（精密仪器及机械专业论文）潜油电泵状态监测与工况分析若干关键问题的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

中国科学技术大学坝i j 学位论义 摘要 随着石油工业的发展，潜油电泵广泛应用于海上石油平台采油作业中，由于 复杂的井下和地面环境，这对潜油机组的故障排除和使用寿命带来非常不利的影 响。在潜油电泵故障识别分析的基础上，依据潜油电泵主要振动故障源，应用时 频分析方法，对潜油机组故障进行识别。 基于锁定放大器的微弱信号检测功能，结合井下工况分析，提出了潜油机组 井下压力测试的实现方法。对潜油机组工况调节技术进行理论分析，通过对油嘴 的调节计算，找出系统的最佳工况点；通过对变频调速的定量分析，给出了调速 方法在工况调节中的节能效益。讨论了潜油电泵的驱动方式，指出变频驱动是最 适用于电潜泵启动的方法，且有利于减少对潜油机组的电流冲击。最后，依据我 们已有的变频控制系统在海上油田的实际应用，并将之与传统的启动方式进行了 比较，给出了工业现场实测的应用效果，并指出这对机组的故障率的改善具有非 常重要的意义。 关键词：潜油电泵，故障识别，变频控制，工况参数，海洋石油平台 中国科学技术人学碳i j 学位论文 a b s t r a c t t h ee l e c t r i cs u b m e r s i b l e p u m p i sw i d e l yu s e di nm a r i n e p e t r o le x p l o i t a t i o nw i t ht h e p r o g r e s so f p e t r o li n d u s t r y h o w e v e r ，c o m p l e xo i lw e l la n dg r o u n de n v i r o n m e n t sh a v e a v e r yn e g a t i v ei n f l u e n c eo nt h ef a u l ta n dl i f e t i m eo ft h ep u m pu n i t t h e r e f o r e ，b a s e d o nt h ea n a l y s e so ff a u l ti d e n f i f i c a t i o na n dv i b r a t i o nf a u l to ft h ee l e c t r i cs u b m e r s i b l e p u m p ，t h i st h e s i sa i m st oc o n d u c t t h ef a u l ti d e n t i f i c a t i o no ft h ep u m pu n i tt h r o u g ht h e t i m e - f r e q u e n c y m e t h o d t h i st h e s i sh a s p r o p o s e da ni m p l e m e n t a t i o nm e t h o do f t h ep r e s s u r em e a s u r e m e n t o f p u m p u n i to nt h eb a s i so f t h ew e a k s i g n a ld e t e c t i o nb ym e a n so f l o c k i na m p l i f i e ra n d o p e r a t i o n c o n d i t i o n a n a l y s e so fo i l w e l l s f i r s to fa l l ，t h e p u m pu n i t r e g u l a t i o n t e c h n o l o g yf o rw o r kc o n d i t i o ni sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y , a n da no p e r a t i o nc o n d i t i o n p o i n t i sd e t e c t e d t h r o u g ht h ec a l c u l a t i o n s o fa d j u s t i n go i l s p o u t s t h e nt h r o u g h q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fv a r i a b l es p e e d ，a l le n e r g y - s a v i n gm e t h o di ss u g g e s t e df o r r e g u l a t i o nt e c h n o l o g yf o rw o r kc o n d i t i o n n e x t ，t h ed r i v i n gm e t h o do ft h ee l e c t r i c s u b m e r s i b l