水基动力无杆抽油机典型故障诊断的研究现状

刘娇，朱春梅，蒋章雷，陈祥臻，卞家磊

（北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室，北京 100192）

0 引言

目前，国内外的机械采油装置有有杆泵和无杆泵（电潜泵和水力活塞泵），有杆泵是出现最早的采油装置，在很大程度上促进了石油开采的发展，但是杆管间的偏磨问题等缺点越来越突出；电潜泵具有结构简单、排量大等优点［1］，但是它不能实现深抽；水力活塞泵下泵的深度不受其井深度的限制，可实现深抽，在一定程度上促进了我国机械采油设备的发展，但是水力活塞泵采用纯净原油作为动力液，随着油田中后期含水的增加，水力活塞泵采油地面脱水工作量日益加大，采油成本越来越高，它们所表现出来的缺点也越来越明显。而近年来出现的水基动力无杆抽油机，是利用液体压力作动力，避免传统采油设备的偏磨，采用高压动力液作为动力源，大大提高了可抽油的深度，实现了深抽甚至是超深抽；水基动力无杆抽油机是将动力液水和采出来的油液分开的采油设备，这样从根本上避免了采油后期因含水多而增加地面脱水工作量的现象。与之前的采油设备相比，具有明显的优越性。

1 水基动力无杆抽油机系统构成及工作原理

1.1 水基动力无杆抽油机系统构成

水基动力无杆抽油机是利用液体的压力作为动力的采油设备。整体设备是由地面动力站、动力传输部分、井下液力抽油系统等3 部分组成［2］。地面的动力站将电动机的机械能转化成液体的压力能，通过动力传输部分传至井下，借助于抽油系统，将液体的压力能转化成机械能，以此来驱动抽油泵。抽油泵上行靠的是动力液的压力，下行靠的是井下抽油泵的自重和配重块的拉力作用。

1）地面动力站。地面液压驱动系统是一台小型液压工作站，是整套抽油系统的动力及控制核心，其作用是驱动井下液压抽油泵柱塞上行做功以实现抽油过程。地面驱动部分包括：三柱塞泵、地面管路、溢流阀、机械换向水阀、蓄能器、单流阀、水箱、计量仪表、过滤器、油井井口装置、控制系统等。

在地面驱动部分中最主要的就是三柱塞泵，它是采油系统的心脏部分，地面柱塞泵将水箱中的动力液加压到所需压力后进入地面管路。地面管路主要包括各种元件及装置之间连接所用的各种不同的管路，主要有金属硬管和耐压软管。换向阀能够准确工作是该系统实现地面控制技术的关键，在地面驱动系统中对地面液力换向起着关键性的作用。控制系统包括换向阀控制模块、数据监测部分、数据远传部分等，完成系统运行参数的检测、换向控制、监测参数远程传输及发送故障报警信息等。

2）动力传输部分。地面系统输出的动力液由动力传输部分通过动力管线传输至井下，保证压力能够通过长距离且低损耗传递，驱动井下动力缸做往复运动，为井下泵提供能量。动力传输部分主要包括井口装置、产出液通道、动力液通道。

3）井下液力抽油系统。井下液力抽油系统是执行部件，它由动力缸和抽油泵组成，它是整个系统的关键部分，抽油泵将井下油液吸入泵内，通过管路将油液排到地面。

1.2 工作原理

图1 是水基动力无杆抽油机的工作原理图，水基动力无杆抽油机依靠动力液的压力以及配重自重完成抽油和排油的工作过程。

抽油的工作过程为：二位二通电磁阀4 置右位，液压泵1 打开，动力液通过液压泵1 和二位二通电磁阀4 回到动力液箱27。将三位四通电磁阀7 置左位，二位二通电磁阀4 置左位，动力液通过液压泵1、三位四通电磁阀7、双液控单向 阀8、双单向节流阀9 到达动力油缸11，推动活塞上升，油液箱28 中的油液通过单向阀19 到达动力油缸11 完成抽油的过程。

排油的工作过程为：二位二通电磁阀4 置右位，液压泵1 打开，动力液通过液压泵1 和二位二通电磁阀4 回到动力液箱27。将三位四通电磁阀7 置左位，二位二通电磁阀4 置左位，动力液通过液压泵1、三位四通电磁阀7、双液控单向阀8、双单向节流阀9 到达动力油缸11，推动活塞上升，动力油缸的活塞到达顶部，三位四通电磁阀7置右位，活塞在配重及重力的作用下向下运动，吸入动力缸的油液通过单向阀12 完成排油。

