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潜油螺杆泵采油系统监测

0、引言

潜油螺杆泵采油系统是4大机械采油方式之一，它以其高效率、低能耗、占地面积小、安装方便、适宜于高粘度（5000cp值从而到达保护下钳口接触面的目的以上）、高含沙量（5%以上）油井作业等优点而备受广大石油科技工作者青睐。但是，由于材料和一些关键部件设计制造水平编带机不过关，这项采油技术在我国一直没有投入应用，1998年笔者与某油田合作，成功地将该项技术成果投人生产试运行，近两年系统的运转结果表明，其各项技术指标均达到甚至超过预期要求。

这套采油系统投入生产后与其他采油设备一样面临的一个重要问题就是状态监测。由于它的结构特点所致，一旦某个零件或部件出现问题，可能产生故障传播现象导致其他零部件受损或使其使用寿命受到影响，为了将损失控制在最小范围内，必须电源电压太低的地方应设自耦变压器对其进行状态监测，对系统出现的问题实时作出反应。

目前我们采用的办法是变频控制，但是它保护的只是电机，对故障传播响应的速度不是太快，按照笔者的思路最2025年实现总产值50亿元好的办法是将系统正常运转时的井口输出振动信号采集下来，做一个样本，然后、实时采集系统工作时的振动输出信号与样本进行比较，以此来判别系统是否有故障以及故障出现的位置。

对这种系统进行基于振动信号的状态判别与其他系锰钢统比较还有很大差异，就目前的一般机械系统状态监测而言，各种信号传感器通常可以置放于被监测对象本体或附近，采集出的信号反映出的问题相对比较真实，而对于潜油螺杆泵采油系统来说，其机械部分整体被置于1500m以下的油井中，在其模块化部件上安置传感器是不太现实的，而能够采集的信号一是油温，二是电机的电流、电压，三是在井口壁上安放位移传感器采集振动信号。油温反映系统的状态效果不太明显，来自于变频器的电流、电压的效果我们前面讨论过，本文旨在从振动信号作切人点，进行远距离信号颤别来进行状态监测。因为不管该采油系统哪一部分出现故障，其以井壁为媒体的振动信号的输出肯定会出现差异，这种差异就是我们确定监测模型和监测系统构成的根本所在。

1、潜油螺杆泵采油系统的结构、常见故障及输出信号的影晌因素

潜油螺杆泵采油系统的结构采用模块化设计，自下而上由下面5部分组成：

（1）潜油电机；（2）减速器；（3）皮囊保护器；（4）联轴体；（5）螺杆泵

生产试运行结果显示，系统的常见故障如下：

（1）在联轴体内的推力偏心轴承破碎；

（2）联轴体内的密封件密封功能失效，导致原油中的砂粒下泄、堆积，使减速器不能正常运转；

（3）减速器内的齿轮断齿或由于胶合磨损而失效；

（4）减速器内行星架上的滚针轴承破裂；

（5）联轴体内的主轴与滑动轴承干摩擦导致滑动轴承或主轴表面严重烧伤，运转不正常；

（6）皮囊保护器皮囊破碎；

（7）联轴体推力轴承以下部位的润滑油蒸发或泄漏，导致一些零件干摩。

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以上仅列举几种主要情形供参考，这些并不能囊括可能出现的全部故障。事实上，系统还有一些其他常见故障如电机烧毁或螺杆泵定子橡胶与原泊中的酸或碱反应而失效，但是这些因素不会导致故障传播，因而不在再我们考虑的范畴之列。除了系统自身橡胶密封故障导致的输出波形变化外，另外一些工况因素也会使初期的样本采集工作受到影响，这些影响因素是：

（1）系统下潜的深度；

（2）井下原油温度；

（3）原油有的粘度；

（4）井壁材料；

（5）原油中的含砂量；

（6）原油液面的位置；

（7）原油中的水油比例。

2、状态监测的基本原理

潜油螺杆泵采油系统状态监测系统的功能如图1所示。

由该图可知，整个监测系统采取的主要技术手段如下：采集标准信号并建立标准信号样本库；建立基于知识的信号比较分析单元；信号的压缩技术与信号的传输技术。

2.1标准信号的采集与样本库的建立

这里所说的标准信号e）油泵中的油表用于显示油泵中油的量的多少是指设备正常运转时从井口壁上输出的信号，当整套设备下井经过10天左右的跑合后，趋于正常运转，这时我们采集到的信号的特征是无太大的脉冲的，即使有脉冲，也有固定的周期，非常规律，这一点已经过现场试验证明，我们将这样的信号取出，经过处理后附上编号存入样本库，作为日后比较的参照物。样本库的功能与一般专家系统中的数据库功能无太大差异，这里要强调说明的是，这样的样本不是一成不变的，随着时间的推移、设备的磨损、井下工况的变化，输出的信号必然发生变化，但是只要不出现波形畸变，仍视设备运转正常，不过这时要对样本库中的内容进行更新。按照我们目前现场试验所摸的规律，设备运行一个月更新一次为宜，设备运行5个月后，适当缩短更新周期为20天。

2.2信号的分析与征兆提取

该项技术是整个监测系统的核心技术，它采用的是专家系统中推理机与知识库综合作用的原理，但由于它的比较对象的本质不同于一般专家系统中推理机作用的对象，所以采

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