ep u m pi sf u r t h e rd i s c u s s e d ，a n dv a r i a b l e f r e q u e n c yd r i v ei sf o u n do u tt o b et h em o s t a p p r o p r i a t es t a r t u pm o d e f i n a l l y , t h r o u g h t h e a p p l i c a t i o n o f v a r i a b l e f r e q u e n c yc o n t r o ls y s t e mi n o i lf i e l d sa n dt h e c o m p a r i s o no ft r a d i t i o n a l s t a r t u p m o d ew i t ht h e s u g g e s t e dv a r i a b l e - f r e q u e n c yd r i v e ，t h ea p p l i c a t i o n o f v a r i a b l e f r e q u e n c yd r i v em e a s u r e di ni n d u s t r yf i e l d si sp r e s e n t e da n di t sc o n s e q u e n t s i g n i f i c a n c ef o rt h ei m p r o v e m e n to f t h ef a i l u r er a t ei np u m pu n i ti sa l s op o i n t e do u t k e yw o r d s ：e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p ，f a u l ti d e n t i f i c a t i o n ，v a r i a b l e f r e q u e n c y c o n t r o l ，o p e r a t i o nc o n d i t i o np a r a m e t e r , o f f s h o r eo i lp l a t f o r m 第一章绪论中周科学技术大学倾卜学位论文 1 1 潜油电泵研究现状 第一章绪论 海洋石油采油平台大量使用潜油电泵，它是一种最早用予采油的人工举升设 备，是提高采液速度、实现油井继续稳产的有效途径，现已成为国内外人工举升 采油的第二大设备。常规电潜泵采油系统由井下和地面两大部分组成。井下部分 包括井下机组( 潜油电机、电机电缆、电机保护器、油气分离器、多级离心泵等) 和井下管柱( 油管、单流阀及泄油阀等) ：地面部分包括变压器、控制柜及井口装 簧等。其中井下机组是电潜泵井的核心部分，潜油电泵由潜油电机和多级离心泵 组成，它的结构特点是细而长、沉没于深1 0 0 0 2 0 0 0 米左右井下油气水的- - = n 混合液中，将液体举升到地面。 电潜泵作为中、高含水期通过加大排液量，实现油田原油稳产的主要手段而 得到品益广泛的应用。在电潜泵人工举升系统中，井下状态检测已成为最大经济 收益的决定性因素，防止井下泵处于不良状态对于整个系统的可靠性有决定性影 响。只有全面掌握井下机组的工况，判断分析故障原因，才能挖掘油井潜力，保 证设备正常工作，延长检泵周期，提高潜油电泵井生产水平。在设备的状态_ c 测 与故障珍断中，振动监测是普遍采用的基本方法。当机组内部发生异常时，一般 都会随之出现振动加大和工作性能的变化。因此，根据对振动信号的测量和分析， 可对机组的故障类型作出诊断“3 。 依据能量守恒定律，即地面入口功率减去电缆损耗和电机损耗应等于泵的入 1 ：3 功率，这里忽略电潜泵系统势能，该功率乘以泵的效率应等于泵的出口功率。 若不满足这种关系，则说明出现了故障。按设计要求，潜油泵系统应工作在最佳 工况，这样系统效率最高，出油量最多，若地下供液不足，原油含砂量大，粘度 大或者卡泵，这时电泵工况将偏离最佳运行工况。这些情况都会反映到地面上来， 当电泵出现异常时，使得地面电参数发生变化，通过检测地面电参数，即输入电 压、电流、功率因数、电压电流的不平衡度等，可以解释电潜泵的运行工况。诊 断的参数有：电泵井地面功率、井下电机功率、电机效率等。 利用电泵井井1 ：3 振动信号诊断井下机组工况。电泵井在运转过程中，井下机 第一章绪论中同科学技术大学顺l - 学位论文 组的振动信号通过油管传播到井口，利用电泵井诊断仪测量井口振动信号来渗断 井下机组故障。振动信号沿油管传播时，只是振幅发生变化，而频率不发生变化。 由此可见，井下机组沿油管传播的振动信号可以在井口用电泵诊断仪进行测量。 因为由机组运行引起的并沿油管传播的振动信号是由许多因素决定的，如井口油 嘴产生的振动信号，所以必须进行大量统计，才能有效地消除这些影响。该方法 曾应用于胜利油田和中原油田部分机组的检测。 潜油机组振动检测与故障诊断系统。该方法是把压电加速度计置于潜油电机 和泵上，通过专门的信号线传输至电荷放大。通过a d 转接卡用工控机处理数据。 