（油气田开发工程专业论文）基于人工神经网络的螺杆泵井工况诊断技术研究.pdf

r e s e a r c ho nd i a g n o s i s1 e c h n o l o g yf 0 rp r o g r e s s i n gc a v i t yp u m p o i ll i f ts y s t e mu s i n ga r t i l f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s l iw e i ( o i la n dg a sd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o 、7 | 加gh a i 、v e n a b s t r a c t p m g r e s s i v ec a v i 够p u m p ，o w i n gt 0t h ea d v 锄t a g eo fs m a l is i z eo ng r o u n d ，c o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e a n dm a n a g e m e n t ，e 雒yt oc o n t r o lr a t ea n dh i 曲e 衔c i e n c y ，i sb e i n ga p p l i e dm o r ea n dm o r ew i d e l yi n o i l f i e l d a s 锄e x c e l l e n tt e c h n i q u eo fa 而f i c i a ll i f t ，i ts h o w sd i s t i n c ts u p e r i o r i t yo v e ro t h e rp r o d u c t i o n m e t h o d si nh e a v yo i lw e l l sa n ds a n d yw e u s h o w e v e r ，w i t ht h ei n c r e a s i n gn u m b e r so fw e l l si nw h i c h i ti s b e i n gi n s t a l l e d ，w o r k i n gc o n d i t i o n sa r eb e c o m i n g m o r ec o m p l i c a t e da i l dd i a g n o s i si sd i 伍c u l t t h i sl e a d st o t h ed i 衔c u l t yt od i a g n o s em f o u g ht r a d i t i o n a lm e t h o d s ，w h i c hc a nn o tm e e tt h ed e m a n do fm o d e m i z e d o i l f i e l dp r o d u c t i o n b ys t u d y i n gt h ep r o b l e m sd u r i n g 印p l i c a t i o no ft h ep u m pi n o | l f i e ld ，f a u l tt ) r p e s ， d i s p l a yo ff a u l t s ，c a u s eo ff a u l t sa n dh a z a r d so ff a u l t si np r o g r e s s i v ec a v i 够p u m pw e l l sa r e s u m m a r i z e d a n de s s e n t i a ia p p r o a c h e st or e s o l v et h e s ep r o b l e m sa r ep r o p o s e d a n dt h e n ，i n t r i n s i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e n b e h a v i o r sa j l dc h a 础：t e r i s t i c si sr e v e a l e d b e s i d e sa b o v em e n t i o n e d ，t h i sp 印e ra l s oa 1 1 a l y z e db pa n i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k sw h i c hi sg e n e m l i yu s e di nf a u l td i a g n o s i sf i e l d ，d i s c u s s e dd i a g n o s i st h e o 巧f o r o i lw e l l s b a s e do na n i n c i a ln e u r a ln e t w o r i ( s ，a n ds t u d i e