潛油往復(fù)式抽油機研究及其故障診斷

魏 欣

(大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)

油田開發(fā)中，常規(guī)機械采油分為兩類：一是以游梁式抽油機和螺桿泵為主的有桿舉升，占90%左右[1]；二是以大排量潛油電泵為代表的無桿舉升，占比很小。開發(fā)后期，定向井、大斜度井、小排量油井逐步增多，井眼軌跡復(fù)雜，常規(guī)舉升方式一次性投資大、桿管偏磨嚴(yán)重、無效能耗高、下泵深度受限、管理維護工作量大[2-3]。因此，提出無桿采油新工藝，采用潛油往復(fù)式抽油機，已形成小規(guī)模應(yīng)用，節(jié)能效果顯著，前景較好[4-5]。但試驗井普遍存在過載停機頻發(fā)、整機振動大、實時故障監(jiān)測及診斷缺乏手段、外置電纜重復(fù)利用率低、油管結(jié)蠟嚴(yán)重、井下工況監(jiān)測技術(shù)難度大等問題，嚴(yán)重制約檢泵周期[6-7]?；诖耍疚拈_展?jié)撚屯鶑?fù)式抽油機結(jié)構(gòu)、原理和運動規(guī)律研究，提出潛油直線電機優(yōu)化設(shè)計方案、基于功率曲線監(jiān)測的故障診斷方法、新型低成本固體化學(xué)防蠟方法及工藝、玻璃鋼敷纜復(fù)合連續(xù)油管技術(shù)等一系列故障診斷措施。應(yīng)用效果表明：潛油直線電機及其控制系統(tǒng)推力輸出能力明顯改善，電機柔性啟停、驅(qū)動，整機振動明顯降低，整套工藝的可靠性有效提升；實時故障監(jiān)測及診斷系統(tǒng)能夠及時預(yù)警油管結(jié)蠟故障，有利于摸索合理的清防蠟規(guī)律；新型低成本固體化學(xué)防蠟方法及工藝有效降低了結(jié)蠟速率；玻璃鋼敷纜復(fù)合連續(xù)油管技術(shù)的提出及試驗為下一步科研攻關(guān)指明了方向。

1 潛油往復(fù)式抽油機結(jié)構(gòu)及原理

1.1 結(jié)構(gòu)分析

潛油往復(fù)式抽油機主要由潛油直線電機、潛油往復(fù)泵、變頻管控裝置、潛油電纜、變壓器、電纜保護器、防砂管、接線盒、扶正器等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 潛油往復(fù)式抽油機結(jié)構(gòu)示意

潛油直線電機能夠直接驅(qū)動潛油往復(fù)泵做往復(fù)運動，無需中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)，屬于圓筒型永磁交流直線同步電機，如圖2所示。主要由定子和動子構(gòu)成，根據(jù)復(fù)雜井況環(huán)境，設(shè)計為短定子長動子結(jié)構(gòu)。定子有槽，由外保護筒、繞組線圈、硅鋼鐵芯、內(nèi)襯筒組成；動子永磁體采用內(nèi)嵌式安裝，由磁環(huán)、隔環(huán)鐵芯與中心撐桿組成。變頻裝置將交流電變頻后，經(jīng)潛油電纜輸送給電機，定子三相繞組通電后產(chǎn)生的氣隙磁場與動子永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場相互作用，產(chǎn)生電磁舉升力，當(dāng)任意組三相交流電的兩相轉(zhuǎn)換時，舉升力也隨之換向。

圖2 潛油直線電機結(jié)構(gòu)示意

潛油往復(fù)泵倒置于潛油直線電機之上，如圖3所示。結(jié)構(gòu)優(yōu)化是將常規(guī)往復(fù)泵的固定閥設(shè)計在泵筒上部，泵筒內(nèi)的柱塞上、下均設(shè)計游動閥，主要有固定閥總成、柱塞總成和密封裝置。其中固定閥總成包括固定閥罩、閥球、閥座，固定閥罩下端加工出內(nèi)螺紋和泵筒連接；柱塞總成包括柱塞閉式閥罩、游動閥球與閥座，柱塞下端與直線電機的動子連接；密封裝置組成一個密封腔，防止井液流入直線電機后燒毀電機，起到保護電機的作用[8]。