该系统引入模糊神经网络模型，对机组故障进行诊断。此系统曾用于胜利油田的 井下机组检测汹。 图卜l潜油机组振动检测系统示意图 井下监视系统( d h m s ) ，是能在地面提供实时数据的井下状态检测系统。该 系统在电机座下安装了温度传感器，把振动传感器安装在泵的吸入端轴承的位 置、专用电缆固定的电机座壳体上，将信号送到流量计自动测量系统，在那里信 号数字化处理后送到地面。 美国c e n t r i l i f t 公司已开发出两套井下监测系统。p u m p m a t e 是c e n t r i l i f t 电动潜油泵共同使用的优质井下监测系统，可以实时测量出井压、井温、电机温 度和电接地故障。实践证明，这种精确可靠的监测工具在电泵井中极受欢迎，因 为潜油泵连续运行的井下数据对电泵井尤为重要。此系统已应用于开普顿油田的 电潜泵工作状态监测。 第一章结论中国科学技术大学峨l ：学位论文 c e n t a u r 系统是监测井压、井温、电机温度的最经济的途径。该系统能为电 潜泵优化和系统保护提供所需的重要井下信息。 p u m p m a t e 和c e n t a u r 两种监测系统都是利用电潜泵动力电缆传输信号，而 不必另加信号电缆。 挪威的o l a vt h o r s e n 和m a g n u sd a l v a 教授通过对北海油田石油钻井工业中 所用的2 5 9 6 台潜油电泵的故障进行调查，把潜油电泵的状态检测分为： a 振动监测； b 电流分析：， c 浪涌检测； d 温度测量； e 速度波动； f 冲击脉冲测量。 通过调查发现，在总共1 6 3 7 次失效形式中，电机的轴承和定子绕组失效最 为严重，分别达到8 3 6 次和2 5 8 次，也就是占失效总数的5 1 和1 5 。定予绕组 失效主要原因是瞬时过载，而轴承失效最主要的原因分别是： a 强烈振动，占5 0 5 ； b 瞬时过载，占2 2 7 。 对所有的潜油电泵失效形式归纳总结，找出其中的主要原因分别是： a 强烈振动，占2 8 ； b 瞬时过载，占2 7 ； c 恶劣的井下工况，占1 4 5 。 t 8 0 h m e r 和w p o t 在文献 6 中提出用一个变频器启动多个电机的设想， 文中认为在软启动( s o f t l ys t a r t i n g ) 方式中，利用一变多控( o n ev s dd r i v i n g m u l t i m o t o r ) 技术可以使得有限的平台面积和设备逐次地启动多台电机，从而 达到减少因为直接启动( d i r e c to nl i n e ) 给电机带来瞬时的强烈冲击，延长电 机使用寿命的目的。f f u c h e 在文献 7 中提出了实现一变多控的具体方法，使 得潜油电泵变频控制方式得以实现。国内的中海油天津分公司以实现利用变频拖 动方式进行海上油田的采油作业。 在海上油田人工举升系统中，采用一变多控系统拖动井下潜油机组，由于采 用变频软启动，切换过程中的电流冲击是额定电流的2 倍，远远小于直接启动时 第一章绪论 中国科学技术人学坝卜学位论文 的工作电流，而此值一般为电机额定电流的6 7 倍，从而大大降低瞬时过载现 象的发生。因此，在潜油电泵故障检测中，主要考虑由于强烈振动引起的潜油电 机轴承故障因素，通过分析电机的轴承故障并进行诊断，这对减少潜油机组故障 是行之有效的。1 井下机组振动源主要考虑电机和泵的影响，依据故障类型，潜油电泵故障可 分为以下几类： a 不平衡； b 不对中： c 电机轴断； d 泵叶轮磨损； e 泵叶轮偏心； f 轴承磨损； g 轴扭振。 随着潜油电泵大量应用在海上油田开采中，其应用水平也在不断地发展。在 潜油电泵工况分析方面，应用和发展了潜油电泵测压阀、毛细钢管测压系统等。 为便于电潜泵井的生产管理，建立了由井下压力、温度传感器、电缆和地面计算 机配套的自动化管理。采用变频调速装置，即通过改变电源的工作频率来改变潜 油电机的转速，从而调节泵的排量，依据潜油电泵工况分析，对潜油机组进行合 理的参数调节，可以降低机组的故障率。通过电潜泵工况调节技术，即改变泵运 行工作点，调节泵的工况参数，从而使得潜油机组高效运行。 i 2 海上油田开采特点 海上石油采油平台受其环境条件的限制，一般要求平台上设备体积小、重量 轻、免修期长、适用范围宽。海上油田一般集中建设中心平台，采用分布式结构 辅之以卫星平台。 体积小：主要是要求地面设施体积小，结构简单，为井口平台设计减少 平台尺寸和面积，提供良好的基础。 重量轻：减轻平台和导管架的负荷，简化井口平台结构：免修期长，可 4 第一尊绪论 中国科学技术大学俩i 学位论立 降低海上操作费，减少检修时间，充分发挥海上生产效率。 适用范围宽：油田开发期间，当油层压力和流体及其它物性发生变化时， 不需改变采油方式和地面设施。 海上油田平台简易且面积狭小，井距为3 r e x 2 m 结构，采用大密度丛式井组， 每并组5 9 口井，井距4 0 0 - - 5 0 0 m 。垂直深度一般为1 5 0 0 - - 1 7 0 0 m ，最大井斜 5 7 ”，油层套管直径为1 7 7 8 m m ，表层套管直径为3 3 9 7 m m 。 海上油田采油方式包括自喷和人工举升两种方式。