵技術(shù)成為了今后的重要方向。隨著自動(dòng)化、智能化、信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，電潛泵還將迎來(lái)更大的發(fā)展機(jī)遇。隨著我國(guó)改革開(kāi)放的不斷深入，我國(guó)對(duì)于電潛泵的依賴更加顯著，并且也從美國(guó)等先進(jìn)國(guó)家進(jìn)口了大量電潛泵整機(jī)與相關(guān)設(shè)備，在各大油田收獲了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。以大慶油田為例，電潛泵采油井的比例逐步提升，極大地提升了大慶油田的石油產(chǎn)量，進(jìn)而提升了大慶油田的經(jīng)濟(jì)效益。從我國(guó)引進(jìn)第一臺(tái)電潛泵算起，至今已經(jīng)有近30多年的發(fā)展，隨著我國(guó)機(jī)械制造技術(shù)的不斷提升，電潛泵生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量已經(jīng)發(fā)展到數(shù)十家，電潛泵制造技術(shù)處于不斷發(fā)展的態(tài)勢(shì)之中，除了要制造高質(zhì)量的電潛泵及其組件外，還需要在電潛泵故障診斷技術(shù)方面下大力氣，快速實(shí)現(xiàn)提升電潛泵工作質(zhì)量。

3 電潛泵故障診斷技術(shù)概述

3.1 傳統(tǒng)電潛泵故障診斷方法

通過(guò)使用傳統(tǒng)故障診斷方法檢查電潛泵，多使用憋壓診斷法與電流卡片診斷法。所謂電流卡片診斷法，指的是檢查使用電流卡片，對(duì)電潛泵是否存在故障問(wèn)題進(jìn)行判斷。在電潛泵通電運(yùn)行后，電流表上的指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并在電流卡片中留下一條曲線，根據(jù)曲線的變化情況，得出電潛泵是否存在故障。對(duì)于憋壓診斷法來(lái)說(shuō)，其操作流程要更加復(fù)雜，但是故障準(zhǔn)確度要高于前者。在使用憋壓診斷法時(shí)，保證電潛泵處于通電運(yùn)行狀態(tài)，關(guān)閉井口的生產(chǎn)閥，隨著憋壓時(shí)間的增加，井口的油壓也會(huì)處于時(shí)刻變化狀態(tài)，對(duì)井口的油壓變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，完成曲線圖的繪制，隨后根據(jù)曲線特征變化情況判斷電潛泵是否存在故障問(wèn)題。憋壓診斷法的原理為：氣體與液體在油管中呈現(xiàn)混合狀態(tài)，如果此時(shí)關(guān)閉生產(chǎn)閥，氣體由于密度低，則會(huì)向油管上部流動(dòng)，液體沉降至下部，管內(nèi)壓力增加，隨著管內(nèi)壓力增加至一定范圍，氣體在油管內(nèi)的體積會(huì)被不斷擠壓，此時(shí)壓縮系數(shù)會(huì)與壓力、時(shí)間表現(xiàn)出線性關(guān)系，從而判斷電潛泵是否存在故障問(wèn)題。

3.2 現(xiàn)代電潛泵故障診斷方法

隨著傳統(tǒng)電潛泵故障診斷方法越來(lái)越無(wú)法滿足油田開(kāi)采要求，現(xiàn)代電潛泵故障診斷方法也就由此出現(xiàn)。對(duì)于現(xiàn)代電潛泵故障診斷方法來(lái)說(shuō)，其主要有三種方式，下面將對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)闡述：(1)故障樹(shù)分析法。故障檢查人員可通過(guò)樹(shù)形圖，對(duì)電潛泵工作情況進(jìn)行判斷。其中，檢查人員要了解電潛泵的工作原理與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，羅列出電潛泵各個(gè)部件可能存在故障問(wèn)題的概率，并完成樹(shù)形圖的繪制，通過(guò)計(jì)算與定量分析等方式，判斷電潛泵是否存在故障；(2)模擬數(shù)學(xué)分析法。利用模糊矩陣分析電潛泵可能出現(xiàn)故障問(wèn)題的概率，并得出故障的集合；(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法。在對(duì)電潛泵進(jìn)行故障診斷時(shí)，將電潛泵故障特征值輸入至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之中，通過(guò)得到的輸出值明確電潛泵的故障類型。