dn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，n e t 、v o r kp a r 帅e t e rs e t t j n g s ，t r a i n i n g m o d e sa n df i v ei m p r o v e da l g o r i t h m sf o rb pn e t w o r l ( s s u c k e rr o do fp r o g r e s s i v ec a v i t ) ，p u m ps y s t e m 仃 m s m i td r i v i n gf o r c ed o w nt h ew e ut 0p u m p ，i ti sam o s tc r i t i c a lp a no ft h ep r o d u c t i o ns y s t e m 锄di sa l s o w h e r ef a u l t so c c u r sf r e q u e n t l y i nt h i sp a p e r a c c o u n t i n gt h e o 叫o ft e n s i o n ，t o r q u ea n db e n d i n gm o m e n to f t h es u c k e rr o di se s t a b l i s h e db ya n a l y s i so fs t r e n 舀h so ns u c k e rr o d a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so f f a u l t si n p r o 伊e s s i v ec a v i 够p u m pw e l l s ，t e s t i n gt e c h n i q u e s ，w e l ly i e l d ，w o r k i n gl e v e i ，t e s t i n gt o r q u e ，s a n d ys 协t e ， t e s t i n ga x i a lf o r c e ，c o m m u n i c a t i o ns t a t eo ft b g c s g ，n u c t u a t i n gs t a t eo fe l e c t r i cc u r r e 鸭锄dr e v e r s a lg r a d e a ts h u t d o w nw e r ea b s t r a c t e da si n p u tv a r i a b l e so fa n nm o d e l t oi m p r o v eg e n e r a l i z a t i o na b i i 时o fn e u r a l n e t w o r l ( s ，f i v es u b n e t w o r i ( sw e r ei n t e g r a t e di n t ot h ed i a g n o s i s m o d e ld e s i g n e di nt h i sp 印e r d u r i n g d e s i g n i n gt h es u b n e t 、v o r k s ，d i r e c t l ye s t i m a t em e t h o d ，m e t h o db a l s e do ng r e yc o 加e c t e da i l a l y s i s ，如z z y c l u s t e r 加a l y s i sm e t h o d ，m e t h o dt od e s e nh i d en o d e sa n dm e t h o db 舔e do nc o e 伍c i e m o fd i s p e r s i o nw e r e 叩p l i e dt oc a l c u l a t et h en 啪b e ro fh i d en o d e s d e s i g n i n g 褫d 仃a i n i n go fd i a g n o s i ss y s t e m ss o f t w 2 l r e i s 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 粼一繇巷中 日期：砂年石月7 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：垄雏 指导教师签名： 妫童 日期：硼年歹月f 日 日期：砰石月日 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 上世纪8 0 年代，螺杆泵开始被用作石油工业中的人工举升设备，从9 0 年代中期起， 得到广范应用【l 】。到目前为止，螺杆泵作为一种优秀的人工举升方式，在稠油井、携砂 采油井上显示出比其它采油方式明显的优越性。 