由于海上油f r 采油平台对 井口空间位簧的限制，海上油田除自喷井外，人工举升采油方式主要是潜油电泵 和螺杆泵采油“1 。 i 3 潜油电泵技术进展 近几年来，随着潜油电泵应用数量的不断增加，石油工业对潜油电泵在数量 和质量方面的要求也越来越高。此外，由于潜油电泵使用范围的不断扩大，特别 是在高温井及水平井中的应用，对潜油电泵提出了更特殊的要求。针对这些情况， 国内外潜油电泵制造厂商对潜油机组不断进行改进，现在己制造出高温电机和适 应水平井采油的潜油电泵。同时，为了延长机组使用寿命。对机组的各个部件也 进行了改进。 1 ) 潜油电泵新产品 高气油比电潜泵：美国r c d a 公司研制出一种叫做a g h ( a d v a n c e dg a s h a n d l e r ) 的气体处理装置，它将游离气压缩处理后与液体一起送入泵内， 而不是排入油套环空。这样充分利用了气体的举升能力，同时提高了油 井产量，维持电泵连续运行。 用于高压注液井的水平电泵：美国r e d a 公司制造的一种水平电泵。这 种泵可用于高压注液井中，也可供井下水力泵用。泵的排量可达到 4 7 6 9 m 3 d ，排出压力高达2 7 6 m p a 。 低排量、高泵效电潜泵：美国c e n t r i l i f f 公司制造的一种潜油电泵。外径 1 0 1 6 m m ，串接级数可达4 0 0 级。该泵的性能在荚国西海岸油田应用得 到证实。 第一章绪论中国科学技术大学硼i ：学位论文 用于水平井的电潜泵：近几年来，随着水平井钻井技术的发展，水平井 在油田开发中的应用范围越来越广，它不仅用于稠油油藏中，而且可应 用于稀油油藏、厚油藏、薄层和低渗透等油藏中。 悬缆电潜泵：美国r e d a 和b a k e r h u g e s 公司都有生产。它主要用于无修 井作业能力的海上小型采油平台、无人采油平台和比较偏远交通不便的 陆上孤立井。 2 ) 潜油电泵机组改进 电潜泵轴套：油井出砂和其它的固体颗粒会对电泵产生磨损，从而缩短 泵的使用寿命。为了解决这一问题，v a p r k o t e 公司推出了一种旋转滑套 和硼合金套，以减少泵和轴的磨损。 电潜泵动力油管：挪威f r a m o 公司发明了一种用于潜油电泵采油的动 力油管，该油管由标准管、接头和同轴电缆等组成。此外，该系统还安 装了变速驱动器。这套装置试验成功后在阿曼得到了应用。其使用深度 为1 0 0 0 m ，排量为1 1 9 2 m 3 d 。 串联双级旋转式分离器：为了进一步提高旋转式分离器的分离效率和分 离能力，大庆潜油电泵公司研制了一种串联双级旋转式分离器。该分离 器是利用两个旋转式分离器，经改造上级分离器下接头，在油井上施工 时相连接而组成的。 在潜油电泵应用日益广泛的同时，其技术水平也在不断提高，国内外在电泵 采油工艺技术方面做了大量的工作。数据统计表明国外电泵井的系统效率可达 7 0 ，电泵的适用温度已达到1 5 0 。c ，电泵采油最大下井深度已达4 5 7 2 m ，平均 使用寿命达到6 0 0 天以上。 国内从1 9 6 4 年开始进行电潜泵的研制和试验，近年来在制造技术和应用水 平都取得了长足的进步，已引起国际潜湖电泵市场的注意。主要生产厂商有天津 潜油电泵联合公司、胜利潜油电泵公司、大庆潜油电泵公司等。产品共有十几种 规格，可下入1 4 0 m m 以上套管井中。排量在5 0 - - 5 0 0 m 3 d 之问，扬程1 0 0 0 m ， 最大扬程2 5 0 0 m ，平均泵效5 0 ，电机最高功率1 3 5 k v ，耐温1 2 0 以内，近两 年已成功研制了耐温可达1 8 0 。c 的潜油机组，检泵周期一般为l 2 年】。 6 第一章绪论中困科学技术大学顺l ：学位论文 1 4 潜油电泵故障诊断方法 1 4 1 时域与频域分析 对振动信号进行处理的方法有幅域分析、时域分析、颇域分析、时频域分析 等。一般得到的信号都是时间的函数，时间波形直观，易于理解。对某些故障信 号波形有明显特征，可以利用时间波形做初步判断。 时域分析主要是信号的相关分析，不同信号有不同的自相关函数，借助自相 关函数就可以对故障进行诊断。 频域分析是潜油泵故障诊断中应用广泛的信号处理方法之一。它的振动信号 在频域内的能量分布具有比较明显的特点，对信号进行傅立叶变换，得到频谱图， 是经典的方法之一，目前仍以振动信号的频域特征作为主要的故障征兆。 经典功率谱估计方法( 如周期图法、自相关法) 在工程实践中应用最为广泛， 对于平稳信号，功率谱分析从频域提供相关技术所能提供的信息，其频域的能量 分布不随时间变化，功率谱估计可以满足精度要求。 1 4 2 基于神经网络的故障诊断技术 对潜油泵在生产现场进行跟踪测试，确定机组故障的标准谱。通过分析在线 检测的振动信号频谱图，与机组的标准图版进行对比，查找故障源。由于标准图 谱的获得工作量很大，比较费时，只有在大规模的在线检测才能体现出经济效益。 在基于神经网络的故障诊断方法中，神经网络是试图模拟生物神经系统而建 立起来自适应非线性动力学系统，具有可学习性和并行计算能力，神经网络用于 故障诊断领域，可以解决趋预测和诊断推理问题。神经网络用于诊断推理，一般需 要领域专家提供一列范例( 如标准的故障诊断实例) 作为学习样本，若学习样本中 只有输入状态而没有输出状态，系统可以过自组织方式学习、分类。