4 電潛泵故障診斷技術(shù)中存在的問(wèn)題

4.1 傳統(tǒng)電潛泵故障診斷方法中存在的問(wèn)題

4.1.1 電流卡片診斷方法中存在的問(wèn)題

同其他方法相比，電流卡片診斷法的適用范圍比較有限，只能解釋一些特征較為明顯的故障問(wèn)題，無(wú)法準(zhǔn)確、全面地對(duì)整個(gè)電潛泵系統(tǒng)進(jìn)行故障判斷，故障診斷的準(zhǔn)確率十分有限。例如，如果需要再次開(kāi)啟電潛泵時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致故障問(wèn)題進(jìn)一步嚴(yán)重，無(wú)法給予現(xiàn)場(chǎng)檢修人員精準(zhǔn)的參考，降低故障檢修效率。

4.1.2 憋壓診斷方法中存在的問(wèn)題

當(dāng)使用憋壓診斷方法時(shí)，隨著生產(chǎn)閥關(guān)閉時(shí)間的增加，油井周邊地層壓力也會(huì)發(fā)生變化。在開(kāi)啟電潛泵后，地層壓力需要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間才可恢復(fù)至開(kāi)采要求，極大地影響原油開(kāi)采效率。另外，憋壓診斷方法屬于間接故障檢測(cè)手段，無(wú)法直接對(duì)電潛泵機(jī)組工作情況進(jìn)行判斷，僅僅是通過(guò)曲線特征對(duì)電潛泵是否有故障進(jìn)行推測(cè)，故障判斷的準(zhǔn)確率達(dá)不到當(dāng)前石油開(kāi)采的要求，并且測(cè)試時(shí)間往往比較久。

4.2 現(xiàn)代電潛泵故障診斷技術(shù)存在的問(wèn)題

4.2.1 故障樹(shù)診斷方法中存在的問(wèn)題

計(jì)算機(jī)分析技術(shù)是故障樹(shù)診斷方法的重要工具，當(dāng)電潛泵出現(xiàn)故障問(wèn)題后，檢修人員可將故障數(shù)據(jù)輸入至計(jì)算機(jī)中。與其他診斷方式相比，故障樹(shù)診斷方法的運(yùn)用，可以較為準(zhǔn)確地對(duì)電潛泵工作情況進(jìn)行判斷，但是當(dāng)有局部故障出現(xiàn)時(shí)，由于此時(shí)數(shù)學(xué)模型的差異性較大，故障樹(shù)診斷法的判斷準(zhǔn)確率將會(huì)明顯下降。如果電潛泵各個(gè)部件之間獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，故障樹(shù)診斷法是最佳的診斷手段。然而，在實(shí)際工況條件下，電潛泵在工作時(shí)會(huì)將各個(gè)部件緊密連接在一起，所以也導(dǎo)致故障樹(shù)診斷法的應(yīng)用質(zhì)量受到影響。定量計(jì)算是電潛泵故障樹(shù)診斷法應(yīng)用的重要支撐，并且需要許多數(shù)據(jù)的收集才可提升定量計(jì)算的準(zhǔn)確性，從而提升故障判斷的準(zhǔn)確率。當(dāng)電潛泵的運(yùn)行環(huán)境改變，原有數(shù)據(jù)信息將不具備代表性，需要重新開(kāi)始數(shù)據(jù)收集工作，不僅會(huì)增加數(shù)據(jù)收集時(shí)間，而且也存在不小的工作量。

4.2.2 模糊數(shù)學(xué)法診斷中存在的問(wèn)題

在診斷電潛泵過(guò)程中，由于模糊數(shù)學(xué)法缺乏靈活性，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確判斷電潛泵的工作狀態(tài)，如果電潛泵出現(xiàn)新的故障問(wèn)題，則模糊數(shù)學(xué)法的適用性將大幅度下降。其中，只有對(duì)故障信息進(jìn)行歸類統(tǒng)計(jì)，通過(guò)得到有效的系數(shù)，方可將關(guān)系矩陣建立起來(lái)。如果無(wú)法得到新的系數(shù)，那么將會(huì)導(dǎo)致模糊數(shù)學(xué)法受到極大的限制，不確定性也就會(huì)由此增加。