螺杆泵采油系统由于其尺寸小、质量轻、维护管理方便、地面设备简单、结构紧凑、 调节排量容易、系统效率高等优点，受到人们日益重视，在油田生产中占据举足轻重的 地位，而且应用范围不断扩大，应用数量逐步增加。国内的胜利油田、大庆油田，国外 的加拿大、美国和委内瑞拉等国的油田都有螺杆泵的大量应用。 在油田使用螺杆泵数量不断增多的同时，如何进一步提高螺杆泵采油的技术和管理 水平，成为各油田普遍关心的问题。 作为一种年轻的人工举升方式，螺杆泵采油技术发展很快，一方面螺杆泵及其配套 设备制造质量得到大大提高，另一方面，螺杆泵采油技术及管理水平也有一定进步。但 现有螺杆泵井的配套设备和相关技术的发展还相对滞后于油田对螺杆泵生产要求的需 要。完善的油井管理应包括油井正确的设计、规范的施工和合理的监测与维护，为了保 证螺杆泵采油井正常生产，延长螺杆泵使用寿命，提高经济效益，必须对螺杆泵采油技 术完善配套，并建立建全生产管理体系。工况诊断就是其中一项重要的组成部分。解决 了诊断问题将大大推动其管理技术水平，使油井管理工作走上设计一实施一诊断一设计 这样一个良性循环。同时，油井诊断工作促进了对油井系统的认识，能及早发现故障隐 患，通过调整参数避免或延缓事故发生，同时它还是油井再设计的依据，使油井工况趋 于最佳状态。 通过文献调研和实际考察发现，现有螺杆泵井诊断系统需要建立复杂的数学模型， 诊断结果的好坏很大程度上取决于数学模型，而且随着数字化油田的建设，对油田的生 产和管理的自动化要求越来越高。因此，如何方便快捷的把握油井动态，正是需要研究 的问题。 近年来，人工神经网络识别模式在故障诊断中普遍应用。人工神经网络模型是用大 量简单处理单元广泛连接而成的一个非线性网络系统【2 】。它以高度的并行分布式处理、 联想记忆、自组织学习能力和极强的非线性映射能力，为现代故障诊断技术的智能化提 第一章绪论 供了一个全新的方法。通过对螺杆泵工况模式和人工神经网络的研究，将神经网络与模 式识别相结合，建立基于人工神经网络的工况诊断系统，解决由于螺杆泵井系统运动复 杂，运动参数和故障种类多而引起的故障诊断复杂困难的问题，使油田对螺杆泵的管理 和运行更加的合理与简便，从而大大推动螺杆泵诊断和应用技术的提高。 1 2 国内外研究现状 虽然螺杆泵已经具有较长的历史，在上个世纪2 0 年代中期法国人勒内莫依诺就 发明设计出这种泵。但螺杆泵采油工艺技术却是新发展起来的一种机械采油工艺技术， 8 0 年代初期，螺杆泵被成功用作石油工业中的人工举升设备1 1 。由于它应用的时间短， 所以在技术管理和生产管理上都还没有形成一套完整的方法和体系。 目前对螺杆泵的诊断方法主要推荐的有以下几种【l 】： ( 1 ) 电流法诊断油井故障 电流诊断法是通过测试驱动电机的电流变化来诊断泵工作状况。当测试电流下降、 电流过高、电流接近电机空载电流或测试电流有明显波动时均能反映出螺杆泵井的工作 状态。 ( 2 ) 憋压法诊断油井故障 憋压诊断法就是在螺杆泵工作的条件下，采取关闭井口生产阀门憋压，测井口处油 压和套压及变化情况来诊断泵的工况，以此诊断出各类故障。 ( 3 ) 扭矩法诊断 扭矩法诊断就是对光杆进行扭矩测试，以光杆工作扭矩变化及与理论扭矩对比诊断 螺杆泵的工况。测定光杆扭矩可以用传感器直接测试，也可以用系统效率测试车测试驱 动电机的有效功率与转数间接获得。可测动扭矩，也可测静扭矩。 m = m p + m ，+ m ， ( 1 - 1 ) 式中，肘为光杆实测扭矩；m ，为举升液体产生的扭矩；m r 为克服定子、转子间的摩 擦扭矩；m ，为抽油杆与举升液体间摩擦阻力扭矩。 ( 4 ) 液量变化法诊断油井故障 油井产液量是现场非常直观的资料，天天取，天天用，比较准确可靠，因此用它作 为分析的依据比较现实。油井产液量也最能直接反映出油井的工作状况。 通过以上国内外文献的总结，可以看出对螺杆泵井，由于其本身运动特性复杂、故 2 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 障种类较多决定了其故障诊断的复杂和困难。近年来，国内外许多学者和工程技术人员 在螺杆泵井工况诊断领域进行了大量的研究，提出了许多模式识别的模型。 2 0 0 1 年西安石油学院的张家田建立螺杆泵工况综合参数诊断系统，提出螺杆泵井 的某些故障单纯凭一种方法是很难准确诊断，因此综合参数诊断系统就成为十分必要 了，此系统是一种多参数测试系统，它能测试螺杆泵井的油压、套压、电流、电压、扭 矩和转速【3 】。 2 0 0 3 年石油大学吴晓东等人提出选用产量、动液面、工作电流、扭矩和轴向力五 个特征参数作为表征螺杆泵井工作状态的状态变量【4 1 。 2 0 0 3 年石油大学王海文，陈镭提出螺杆泵井光杆受力法工况诊断技术，在光杆受 力分析的基础上，通过对轴向力、扭矩和转速的实时测量和分析，建立测量数据与系统 工况的对应关系垆j 。 简单的线性推理诊断模式受参数多、故障复杂的影响，不能满足油井复杂情况和采 油设备复杂的工作状况，所作出的诊断结果往往具有片面性，不能很好的适应油井工况 诊断的需要。 1 3 人工神经网络在故障诊断中的应用 人工神经网络( a n i f i c i a ln e u r a ln e 铆o r k a n n ) ，通常简称为“神经网络”，原理是 在现代生物神经科学研究成果的基础上，采用巨量并行、分布存储和模拟处理方式，力 图反映人脑加工处理信息的某些基本特征。