1-固定閥總成；2-柱塞總成； 3-泵筒； 4-套管。

電機運行狀態(tài)合理、精準(zhǔn)控制，是實現(xiàn)潛油直線電機在井下復(fù)雜工況可靠工作的前題。變頻裝置主要由整流模塊、逆變模塊、單片機、專用變壓器、開關(guān)管、檢測元件、存儲模塊等組成，屬于開環(huán)控制方式，如圖4所示。整流模塊將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流工作電壓，通過控制功率管的開關(guān)順序，然后逆變模塊將所需頻率三相方波交流電供給潛油直線電機，在電機的3個繞組上產(chǎn)生不同幅值、不同頻率的電壓，從而實現(xiàn)對電機的控制。能夠?qū)崿F(xiàn)：間歇供電，調(diào)頻調(diào)速，在線調(diào)整沖次，調(diào)整范圍為0.1～8.0 min-1；在線調(diào)整頻率，動子上、下行程頻率調(diào)整范圍分別為8～15 Hz和15～24 Hz。具有手動控制、自動保護、自啟和過載保護、過熱保護、碰泵保護等功能，控制規(guī)律為動子上行頻率越大，上行速度越快，電流值越小，電機推力越小，反之越大。

圖4 變頻裝置原理

1.2 工藝原理研究

潛油往復(fù)式抽油機以潛油直線電機作為驅(qū)動裝置，將直線電機與潛油往復(fù)泵相結(jié)合，潛入到油層中，電機定子與泵筒連接，動子與泵柱塞連接，在電磁舉升力作用下，驅(qū)動柱塞做周期往復(fù)運動，實現(xiàn)油液舉升。

為了深入研究運行原理，建立工藝舉升過程理論模型。理論模型是僅考慮動子自身重力與柱塞截面積以上液柱載荷的情況下建立，如圖5所示。將動子往復(fù)運動過程看做是以動子運行時間為橫軸、有功功率為縱軸的平行四邊形，沖程頂端和底端分別定義為上、下死點，1個往復(fù)過程就是從下死點向上運動至上死點，再由上死點向下返回到下死點的過程。因此，潛油往復(fù)式抽油機舉升過程分為4個階段。

圖5 潛油往復(fù)式抽油機運行理論模型

1) 動子蓄能。上行程開始瞬間，固定閥打開，游動閥關(guān)閉，作用在油管上的柱塞截面以上液柱重力轉(zhuǎn)移至電機動子上，因此發(fā)生彈性形變，油管與動子都縮短。此時建立模型中斜直線AB，動子雖然在上移，但柱塞相對于泵筒并沒有產(chǎn)生位移變化，代表了彈性形變所用時間和電能蓄積的過程，稱為蓄能線。

2) 動子上行程。模型中直線BC代表上行程柱塞運行時間，理論上B、C點所承受負載一樣，如果油管內(nèi)已充滿液體，在井口將排出相當(dāng)于柱塞沖程體積的液柱，因此上行程是泵筒吸入液體和井口排出液體的過程[9]。

3) 動子泄能。下行程開始瞬間，固定閥關(guān)閉，游動閥打開，作用在電機動子上的柱塞截面以上液柱重力又轉(zhuǎn)移至油管上，二者又發(fā)生彈性形變，油管與動子都伸長，此時建立模型中斜直線CD，柱塞依然沒有位移變化，代表彈性形變所用時間和電能減少的過程，稱為泄能線。

4) 動子下行程。模型中直線DA代表下行程柱塞運行時間，理論上DA段動子只克服自身重力。下行程柱塞上下連通，柱塞下部液體通過游動閥進入柱塞上部，下行程是套管內(nèi)液體進入柱塞行程段的過程[10]。

1.3 電機運動規(guī)律研究

通過潛油往復(fù)式抽油機理論研究，可知潛油直線電機動子上、下沖程中，動子運動分為加速、勻速、減速3個階段，加速和減速階段速度特征符合正弦曲線，時間上瞬時響應(yīng)，均是彈性形變過程。

動子上沖程速度方程為：

(1)

動子下沖程速度方程為：

(2)

