游梁式抽油機(jī)技術(shù)狀況監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

李 勇，范新冉，高守華，賀建軍

（中國石化勝利油田分公司設(shè)備管理部，山東東營 257000）

1 抽油機(jī)管理現(xiàn)狀

游梁式抽油機(jī)以結(jié)構(gòu)簡單、易損件少、操作簡單、維護(hù)方便、相比其他機(jī)型維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，長期占據(jù)著有桿抽油系統(tǒng)地面設(shè)備的主導(dǎo)地位，在各類型抽油機(jī)中占比高達(dá)94%。近幾年，管理區(qū)四化建設(shè)逐步推廣，抽油機(jī)設(shè)備已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了電流、電壓、功率、沖次、沖程、負(fù)荷等數(shù)據(jù)的采集和現(xiàn)場視頻監(jiān)控，但是本質(zhì)技術(shù)狀況檢查仍需要人工巡檢完成，導(dǎo)致以下突出問題存在：

（1）巡檢要求與人員不足矛盾突出。四化建設(shè)推廣以來，人員大幅減少，設(shè)備技術(shù)配套跟不上新型管理建設(shè)要求，人員不足與設(shè)備巡檢要求之間的矛盾將更加突出。

（2）認(rèn)識(shí)及知識(shí)能力不足，巡檢標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行力差。抽油機(jī)通常被認(rèn)為“傻大笨粗”設(shè)備，“皮實(shí)耐用”的老思想普遍存在，日常管理粗放，標(biāo)準(zhǔn)要求低，在巡檢工作量大、現(xiàn)場工人老齡化、壓縮用工等情況下，易導(dǎo)致設(shè)備巡檢走過場。無法做到掌握抽油機(jī)故障形勢(shì)及發(fā)生趨勢(shì)，一些輕微故障不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，易導(dǎo)致小問題發(fā)展成大問題。

（3）執(zhí)行力不足。如電機(jī)功率匹配問題、負(fù)載與抽油機(jī)型號(hào)及電機(jī)匹配問題、平衡率與供液量匹配問題、井下工況與地面設(shè)備匹配等，不能利用四化數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整、優(yōu)化設(shè)備。

進(jìn)行游梁式抽油機(jī)技術(shù)狀況監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究，可有效解決目前抽油機(jī)維護(hù)和巡檢面臨的實(shí)際問題，同時(shí)可將設(shè)備與四化進(jìn)一步融合，提高抽油機(jī)設(shè)備管理水平和信息化程度。

2 監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)研究

2.1 技術(shù)思路

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的整體技術(shù)框架組成為無線振動(dòng)采集傳感器、區(qū)域控制基站、系統(tǒng)分析軟件。

振動(dòng)采集器高度集成高精度壓電陶瓷加速度傳感器、恒流源發(fā)生電路、溫度補(bǔ)償電路、AD 采集模塊、無線收發(fā)模塊、鋰電池管理電路和嵌入式主控芯片，采用無線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)時(shí)精確采集振動(dòng)位移、速度、加速度，然后進(jìn)行AD 量化，將其進(jìn)行閾值比較，能夠按照設(shè)置的格式設(shè)定休眠與喚醒時(shí)間，持續(xù)工作時(shí)間可達(dá)1 年以上。

區(qū)域控制基站通過接收該區(qū)域范圍內(nèi)設(shè)備的無線振動(dòng)傳感器的信息，通過接收終端監(jiān)控室的指令，來控制無線傳感器節(jié)點(diǎn)，其內(nèi)部基于Linux 操作系統(tǒng)，能夠方便終端對(duì)其訪問和程序更改。依據(jù)產(chǎn)品系統(tǒng)應(yīng)用場所，控制器功能劃分為：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、控制輸出功能、遠(yuǎn)程通信、數(shù)據(jù)顯示等功能模塊。

顯示系統(tǒng)能夠?qū)⒄麄€(gè)工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備運(yùn)營情況上報(bào)到整個(gè)系統(tǒng)，一目了然看到整個(gè)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的信息，顯示監(jiān)測(cè)平臺(tái)每個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀況，提供報(bào)警信息，而這些信號(hào)的傳輸與報(bào)警模式都由軟件設(shè)置，在自動(dòng)設(shè)置的同時(shí)支持人工操控對(duì)設(shè)備的信號(hào)采集與分析，并且能夠?qū)⒉杉降男畔⑺椭梁蠖诉M(jìn)行診斷。通過對(duì)設(shè)備加速度的頻譜分析能夠提前預(yù)知設(shè)備內(nèi)部的零部件的狀況和分析設(shè)備的故障現(xiàn)象，給出維修意見。