目前，对旋 转机械用神经网络进行故障诊断的文献很多，但以潜油机组为目标的文献很少。 由于没有复杂的推理过程，可以实现实时的在线诊断。但它也有很明显的缺点， 即t ) i l 练样本获取比较困难。 基于模糊神经网络的故障诊断。它综合了模糊诊断和神经网络模型的优点， 是一种有效的诊断方法。针对潜油泵利用模糊神经网络模型进行故障渗断，已有 第一章绪论中国科学技术大学碗 学位论文 相关的论文资料；在其他的旋转机械方面，也有相关的应用。但当前有效实用的 学习算法是有待解决的主要问题“”“1 。 1 4 2 非平稳信号研究方法 当潜油机组的某些零部件发生故障时检测到的振动响应信号包含有周期性 冲击激发的周期性高频衰减振动，具有明显的时变特点，是一种非平稳信号。非 平稳信号最早的时频分析工具是短时傅立时变换，该方法用窗函数将信号截短， 将每小段信号视为平稳过程来进行谱估计，从而得到功率谱随时间变化的大致规 律，转速谱阵即是浚方法的一种变化形式。 时频分布是分析非平稳信号的典型方法，它的基本思想是设计时间和频率的 联合函数，用它同时描述信号在不同时间和频率的能量密度或强度，时涮和频率 的这种联合函数简称时频分布。时频分布的典型例子有w i g n e r v i l l e 分布、 c h 。i _ w i l l i a f l i $ 分布、p a g e 分布、m a r g e n a u h i l l 分布等。文献 2 2 探讨了基 于w i g a e r v i l l e 分布在旋转机械故障诊断中的应用。 由于h e i s e n b e r g 不确定性原理使得时频分辨率和交叉项抑制存在不可调和 的矛盾。通过选择时频分布中不同的核函数可以抑制交叉项，但同时会带柬时频 分辨率的下降：而提高信号的时频聚集性，又会使得信号时频特征中的交叉项增 加。 非平稳信号的表示方法除了短时傅立叶变换和直接在联合时频平面表征该 信号外，也可以将频率域的表征该为尺度域，而用联合时间和尺度平面来描述信 号此即为小波( w a v e l e t ) 分析。小波分析是适应信号处理的实际需要而发展 起来的一种时频分析方法。具有多分辨率特性，小波变换在时域和频域同时具有 良好的局部化特征，目前，基于小波包和多分辨分析的小波分析方法已经在旋转 机械的故障征兆提取中得到了研究和应用。“”h 删“1 。 1 5 论文主要内容 对潜油机组井下系统做了详细的叙述，结合海上油田开采的特点和潜油机组 井下工作状况，给出了潜油电泵的研究现状，论文针对潜油电泵故障失效的关键 8 第一章绪论 中躅科学技术人学顺i - 学位论立 问题，以电机轴承为研究对象，对轴承故障进行识别与诊断，并给出诊断依据。 在工况分析的基础上，对压力测试实现方法和工况调节技术做了详细的讨论，最 后给出了驱动方式对机组的故障率的改善情况。第一章，绪论；第二章，潜油机 组井下系统构成：第三章，时频方法在故障检测中的应用研究；第四章，压力测 试方法实现；第五章，工况调节技术的理论分析；第六章，驱动方始对潜油机组 的影响情况。 第二章潜油机组井下系统构成 中国科学技术大学硕小学位论文 第二章潜油机组井下系统构成 2 1 潜油电泵工作原理 电潜泵是由多级叶导轮串接起来的电动离心泵，除了其直径小长度长外，工 作原理与普通的离心泵没有多大区别。其工作原理是：当潜油电机带动泵轴上的 叶导轮高速旋转时，处于叶轮内的液体在离心泵力作用下，从叶轮中心沿叶片唰 的流道甩向四周，由于液体受到叶片的作用，其压力和速度同时增加，在导轮的 进一步作用下速度能又转变成压能，同时流向下一级叶轮入口，如此逐次地通过 多级叶导轮的作用，直到从泵的最上部的叶轮流出后达到足够的压头。而泵的最 下一级叶轮对井液的吸入则是由于油套环空间沉没压力使液体源源不断地驱入 泵中。流体压能逐次增高获得足够的克服泵出口管路阻力的能量从而流至地面， 达到开采石油的目的。潜油泵把井液举出地面，就是把泵的机械能转换成流体的 动能和压能。 由于电潜泵要在井下工作，受套管内径尺寸的限制，且因泵在电机的上方， 电缆还要从泵外的套管环形空间通过，所以泵的直径很小。如油田上较多的用于 1 4 0 r a m 套管的电潜泵种类中，r e d a 公司泵外径9 8 4 m m ，c e n t r i l i f t 公司泵 外径1 0 1 6 m m 。由于泵的外径小，单级泵的功率、扬程都很有限。为了达到高扬 程举升的目的，把电潜泵设计成多级叶导轮串联的方式。 表达电潜泵性能的主要参数有：额定排量q 、额定扬程h 、额定轴功率p 、 额定转速n 等参数。电潜泵的额定排量取决于泵型，额定扬程取决于泵型和级数， 额定轴功率由额定排量和扬程给定，而转速由电机结构决定。 2 2 潜油电泵的特点 潜油电泵是主要用于油井大排量采油，与其他的人工采油方式一样，都是通 过降低油井井底压力来增加油井产量的。随着油田开采时间的延长，含水率逐渐 增加，利用电潜泵采油具有明显的优点。自1 9 2 8 年第一台电潜泵投入使用以来， 经过7 0 年的发展，电潜泵采油在井下机组设计、制造及油井选择、机组选型成 第一章潜油机组井下系统构成 中冈科学技术大学 i ! j ! 