5 電潛泵故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

油田開(kāi)采進(jìn)入中后期，開(kāi)采難度逐漸增加，現(xiàn)今使用的診斷方式面臨極大的考驗(yàn)。必須要對(duì)診斷技術(shù)進(jìn)行大力創(chuàng)新，提升電潛泵故障診斷的效率與準(zhǔn)確性。

5.1 逐步建立并完善在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)

建立可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組與地層條件的在線診斷系統(tǒng)，可以對(duì)電潛泵在井下的工作狀態(tài)進(jìn)行不間斷的監(jiān)測(cè)，地面人員可通過(guò)反饋回的信息了解電潛泵是否存在故障問(wèn)題，及時(shí)針對(duì)故障做好應(yīng)對(duì)。一般來(lái)說(shuō)，在電潛泵出現(xiàn)故障前，其通常會(huì)正常工作一段時(shí)間，將正常工作條件下的參數(shù)與故障參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，可以計(jì)算出合理的闕值，當(dāng)電潛泵某個(gè)工作參數(shù)的變化幅度高于闕值，在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)便可自動(dòng)判定電潛泵存在故障，地面人員可進(jìn)一步對(duì)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析，明確故障類型與故障位置，及時(shí)制定故障檢修方案。

5.2 借助振動(dòng)信號(hào)完成電潛泵故障診斷

作為一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，電潛泵機(jī)組的各項(xiàng)功能需要依靠葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果某個(gè)部件發(fā)生故障，電潛泵則會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)異常，如果振動(dòng)過(guò)大，將會(huì)導(dǎo)致部件發(fā)生損壞，甚至引發(fā)嚴(yán)重安全事故。因此，通過(guò)對(duì)電潛泵振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以真實(shí)地將電潛泵機(jī)組工作狀態(tài)反映出來(lái)。此外，電潛泵大多在井下工作，振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)也可幫助地面人員了解電潛泵工作狀態(tài)，監(jiān)測(cè)手段也更加便捷、實(shí)用。

5.3 多種診斷方法結(jié)合運(yùn)用

無(wú)論選用何種故障診斷方法，均有其優(yōu)點(diǎn)與弊端。因此，檢修人員可將現(xiàn)代與傳統(tǒng)診斷方法相結(jié)合，汲取各自的優(yōu)勢(shì)，從而形成更加完善的診斷方法，不僅可提升故障診斷方法的適用性，而且故障診斷的準(zhǔn)確率也會(huì)大幅度提升。對(duì)于電流卡片診斷法而言，其缺乏自我學(xué)習(xí)功能，所以將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與電流卡片診斷法相結(jié)合，借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)與信息處理功能，將電流曲線圖形特征與故障參數(shù)兩者的關(guān)系輸入至計(jì)算機(jī)中，由人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確地對(duì)電潛泵運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷。故障樹(shù)故障診斷法需要借助統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)，分析電潛泵可能發(fā)生故障的概率，大部分?jǐn)?shù)據(jù)存在一定的不確定性，所以可借助模糊數(shù)學(xué)分析法對(duì)故障樹(shù)中的不確定信息進(jìn)行分析，提升數(shù)據(jù)的可靠性，避免誤差在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)，而且也可確保故障分析結(jié)果與實(shí)際情況相一致，適應(yīng)性與靈活性可以得到大幅度提升。

6 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，我國(guó)對(duì)于石油資源的需求更加迫切。與此同時(shí)，隨著石油開(kāi)采規(guī)模的增加，油田開(kāi)采工況更加復(fù)雜，導(dǎo)致電潛泵在實(shí)際工作中時(shí)常出現(xiàn)故障問(wèn)題，影響油田開(kāi)采效率與經(jīng)濟(jì)效益。與此同時(shí)，隨著故障診斷技術(shù)的不斷發(fā)展，診斷準(zhǔn)確率與可靠性均比以往有著明顯的改觀，借助現(xiàn)代化技術(shù)手段以及將多種診斷方法相結(jié)合的模式，不僅可以提升電潛泵故障診斷的準(zhǔn)確性，同時(shí)也可延長(zhǎng)電潛泵正常工作時(shí)間?？傊粩嘞麓罅庋芯侩姖摫霉收显\斷技術(shù)，并了解故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)提升電潛泵工作質(zhì)量與可靠性有著十分重要的意義。