2.2 主要研究內(nèi)容

抽油機(jī)技術(shù)狀況監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)技術(shù)路線分3 步進(jìn)行：①研究抽油機(jī)主要故障類型；②采集振動(dòng)和溫度等實(shí)施監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；③監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行抽油機(jī)狀態(tài)識(shí)別，做出評(píng)價(jià)決策

2.2.1 主要故障類型

游梁式抽油機(jī)故障類型如下：減速箱故障主要體現(xiàn)在異響、竄軸、斷齒、軸承損壞等；電機(jī)技術(shù)狀況主要體現(xiàn)在溫度、異響等；曲柄銷子技術(shù)狀況主要體現(xiàn)在銷子斷裂、銷子軸承脫落等，會(huì)造成游梁翻轉(zhuǎn)，連桿蹩彎，不僅嚴(yán)重?fù)p壞井口設(shè)備，甚至?xí)＜叭松戆踩?；基礎(chǔ)主要體現(xiàn)在土基礎(chǔ)下沉，鋼基礎(chǔ)斷裂，水泥基礎(chǔ)斷裂等。以上故障可大體分為3 類：①以游梁為中心的故障，主要包含毛辮子斷裂、中軸承損壞、變速箱故障等；②以橫梁為中心的故障，主要包含尾軸承損壞、曲柄銷斷裂等；③以底座為中心的故障，主要包含水泥基礎(chǔ)斷裂、底座斷裂、機(jī)架扭曲等。

2.2.2 故障采集及特征分析

故障采集分析系統(tǒng)主要由左右曲柄狀態(tài)測(cè)控儀、橫梁狀態(tài)測(cè)控儀等組成（圖1）。左、右曲柄狀態(tài)測(cè)控儀分別安裝在左、右連桿上，隨連桿一起運(yùn)動(dòng)，監(jiān)測(cè)曲柄及其與之相連接的連桿、減速機(jī)輸出軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；橫梁狀態(tài)測(cè)控儀安裝在抽油機(jī)橫梁上，隨橫梁一起運(yùn)動(dòng)，監(jiān)測(cè)抽油機(jī)橫梁、游梁，及其與之相連接的連桿、尾軸承、中軸承、抽油桿、毛辮子、抽油泵等的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。先根據(jù)各傳感器測(cè)得的正常數(shù)據(jù)進(jìn)行抽油機(jī)沖次計(jì)算和抽油運(yùn)行上半周、下半周所用時(shí)間計(jì)算，然后將這些數(shù)據(jù)備份，以實(shí)時(shí)計(jì)算值與之比較，判斷由故障引起的沖次變化來判斷故障類型。與周期無關(guān)的故障類型則用角度變化和距離變化計(jì)算判斷。

（1）毛辮子斷裂（繩帽脫落）。毛辮子斷裂即引起懸點(diǎn)載荷突變至零，由于平衡塊的作用，下沖程速度變慢、上沖程速度變快，下半周期變短、上半周期變長。此故障現(xiàn)象可用電機(jī)電流校驗(yàn)：上沖程電機(jī)電流變小，下沖程電機(jī)電流變大。

（2）中軸承損壞。中軸承損壞即引起游梁振動(dòng)，使驢頭左右擺動(dòng)，橫梁偏斜運(yùn)動(dòng)，橫梁傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)振動(dòng)幅度大，且橫梁方向的角度變化已超出正常運(yùn)行角度。

（3）尾軸承損壞。尾軸承損壞即引起橫梁的強(qiáng)烈振動(dòng)，且會(huì)引起連桿變形、疲勞斷裂。橫梁傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)振動(dòng)幅度大，且橫梁方向的角度變化已超出正常運(yùn)行角度和中軸承損壞的角度范圍。

（4）曲柄銷斷脫。曲柄銷斷脫即引起橫梁急劇偏斜，如不及時(shí)停機(jī)還會(huì)影響尾軸承的正常工作，促使游梁扭曲變形，甚至翻機(jī)。橫梁傳感器所測(cè)角度數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常數(shù)據(jù)。

圖1 游梁式抽油機(jī)技術(shù)狀況監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)

（5）變速箱輸出軸竄。變數(shù)箱輸出軸竄即表示減速箱輸出軸處的軸承損壞，輸出軸振動(dòng)，曲柄傳感器所測(cè)距離數(shù)據(jù)一邊變長一邊變短，且變長量與變短量的絕對(duì)值基本一致。