直線電機動子運動系數(shù)a的計算式為：

(3)

式中：t0為加速或減速時間，s；ω為圓周率，rad/s；T為運動周期，s；t為運行時間，s；s為沖程，m；n為沖次，min-1。

開展室內(nèi)測試，得到潛油直線電機動子位移規(guī)律曲線，如圖6所示。與理論研究相符，動子上、下沖程滿足線性關(guān)系。

圖6 潛油直線電機動子位移規(guī)律

2 潛油往復(fù)式抽油機故障診斷方法研究

2.1 潛油直線電機優(yōu)化設(shè)計

針對試驗井存在過載停機頻發(fā)、整機振動大和可靠性差等問題，嚴(yán)重制約檢泵周期，建立潛油直線電機性能檢測系統(tǒng)，并以此為支撐，結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用的實際要求，對電機進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)故障診斷。

1) 柔性閉環(huán)控制技術(shù)[11]。技術(shù)的核心是長距離無感矢量控制方式，在矢量控制的基礎(chǔ)上引入無感控制，在無感矢量控制程序中嵌入柔性控制算法。該控制系統(tǒng)由智能控制器、驅(qū)動器等組成，且具備數(shù)據(jù)遠傳功能，利用濾波、精算消除或降低各種干擾及影響。能夠保證多項運行參數(shù)的高速采集和實時復(fù)雜運算，并采用32位運算處理器，通過采集分析電機功率，調(diào)整電流和電壓，計算動子速度和推力，自動分析出合適的驅(qū)動電流，達到最小電流下的高效運行?？稍?.1～10 min-1范圍內(nèi)柔性調(diào)節(jié)沖次，隨井下負載變化調(diào)整輸出功率，降低電機啟動載荷和系統(tǒng)沖擊振動，實現(xiàn)柔性運行、柔性啟停。通過PID的高級智能調(diào)節(jié)，實現(xiàn)自動生成全沖程內(nèi)的最佳運行速度分布方案和輸出功率分布方案，并能根據(jù)工況的變化情況自動完成運行方案的優(yōu)化調(diào)整，全程圍繞最佳速度分布和功率輸出分布做持續(xù)無級變速運行，電機與控制器之間完全通過軟件實現(xiàn)閉環(huán)控制。

2) 動子防轉(zhuǎn)動設(shè)計。永磁體采用軸向充磁結(jié)構(gòu)，提高隔環(huán)鐵芯和永磁體外套表面光潔度，動子撐桿材質(zhì)選擇1Cr18Ni9Ti，隔環(huán)和永磁體緊密配合后激光焊接為一體，保證外體和撐桿同時受力，動子撐桿直徑由?18 mm提高到?20 mm，提高抗彎和抗拉強度，對中心撐桿銑鍵槽，對應(yīng)永磁體車鍵，裝配后增強定位性，防止徑向轉(zhuǎn)動。

3) 繞組線圈性能優(yōu)化。優(yōu)化繞組線圈長寬比及繞制方法，線圈采用矩形截面，減小間隙，提高槽滿率；繞組線圈絕緣膜由原0.5 mm增加至0.7 mm，增加耐絕緣等級；提高電機灌裝平衡油溫度等級，耐溫達120 ℃，滿足深井井溫；在不增加電機尺寸的情況下，設(shè)計繞組線圈匝數(shù)增加1/3，工作電壓由660 V提高至1 140 V，舉升力提高30%以上，舉升揚程由1 800 m提高至2 500 m。

4) 全密封設(shè)計。將定子內(nèi)襯筒進行封閉焊接，中間部位噴焊鎳合金粉沫，厚度為0.1～0.2 mm；在動子表面整體鍍鉻，增強抗磨性；動子永磁體整體封閉，保證動子、定子與油液完全隔離；改進加工工藝，減小定子和動子的軸向尺寸誤差，降低機組振動。針對?139.7 mm和?177.8 mm套管設(shè)計電機外徑分別為?114 mm和?143 mm，定子磁場強度均增加20%。

