王 波 王龍庭 張金亞

(1.四川宏華電氣有限責(zé)任公司頁巖氣事業(yè)部2.中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院3.中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院)

王波,王龍庭,張金亞.基于扭矩和扭壓比偏差率的壓裂泵故障診斷.石油機(jī)械,2022,50(11):90-97.

0 引言

近年來,電動(dòng)壓裂系統(tǒng)越來越廣泛地應(yīng)用到頁巖氣藏儲(chǔ)層改造中。我國電動(dòng)壓裂系統(tǒng)已形成系列化產(chǎn)品,單機(jī)功率可達(dá)2 500～10 000 hp,單泵功率可達(dá)2 500～7 000 hp[1]。電動(dòng)壓裂泵是電力驅(qū)動(dòng)壓裂系統(tǒng)的做功單元,壓裂施工中單段壓裂時(shí)間一般為2～4 h,長則達(dá)6 h左右,一般每天可壓裂2～4段,有些平臺(tái)24 h不間斷施工,設(shè)備容易發(fā)生各種故障。因此,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)壓裂泵組運(yùn)行狀態(tài)和及時(shí)準(zhǔn)確診斷其故障并解決故障,對(duì)于頁巖油氣井壓裂高效安全施工具有重要意義。

1 電機(jī)扭矩與扭壓比偏差率

以6 000 hp交流變頻電機(jī)為壓裂泵提供動(dòng)力為例。壓裂泵動(dòng)力端為偏置式曲柄連桿機(jī)構(gòu),其作用是將電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為柱塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),從而將包含支撐劑的壓裂液從低壓轉(zhuǎn)化為高壓注入地層。電力驅(qū)動(dòng)下中壓變頻控制系統(tǒng)通過電機(jī)對(duì)壓裂泵進(jìn)行流量無級(jí)調(diào)節(jié),通過PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)壓裂泵的自動(dòng)控制。柱塞排液時(shí),柱塞端面壓力通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)傳遞給曲軸,曲軸通過脹套和大齒輪把扭矩傳遞給小齒輪,與電機(jī)扭矩形成平衡。

根據(jù)頁巖油氣開發(fā)特點(diǎn),第3代6 000 hp電動(dòng)壓裂泵設(shè)計(jì)為臥式五缸單作用柱塞泵,雙吸雙排,如圖1所示。電機(jī)額定輸出功率6 000 hp,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工需求,開發(fā)了5種柱塞直徑;其中采用?101.6 mm柱塞時(shí)最大輸出壓力為114.0 MPa,采用?114.3 mm柱塞時(shí)最大輸出壓力為90.0 MPa;沖程為304.8 mm,最高沖數(shù)為230,齒輪副速比為5.087。

圖1 6 000 hp電動(dòng)壓裂泵橇組Fig.1 6 000 hp electric fracturing pump skid

1.1 扭壓比和扭壓比偏差率計(jì)算

在忽略機(jī)械效率ηj和容積效率ηr的影響后,可以計(jì)算得到電動(dòng)壓裂泵的理想狀態(tài)下的扭矩壓強(qiáng)比(簡稱為扭壓比):

式中:P表示電機(jī)輸出功率,kW;ne表示電機(jī)額定轉(zhuǎn)速,r/min;T表示電機(jī)扭矩,N·m;p表示壓力,Pa;Q表示流量,m3/s;s表示沖程,m;D表示柱塞直徑,m;i表示大小齒輪傳動(dòng)比;F表示牽引力,N;R表示旋轉(zhuǎn)半徑,m;v表示速度,m/s。

理想扭壓比為確定泵的常數(shù)特征值,只與泵固有參數(shù)有關(guān)。?114.3 mm(4.5 in)柱塞的第1、2和3代6 000 hp電動(dòng)壓裂泵的扭壓比分別為0.459、0.444和0.491。電動(dòng)壓裂泵運(yùn)行期間的扭壓比偏差率自定義如下:

式中:Ts為瞬時(shí)電機(jī)扭矩,N·m;ps為瞬時(shí)壓力,Pa。

1.2 正常工作狀態(tài)下扭矩和扭壓比偏差率

首先基于理論力學(xué)和材料力學(xué)建立電動(dòng)壓裂泵動(dòng)力端和液力端的力學(xué)模型,計(jì)算曲軸不同相位角下主要零部件的受力情況;其次,利用Mathcad計(jì)算壓裂泵正常工作2個(gè)沖程周期內(nèi)的曲軸扭矩,除以齒輪的速比得到電機(jī)扭矩曲線;依據(jù)扭壓比偏差率計(jì)算公式,得到扭壓比偏差率曲線。