卜学位论立 套、工况监测诊断及保护、分层开采和测试等配套工艺方面f 1 趋完善，在制造适 应高温、高粘度、高含砂、高含气等恶劣环境的电潜泵机组方面也取得了很大的 进展。当然。与其他的机械采油方式相比，也有其自身的缺点和局限性。电潜泵 采油系统如图2 1 所示。 从目前国内外潜油电泵的生产规模和制造技术来看，主要以美国、独联体国 家、中国为主。美国在电泵制造工艺、应用技术研究等方面都处于世界领先地位。 其主要的潜油电泵公司有：r e d a 公司、c e n t r i l i f t 公司、o d i 公司以及k o b e 公司等。这些公司生产的电潜泵主要特性是：最大外径2 5 4 m m ，适用于 11 4 3 15 0 r a m 的套管井：排量为1 6 - - 4 1 0 0 m 3 d ，最大可达1 5 0 0 0 m 3 d ；下泵深 度一般小于3 0 0 0 m ；电机功率4 7 7 6 l k w ；耐温可达1 2 0 。c ；潜油电缆耐温高 达2 4 0 “c 。 1 阀 2 油管 3 电缆 4 潜油泵 5 卡子 6 分离器 7 保护器 8 电机 图2 - 1 电潜泵采油系统 第二章潜油机组井下系统构成中国科学技术大学硕卜学位论文 1 潜油电泵的优点1 l a 大排量采液是这种采油方法的主要优点。但是，目前潜油电泵广泛应用 于产液较低的油井。 b 操作简单，管理方便，可应用于斜井、水平井以及海上采油。 c 在井下安装传感器非常方便，通过电缆能将压力、温度传感器的信号传 到地面，可以连续地测量井底压力和温度。 d 平均检泵周期长，油井生产时效比较高，从而有利于原油生产。 e 电潜泵可以把油井中上部水层的水注到下部的注水层中。 容易处理腐蚀和结蜡现象。 g 海上油田开采广泛应用。 2 潜油电泵的缺点 a 油井套管尺寸和井底高温使潜油电泵的下入深度受到限制，当井底的环 行冷却空间不足时，会造成电机的损坏。 b 井下高温容易使电缆出现故障，而高温、腐蚀的井下恶劣环境致使电机 损坏。这时需要耐高温及抗腐蚀的材料，这就增加了潜油机组采油系统 的制造成本。 c 潜油机组一次性安装到位，一旦出现故障，维修作业成本大大增加。 d 电潜泵由电机拖动。对于没有电源的零散井，此方法采油明显无能为力。 e 不适用于低产液井。一般泵挂深度不超过3 0 0 0 m ，选泵受套管尺寸限制。 2 3 电机 潜油电机是潜油机组的原动机一般位于最下端。它是三相鼠笼异步电动机， 其工作原理与普通三相异步电动机一样，把电能转换成机械能。但是，与普通电 机相比，具有以下特点：机身细长，一般直径1 6 0 m m 以下，长度5 1 0 m ，有的更 长，长径比达2 8 一1 2 5 ；转轴为空心，便于电机循环冷却；启动转矩大，0 3 s 即可 达到额定转速；转动惯量小，滑行时间一般不超过3 s ；绝缘等级高，绝缘材料 耐高温、高压和油气水的综合作用；电机内腔充满电机油以隔绝井液和便于散热； 有专门的井液与电机油的隔离密封装置保护器。 第一章潜油机组井下系统构成 中国科学技术大学硕l 。学位论史 潜油电机结构如图2 2 所示，它油定予、转子、止推轴承和机油循环冷却系 统等部分组成。 1 ) 定子 定予的功能是产生旋转磁场，将电能转变成磁能，主要包括定子铁芯、黄铜 夹段和定子绕组等。定子铁芯是由许多绝缘的圆形硅钢片重叠而成的，铁芯内圆 周上有用来嵌入绕组导线的玉米形切槽，外形圆周电机油循环的油槽。定子铁芯 截面有两种形式，一种是开式结构，一种是闭式结构。 黄铜夹段是为了防止转子扶正轴承被磁化两加入的一段磁阻较大的黄铜。 定子绕组是较粗的外面包裹有耐油、气、水，耐高温高压和高绝缘强度材料 的均匀铜导线，输送励磁电流。绕组制作有两种方式，一种是工程塑料挤制，另 一种是薄膜绕包烧结而成。 2 ) 转子 转子是产生感应电流而受力转动并将电磁能转变成机械能的部分，由转子铁 芯、转子绕组、短路环、轴及键组成。同定予一样，转子也是由许多段组成，每 段通过缝与轴相连，各段转子问有扶正轴承，扶正轴承与黄铜夹段相对应，转予 的上下端用螺帽或卡簧固定。 3 ) 止推轴承 由于潜油电机是立式悬挂结构，其轴向载荷由止推轴承承担。止推轴承除承 担轴向载荷外。还承担因偏转运动产生的径向载荷。潜油电机有两种止推轴承， 即滚动轴承和滑动轴承。 4 ) 循环冷却系统 潜油电机冷却系统由润滑叶轮、滤网、定子油道、油孔和空心电机轴以及电 机油组成。此系统带走电机定子和转子在交流和涡流作用下产生的热量，达到冷 却电机和保护绝缘材料的作用。延长电机的寿命。 第二章潜油机组井下系统构成中国科学技术大学碘i 学位论文 2 4 潜油泵 1 运输i 旧 2 连接螺钉 3 电机头 4 止推滑板 5 止推轴承 6 注油塞 7 电机引线连接 8 轴瓦 9 转子端环 1 0 转子铁芯 1 1 定子铁芯 1 i a 矽钢片 l l b 铜片 1 2 导条 1 3 转子轴承 1 4 电机轴 1 5 电磁线 1 6 轴 1 7 o 形圈 1 8 底座 1 9 引线 图2 - 2 潜油电机结构示意图 潜油泵是多级离心泵，包括固定和转动两大部分。固定部分由导轮、泵壳和 轴承外套组成；转动部分包括叶轮、轴、键、摩擦垫、轴承和卡簧。电潜泵分节， 第一：章潜油机组井下系统构成中困科学技术人学坝，l 学位论立 节中分级，每级就是一个离心泵。