電潛泵故障診斷技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王慶龍，柳海嘯，李凌宇，魏舒，李亦白

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

0 引言

在油田開采過程中，開采企業(yè)會使用大量機(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)生故障問題的概率。由于開采環(huán)境復(fù)雜，隨著油田開采規(guī)模的不斷增加，電潛泵如果發(fā)生故障問題，不僅會影響開采效率，而且也會增加維修成本，影響開采企業(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，無疑對推動我國原油開采事業(yè)發(fā)展有著絕對意義。

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，從而完成整個采油流程。電潛泵在地層中工作，電流經(jīng)過電壓器的作用傳遞至電潛泵中，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動電機(jī)工作，完成原油的開采與收集。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電潛泵的控制，并且也要降低電潛泵故障問題的發(fā)生頻率，提升電潛泵正常工作時間，將電潛泵的作用最大限度地發(fā)揮出來。

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)國家與發(fā)展中國家的采油工程行業(yè)發(fā)展也存在差異。作為采油技術(shù)最發(fā)達(dá)的國家，美國的電潛泵技術(shù)最為先進(jìn)，并且技術(shù)也更加成熟。與此同時，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。隨著自動化、智能化、信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，電潛泵還將迎來更大的發(fā)展機(jī)遇。隨著我國改革開放的不斷深入，我國對于電潛泵的依賴更加顯著，并且也從美國等先進(jìn)國家進(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。從我國引進(jìn)第一臺電潛泵算起，至今已經(jīng)有近30多年的發(fā)展，隨著我國機(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，對電潛泵是否存在故障問題進(jìn)行判斷。在電潛泵通電運(yùn)行后，電流表上的指針會發(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。對于憋壓診斷法來說，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，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，隨著憋壓時間的增加，井口的油壓也會處于時刻變化狀態(tài)，對井口的油壓變化進(jìn)行監(jiān)測，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)，如果此時關(guān)閉生產(chǎn)閥，氣體由于密度低，則會向油管上部流動，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)的體積會被不斷擠壓，此時壓縮系數(shù)會與壓力、時間表現(xiàn)出線性關(guān)系，從而判斷電潛泵是否存在故障問題。

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越無法滿足油田開采要求，現(xiàn)代電潛泵故障診斷方法也就由此出現(xiàn)。對于現(xiàn)代電潛泵故障診斷方法來說，其主要有三種方式，下面將對此進(jìn)行詳細(xì)闡述：(1)故障樹分析法。故障檢查人員可通過樹形圖，對電潛泵工作情況進(jìn)行判斷。其中，檢查人員要了解電潛泵的工作原理與實際現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)，羅列出電潛泵各個部件可能存在故障問題的概率，并完成樹形圖的繪制，通過計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。在對電潛泵進(jìn)行故障診斷時，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)中存在的問題

4.1 傳統(tǒng)電潛泵故障診斷方法中存在的問題

4.1.1 電流卡片診斷方法中存在的問題

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題，無法準(zhǔn)確、全面地對整個電潛泵系統(tǒng)進(jìn)行故障判斷，故障診斷的準(zhǔn)確率十分有限。例如，如果需要再次開啟電潛泵時，將會導(dǎo)致故障問題進(jìn)一步嚴(yán)重，無法給予現(xiàn)場檢修人員精準(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題

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

4.2 現(xiàn)代電潛泵故障診斷技術(shù)存在的問題

4.2.1 故障樹診斷方法中存在的問題

計算機(jī)分析技術(shù)是故障樹診斷方法的重要工具，當(dāng)電潛泵出現(xiàn)故障問題后，檢修人員可將故障數(shù)據(jù)輸入至計算機(jī)中。與其他診斷方式相比，故障樹診斷方法的運(yùn)用，可以較為準(zhǔn)確地對電潛泵工作情況進(jìn)行判斷，但是當(dāng)有局部故障出現(xiàn)時，由于此時數(shù)學(xué)模型的差異性較大，故障樹診斷法的判斷準(zhǔn)確率將會明顯下降。如果電潛泵各個部件之間獨立運(yùn)轉(zhuǎn)，故障樹診斷法是最佳的診斷手段。然而，在實際工況條件下，電潛泵在工作時會將各個部件緊密連接在一起，所以也導(dǎo)致故障樹診斷法的應(yīng)用質(zhì)量受到影響。定量計算是電潛泵故障樹診斷法應(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，需要重新開始數(shù)據(jù)收集工作，不僅會增加數(shù)據(jù)收集時間，而且也存在不小的工作量。

4.2.2 模糊數(shù)學(xué)法診斷中存在的問題

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

5 電潛泵故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢

油田開采進(jìn)入中后期，開采難度逐漸增加，現(xiàn)今使用的診斷方式面臨極大的考驗。必須要對診斷技術(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)測診斷系統(tǒng)

建立可以實時監(jiān)測機(jī)組與地層條件的在線診斷系統(tǒng)，可以對電潛泵在井下的工作狀態(tài)進(jìn)行不間斷的監(jiān)測，地面人員可通過反饋回的信息了解電潛泵是否存在故障問題，及時針對故障做好應(yīng)對。一般來說，在電潛泵出現(xiàn)故障前，其通常會正常工作一段時間，將正常工作條件下的參數(shù)與故障參數(shù)進(jìn)行對比，可以計算出合理的闕值，當(dāng)電潛泵某個工作參數(shù)的變化幅度高于闕值，在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)便可自動判定電潛泵存在故障，地面人員可進(jìn)一步對參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析，明確故障類型與故障位置，及時制定故障檢修方案。

5.2 借助振動信號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)組的各項功能需要依靠葉輪轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)。如果某個部件發(fā)生故障，電潛泵則會出現(xiàn)振動異常，如果振動過大，將會導(dǎo)致部件發(fā)生損壞，甚至引發(fā)嚴(yán)重安全事故。因此，通過對電潛泵振動情況進(jìn)行監(jiān)測，可以真實地將電潛泵機(jī)組工作狀態(tài)反映出來。此外，電潛泵大多在井下工作，振動信號監(jiān)測也可幫助地面人員了解電潛泵工作狀態(tài)，監(jiān)測手段也更加便捷、實用。

5.3 多種診斷方法結(jié)合運(yùn)用

無論選用何種故障診斷方法，均有其優(yōu)點與弊端。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，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)確率也會大幅度提升。對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)系輸入至計算機(jī)中，由人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確地對電潛泵運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷。故障樹故障診斷法需要借助統(tǒng)計數(shù)據(jù)與經(jīng)驗，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)分析法對故障樹中的不確定信息進(jìn)行分析，提升數(shù)據(jù)的可靠性，避免誤差在統(tǒng)計數(shù)據(jù)中出現(xiàn)，而且也可確保故障分析結(jié)果與實際情況相一致，適應(yīng)性與靈活性可以得到大幅度提升。

6 結(jié)語

在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)形勢下，我國對于石油資源的需求更加迫切。與此同時，隨著石油開采規(guī)模的增加，油田開采工況更加復(fù)雜，導(dǎo)致電潛泵在實際工作中時常出現(xiàn)故障問題，影響油田開采效率與經(jīng)濟(jì)效益。與此同時，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，同時也可延長電潛泵正常工作時間?？傊?，不斷下大力氣研究電潛泵故障診斷技術(shù)，并了解故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢，對提升電潛泵工作質(zhì)量與可靠性有著十分重要的意義。