基于扭矩和扭壓比偏差率的壓裂泵故障診斷*

王 波 王龍庭 張金亞

(1.四川宏華電氣有限責任公司頁巖氣事業(yè)部2.中國石油大學(華東)機電工程學院3.中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院)

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.石油機械,2022,50(11):90-97.

0 引言

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

1 電機扭矩與扭壓比偏差率

以6 000 hp交流變頻電機為壓裂泵提供動力為例。壓裂泵動力端為偏置式曲柄連桿機構(gòu),其作用是將電機旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為柱塞的往復直線運動,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)動下中壓變頻控制系統(tǒng)通過電機對壓裂泵進行流量無級調(diào)節(jié),通過PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)電動壓裂泵的自動控制。柱塞排液時,柱塞端面壓力通過曲柄連桿機構(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,與電機扭矩形成平衡。

根據(jù)頁巖油氣開發(fā)特點,第3代6 000 hp電動壓裂泵設(shè)計為臥式五缸單作用柱塞泵,雙吸雙排,如圖1所示。電機額定輸出功率6 000 hp,根據(jù)現(xiàn)場施工需求,開發(fā)了5種柱塞直徑;其中采用?101.6 mm柱塞時最大輸出壓力為114.0 MPa,采用?114.3 mm柱塞時最大輸出壓力為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算

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

式中:P表示電機輸出功率,kW;ne表示電機額定轉(zhuǎn)速,r/min;T表示電機扭矩,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電動壓裂泵的扭壓比分別為0.459、0.444和0.491。電動壓裂泵運行期間的扭壓比偏差率自定義如下:

式中:Ts為瞬時電機扭矩,N·m;ps為瞬時壓力,Pa。

1.2 正常工作狀態(tài)下扭矩和扭壓比偏差率

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

武成龍劍如銀龍飛舞，在強勁的內(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，因為武成龍不再是一個人，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。

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

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

2 故障實例與分析

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

通過上述多個頁巖油氣壓裂施工平臺,得到電動壓裂泵正常運行和13種其他工況下電機扭矩和扭壓比偏差率曲線等,并對其進行逐一分析?？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副異常。

2.1 故障實例

(1)電動壓裂泵正常運行曲線。圖3是威頁39平臺某井第14段2號泵正常運行時的電機扭矩和扭壓比偏差率曲線。由圖3可知,正常工作時排量為1.0～2.0 m3/min,泵壓約為70～75 MPa。曲線特征可以概括為:電動壓裂泵啟停時電機扭矩和扭壓比偏差率比較大,在正常運行時,電機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平臺某井第2段8號泵4缸吸入缸閥膠皮斷裂和閥座損壞后電機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,在柱塞排液時吸入缸內(nèi)部分液體會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,與無故障時一致,扭矩為正常值。當膠皮斷裂缺口不斷擴大時,電機扭矩最大值不變,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平臺某井第6段中1號泵5缸排出閥膠皮斷裂和閥座損壞后電機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)壓力不能及時下降,吸入閥不能及時打開。當故障缸的柱塞吸液時,吸入缸內(nèi)柱塞端面壓強大于0;當故障缸的柱塞排液時,柱塞端面壓力比正常時更快增加到泵壓。電機扭矩最大值不變,最小值降低50%后將等幅運行,降低趨勢低于吸入缸損壞時。扭壓比偏差率變化趨勢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平臺某井第12段中7號泵液缸本體5缸上部刺漏后電機扭矩和扭壓比偏差率曲線。由圖6可知:在柱塞前推時吸入缸內(nèi)部分液體會通過刺漏點流出,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,作用在柱塞端面的壓力接近于0,與無故障時一致,扭矩為正常值。當刺漏點不斷擴大時,電機扭矩最大值不變,最小值逐步下降,但由于液缸屈服強度大,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,以防刺漏點不斷擴大,導致在扭矩曲線上觀察不到持續(xù)下降趨勢。扭壓比偏差率變化趨勢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平臺某井第7段壓裂施工中,5號泵吸入缸2缸和3缸液缸本體之間刺漏后串壓的電機扭矩和扭壓比偏差率曲線。吸入缸和吸入缸之間刺漏時,故障吸入缸排出的高壓液體將漏入相鄰故障吸入缸。液缸本體屈服強度為1 100～1 300 MPa,裂紋導致的刺漏點發(fā)展較慢,損壞后仍持續(xù)運行近3 min,但2個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平臺某井第12段中泵水作業(yè)的8號泵吸入管路濾網(wǎng)部分堵塞后,電機扭矩和扭壓比偏差率曲線。由圖8可知:由于膠液配液短時黏度過高,導致吸入管路濾網(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號泵吸入管路濾網(wǎng)部分堵塞時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平臺某井第24段壓裂施工中7號泵電機扭矩和扭壓比偏差率曲線。