武成龍劍如銀龍飛舞，在強(qiáng)勁的內(nèi)勁攻擊下借巧勁騰升而起，緊跟著如天際游龍向下俯沖。鄭成川看出了危機(jī)，因?yàn)槲涑升埐辉偈且粋€(gè)人，而是一把快如游龍的狂劍。他雙手疊起上下翻卷，無數(shù)的掌影宛如懸空浮蓮。

對(duì)電機(jī)扭矩進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出,電機(jī)扭矩隨著曲柄相位角[0,720°]的不同而存在一定的波動(dòng),波動(dòng)范圍約為6%;扭壓比偏差率的波動(dòng)范圍是-7%～-1%。

圖2 電機(jī)扭矩和扭壓比偏差率曲線Fig.2 Motor torque and torque-pressure ratio deviation rate curves

2 故障實(shí)例與分析

中石化西南井下作業(yè)公司在威頁43平臺(tái)和威頁39平臺(tái)內(nèi)開展頁巖氣全電動(dòng)壓裂施工,有8臺(tái)電動(dòng)泵用于主壓裂,2臺(tái)電動(dòng)泵用于泵送橋塞射孔;在威頁9平臺(tái)開展全電動(dòng)壓裂施工,8臺(tái)電動(dòng)泵用于主壓裂和泵送橋塞射孔;在威頁45平臺(tái)的8臺(tái)電動(dòng)泵用于主壓裂,電動(dòng)泵或者柴油驅(qū)動(dòng)壓裂車用于泵送橋塞射孔。電動(dòng)壓裂泵在華H100平臺(tái)開展頁巖輔助施工,水力噴砂射孔后連續(xù)管底封拖動(dòng)分段壓裂。

通過上述多個(gè)頁巖油氣壓裂施工平臺(tái),得到電動(dòng)壓裂泵正常運(yùn)行和13種其他工況下電機(jī)扭矩和扭壓比偏差率曲線等,并對(duì)其進(jìn)行逐一分析?？傮w來說,故障主要表現(xiàn)為液力端液缸內(nèi)被擠壓的液體漏失和傳動(dòng)副異常。

2.1 故障實(shí)例

(1)電動(dòng)壓裂泵正常運(yùn)行曲線。圖3是威頁39平臺(tái)某井第14段2號(hào)泵正常運(yùn)行時(shí)的電機(jī)扭矩和扭壓比偏差率曲線。由圖3可知,正常工作時(shí)排量為1.0～2.0 m3/min,泵壓約為70～75 MPa。曲線特征可以概括為:電動(dòng)壓裂泵啟停時(shí)電機(jī)扭矩和扭壓比偏差率比較大,在正常運(yùn)行時(shí),電機(jī)扭矩隨泵壓接近等比例變化,扭壓比偏差率范圍為-7～-1%。

圖3 正常運(yùn)行扭矩與扭壓比偏差率Fig.3 Torque and torque-pressure ratio deviation rate in normal operation

(2)吸入閥膠皮斷裂與閥座損壞。圖4是威頁43平臺(tái)某井第2段8號(hào)泵4缸吸入缸閥膠皮斷裂和閥座損壞后電機(jī)扭矩和扭壓比偏差率曲線。由圖4可知:吸入閥膠皮斷裂和閥座損壞后,在柱塞排液時(shí)吸入缸內(nèi)部分液體會(huì)通過膠皮缺口流入吸入管路,在初始部分行程中無法憋壓到泵壓,排出閥延遲打開,扭矩最小值低于正常值;在柱塞吸液時(shí),與無故障時(shí)一致,扭矩為正常值。當(dāng)膠皮斷裂缺口不斷擴(kuò)大時(shí),電機(jī)扭矩最大值不變,最小值逐步下降,最小值極限值為正常扭矩的50%。扭壓比偏差率變化趨勢(shì)與扭矩曲線接近同步,扭壓比偏差率范圍為-48%～-1%。

圖4 吸入缸閥膠皮斷裂和閥座損壞時(shí)的扭矩與扭壓比偏差率Fig.4 Torque and torque-pressure ratio deviation rate at the time of rubber break and seat damage of suction cylinder valve