（6）水泥基礎(chǔ)斷裂。水泥基礎(chǔ)斷裂即表示抽油機(jī)底座與水泥基礎(chǔ)連接松動(dòng)，抽油機(jī)安裝的平穩(wěn)性遭到破壞。安裝在抽油機(jī)上的各處傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)都將由于振動(dòng)受到干擾，特別是橫梁傳感器沿游梁方向的數(shù)據(jù)變化范圍超出正常范圍較多。

（7）底座斷裂。抽油機(jī)底座斷裂即表示抽油機(jī)整體運(yùn)行不平穩(wěn)，與水泥基礎(chǔ)的連接松動(dòng)，從而引起抽油機(jī)整體振動(dòng)，上沖程驢頭前傾下沖程驢頭復(fù)位，橫梁傳感器沿游梁方向的數(shù)據(jù)變化范圍超出正常范圍較多（多于水泥基礎(chǔ)斷裂）。

（8）機(jī)架扭曲。機(jī)架強(qiáng)度變?nèi)跻鹋で冃?，游梁離開原位，橫梁、連桿扭曲振動(dòng)。橫梁傳感器沿游梁方向和沿橫梁方向的數(shù)據(jù)變化均超出正常范圍。

2.2.3 數(shù)據(jù)分析處理及決策

橫梁狀態(tài)測(cè)控儀、左曲柄狀態(tài)測(cè)控儀、右曲柄狀態(tài)測(cè)控儀將采集的數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊傳送至DTU 控制器，DTU 控制器由IO 集成單元、433 MHz 無線雙通道通信單元、ARM 處理芯片、外部通信單元等組成（圖1）。IO 模塊執(zhí)行測(cè)控儀監(jiān)測(cè)到停機(jī)、報(bào)警信息進(jìn)行本地處理，同時(shí)具備2 路AD 用于現(xiàn)場監(jiān)控模擬數(shù)據(jù)運(yùn)行（抽油機(jī)周期、頻率、沖刺，測(cè)控儀自檢數(shù)據(jù)）；433 MHz 無線雙通道通信單元收發(fā)測(cè)控儀數(shù)據(jù)；ARM 處理芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高速計(jì)算、對(duì)比，實(shí)現(xiàn)測(cè)控儀自檢、自學(xué)習(xí)、0.1 s 間隔的實(shí)時(shí)測(cè)控功能。

工作狀態(tài)實(shí)時(shí)傳輸?shù)讲捎凸芾韰^(qū)（采油廠）監(jiān)控室，使工作人員隨時(shí)掌握抽油機(jī)的工作狀態(tài)。任何一狀態(tài)測(cè)控儀或DTU 控制器出現(xiàn)故障后進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警，顯示故障代碼，通過查詢故障代碼表即可得知故障點(diǎn)，然后進(jìn)行故障排查，省時(shí)、方便。

3 應(yīng)用情況

自2019 年起，在勝利油田孤島采油廠試運(yùn)行2 臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)輸出抽油機(jī)狀態(tài)、展示實(shí)時(shí)抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)和相關(guān)的報(bào)警信息處理功能，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、傳輸及時(shí)、分析準(zhǔn)確率高。2019 年累計(jì)各類預(yù)警、報(bào)警累計(jì)26 次。如37-414 井振幅超限報(bào)警后，減速箱清洗換油后消除；左曲柄銷松動(dòng)報(bào)警1 次，緊固后消除。

取得了以下效果：①初步實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)知性維修，有效減少設(shè)備維修成本支出；②緩解巡檢人員不足的壓力，解決巡檢標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行不到位的問題；③提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，易于“四化”系統(tǒng)融合，提升設(shè)備管理信息化程度。

4 結(jié)語

游梁式抽油機(jī)技術(shù)狀況監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)，按照游梁式抽油機(jī)巡檢內(nèi)容制定的抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案，根據(jù)傳感器性能特點(diǎn)確定安裝位置，關(guān)注設(shè)備自身工況管控，填補(bǔ)了油田抽油機(jī)類設(shè)備數(shù)據(jù)采集的空白，對(duì)抽油機(jī)信息化建設(shè)起到一定指導(dǎo)作用。抽油機(jī)技術(shù)狀況監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)還需要長期的試驗(yàn)開發(fā)、技術(shù)改良、再測(cè)試、再改良，要求有大量的現(xiàn)場抽油機(jī)數(shù)據(jù)支撐，記錄抽油機(jī)的運(yùn)行狀況，判斷抽油機(jī)的運(yùn)行故障，分析抽油機(jī)各部件的劣化曲線，以實(shí)現(xiàn)預(yù)知性維修。