應(yīng)用潛油直線電機性能檢測系統(tǒng)，對優(yōu)化后電機的舉升力、輸入輸出功率、振動進行性能檢測評價，其中振動是在相同工況條件下，比較常規(guī)開環(huán)控制方式和柔性閉環(huán)控制方式。檢測結(jié)果表明：電機輸出功率達45 kW，舉升力達到34.7 kN，相比改進前提升38.8%。應(yīng)用柔性閉環(huán)控制方式，電機的啟動電流和運行電流明顯降低，幅度分別達到53.94%和44.73%；系統(tǒng)振動強度大幅度削弱，降低幅度達到50.26%，如圖7～8所示?，F(xiàn)場應(yīng)用后，潛油往復(fù)式抽油機平均檢泵周期提高150 d，可靠性有效提升。

圖7 常規(guī)及柔性控制振動強度對比

圖8 常規(guī)及柔性控制電流曲線對比

2.2 實時故障監(jiān)測及診斷系統(tǒng)設(shè)計

針對潛油往復(fù)式抽油機實時故障監(jiān)測及診斷缺乏手段[12-15]，提出一種基于功率曲線監(jiān)測的潛油往復(fù)式抽油機故障診斷方法。以虛擬儀器為技術(shù)平臺， 采取模塊化的編程思想，通過Labview直觀的圖形化人機界面采集潛油直線電機實時功率數(shù)據(jù)；使用Matlab軟件編程，在Labview中使用Matlab script 節(jié)點技術(shù)，調(diào)用Matlab中編寫的程序代碼，對實測功率信號采用小波算法進行降噪、分解和重構(gòu)處理，得到清晰的功率-時間曲線，結(jié)合潛油往復(fù)式抽油機運行機理，通過支持向量機與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合識別曲線變化特點，實現(xiàn)故障監(jiān)測、預(yù)警和及時診斷。實時故障監(jiān)測及診斷系統(tǒng)集成設(shè)計為便攜式儀器，能夠和變頻裝置有效通訊，主要包括高精度電壓電流互感器、高精度USB-6008數(shù)據(jù)采集卡、單片機、觸摸屏、電源模塊、人機交換模塊、數(shù)據(jù)及曲線保存模塊等單元，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計如圖9所示。

圖9 故障監(jiān)測及診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對試驗井油管結(jié)蠟嚴(yán)重，開展故障監(jiān)測及診斷系統(tǒng)應(yīng)用。效果表明，功率波形清晰，能夠及時預(yù)警油管結(jié)蠟故障，做到早發(fā)現(xiàn)早處理，有利于摸索合理的清防蠟規(guī)律，避免施工作業(yè)，提高電纜重復(fù)利用率，延長檢泵周期，降本增效。油管結(jié)蠟會增加井下電機動子舉升阻力，運行載荷在往復(fù)過程中將超過最大理論值，動子上、下沖程功率曲線表現(xiàn)出明顯的“肥胖”特征，下沖程的振動載荷也增大。蠟堵發(fā)生時，功率波形將發(fā)生不規(guī)律、明顯的突變。試驗井正常運行、結(jié)蠟運行、蠟堵時功率曲線特征如圖10～12所示。

圖10 試驗井正常運行功率曲線

圖11 試驗井結(jié)蠟運行功率曲線

圖12 試驗井蠟堵初期功率曲線

2.3 低成本清防蠟方法及工藝

通過開展油管結(jié)蠟實時監(jiān)測及診斷現(xiàn)場試驗，可知清防蠟措施是保證機組可靠運行的必要手段，電加熱桿、加熱電纜等清防蠟工藝應(yīng)用效果明顯，但生產(chǎn)運行成本高、施工作業(yè)復(fù)雜，可靠性有待探索。基于此，提出新型低成本的固體化學(xué)防蠟方法及工藝。分析試驗區(qū)塊原油的物性成分，以其中蠟質(zhì)、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等含量為配方參考依據(jù)，進行針對性配方的研制，經(jīng)過反復(fù)試驗，得到最佳配比；研制可投撈式固體化學(xué)防蠟防垢器，不動管柱作業(yè)，創(chuàng)新固體防蠟藥劑井口投加方式，方便了固體防蠟藥劑的補充。同時結(jié)合三防油管、強磁防蠟、定期加藥和熱洗方式等低成本措施進行清防蠟作業(yè)。最終形成一系列適用不同區(qū)塊原油特點的潛油往復(fù)式抽油機低成本清防蠟技術(shù)，其中以防蠟防磨油管、防蠟防磨內(nèi)涂層油管和防蠟防垢器為代表。如圖13，試驗井在相同井況條件下，結(jié)蠟速率由小到大的方法分別為防蠟防垢器、防蠟防磨內(nèi)涂層油管、防蠟防磨油管和普通油管，表明可投撈式固體化學(xué)防蠟防垢器具有更好的防蠟效果，有效地降低了結(jié)蠟速率。