(3)排出閥膠皮斷裂與閥座損壞。圖5是威頁43平臺(tái)某井第6段中1號(hào)泵5缸排出閥膠皮斷裂和閥座損壞后電機(jī)扭矩和扭壓比偏差率曲線。由圖5可知:排出閥膠皮斷裂和閥座損壞后,排出管路內(nèi)高壓液體將持續(xù)從排出缸漏入吸入缸,使吸入缸內(nèi)壓力不能及時(shí)下降,吸入閥不能及時(shí)打開。當(dāng)故障缸的柱塞吸液時(shí),吸入缸內(nèi)柱塞端面壓強(qiáng)大于0;當(dāng)故障缸的柱塞排液時(shí),柱塞端面壓力比正常時(shí)更快增加到泵壓。電機(jī)扭矩最大值不變,最小值降低50%后將等幅運(yùn)行,降低趨勢(shì)低于吸入缸損壞時(shí)。扭壓比偏差率變化趨勢(shì)與扭矩曲線接近同步,扭壓比偏差率范圍為-52%～-1%。

圖5 排出缸閥膠皮斷裂和閥座損壞時(shí)的扭矩與扭壓比偏差率Fig.5 Torque and torque-pressure ratio deviation rate at the time of rubber break and seat damage of discharge cylinder valve

(4)液缸本體上部刺漏。圖6是威頁45平臺(tái)某井第12段中7號(hào)泵液缸本體5缸上部刺漏后電機(jī)扭矩和扭壓比偏差率曲線。由圖6可知:在柱塞前推時(shí)吸入缸內(nèi)部分液體會(huì)通過刺漏點(diǎn)流出,在初始部分行程中無法憋壓到泵壓,排出閥延遲打開,扭矩最小值低于正常值;在柱塞后拉時(shí),作用在柱塞端面的壓力接近于0,與無故障時(shí)一致,扭矩為正常值。當(dāng)刺漏點(diǎn)不斷擴(kuò)大時(shí),電機(jī)扭矩最大值不變,最小值逐步下降,但由于液缸屈服強(qiáng)度大,所以最小值下降緩慢。監(jiān)控發(fā)現(xiàn)噴液后開始降排量停泵,以防刺漏點(diǎn)不斷擴(kuò)大,導(dǎo)致在扭矩曲線上觀察不到持續(xù)下降趨勢(shì)。扭壓比偏差率變化趨勢(shì)與扭矩曲線接近同步,扭壓比偏差率范圍為-7%～12%。

圖6 液缸本體上壁刺漏時(shí)的扭矩與扭壓比偏差率Fig.6 Torque and torque-pressure ratio deviation rate at thetime of upper wall leakage of hydraulic cylinder

(5)吸入缸和吸入缸之間串壓。圖7是威頁45平臺(tái)某井第7段壓裂施工中,5號(hào)泵吸入缸2缸和3缸液缸本體之間刺漏后串壓的電機(jī)扭矩和扭壓比偏差率曲線。吸入缸和吸入缸之間刺漏時(shí),故障吸入缸排出的高壓液體將漏入相鄰故障吸入缸。液缸本體屈服強(qiáng)度為1 100～1 300 MPa,裂紋導(dǎo)致的刺漏點(diǎn)發(fā)展較慢,損壞后仍持續(xù)運(yùn)行近3 min,但2個(gè)故障缸的柱塞都被刺壞。由圖7可知:扭壓比偏差率變化趨勢(shì)與扭矩曲線接近同步,初期扭壓比偏差率最小值降到-48%;隨著刺漏點(diǎn)增大,最小值將保持不變,后期最大值增大到5%。

圖7 吸入缸與吸入缸之間串壓時(shí)的扭矩與扭壓比偏差率Fig.7 Torque and torque-pressure ratio deviation rate at the time of leakage between suction cylinder and suction cylinder

(6)吸入管線部分固定堵塞。圖8是威頁45平臺(tái)某井第12段中泵水作業(yè)的8號(hào)泵吸入管路濾網(wǎng)部分堵塞后,電機(jī)扭矩和扭壓比偏差率曲線。由圖8可知:由于膠液配液短時(shí)黏度過高,導(dǎo)致吸入管路濾網(wǎng)部分堵塞,泵上水困難。打膠液后的整段施工一直存在扭壓比偏差率過低;排量從1.5 m3/min降到1.0 m3/min后,扭壓比偏差率趨于正常范圍。

圖8 8號(hào)泵吸入管路濾網(wǎng)部分堵塞時(shí)的扭矩與扭壓比偏差率Fig.8 Torque and torque-pressure ratio deviation rate at the time of partial blocking of suction line screen of No.8 pump