潜油泵按叶轮是否固定分为浮动式、半浮动式 和固定式。 与普通离心泵相比，电潜泵具有如下特点：直径小，排量范围大，外径一般 8 5 1 0 2 m m ：级数多，长度长，扬程范围宽，可达1 5 0 - - 4 5 0 0 m ：泵吸口有气体分 离装置，防止气蚀和提高泵效；有径向扶正装置，以及轴向卸载和液压平衡机构。 液压平衡机构有两种，一种是平式叶轮液压平衡机构，一种是混流型叶轮平衡机 构。 电潜泵在工作时，由于进出口之间存在很大的压力差，因此产生很大的轴向 力。为了减小或消除轴向力，在叶轮上下部装有止推垫片，通过导轮将轴向力传 递给泵壳。电潜泵结构组成如下图所示。 第一章潜油机组井下系统构成 中国科学技术大学硕：卜学位论立 图2 - 3 潜油泵结构示意图 输帽 键套装配 上泵头装配 锁紧螺母 挡圈 压缩环 隔离套 上减磨垫 叶轮 导轮 密封圈 内减磨帮 泵壳 泵轴 底部导轮 下减磨垫 下泵头装配 轴承套 1 ) 叶轮 叶轮是电潜泵的核心部分，它是将机械能转变成生产流体压能的关键部件， 液体通过叶轮时，液体的压能和动能都得到增加。叶轮采用铸造后机加工工艺生 产。 按叶轮的作用，可将电潜泵中叶轮分为浮动叶轮、顶部浮动时轮、压紧h - 轮、 轴承叶轮等。前三种叶轮在泵中的安装顺序从上到下依次为压紧叶轮、顶部浮动 叶轮、浮动叶轮。 1 6 l 2 3 4 5 6 7 8 9 o l 2 3 4 5 6 7 8 第二章潜油机组井下系统构成中罔科学技术大学坝l 。学位论立 浮动叶轮在装配后允许有定的轴向窜动量，叶轮之间互不影响。有这样几 点好处：装配时不存在轴向的长度累积误差问题；在一定排量范围内，叶轮处于 浮动状态，叶轮消耗的摩擦功率小，泵效高，接触部分的摩擦小。它不能承受轴 向载荷，也不能传递自身的轴向力，其轴向载荷是通过止推垫片查传递给泵轴的。 c e n t r i l i f t 与天津斯波泰克公司生产的电潜泵的叶轮全部是浮动式的，r e d a 公司的机组有6 0 的叶轮为浮动式的。 对于浮动叶轮，泵工作排量必须处于合理排量范围内工作叶轮才处于悬浮状 态。否则，叶轮要么靠上贴紧导轮，或靠下贴紧导轮，都会增加摩擦和磨损。 顶部浮动叶轮在每一节泵中都有一个，其安装在半环键的下面，轮毂尾部短 6 m m ，相当于半环键的长度。 压紧叶轮在泵轴上由两端的半环键固定起轴向定位作用，由压紧螺母将多级 叶轮压紧，达到首尾相连的目的，叶轮与泵轴闻无窜动，能够承受较大的轴向力。 轴承叶轮的轮毂比普通的短1 3 r a m ，装配时用塑料轴承代替切去部分，运转 时处于浮动状态，有助于减轻电潜泵的振动。一般是每6 1 0 级装一个轴承叶轮 和塑料轴承。 2 ) 导轮 导轮是泵的固定部分，其与时轮吸入配合形成吸入室将液体引入下一级叶轮 的进口处。它能将动能转变成压能并且降低速度减小摩擦阻力损失；另外还能改 变流向，将流体导入下一级叶轮入口。 3 ) 轴 泵轴将来自电机的扭矩传递给泵内的每一级叶轮，并通过花键连接传递给上 一节泵。其特点是传递功率大。细长；两端为花键，轴向上有一通长的键槽。其 材料强度高，韧性和塑性好，且耐腐蚀。 4 ) 泵壳 泵壳是泵的外壳，它是多级叶导轮的支架。要求直线度0 1 1 0 0 0 ，其材料 的抗拉强度高，弹性和刚性好。一般采用2 5 m n 材料，用无缝管热扎或冷拔制造 而成。 第一章潜油机组井下系统 旬成 中国科学技术人学顾卜学位论文 2 5 附属装置 电潜泵井下系统除了电机和潜油泵外，还有保护器、分离器、动力电缆、扶 f 器、单流阀、泻油阀等其他附属装置。 1 ) 保护器 保护器又叫潜油电机保护器，是电潜泵所特有的。其位于电机与气体分离器 之问，上端与分离器相连，下端与电机相连，起保护电机的作用。其基本作用有 以下四个方面：密封电机轴动力输出端，防止井液进入电机；保护器充油部分允 许与井液相通起平衡作用，平衡电机内外腔压力。容纳电机升温时膨胀的电机油 和补充电机冷却时电机油的收缩和损耗的电机油：通过其内的止推轴承承担泵 轴、分离器轴和保护器轴的重量以及蚌所承受的任何不平衡轴向力；起连接作用， 连接电机轴和泵分离器轴。 保护器的种类很多，从原理上可以分为连通式、沉淀式、胶囊式这三种形式。 对于一般井，只用一种保护器；对于特殊井，可用两级或多级串接的组合式保护 器。 2 ) 气体分离器 气体分离器又叫油气分离器，位于潜油泵的下端，是泵的入e l 。其作用是将 油井生产流体中的自由气分离出来，以减少气体对泵的排量、扬程和泵效率等特 性参数的影响，以及避免发生气蚀现象。 按不同的工作原理，可将其分为沉降式( 重力式) 和旋转式( 离心式) 两种。 但基本原理是相同的，都是利用气液的重度差制成的，通过增加气泡的轴向速度， 降低径向向心速度来分离的，不过前者是自然分离，后者是强制分离。在泵挂处 流压高、自由气液比低的井，用一级分离器即可，对于压力低、自由气液比高于 3 0 的井用两级分离器串接即可进行充分的气液分离。 3 ) 动力电缆 动力电缆是电机与地面供电和控制系统相联系传送电力的纽带，是一种耐 油、耐盐水、耐其他化学物质腐蚀的油井专用电缆，工作于油套管之问。分为小 扁电缆( 又叫电机引线，俗成小扁) 、大扁电缆( 俗称大扁) 和圆电缆。