神经网络模型是在现代神经科学研究成果的 基础上提出的，它是由大量非线性神经元广泛互连所构成的一种网络。人工神经网络是 目前人工智能领域最活跃的一个研究分支，是随着人们对生物智能，尤其是人类智能的 不断研究而发展起来的【引。 新兴的神经网络理论为大型旋转机械的故障诊断提供了一种新的方法，神经网络具 有以下优越性：并行分布式处理、联想记忆、自组织自学习能力和强的非线性映射能力。 尤其对于非线性模式识别问题，神经网络方法以其分类精度高而显示出极大的应用潜 力，故神经网络理论在机械故障诊断领域得到了广泛的应用，并取得了满意的效果。 1 9 9 0 年n a i d u 等人就用人工神经网络进行了传感器故障检测，传感器故障检测的 最主要问题就是对过程的正确模拟【6 1 。对一个复杂的非线性过程，这一任务非常困难。 n a i d u 等人试图用人工神经网络来区分由传感器故障引起的模式和由过程模型不匹 配、噪声及扰动引起的模式。结果表明：人工神经网络对传感器故障的预测准确性比其 3 第一章绪论 它方法高，原因是人工神经网络能抓住非线性问题，另外人工神经网络能够在线进行训 练，训练好后，它所需要的计算时间要少于其他方法。 我国也有很多学者对神经网络在旋转机械故障诊断中的应用进行了探讨，取得了一 定的成果。东北大学虞和济教授等对机械设备故障诊断的人工神经网络法进行了深入的 研究，建立了旋转机械神经网络分类系统并得到了应用【7 1 ，取得了满意的效果。西安交 通大学的屈梁生教授等较早地利用人工神经网络对大型旋转机械的各种故障进行了全 面的研究，研究了如何从现场故障信号中提取故障特征并将全息诊断法用于神经网络诊 断中【8 】。东南大学的钟秉林等也就神经网络对给定知识的表达、联想、记忆能力及网络 结构进行了研究并指出神经网络在机械故障中显示了极大的应用潜力【9 】。 因此，将人工神经网络技术和螺杆泵工况分析有效结合起来进行螺杆泵井工况诊 断，将是一条有效的途径。 1 4 主要研究内容和技术路线 1 4 1 主要研究内容 ( 1 ) 研究人工神经网络的原理，从基本的单层感知器开始研究神经元之间连接关系。 ( 2 ) 研究螺杆泵井杆柱受力分析，以提取测量参数作为表征工作状态的状态变量， 并对这些输入参数进行预处理。具体包括对螺杆泵杆柱的轴向力、扭矩、弯矩、剪切力 的分析。 ( 3 ) 研究螺杆泵井故障的种类，以确定神经网络的输出层的个数。 ( 4 ) 研究神经网络各自的优缺点，解决神经网络的选型，并对现有神经网络算法进 行改进。 ( 5 ) 根据螺杆泵井的特性参数和故障种类建立神经网络的拓扑结构。 ( 6 ) 研究神经网络的学习算法，建立螺杆泵井工况诊断的人工神经网络识别模型， 编写学习算法和工作过程的程序。 ( 7 ) 根据现场实测数据对神经网络工况诊断系统进行训练，以提取状态参数与故障 种类之间的内在联系，并以连接权值的形式记忆在神经网络中。 1 4 2 技术路线 ( 1 ) 了解油田用地面驱动螺杆泵故障种类、故障的表现、故障原因、故障危害和基 本的解决方法。 4 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 ( 2 ) 由于地面驱动螺杆泵系统通过抽油杆柱对井下螺杆泵进行驱动，所以螺杆泵出 现故障后必然在抽油杆柱上有一定的反应。因此，通过对抽油杆柱受力的分析，可以对 螺杆泵的工况进行判断。因此需要对地面驱动螺杆泵抽油杆柱的受力进行分析。 ( 3 ) 学习掌握人工神经网络的工作原理和学习算法，了解人工神经网络在故障诊断 方面的应用。 ( 4 ) 根据地面驱动螺杆泵系统的具体情况，结合人工神经网络原理，建立基于人工 神经网络的故障诊断模型。 ( 5 ) 编制此模型软件。 ( 6 ) 根据现场地面驱动螺杆泵系统的故障资料，对软件进行训练和完善。 5 第二章螺杆泵j 阳 况分析与测试技术 第二章螺杆泵井工况分析与测试技术 2 1 螺杆泵采油系统与泵工作参数计算 2 1 1 螺杆泵采油系统 螺杆泵用于液体地面输送已是一种成熟技术，但作为深井泵用于采油则是七十年代 末八十年代初开始的新生事物。 螺杆泵采油系统的分类，按不同驱动型式可分为地面驱动和井下驱动两大类，本论 文只研究地面驱动螺杆泵采油系统，如图2 1 。 图2 1 螺杆泵采油系统 f i 9 2 - l t h es y s t e mo fp c pi no i iw e l l s 地面驱动螺杆泵采油一般适用于井深1 0 0 0 m 左右的直井。它由螺杆泵、抽油杆柱、 抽油杆柱扶正器及地面驱动系统等组成。其工作原理是，地面旋转动力源将动力传递给 6 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 驱动头，通过驱动头减速后，再由方卡子将动力传递给光杆，光杆带动抽油杆柱旋转， 将动力传到井下螺杆泵转子使之一起转动，井液经螺杆泵下部吸入，由上端排出，并沿 油管柱与抽油杆间的环形空间向上流动。 螺杆泵与其它机械采油设备相比，具有以下优点【l 】： ( 1 ) 节省一次投资。螺杆泵与电动潜油泵、水力活塞泵和游梁式抽油机相比，由于 其结构简单，所以价格低。 ( 2 ) 地面装置结构简单，安装方便。可直接座在井口套管四通上，占地面积小，除 原井口外，几乎不另占面积。 ( 3 ) 泵效高、节能。由于螺杆泵是螺旋抽油的容积泵，流量无脉动，轴向流动连续， 流速稳定，因此它与游梁式抽油机相比，没有液柱和机械传动的惯性损失。泵容积效率 可达9 0 ，它是现有机械采油设备中能耗最小、效率较高的机种之一。 ( 4 ) 适应粘度范围广，可以举升稠油。一般来说，螺杆泵适合于粘度为8 0 0 0 m p a s ( 5 0 ) 以下的各种含原油流体，因此多数稠油井都可应用。 ( 5 ) 适应高含砂井。理论上看，螺杆泵可输送含砂量达8 0 的砂浆。国产螺杆泵可 以在含砂量3 左右的情况下正常生产。 ( 6 ) 适应高含气井。螺杆泵不会气锁，故较适合于油气混输，但井下泵吸入口的游 离气会占据一定的泵容积。 ( 7 ) 适应于海上油田丛式井组和水平井，螺杆泵可下在斜直井段，而且设备占地面 积小，因此适合海上油田丛式井组甚至水平井使用。 ( 8 ) 允许井口有较高回压。在保证正常抽油生产情况下，井口回压可控制在1 5 m p a 以内或更高，因此对边远井集输很有利。 2 1 2 单螺杆泵的理论排量 1 ) 单螺杆泵的理论排量【1 】 当螺杆泵转子转动一周时，封闭腔中的液体将沿轴线移动一个定子导程的距离，在 沿泵身任意横截面中，液体占有的面积为定子橡胶衬套截面所包围的空腔截面与螺杆泵 转子截面积之差，对单螺杆泵为：4 p 2 尺= 8 p 尺= 4 p d ，因此螺杆每转一周的理论排量g 为： g = 4 p d 丁 ( 2 1 ) 7 第二章螺杆泵臼f 况分析与测试技术 式中，q 理论排量，m 3 ；p 为偏心距，m m ；d 为转子直径，m m ；丁为定子导程，m m 。 故泵的理论排量可以用式( 2 1 ) 与泵转速门的乘积计算。 既= 1 4 4 0 4 p d 砌 ( 2 2 ) 式中，q f 为理论排量，m 3 d ；，z 为转速，转分。 2 ) 螺杆泵的实际排量 螺杆泵为容积泵，在实际工作中，螺杆泵的实际排量计算公式为： q = 虢刁 ( 2 3 ) 式中，t 1 为泵的效率。 2 1 3 螺杆泵的功率 1 ) 泵的水力功率可按下式计算： n h= 他h 8 6 4 0 0 1 0 2 ( 2 4 ) 式中，y 为流体密度，埏m 3 ；日为压头，m ；为泵的水力功率，k w 。 2 ) 泵的轴功率 泵的轴功率可按下式： 卟等2 赢 亿5 、 刀石o 斗u u 上u z ，7， 、 式中：月为泵的轴功率，k w 。 2 1 4 转子轴向力 设转子螺旋面上某点所受的正压力为卵，则其轴向分量矾与周向分量皿的关系 为： d f c = 二乇一d f n z 印 ( 2 6 ) 式中，为转子螺距；p 为受力点到转子螺旋面轴线的垂直距离。 卵对转子轴线的扭矩为： 刎= 峨p 2 去矾 。( 2 - 7 ) 中国石油大学( 华东) 硕l ：学位论文 对上式两边在整个螺杆衬套副面上进行积分得： j 撕= m ( 2 8 ) ，去峨= 嘉1 ( 2 9 ) 即为： c = 孚睾半地脚 p 2 1 5 螺杆泵扭矩 螺杆泵在工作中主要受到两个扭矩，以单头转子螺杆泵为例。 1 ) 转子的有功扭矩 由于螺杆泵的吸入端和排出端的液体存在一个压差，所以螺杆一衬套副中的液体将 对螺杆泵定、转子施加力的作用。 螺杆一衬套副将机械能转换为液体能，若不考虑损失，则由能量转换关系得： 2 蒯= 刖叼 g = 4 p d 丁 ，p q 4 e d t p2 e d t p ，= = 一= 一 2 万2 万刀 ( 2 1 1 ) 式中，m 为转子有功扭矩。 2 ) 定转子之间的摩擦扭矩 螺杆泵定、转子间存在过盈，转子在定子内转动，所以定、转子间存在着摩擦，定 子对转子施加摩擦扭矩的作用。其摩擦扭矩m ，的理论计算公式： m ，2k 。( 万+ 民) 肛 ( 2 1 2 ) 式中，为定子衬套橡胶的刚度；万为衬套橡胶在井下因热胀、溶胀而增加的过盈量； 民可通过测试计算获得；皖为初始过盈设计值；万可通过地面模拟试验取得；厂为橡 胶与金属摩擦系数，是一定值。 2 1 6 流体的流速 液体在螺杆泵内的轴向平均理论流动速度： o 第二章螺杆泵井工况分析与测试技术 v j 盟：兰丝堡兰! 塑：1 4 4 0 刀丁 。 f4 p d ( 2 1 3 ) 式中，q 呐为理论排量，m 3 d ：f 为单螺杆泵的输送过流面积，m 2 。 液体在输送腔里流动路线是螺旋状的，因此，液体颗粒在丁的全距离上具有更高的 速度v f 为： 2 2 抽油杆柱受力分析 v f ：而丽丽 = 门而 ( 2 1 4 ) 在螺杆泵抽油的井下部件中，抽油杆柱是转动件，受拉、压、扭、磨、疲劳等作用 力的影响严重，受力比较复杂，是油井生产中故障多发部分，也是地面与井下泵的连接 部分，不仅将地面的驱动力传递给井下泵而且将井下生产工况信息传递到地面。掌握好 该系统的受力状态是保证螺杆泵抽油系统正常工作和工况诊断的必要条件。 2 2 1 轴向力 抽油杆系统工作在油管中，不同的管柱结构，对杆柱受力影响也不同。图2 2 是一 常规管柱结构的螺杆泵采油系统示意图，是应用最多的管柱结构，油管连接螺杆泵定子， 实心或空心抽油杆连接转子直到井口【l 】。 