(7)齒輪斷齒。圖9是威頁9平臺(tái)某井第24段壓裂施工中7號(hào)泵電機(jī)扭矩和扭壓比偏差率曲線。

圖9 齒輪損壞時(shí)的扭矩與扭壓比偏差率Fig.9 Torque and torque-pressure ratio deviation rate at the time of gear damage

運(yùn)行結(jié)束后拆除齒輪副護(hù)罩總成,右旋大齒輪的13個(gè)齒部分?jǐn)嗔?相鄰的1缸軸承座保持架也局部損壞。根據(jù)楊明等[13]提出了用負(fù)載轉(zhuǎn)矩信號(hào)分析法(Load Torque Signature Analysis,LTSA)來代替電機(jī)電流分析法MCSA(Motor Current Torque Signature Analysis,MCSA)檢測(cè)負(fù)載故障的方法,利用電機(jī)輸入側(cè)電流、電壓和轉(zhuǎn)速通過負(fù)載轉(zhuǎn)矩辨識(shí)器辨識(shí)出轉(zhuǎn)矩信號(hào),然后對(duì)電機(jī)扭矩信號(hào)應(yīng)用FFT進(jìn)行頻譜分析,檢測(cè)相關(guān)故障頻率分量的幅值變化來診斷負(fù)載是否出現(xiàn)故障。當(dāng)齒輪出現(xiàn)局部故障后,故障的齒輪每嚙合一次,負(fù)載轉(zhuǎn)矩就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)脈沖沖擊,此時(shí)原轉(zhuǎn)矩中會(huì)疊加一個(gè)頻率為故障齒輪轉(zhuǎn)頻的周期性脈沖。由圖9可知,此時(shí)電機(jī)扭矩?zé)o明顯異常,但是扭壓比偏差率范圍為-7%～2%,超過上限,確認(rèn)為故障信號(hào)。

(8)齒輪裂紋。圖10是威頁9平臺(tái)某井第24段壓裂施工中6號(hào)泵兩側(cè)的左旋大齒輪和右旋大齒輪發(fā)現(xiàn)裂紋后電機(jī)扭矩和和扭壓比偏差率曲線。由圖10可知,電機(jī)扭矩?zé)o明顯宏觀異常,但是扭壓比偏差率為-6%～3%,超過上限,確認(rèn)為故障信號(hào)。比較圖9與圖10可知,齒輪裂紋和齒輪斷齒具有相似的故障信號(hào)。

圖10 齒輪產(chǎn)生裂紋后的扭矩與扭壓比偏差率Fig.10 Torque and torque-pressure ratio deviation rate after flawing on gear

(9)試運(yùn)行階段。圖11是威頁45平臺(tái)某井第1段壓裂施工中8號(hào)泵試運(yùn)行電機(jī)扭矩和和扭壓比偏差率曲線。由圖11可知:新泵初始運(yùn)行時(shí),動(dòng)力端各摩擦副進(jìn)入初始磨合期,摩擦力偏大,電機(jī)扭矩短時(shí)增大后再減小,呈現(xiàn)與泵壓基本同步的趨勢(shì);扭壓比偏差率瞬時(shí)值急劇上升達(dá)到2 900%后降低(見圖11a)。電機(jī)扭矩趨于穩(wěn)定后的扭壓比偏差率在-3%～6%之間(見圖11b),運(yùn)行6段后達(dá)到正常范圍。

圖11 試運(yùn)行階段的扭矩與扭壓比偏差率曲線圖Fig.11 Torque and torque-pressure ratio deviation rate curves in trial running stage

(10)十字頭總成滑履燒毀。圖12是威頁39平臺(tái)某井第18段中4號(hào)泵YLQ17-023電機(jī)扭矩和扭壓比偏差率曲線。由圖12可知:扭壓比偏差率初始運(yùn)行范圍為-5%～-1%,屬于正常范圍;隨后扭壓比偏差率最大值增加到4%,此時(shí)電機(jī)扭矩?zé)o明顯上升趨勢(shì);連桿十字頭總成繼續(xù)損壞后,電機(jī)扭矩開始上升,扭壓比偏差率最大值增加到8%,可見扭壓比偏差率比電機(jī)扭矩更適合預(yù)警連桿十字頭總成的初始損壞。

圖12 十字頭總成滑履燒毀時(shí)的扭矩與扭壓比偏差率Fig.12 Torque and torque-pressure ratio deviation rate when slide track of crosshead assembly is burnt