按温度 等级可以分为9 0 “c 、1 2 0 “c 、1 5 0 ”c 等三个等级，部分厂家还可以生产更高等级的 潜油电缆。 第一章潜油甘l 组井下系统构成 中国科学技术大学f i il j 学位论文 电缆一般由导体、绝缘层、护套层和钢带铠装组成。导体芯线一般由三芯实 ，d 或三芯七股铜绞线，作用是传递电能。 绝缘层为芯线外包的塑料或橡胶，具有很高的介电性能和可靠的密封性，其 作用是保持电缆的电气性能长期稳定。绝缘材料一般有乙丙橡胶和聚丙烯等。 护套层是在三根芯线成缆后的绝缘层外包的橡胶或铅护套，以防止绝缘受 潮、机械损伤和原油、盐水、心s 、c 0 2 等化学物质的浸胀、腐蚀，有一定的机械 强度和良好的气密性。低于9 0 。c 的油井，护套层材料一般为橡胶，高于1 2 0 和 高含气井一般采用铅护套。 钢带铠装处于电缆的最外层，为瓦楞结构对护套层起束缚作用和防止下并 过程的机械损伤。一般井采用镀锌钢带，腐蚀性大的井采用m o d e l 合金材料。 衡量潜油电缆的性能指标有5 个，即绝缘电阻、直流电阻、电容、电感和直 流酬压，部分厂家也有交流耐压。绝缘电阻用于衡量绝缘性能，越高越好，一般 大于1 0 0 0 m f 2 k m ，采用摇表测量。直流电阻是衡量电缆压降损失的指标和电缆 尺寸选择依据，可以用万用表直接测量，也可以计算，只有几个欧姆，一般4 q 以下。直流耐压是通过室内水池实验进行测定和出厂检验的。电容和电感随材料、 结构和长度变化，测试仪表精度较高，一般不作出厂检验。 小扃是专门为方便电机易在下井过程中通过设计的，尺寸较小，一般电潜泵 生产厂家随机组配套。 4 ) 电缆护罩 电缆护罩与电缆一起通过绑带固定在油管外表面，防止电缆在下井过程中受 到机械损伤。分为大扁护罩和小扁护罩两种。大扁护罩有笼形结构和筒形结构两 种，小扁护罩结构一般是槽钢结构。 5 ) 电缆头 电缆头是电机和电缆连接的特殊部件，其质量好坏直接关系到电机的运行寿 命，要求较高的电气和机械性能。目前，各个电潜泵生产厂家都有自己独特的产 品，种类较多t 从性能和结构分为两种：缠绕式和插入式。 6 ) 扶正器 扶正器主要用于斜井，位于电机尾部，使电机居中，使得电机外部过流均匀， 散热环境好，防止电机局部高温而损坏。 7 ) 单流阀 第一章潜油机组井下系统构成中圈科学技术火学f 0 ； 【1 学位论义 单流阀发主要作用是保持足够高的回压，使得泵在启动后能很快在额定点工 作，防止停泵后泵以上流体回落引起机组反转脱扣，便于生产管柱验封。一般安 装在1 2 油管处，采用标准油管扣于上下油管连接。 8 ) 泻油阀 泻油阀一般安装在单流阀以上1 2 根油管处，它是检泵作业上提管柱时油 管内流体的排放口，以减轻修井机负荷和防止井液污染平台甲板和环境。泻油阀 有两种：投棒泻流、投球液力泻流。前者用于稀油和高含水稠油井比较合适，用 于稠油井泻油成功率低：后者可以重复使用，用于低含水稠油井更好，成功率高。 第三章时频方法在故障检测中的应用研究中国科学技术大学碗f + 学位论文 第三章时频方法在故障检测中的应用研究 旋转机械是机械故障检测的重点，而许多旋转机械的故障都和轴承有关。滚 动轴承是机器中的易损元件，据统计旋转机械的故障有3 0 是由轴承引起的，它 的好坏对机器的工作状况影响很大“。在潜油电泵的故障检测中，由于强烈振动 引起的故障失效接近i 3 , 而滚动轴承失效最为严重，因此轴承故障直接影响机 组的运行寿命。故研究轴承故障检测方法，其故障识别与信号检测对井下机组工 作状况监测具有极其重要的意义“儿。 振动诊断法是实际应用中最广泛的诊断方法采用振动法的优点在于振动法 自轴承本身，不需要另加信号源，测试方面，能进行在线检测，可以发现轴承的 早期故障。故障诊断领域中的振动信号分析一般分为时域分析和采用快速傅立叶 变换( f f t ) 为基本手段的频谱分析方法。文献 5 利用振动信号诊断方法对电潜 泵工况进行诊断。 对于时域分析，它可以在时域范围分析每一个时刻( 即任意小的一段时州范 围) 信号具有的能量情况，因此也可以说，它具有很高的时域分辨率，但是不包 含任何频域信息。傅立叶变换是一种艇体变换，对于频域表示的功率谱并不能告 诉我们其中某种频率分量出现在什么时候及其变化情况。这种方法要求信号是平 稳的，即其统计特征不随时间变化，频谱也不随时问变化。然而，当组成滚动轴 承的内外圈、滚动体等各元件的工作表面出现点蚀、疲劳剥落、磨损、断裂等局 部损伤故障时，传感器拾取的振动信号表现出明显的非平稳性。由于非平稳信号 的统计量是随时间改变的，传统的谱分柝并不能反映非平稳信号统计量的时间变 化特征。 时频分析的基本任务是建立一个函数，要求这个函数不仅能够同时用时问和 频率描述信号的能量密度，还能够以同样的方式用来计算任何密度。如果有这样 个分布，就可以求在某一确定的频率和时间范围内的能量百分率，计算某一特 定时间的频率的密度，以及该分布的整理和局部的各阶矩。利用这种时频分布可 以对信号进行分析处理，提取信号中所包含的特征进而可以利用这种时频分布 特征对系统的工作状况进行分析判断。基于非平稳信号时频分析的短时f o u r i e r 变换“、混合时频方法。”在机械信号分析得到了广泛的应用。 第二葶时频方法在故| 5 章检测中的应用研究中国