張海潮
(大慶油田裝備制造集團(tuán)采油裝備制造分公司,黑龍江大慶 163000)
螺桿泵診斷算法只能應(yīng)用于故障發(fā)生以后,通過對(duì)油井運(yùn)行數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析與處理,方可得到螺桿泵機(jī)組故障原因,但還沒有將生產(chǎn)數(shù)據(jù)與故障診斷結(jié)合起來,無法滿足油田數(shù)字化管理的需要,需要分析潛油螺桿泵工作特性,研究在線故障診斷方法。
水力特性曲線可以更為直觀地體現(xiàn)出螺桿泵的工作性能。如圖1 所示,Ⅰ為容積效率與排量曲線,表征排量與螺桿泵壓力的關(guān)系。Ⅱ?yàn)榕ぞ嘏c功率曲線,用于體現(xiàn)扭矩與泵壓的關(guān)系。Ⅲ為泵效曲線,體現(xiàn)泵效與泵壓的關(guān)系。泵效曲線中存在高效區(qū),最高點(diǎn)在Ⅰ曲線附近,在此曲線區(qū)間的泵效會(huì)不斷變小,位于泵效高效區(qū)間時(shí),定轉(zhuǎn)子磨損不大,泵效卻比較大,為螺桿泵最佳運(yùn)行區(qū)間。
圖1 螺桿泵水力特性曲線
泵運(yùn)轉(zhuǎn)一周則油液介質(zhì)沿泵軸方向運(yùn)移T=2t 長(zhǎng)度,介質(zhì)占用面積S 是襯套截面與定子截面差,即:S=4e×2R=4eD;泵運(yùn)轉(zhuǎn)一周的理論排量qr=4eDT×10-9;泵理論排量與轉(zhuǎn)速為線性比例關(guān)系:Qr=5760neDT;因泵運(yùn)行時(shí)有一定程度的泄漏,實(shí)際排量。其中,Qt為理論排量,qr為泵運(yùn)轉(zhuǎn)一周的理論排量,T 為定子導(dǎo)程,e 偏心距,n 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,D 為轉(zhuǎn)子直徑,ηv為容積率、ηm為機(jī)械效率。
螺桿泵運(yùn)行在一定工作壓力區(qū)間,隨著壓力變大則泵排量減小是柱塞泵排量特點(diǎn)。如果壓力上升至開啟壓力ΔPk,工作壓力大于封閉腔密封壓力,則泵內(nèi)存在介質(zhì)漏失,壓力變大則排量變小,具有離心泵排量特點(diǎn)。
螺桿泵旋轉(zhuǎn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?,受到摩擦阻力等因素的影響,存在著一定程度的能量損失,只有部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?。能量損失主要有機(jī)械損失、水力損失和容積損失,對(duì)過流水分損失不大,可不考慮水力損失,機(jī)械損失與容積損失為主要損失方式。分析能量損失進(jìn)行時(shí),需要考慮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工況環(huán)境和工作參數(shù)等。
(1)容積效率。螺桿泵運(yùn)轉(zhuǎn)輸送介質(zhì)流體時(shí),相鄰腔室間存在著壓力差,流體經(jīng)過副密封向低壓腔實(shí)室竄流,向泵外泄漏會(huì)引起容積損失問題。容積損失與每個(gè)相鄰腔室壓降、螺桿與襯套副間過盈值有關(guān),容積效率ηv為:
式(1)~式(4)中,q1為線漏失量,q2為點(diǎn)漏失量,δ 定轉(zhuǎn)子間隙,ΔNm為機(jī)械損失率。
(2)機(jī)械效率。零部件間摩擦?xí)饳C(jī)械損失,主要有軸承、襯套副、柔性軸和密封裝置等起在的損失,機(jī)械效率計(jì)算公式:
泵總效率η 為:
式(5)~式(8)中,Nt為理論功率,Tt為理論轉(zhuǎn)矩,Tf為摩擦轉(zhuǎn)矩,ω 為角速度,Nax為輸入功率。
(1)油層井底與泵吸入口壓差:
(2)泵進(jìn)出口壓差:
(3)泵出口壓力:
(4)泵入口壓力:
式(9)~式(12)中,Hz為油層中部深度,Lp為螺桿泵下入深度,rm為混合液重度,Pout為泵出口壓力,Pout為泵入口壓力,Pt為油壓,ΔPd為泵出口至井口壓力梯度值,Pwf為井底流壓,ΔPs為油層中部至泵入口壓力梯度值。
螺桿泵參數(shù)確定后,理論排量與轉(zhuǎn)速為正比例關(guān)系。轉(zhuǎn)速高則容積效率變高,機(jī)械效率變低,總效率增加,從提升泵效角度進(jìn)行分析,需要盡量提升泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速對(duì)泵單級(jí)承壓能力也會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響,轉(zhuǎn)速增加會(huì)加大定轉(zhuǎn)子間磨損,泄漏量也會(huì)變大。同時(shí),提升轉(zhuǎn)速也可以解決轉(zhuǎn)速變大導(dǎo)致的泄漏,漏失量會(huì)不斷變小,而泵排量與容積效率也會(huì)變大,單級(jí)承能及舉升高度也會(huì)變大。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可通過慣性力來對(duì)扭矩產(chǎn)生影響,轉(zhuǎn)速變大則轉(zhuǎn)子慣性力變大,則點(diǎn)嚙合與線嚙合部位存在接觸壓力,會(huì)使定轉(zhuǎn)子間摩擦扭矩變大。
工作壓力變大則橡膠壓縮量增加,大于定轉(zhuǎn)子間過盈量的情況下,如果工作壓力升高,定轉(zhuǎn)子間隙就會(huì)變大,泵漏失量也就變大,泵排量不斷降低且不具備油液舉升能力。泵負(fù)載扭矩與工作壓力為正比例關(guān)系,如果工作壓力變大,泵負(fù)載扭矩也會(huì)相應(yīng)變大,相反則變小。