图2 2 常用螺杆泵管柱结构示意图 f i 9 2 - 2 t h ef r a m e0 fp c pw e i i s 1 0 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 杆柱受轴向力分析如图2 3 所示，抽油杆和泵受的轴向力主要包括：重力、泵压差 力和浮力等。 重力： 抽油杆 f p 转了 图2 - 3 杆柱系统结构受力示意图 f i 9 2 - 3 t h ef i g u 代o f a t r 锶so fp c ps y s t e m t ( x ) = m g ( l - x ) + f g b ( 2 - 1 5 ) 式中，e 为抽油杆柱在任意深度x 处杆柱所受的重力，n ；为螺杆泵转子重量，n ； 朋为单位长度抽油杆的质量，k g m ；为下泵深度，m ；x 为某点距地面的高度，m ； g 为重力加速度，m s 2 。 压差载荷力： 兄地。凹+ 三( n d 2 妒 ( 2 - 1 6 ) 式中，c 为压差载荷力，n ；p 为螺杆泵出口压力，m p a ；d 为转子横载面直径，m m ； p 为转子偏心距，m m ；p 为泵吸入端与排出端的压差，m p a 。 浮力： 乃= 譬( 只俐 ( 2 - 1 7 ) 式中，为杆柱所受的浮力，与泵的沉没度有关，n ；乞为环空动液面至泵入口的液 柱静压，m p a ；只为套压；m p a ；d 为抽油杆直径，m m 。 第二章螺杆象片t 况分析j 测试技术 螺杆泵在工作中，抽油杆柱主要受两个扭矩：泵压差扭矩和摩擦扭矩【1 1 。 由于螺杆泵的吸入端和排出端的液体存在一个压差，转子螺旋面上除受垂向上的力 外，还受一螺旋的周向力，从而产生泵压差扭矩。由于螺杆泵定、转子间存在过盈，转 子在定子内转动，所以定、转子间存在着摩擦；由于抽油杆在井筒流体中转动，所以杆 液间存在着摩擦，定子和井筒流体对转子施加摩擦扭矩的作用。 泵压差扭矩，如式( 2 1 1 ) ： m 。：竺兰：丝丝尸 式中，丁为定子导程，m m 。 定转子间摩擦扭矩，如式( 2 1 2 ) ： mr = k o 婶+ 6 0 、) f r 式中，为定子橡胶的刚度；n i n m m 2 ；磊为定转子间初始过盈量，n u n ；万为衬套 橡胶在井下因热溶胀而增加的过盈量，m m ；厂为定转子间的摩擦系数，小数；r 为转 子断面半径，m m 。 杆液的摩擦扭矩： 。，2 万2 朋d ? d 1 呜2i ( 2 - 1 8 ) 式中，d ，油管内径，l m ；刀为转数，转分；丁为定子导程，m m ；u 为液体粘度，m p a s 。 惯性扭矩： m a = s 。厶 ( 2 1 9 ) 式中，为转动角加速度r a d s 2 ；山为单位长度杆柱的转动惯量，蚝m 2 。 光杆承受的扭矩： m = m 尸+ m ，+ m y ( 三一x ) + m a ( 三一x ) + m ：x ( 2 2 0 ) 式中，m = 后：p + m 。；m o 为p = o 时的工作扭矩，定转子间的摩擦扭矩，n m ；m 为在深度x 以下的扶正器个数，个；k ：为泵的特性曲线斜率，n m m p a 。 1 2 中国石油人学( 华东) 硕l 学位论文 2 2 3 弯矩 抽油杆柱作为长连续布1 1 牛在井简中工作，也会产生不同的芎矩，主要有：离心惯性 力产生的弯矩、重力水平分量产生的弯矩和井眼的弯曲引起的附加弯矩【1 1 。 由于螺杆泵抽油杆柱在井筒中作旋转运动，而且在实际生产中杆体重心往往不与杆 体旋转中心线在一条直线上，因此在生产中就会出现离心惯性力产生的弯矩。 离心惯性力产生的弯矩： = 斋警口 式中，址为相邻两扶正器问的一段抽油杆的长度，m ；口为与挠曲线变形方程有关的 系数，m 。 由于井斜产生的重力分量引起的弯矩： = 掣竽 ( 2 2 2 ) 式中，o 为井斜角，。 井眼的弯曲引起的附加弯矩： = 警 ( 2 - 2 3 ) 式中，e 为抽油杆弹性模量，m p a ：秒为相邻两扶正器间的井斜角变化量，。 综合上述三个弯矩，可得杆柱所受总的弯矩： m 缈2m l + m 缈2 + m 3 ( 2 2 4 ) 2 2 4 泵出口压力 泵排出口压力主要由井口压力、泵排出口到地面间静液柱压力和井筒内沿程损失组 成【1 1 。 泵出口压力采用简化计算模型： p = + x p g + 匕。x ( 2 2 5 ) 巴2 一 亿2 6 ， 吲) 2 1 + 他卜蹀 1 第二章螺杆泵j n 【况分析与测试技术 式中，己为泵出口至井口流动液体单位长度的沿程损失，m p a m ；七为形状系数，小 数；为井口压力，m p a ；q 为实际流量，m 3 d ；p 为液体密度，蚝m 3 。 可由式( 2 2 5 ) 确定泵的出口压力，由套压和动液面高度确定泵入口压力，然后求出 泵进出口压差廿。 2 2 5 剪切力 杆柱的剪切力是指在杆柱安放扶正器的位置，由于受到重力的水平分量以及拉力的 水平分量的相对作用，使得在扶正器处杆柱的截面发生相对错动的力f l 】。 q = 孵幽肌2 心n 挑警口 p 2 8 ， 式中，q 为扶正器处的剪切力，n 。 