圖9 齒輪損壞時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

運行結(jié)束后拆除齒輪副護罩總成,右旋大齒輪的13個齒部分斷裂,相鄰的1缸軸承座保持架也局部損壞。根據(jù)楊明等[13]提出了用負載轉(zhuǎn)矩信號分析法(Load Torque Signature Analysis,LTSA)來代替電機電流分析法MCSA(Motor Current Torque Signature Analysis,MCSA)檢測負載故障的方法,利用電機輸入側(cè)電流、電壓和轉(zhuǎn)速通過負載轉(zhuǎn)矩辨識器辨識出轉(zhuǎn)矩信號,然后對電機扭矩信號應用FFT進行頻譜分析,檢測相關(guān)故障頻率分量的幅值變化來診斷負載是否出現(xiàn)故障。當齒輪出現(xiàn)局部故障后,故障的齒輪每嚙合一次,負載轉(zhuǎn)矩就會出現(xiàn)一個脈沖沖擊,此時原轉(zhuǎn)矩中會疊加一個頻率為故障齒輪轉(zhuǎn)頻的周期性脈沖。由圖9可知,此時電機扭矩無明顯異常,但是扭壓比偏差率范圍為-7%～2%,超過上限,確認為故障信號。

(8)齒輪裂紋。圖10是威頁9平臺某井第24段壓裂施工中6號泵兩側(cè)的左旋大齒輪和右旋大齒輪發(fā)現(xiàn)裂紋后電機扭矩和和扭壓比偏差率曲線。由圖10可知,電機扭矩無明顯宏觀異常,但是扭壓比偏差率為-6%～3%,超過上限,確認為故障信號。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。

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

圖11 試運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平臺某井第18段中4號泵YLQ17-023電機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%,此時電機扭矩無明顯上升趨勢;連桿十字頭總成繼續(xù)損壞后,電機扭矩開始上升,扭壓比偏差率最大值增加到8%,可見扭壓比偏差率比電機扭矩更適合預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平臺某井第55段中6號泵5缸閥膠皮斷裂后,持續(xù)運行時電機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,電機扭矩大幅升降時,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,確認為故障信號。

圖13 閥膠皮斷裂后十字頭損壞時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平臺某井第19段中7號泵4缸下彈簧固定座斷裂后持續(xù)運行時電機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回位。扭壓比偏差率為-67%～-1%,低于下限,確認為故障信號。

圖14 下彈簧固定座斷裂時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平臺某井第30段中5號泵4缸盤根斷裂、盤根腔局部損壞后持續(xù)運行時,電機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%,確認為故障信號。

圖15 盤根斷裂、盤根腔局部損壞時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平臺某井第32段中7號泵5缸下彈簧固定座斷裂后閥體總成被柱塞擠壓變形,回程時連桿十字頭總成螺釘被拉斷,左右旋小齒輪脫離電機軸后,電機扭矩和扭壓比偏差率曲線。

由圖16可知:150～160 s時,扭壓比偏差率為1%～3%;160～165 s時,扭壓比偏差率為1%～6%;可見扭壓比偏差率比電機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)為正常運行工況,(2)～(6)為液力端故障,(7)～(10)為動力端故障,(11)～(14)為液力端故障導致動力端故障。

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)針對電動壓裂泵系統(tǒng)特征,提出了直接提取變頻器上電機扭矩和采集泵壓傳感器壓力,進行基于電機扭矩和扭壓比偏差率的電動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,電機扭矩成為液力端故障診斷可靠標準之一。

(2)扭壓比偏差率受施工壓力、排量和設(shè)備振動等影響較小,可以作為判斷故障與否的相對獨立參數(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扭矩能夠更早表現(xiàn)出故障特征。