图1 水基动力无杆抽油机的工作原理图

1.3 水基动力无杆抽油机的优点

1）液压传动效率高。与同采液量、同下泵深度的常规游梁式抽油机相比节能可达20%～30%；

2）通过调节动力泵排量可方便调节井下抽油泵冲次，实现抽油井无级调参；

3）井下抽油泵全行程工作，无抽油杆拉伸带来的冲程损失，与常规抽油泵相比泵效可提高15%以上；

4）水基动力液在密闭系统中循环，并驱动井下抽油泵工作，不与井下产出液掺混，大大降低了运行成本；

5）水基动力无杆抽油系统实现了远程监控，系统运行参数通过GSM 网络和INTER 网实时传送到中心控制室；现场运行参数超限时，监控系统会及时给管理人员的手机上发送故障报警信息。

2 研究现状及难点

2.1 典型故障分析

水基动力无杆抽油机是近几年发展起来的采油设备，在实际的运行中存在着许多的故障。但是，由于缺乏长期的运行数据，所以对水基动力无杆抽油机的故障库建立还不够完善。我们根据水基动力无杆抽油机的工作机理，结合现场调研数据，总结了水基动力无杆抽油机地面设备和井下的典型故障。地面设备典型故障主要有液压站故障和井口故障。水基动力无杆抽油机井下的典型故障主要有动力缸故障、抽油泵故障和配重块故障。具体故障见表1。

表1 水基动力无杆抽油机的典型故障表

2.2 故障诊断方法研究

结合水基动力无杆抽油机的工作机理和现场的调研，发现水基动力无杆抽油机的故障具有明显的随机性、非平稳性、非线性、隐蔽性等特点，这使得对于水基动力无杆抽油机的故障诊断十分困难。而基于分形盒维数的水基动力无杆抽油机故障诊断方法，基于动力缸运动方程的水基动力无杆抽油机故障诊断方法，以及对水基动力无杆抽油机动力学特性的分析研究，成功地弥补了对水基动力无杆抽油机故障诊断方法的空缺。由于水基动力无杆抽油机缺乏长期的运行数据，故障数据库建立还不完善。因此，针对小样本、非线性事件，积极研究基于支持向量机的水基动力无杆抽油机的故障诊断方法和基于隐马尔科夫的水基动力无杆抽油机的故障诊断方法，将这两种诊断方法应用于水基动力无杆抽油机的故障诊断中，目前还在研究中。

2.2.1 基于动力缸运动方程的水基动力无杆抽油机故障诊断方法

基于动力缸运动方程的水基动力无杆抽油机故障诊断方法，采用流量和压力信号，根据受力方程和波动方程，推导了水基动力无杆抽油机动力缸运动方程，并求解了动力缸运动方程。研究了动力缸运动方程中相关参数变化与井下故障的映射关系，研究表明在不同工作状态下，动力缸运动方程系数的变化与井下故障有明确的对应关系，以此证明了基于动力缸运动方程的故障诊断方法应用于水基动力无杆抽油机具有可行性。

2.2.2 水基动力无杆抽油机的动力学特性的研究

对水基动力无杆抽油机建立其有限元分析模型，基于流体动力学原理和结构动力学原理，使用流-固耦合方法，借助有限元分析软件对水基动力无杆抽油机动力缸及动力液的动力学特性进行了研究。表明动力缸运行过程中动力液流动较稳定，仅在换向时存在较大压力波动，并且会产生较大振动，因此对压力信号进行分析时，应选用平稳区段的信号，忽略掉加载时的信号；当压力和流量升高时，动力缸的最大应力也随之增大，且变化趋势呈现一定的非线性。

2.2.3 基于分形盒维数的水基动力无杆抽油机故障诊断方法

由于水基动力无杆抽油机的故障具有明显的非线性、非平稳性、随机性等特点，使得对于水基动力无杆抽油机的研究只能采用非线性、非平稳信号分析方法。基于非线性理论的分形理论，研究了基于分形盒维数的水基动力无杆抽油机故障诊断方法。构建了含有随机信号的等效理论示功图，运用分形盒维数方法对构建的理论示功图求取分形盒维数，得到了不同工作状况下分形盒维数的变化范围。并以得到的分形盒维数分布作为判据，对等效理论示功图进行了快速自动识别和故障诊断。

在以往的状态监测和故障诊断理论研究中，多是假设被分析与处理的信号具有线性、平稳性等特征，并在此基础上形成了完整的理论体系和方法［3-4］。但是，在实际应用中，结果却是差强人意，实际中的信号往往是非线性、非平稳的，在一定程度上影响到水基动力无杆抽油机诊断技术的发展。

2.2.4 水基动力无杆抽油机故障诊断的难点

1）故障机理研究不足。故障机理是指通过理论或大量的试验分析，得到反映设备故障状态信号与设备系统参数之间的规律［5］，而水基动力无杆抽油机是近年来发展起来的采油设备，数据库建立不够完善，对水基动力无杆抽油机的故障机理研究还不足。故障机理研究是故障诊断的理论基础，故障机理研究不足就阻碍了对水基动力无杆抽油机的故障诊断方法的研究。