因为剪切力是在两个相对作用的平衡力之间产生的，在对整个抽油杆柱进行受力分 析时，剪切力与其它力的影响相比很小，一般情况可以忽略。 2 2 6 综合应力计算及强度评价模型 根据抽油杆承受的拉力、扭矩、弯矩等，进行拉应力、剪切力等的计算，从而评价 抽油杆承受的综合应力【1 1 。 首先计算出杆柱危险点的应力。 州篑+ 争 p 2 9 ， 2 ( 锣+ 丢) 亿3 。， 2 三矿 ( 2 - 3 1 ) 既2 吾扩 ( 2 - 3 2 ) 式中，r ，盯拉为剪应力，拉应力，m p a ；睨、睨为抗扭，抗弯截面模量，m m 2 ；仃， 为由压力引起的抽油杆径向，周向应力，m p a 。 对于实心抽油杆： 1 4 中国石油人学( 华东) 硕 ：学位论文 根据强度理论有： 且要求满足： a r 2 o e5p 仃= 知i 瓦瓦萨 盯b 】- 旦 理5 ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 - 3 5 ) 式中，盯为相当应力，m p a ；缘为安全系数，小数；9 ，为抽油杆屈服极限强度，m p a ； b 】为许用应力，m p a 。 2 3 螺杆泵井常见故障分类及原因分析 螺杆泵在油井中工作，由于受井况、砂蜡气、温度、压力、定转子性能及现场操作 管理水平等的影响，并且螺杆泵井整个采油系统是由许多子系统组成，导致螺杆泵井生 产工况复杂多变，影响因素众多，工况形式与工况特征之间关系错综复杂，给螺杆泵井 工况诊断增加了困难。如果对螺杆泵井的生产情况不熟悉，要对其进行工况的诊断是非 常困难的，只有对螺杆泵井有充分的了解后，诊断时才能作出正确的判断，因此，必须 对螺杆泵井的各种常见的生产工况及产生的原因进行详细了解。下面对螺杆泵井的几种 常见工况进行分析。 2 3 1 抽油杆断脱 ( 1 ) 造成抽油杆断脱原因 抽油杆本体断或者接箍脱扣现象是螺杆泵并常见故障，造成抽油杆断的根本原因是 井下抽油杆受到拉力、扭矩、弯矩等综合应力大于抽油杆本身许用应力；其次由于井筒 弯曲抽油杆在井中作旋转运动时，受到反复周期性的弯折疲劳作用，以及抽油杆长期与 油管摩擦、抽油杆在井筒中不断被腐蚀等都容易使抽油杆断。 造成抽油杆断脱也有生产方面的原因。首先是管理不善，没能定期洗井或洗井不彻 底，造成结蜡严重，使抽油杆在油管内旋转过程中，摩擦力增加；第二，泵下入较深， 抽油杆材质不合格，达不到强度要求，被扭断：第三，扶正器布置不合理，造成管、杆 摩擦，磨断抽油杆；同时抽油杆在长期拉、压、扭不合理受力条件下工作，受疲劳应变 过大而断脱；第四，在正常抽油生产过程中，地面设备发生故障或停、断电，造成停机。 1 5 第二章螺杆泵井工况分析与测试技术 当地面设备没有防反转或防反转失灵、停机时，惯性作用使抽油杆高速反转，也会造成 抽油杆倒扣脱扣。 ( 2 ) 抽油杆断脱特征 抽油杆断脱后，油井产量骤降；电机电流瞬时下降；停机抽油杆不反转；采用人工 盘转抽油杆扭矩很小。 ( 3 ) 诊断方法 电流法：抽油杆断脱后，电机正常运转电流瞬时下降，接近空载电流。 憋压法：抽油杆断脱后，油套不连通。憋压后，油压和套压不一致，当关闭闸门憋 压时，油压不上升或上升非常慢。 扭矩法：抽油杆断脱后，停机时，光杆无反转。 ( 4 ) 抽油杆断脱后的处理方法 发现抽油杆断脱后，先采用上提抽油杆，根据上提杆自重，初步判断断脱深度，采 取作业方式或打捞抽油杆和泵转子。如果属蜡堵，必须彻底清蜡和洗井后，重新下杆柱。 ( 5 ) 抽油杆断脱预防措施 作业时抽油杆扣要按标准扭矩上紧丝扣，生产过程中经常监测螺杆泵运行工况，尤 其要密切观测电机电流变化情况。如有电流升高，就应全面检查，找出原因。同时要确 保洗井加药周期并保证清蜡彻底。 2 3 2 油管脱落 ( 1 ) 造成油管脱落的原因 螺杆泵转子在定子内转动，定子受到一个反向扭矩的作用。它的大小不仅取决于泵 本身，同时与原油物性有关。如果原油粘度高、含蜡高，则反扭矩大，螺杆泵下部锚定 工具不灵或没有锚定，在反扭矩作用下，使定子上部油管卸扣，造成油管脱落。 ( 2 ) 油管脱落特征 油管脱落后，油井产量骤降；电机运转电流小：停机光杆不反转；抽油杆下放探不 到底。 ( 3 ) 油管脱落诊断方法 ( a ) 憋压法：油管脱落后，螺杆泵转子和定子脱离，失去抽吸能力，油套连通。关 闭生产闸门憋压，油压套压相等。 ( b ) 扭矩法：油管脱落后，停机时，光杆扭矩很小。 1 6 中国石油人学( 华东) 硕十学位论文 ( 4 ) 油管脱落后的处理方法 处理油管脱落作业，打捞脱落部分，重新下泵。 ( 5 ) 油管脱落预防措施 施工作业时，必须严格检查泵与管柱丝扣有无损伤。对损伤管件必须更换掉，同时 涂丝扣油并上紧。在泵下部装防脱工具防止油管脱落。 2 3 3 油管漏 ( 1 ) 造成油管漏的原因 螺杆泵井作业时油管扣没上紧而漏失或作业时油管扣已损坏但没检查出仍使用后 漏失。在停机时转子倒转，反向给油管一卸扣作用力造成泵上部油管倒扣松动漏失。当 油管与抽油杆接触，在生产中不断相互磨擦也会造成油管漏失。 ( 2 ) 油管漏特征 产量低或无产量；电机正常运转，电流低于正常运转电流：油井憋压不起；有油套 连通现象。 ( 3 ) 油管漏诊断方法 ( a ) 憋压法：油管漏后，油套连通。