(11)閥膠皮斷裂后十字頭損壞。圖13是華H100平臺(tái)某井第55段中6號(hào)泵5缸閥膠皮斷裂后,持續(xù)運(yùn)行時(shí)電機(jī)扭矩和扭壓比偏差率曲線。由圖13可知,初始階段由于泵壓變化,電機(jī)扭矩大幅升降時(shí),扭壓比偏差率一直在正常范圍內(nèi)。閥膠皮斷裂后,扭壓比偏差率大幅降低;泵持續(xù)運(yùn)行,十字頭總成滑履與上下滑道之間偏磨加劇,扭壓比偏差率在大幅低于下限后開始逐漸小幅超過上限。扭壓比偏差率為-45%～26%,超過上下限,確認(rèn)為故障信號(hào)。

圖13 閥膠皮斷裂后十字頭損壞時(shí)的扭矩與扭壓比偏差率Fig.13 Torque and torque-pressure ratio deviation rate at the time of crosshead wear after rubber break of valve

(12)下彈簧固定座斷裂。圖14是華H100平臺(tái)某井第19段中7號(hào)泵4缸下彈簧固定座斷裂后持續(xù)運(yùn)行時(shí)電機(jī)扭矩和扭壓比偏差率曲線。由圖14可知,下彈簧固定座斷裂后,彈簧無法使吸入缸閥體總成及時(shí)回位。扭壓比偏差率為-67%～-1%,低于下限,確認(rèn)為故障信號(hào)。

圖14 下彈簧固定座斷裂時(shí)的扭矩與扭壓比偏差率Fig.14 Torque and torque-pressure ratio deviation rate when the lower spring fixed seat is broken

(13)盤根斷裂、盤根腔局部損壞。圖15是華H100平臺(tái)某井第30段中5號(hào)泵4缸盤根斷裂、盤根腔局部損壞后持續(xù)運(yùn)行時(shí),電機(jī)扭矩和扭壓比偏差率曲線。由圖15可知,扭壓比偏差率為-52%～2%,確認(rèn)為故障信號(hào)。

圖15 盤根斷裂、盤根腔局部損壞時(shí)的扭矩與扭壓比偏差率Fig.15 Torque and torque-pressure ratio deviation rate when packing is broken and packing cavity is locally damaged

(14)下彈簧固定座斷裂十字頭連桿螺釘拉斷。圖16是華H100平臺(tái)某井第32段中7號(hào)泵5缸下彈簧固定座斷裂后閥體總成被柱塞擠壓變形,回程時(shí)連桿十字頭總成螺釘被拉斷,左右旋小齒輪脫離電機(jī)軸后,電機(jī)扭矩和扭壓比偏差率曲線。

由圖16可知:150～160 s時(shí),扭壓比偏差率為1%～3%;160～165 s時(shí),扭壓比偏差率為1%～6%;可見扭壓比偏差率比電機(jī)扭矩更早和更加明顯提示了故障。

圖16 十字頭連桿螺釘拉斷時(shí)的扭矩和扭壓比偏差率曲線圖Fig.16 Torque and torque-pressure ratio deviation rate curves at the time of pulling apart of cross link bolt

分析可知,(1)為正常運(yùn)行工況,(2)～(6)為液力端故障,(7)～(10)為動(dòng)力端故障,(11)～(14)為液力端故障導(dǎo)致動(dòng)力端故障。

2.2 故障總結(jié)與歸納

根據(jù)上述故障案例,總結(jié)故障判斷,結(jié)果如表1所示。

表1 故障判斷表Table 1 Fault Judgment table

3 結(jié)論與建議

(1)針對(duì)電動(dòng)壓裂泵系統(tǒng)特征,提出了直接提取變頻器上電機(jī)扭矩和采集泵壓傳感器壓力,進(jìn)行基于電機(jī)扭矩和扭壓比偏差率的電動(dòng)壓裂泵故障診斷方法。扭壓比偏差率超過正常范圍-7%～-1%,則提示設(shè)備故障,電機(jī)扭矩成為液力端故障診斷可靠標(biāo)準(zhǔn)之一。

(2)扭壓比偏差率受施工壓力、排量和設(shè)備振動(dòng)等影響較小,可以作為判斷故障與否的相對(duì)獨(dú)立參數(shù)。

(3)閥膠皮損壞、盤根損壞和吸入管路供液不足等液力端故障工況下,扭壓比偏差率一般會(huì)低于正常值下限;齒輪副故障、液力端柱塞受到擠壓和連桿十字頭總成損壞等故障工況下,扭壓比偏差率一般會(huì)高于正常值上限。

(4)在齒輪副故障和連桿十字頭總成損壞等故障工況下,扭壓比偏差率比電機(jī)扭矩能夠更早表現(xiàn)出故障特征。