2）故障诊断方法有限。机械设备诊断首先要分析设备运转中所获取的各种信号，然后提取信号中的各种特征信息，从中获取与故障相关的征兆，最终利用征兆进行故障诊断［6］。而水基动力无杆抽油机的故障具有随机性、非平稳性、非线性、隐蔽性等特点，使得对于水基动力无杆抽油机的故障诊断十分困难。

3）智能诊断系统薄弱。目前智能诊断系统的诊断能力还比较薄弱，虽然可采用人工智能诊断方法，但大部分智能方法都需要满足一定的假设条件和人为设置一定的参数，因此研究中通过仿真验证故障诊断算法的较多［7］。于是智能诊断方法往往给人留下“黑匣子”和“因人而异”的印象，诊断方法的推广性得不到很好的验证［8］。这也就是说，要真正实现智能诊断，只靠单纯一两种方法是很难满足要求的，其应用也会有一定局限。加之水基动力无杆抽油机成熟可行的故障诊断方法尚且不多，所以对水基动力无杆抽油机的智能诊断还比较薄弱。

综合上述水基动力无杆抽油机研究存在的问题，总结起来有以下特点：研究故障表象多，研究故障机理少；研究单一方法多，研究综合诊断少；研究部件故障多，研究系统故障少；研究显著故障多，研究微弱故障少。为此，对水基动力无杆抽油机的研究要实现由表象研究到机理研究的突破，实现由单故障研究到群故障研究的突破，实现由超强故障研究到微弱故障研究的突破［9］。

3 测试诊断仪的研究

3.1 硬件部分

测试诊断仪是专门针对水基动力无杆抽油机而设计的，主要由PCM-9362 型嵌入式主板，数据采集卡接线板、稳压变压器、触摸屏控制板、电池、两路同步采集卡，磁盘阵列和MP426 多通道数据采集卡组成，如图2 所示。

图2 测试诊断仪内部元件的关系连接图

处理器是系统的核心，经过多种型号CPU 的比较，最终选用研华PCM-9362 型嵌入式主板，配合使用Atom（凌动）N2600 双核CPU，这样可以满足在恶劣环境下采集信号信噪比较高的要求。而且与采集卡之间采用USB连接，通信简单，信号的实时性比较好。

系统采集的数据需要存储起来，本系统中采用固态磁盘阵列对数据进行存储，磁盘阵列相对于普通硬盘读写速度快，缓存空间大、抗震性好，可用于振动明显且磁场较强的环境中，适应野外油田井口的工作环境。

3.2 软件部分

此测试诊断仪能够对水基动力无杆抽油机进行状态监测和故障诊断，它是通过高度集成的数据采集卡和工控机主板对无杆抽油机的地上设备振动、动力液压力和流量、动力液温度以及伺服电机电流等数据进行采集和存储，并运用非线性信号分析理论，通过编制的软件进行快速自动识别和诊断，以实现判断当前设备工作状况的功能。图3 为测试诊断仪的监测界面。

图3 测试诊断仪的监测界面

图4 测试诊断仪的故障诊断评价等级界面

当出现故障时，还能对故障进行等级评价及报警，将故障诊断结果发送到工作人员的手机上，以便于井上工作人员针对不同的故障采取不同的应急措施和防范行为，图4 为测试诊断仪的评价等级图。

数据管理中可以随时调取历史数据，以便于井上工作人员查看设备运行的历史数据。水基动力无杆抽油机作为一种近年发展起来的新型采油设备，对其状态监测与故障诊断则较少涉及。随着我国经济的发展，安全生产工作在石油产业的持续发展中日益重要，抽油机的状态监测与故障诊断就越来越重要。

4 结语

国内的抽油设备将向着高度自动化、智能化、结构简洁化、高可靠性、大功率、大排量、深抽和超深抽的方向努力发展［10］；国外抽油机向着超大载荷、长冲程、低冲次；自动化、智能化；高效节能；高适应性；无游梁长冲程、大型化方向发展。水基动力无杆抽油机能够实现深抽甚至超深抽，结构简单，性能可靠，具有高效节能的特点，必将在国内、国际采油市场占据一席之地。

水基动力无杆抽油系统以其特有的结构和采油方式，一举解决了传统技术存在的偏磨问题，相对于有杆泵和无杆泵采油设备，它还具有橇装化、占地面积小、降低能耗、平稳可靠、泵效高等优点。这使它在面对传统游梁式抽油机和无杆泵采油设备时，也有着极大的技术优势。所以水基动力无杆抽油机必将极大地改变目前的抽油机市场格局，开辟一块新的抽油技术领域。

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