圖13 系列清防蠟方法結(jié)蠟速率對比曲線

2.4 玻璃鋼敷纜復(fù)合連續(xù)油管技術(shù)研究

目前，電潛往復(fù)式抽油機是以金屬油管逐節(jié)續(xù)接，鎧裝電纜在金屬管外側(cè)捆綁作業(yè)、獨立供電。外置電纜在施工作業(yè)和運行過程中機械損傷頻發(fā)，耐腐蝕性能差，重復(fù)利用率低，作業(yè)工序費時費力，平均使用壽命在2 a左右；金屬油管結(jié)垢、結(jié)蠟、腐蝕嚴(yán)重；井下工況監(jiān)測投入成本高、技術(shù)難度大、工藝整體性差。針對這些問題，提出一種玻璃鋼敷纜復(fù)合連續(xù)油管配套電潛往復(fù)式抽油機的開創(chuàng)性技術(shù)，其連續(xù)油管結(jié)構(gòu)如圖14所示。

圖14 玻璃鋼敷纜復(fù)合連續(xù)油管結(jié)構(gòu)示意

這種非金屬連續(xù)油管由內(nèi)襯層、環(huán)向增強層、骨架層、縱向拉伸層、外保護層、井下傳感器及連接工具等構(gòu)成。其中，內(nèi)襯層和外保護層均由聚合物材料擠出成型，環(huán)向增強層和骨架層由高強度纖維和樹脂復(fù)合纏繞成型，縱向拉伸層由樹脂、高強度纖維及聚四氟乙烯(F46)護套組成，三相動力纜和輔熱電纜嵌在外拉伸層中，信號電纜嵌在內(nèi)拉伸層中。管材技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 玻璃鋼敷纜復(fù)合連續(xù)油管技術(shù)參數(shù)

實現(xiàn)了1根連續(xù)管柱具有輸油、供電、防蠟解堵、井下工況監(jiān)測、耐腐蝕等功能，專業(yè)作業(yè)設(shè)備高效施工作業(yè)，管材可以重復(fù)利用，使用壽命達20 a。形成1套節(jié)能環(huán)保、智能化運行、周期內(nèi)使用成本低、數(shù)字化采油管理的新型采油工藝?，F(xiàn)場試驗4口井，技術(shù)優(yōu)勢突出。

3 結(jié)論

1) 潛油往復(fù)式抽油機舉升過程理論模型的建立，為深入研究工藝原理、電機運動規(guī)律提供理論支撐，為實時故障監(jiān)測及診斷系統(tǒng)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

2) 措施后的潛油直線電機輸出功率達45 kW，舉升力達到34.7 kN，推力輸出能力明顯改善；柔性閉環(huán)控制方式實現(xiàn)了啟動和運行電流、機組振動強度明顯降低。整體診斷措施有效提升了工藝的可靠性，延長了檢泵周期。

3) 基于功率曲線監(jiān)測的實時故障監(jiān)測及診斷系統(tǒng)和固體化學(xué)防蠟工藝對油管結(jié)蠟故障實現(xiàn)了及時預(yù)警、低成本清防蠟，故障特征明顯，結(jié)蠟速率有效降低。

4) 玻璃鋼敷纜復(fù)合連續(xù)油管技術(shù)的提出及試驗，實現(xiàn)了1根連續(xù)管柱具有輸油、供電、防蠟防垢解堵、井下工況監(jiān)測等功能，管材可以重復(fù)利用，建立了1套節(jié)能環(huán)保、智能化運行、周期內(nèi)使用成本低、數(shù)字化采油管理的全新采油方案，為下一步科研攻關(guān)指明了方向。