关闭生产闸门憋压，油压上升异常缓慢与套压 基本一致。 ( b ) 扭矩法：油管漏后，停机时，光杆扭矩很小。 ( 4 ) 油管漏后的处理方法 起出井内全部杆柱及管柱，经检查处理后确保油管无漏失重新下井。 ( 5 ) 油管漏预防措施 施工作业时，必须严格检查泵和管柱的丝扣有无损伤。对损伤管件必须更换掉，同 时涂丝扣油并上紧。在抽油杆上安装扶正器，减少在上产过程中抽油杆与油管的磨擦。 2 3 4 油管结蜡 ( 1 ) 造成油管结蜡原因 螺杆泵采油对稠油井有较强的适应性，但对含蜡高、结蜡严重的油井，与其他机械 采油方式效果一样。如果管理不善清防蜡不及时，久而久之，就会造成油管结蜡，甚至 蜡堵，使油井无法正常采油而停机，甚至造成抽油杆扭断。 ( 2 ) 油管结蜡特征 螺杆泵采油井结蜡严重时，电机启动困难，电机运转电流明显增高，甚至三角皮带 1 7 第二章螺杆泵井工况分析与测试技术 打滑无法启机，光杆扭矩增大。 ( 3 ) 油管结蜡诊断方法 电流法：形成蜡堵后，电机正常运转电流明显增高。造成蜡卡后启机困难，三角皮 带打滑等。 扭矩法：停机时，光杆高速反转比正常扭矩增大。 ( 4 ) 油管结蜡后的处理方法 发现结蜡，应用吊车上提光杆转子，使转子脱开定子以上l 1 5 。油套连通后，采 用热洗法彻底洗井或加药清蜡。若洗不通，启出抽油杆彻底清蜡。 ( 5 ) 油管结蜡预防措施 加强管理，以防为主。预防井内形成结蜡条件，关键在于制定合理的洗井周期，并 保证清蜡彻底。还可根据具体条件采用定期加药方式，防止结蜡或蜡堵。 2 3 5 泵漏失 ( 1 ) 造成泵漏失的原因 泵长期工作，定子与转子磨损导致泵漏失；下入井中的泵定子与转子间过盈量不够 或下泵不合格。 ( 2 ) 泵漏失特征 产量低，无产量；电机正常运转，电流低于正常运转电流；液面在井口或动液面明 显上升。 ( 3 ) 泵漏失诊断方法 ( a ) 憋压法：泵漏失后，关闭生产闸门憋压，油压上升缓慢。 ( b ) 扭矩法：泵漏失后，工作扭矩低于正常运转扭矩，停机时，光杆扭矩小。 ( 4 ) 泵漏失后的处理方法 起出井内全部杆柱及管柱，更换新螺杆泵后重新下井。 ( 5 ) 泵漏失预防措施 合理设定油井工作参数。对螺杆泵寿命有严重影响的砂、蜡、气井选择合理泵型和 泵材料，并增加预防措施。 2 3 6 定子溶胀 ( 1 ) 造成定子溶胀的原因 螺杆泵定子下入井中后，浸泡在原油中，作为定子材料的橡胶在原油中往往溶胀， 1 8 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 体积变大。 ( 2 ) 定子溶胀特征 投产初期产量正常；电机正常运转，电流明显高于正常运转电流。 ( 3 ) 定子溶胀诊断方法 ( a ) 电流法：泵定子溶胀后，电机正常运转，电流明显高于正常运转电流。 ( b ) 扭矩法：泵定子溶胀后，工作扭矩高于正常运转扭矩，停机时，光杆高速反转 厉害。 ( 4 ) 定子溶胀的处理方法 起出井内全部杆柱及管柱，更换合适螺杆泵后重新下井。 ( 5 ) 泵漏失预防措施 在投产下泵之前进行泵定子橡胶与产出原油的溶胀性试验，选择与该油井原油相匹 配的定子橡胶。 2 3 7 工作参数偏高 ( 1 ) 造成工作参数偏高的原因 设计不合理，设计泵深太大，沉没压力不够；油井长期生产，油层平均压力下降， 造成流压降低，而螺杆泵下泵深度或工作参数又没有及时调整。 ( 2 ) 工作参数偏高特征 油井产量偏小，电机正常运转，电流偏高于正常运转电流，严重时产量和电流会出 现波动。 ( 3 ) 工作参数偏高诊断方法 ( a ) 电流法：工作参数偏高时，电机正常运转，电流偏高于正常运转电流。 ( b ) 扭矩法：工作参数偏高时，工作扭矩高于正常运转扭矩，停机时，光杆高速反 转厉害。 ( 4 ) 工作参数偏高的处理方法 调整电机转速降低产量，或重新设计泵深后，重新下井。 ( 5 ) 工作参数偏高预防措施 关注油井动液面变化及电机工作状态，当动液面明显下降时及时查找原因。 2 3 8 砂卡 ( 1 ) 造成砂卡的原因 1 9 第二章螺杆泵井工况分析与测试技术 地层出砂，砂粒在向上运移的过程中通过螺杆泵时或进入油管中后，造成转子或抽 油杆砂卡。 ( 2 ) 砂卡特征 产量出现波动；电机运转电流无规则波动；产出液中含砂。 ( 3 ) 砂卡诊断方法 ( a ) 电流法：油井砂卡后，电机运转电流无规则波动。 ( 4 ) 砂卡的处理方法 发现砂卡，应用吊车上提光杆转子，使转子脱开定子，油套连通后，进行彻底反洗 井。 ( 5 ) 砂卡预防措施 在泵吸入部分安装筛管等过滤装置，防止油层砂粒进入螺杆泵；在出沙井中尽量避 免停机。 2 3 9 定子橡胶脱落破碎 ( 1 ) 定子橡胶脱落破碎的原因 定子橡胶性能不符合要求；定子、转子过盈量过大，摩擦扭矩大，易磨损；定子橡 胶与管壁粘结不牢；供液不足或气液比过高；转子进入定子量过小。 ( 2 ) 定子橡胶脱落破碎特征 产量低或无产量；电机正常运转，电流忽高忽低，没有规律性的异常变化；扭矩偏 小；液面较高。 ( 3 ) 定子橡胶脱落破碎诊断方法 ( a ) 电流法：定子橡胶脱落破碎后，电机运转电流无规则波动。 ( b ) 憋压法：定子橡胶脱落破碎后，关闭生产闸门憋压，油压不上升，油套压接近。 ( 4 )