一般情況下,下泵深度大則需要螺桿泵具有更大的舉升壓頭,泵與管柱等需要承受更大的受力,要求其具備更高的強(qiáng)度,定轉(zhuǎn)子間具備良好的剛度性能,通過提升單級(jí)承壓來避免出現(xiàn)漏失。同樣單級(jí)承壓能力的泵,如果下泵深度大,要通過加設(shè)更多級(jí)數(shù)來達(dá)到舉升油液的需要;確定級(jí)數(shù)的螺桿泵,下泵深度大則需要通過提升單級(jí)承壓來達(dá)到以舉升油液的需要;下泵深度大則需要承受更高的地層溫度,對(duì)定子橡膠耐溫性提出更高的要求。
潛油螺桿泵會(huì)受到地層溫度的影響,下泵深度大則需要承受更高的地層溫度;定轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)磨擦形成熱量,使泵腔溫度升高;采用蒸汽注采工藝時(shí),會(huì)使螺桿泵溫度變高,潛油電機(jī)運(yùn)行時(shí)形成一定熱量。溫度對(duì)油液影響較大,溫度高則使油液黏度變小,具有更好的流動(dòng)性,沿程阻力小則會(huì)減小泵舉升壓頭,螺桿泵漏失量與油液流體粘度呈現(xiàn)反比例關(guān)系,黏度低則漏失量大,單級(jí)承壓變小;溫度變高,定子橡膠熱脹量變大,會(huì)使定轉(zhuǎn)子摩擦產(chǎn)生的熱量匯集,加劇橡膠老化與磨損,影響泵舉升油液性能與使用壽命。
油液中硫化氫、二氧化碳在油井壓力作用下滲透至定子橡膠內(nèi),易出現(xiàn)油侵與氣侵現(xiàn)象,導(dǎo)致橡膠出現(xiàn)膨脹、硬度變大和彈性模型變大等問題,定轉(zhuǎn)子間過盈量和摩擦扭矩也會(huì)變大,泵效與使用壽命會(huì)相應(yīng)降低。同時(shí),橡膠溶脹會(huì)使空腔體積變小,油液可利用空腔體積減少而出現(xiàn)容積效率變小問題。
診斷系統(tǒng)由上位機(jī)與下位機(jī)構(gòu)成,下位機(jī)監(jiān)測(cè)與診斷現(xiàn)場(chǎng)采油系統(tǒng)數(shù)據(jù),由數(shù)據(jù)采集終端、GPRS 遠(yuǎn)傳網(wǎng)絡(luò)和控制單元構(gòu)成;上位機(jī)由工程機(jī)和顯示屏構(gòu)成,工程機(jī)中運(yùn)行工況診斷系統(tǒng)見圖2。
圖2 潛油螺桿泵在線故障診斷系統(tǒng)
下位機(jī)數(shù)據(jù)采集終端采集螺桿泵運(yùn)行數(shù)據(jù),通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器并進(jìn)行信號(hào)整形后傳至單片機(jī)暫存,采用串行通信方式傳輸至GPRS 無線模塊,通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳至上位機(jī)。上位機(jī)工況診斷系統(tǒng)對(duì)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算與處理,對(duì)潛油螺桿泵故障進(jìn)行診斷,并提出相應(yīng)的故障處理措施。假定條件是油井垂直或傾斜狀態(tài),不存在彎曲形變,油管為兩端錨定,不存在軸向形變,流體為氣液兩相流狀態(tài)。
對(duì)采集到的有功功率數(shù)值進(jìn)行小波包分解,獲取到能量特征向量用作訓(xùn)練樣本及測(cè)試樣本,訓(xùn)練樣本提供給RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),輸出值達(dá)到精度需要再提供給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),否則要對(duì)權(quán)值及閾值進(jìn)行改進(jìn)直至達(dá)到精度要求。對(duì)已經(jīng)訓(xùn)練好的RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試,將監(jiān)測(cè)的油井運(yùn)行參數(shù)傳至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于診斷故障類型。
對(duì)12 口安裝有潛油螺桿泵油井,采用GPRS 網(wǎng)絡(luò)獲取電機(jī)有功功率與時(shí)間關(guān)系圖,圖中包括240 組數(shù)據(jù)對(duì),采樣間隔為1 s。將240 組數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練與測(cè)試,210 組用于訓(xùn)練樣本,每種工況30 組數(shù)據(jù),35 組數(shù)據(jù)用于測(cè)試樣本,每種工況為5 組數(shù)據(jù)。潛油螺桿泵系統(tǒng)故障時(shí),每個(gè)頻帶小波包重構(gòu)系數(shù)差異較大。對(duì)重構(gòu)系數(shù)進(jìn)行分析,對(duì)每個(gè)子頻帶能量能量進(jìn)行歸一化處理可獲取故障能量特征向量,提供給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與測(cè)試,可確定出螺桿泵故障類型,網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出值與目標(biāo)值相近,診斷準(zhǔn)確率為97%,表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有故障識(shí)別能力,診斷系統(tǒng)具有較高的可靠性。