潜油电泵井故障树分析

第五采油厂 2011年度 采油工程专业论文潜油电泵井故障系统分析 第五采油厂作业大队电泵队 高 克 2011年7月 电泵井故障的类型分析高 克作业大队电泵队摘要：随着油田采油进入高含水期，潜油电泵应用越来越广泛，如何减少故障导致的停产和维修等经济损失的需要越来越迫切，本文全面地分析了历年来潜油电泵的发展及研究现状，从模糊故障分析方面入手。对潜油电泵系统故障的原因进行了详细分类及分析；建立了潜油电泵系统故障树，分析了系统故障的关键因素及重点部位，以便更好的掌握电泵系统故障的重点部位及机理；应用所得的系统故障概率，进行了系统风险的概率评价，通过建立和分析系统故障树，可以更好的掌握导致系统故障的主要因素；以加强安全防范措施，并使潜油电泵的安全评价在采油生产方面有普遍性的意义。主题词：潜油电泵井 安全评价 1 潜油电泵井现状及分析评价方法1.1 潜油电泵研究的现状以及本课题研究的意义随着油田开采进入高含水期，潜油电泵系统的综合故障率并没有随着技术的进步而大幅下降。对于地处千米以下的潜油电泵的故障，目前还是不能很好的进行观测和检查。经过对潜油电泵研究现状的分析，我们可以发现，潜油电泵系统的故障分析如果从系统的角度进行考虑，延伸到潜油电泵各子系统；考虑各部分互相影响的作用，使相互独立、互不相干的各部分成为一个整体。有以下几个好处：首先，不但可以对各子系统的故障原因进行分类和分析，对重点故障部位进行详细的故障原因分析，并且可以提出相应的改进措施及可行性方案。其次，通过详细的故障原因分析，画出较为详备和可靠的潜油电泵系统故障图，进行系统故障树分析，为今后潜油电泵重点部位的革新做好分析工作。最后，根据潜油电泵系统故障树的定量分析，可以对系统进行安全评价；可以对一套正在运行的潜油电泵机组进行人-机-环境安全性的模糊评价，通过评价可以对机组目前安全运行的情况作出一个全面的评判。1.2我厂电泵井投产情况概况自1981年大庆油田开始大规模应用潜油电泵技术，现在全油田共有潜油电泵井2444口，占机采井总数的6. 45%；年举升液量1.53 X 108t，占总举升液量的34.79% ；年耗电约7.27 X 108kW /h，占油田采油用电的21.38% ，能耗较高。目前，我厂共有电泵井总数52口、平均单井日产液145t，含水95。97%，泵挂深度870.33m，动液面558.93m沉没度311.40m排量效率107.90%,2010年检泵周期1735天，平均年检泵周期1473天，免修期1312天。1.3故障分析法故障分析，简单地讲就是把系统最不希望发生的故障作为故障分析的目标，把选定的系统故障状态称为顶事件，然后找出引起顶事件的底层因素。故障树分析是一种图形演绎方法，具有很大的灵活性，其建树的过程就是一个对系统更深入认识的过程，通过建立故障树模型可以定量计算复杂系统发生事故的概率，为改善和评价系统安全性提供定量依据。1.4 系统安全评价安全评价也称危险性评价或风险评价，是以实现系统安全为目的，应用安全系统工程原理和工程技术方法，对系统中固有或潜在的危险进行定性和定量分析，得出系统发生危险的可能性及其后果严重程度的评价，通过与评价标准的比较得出系统的危险程度，以达到社会所要求的安全标准的一种科学方法。2 潜油电泵系统的故障统计及分析2.1 潜油电泵机组的组成及特点潜油电泵是井下工作的多级离心泵，同油管一起下入井内，地面电源通过变压器、控制屏和潜油电缆将电能输送给井下潜油电机，使电机带动多级离心泵旋转，将电能转化为机械能，把油井中的井液举升到地面，由以上这些部分共同构成了潜油电泵机组。潜油电泵机组的特点有：排量范围大；扬程高；可以根据产液变化要求进行变频调速；地面设备占用面积和空间小，适用于海上平台；使用寿命长；便于管理；可适用于斜井与水平井。通常潜油电泵机组主要由三大部分组成，其管柱工作示意图，如下所示：2.2 一级故障分析 根据查阅资料，取样大庆油田的多个采油厂自 2002 年 1 月至 2006 年 12 月记为一个周期的5年期间，共计 5364 次检修潜油电泵作业中发现的故障及其原因，按故障模式归类如表所示： 大庆油田02-06年潜油电泵机组损坏原因比例下面我们根据电泵的各组成部分可能发生的故障进行列举，并给出相应的解决办法。2.2.1 潜油泵故障潜油泵是一种多级离心泵，外型细长，结构比较特殊，位于潜油电泵系统的最上端，是支撑整套电泵系统重量的主要设备，也是整个潜油电泵系统的核心部件。故障原因一般为：油井出砂、结蜡或结垢等会使泵头和油管内腔堵塞，导致泵排量下降，而且砂粒也易进入电泵的各个配合部位，引起卡泵并会加速泵的磨损，严重时会造成泵轴卡死甚至电机烧毁。叶轮与导壳的过流表面长期在含有砂粒的液体冲刷下，过早的产生严重的磨损，使潜油泵的性能改变，导致潜油泵严重磨损。若单流阀失效，停机后管柱内砂沉入到泵的叶轮中，造成砂卡泵开机失效。大曲率斜井段，将会引起机组弯曲变形，造成潜油泵轴卡死。由于地层供液不足，会导致泵的磨损加剧和机组无液体冷却，出现局部高温。改进意见：潜油泵要根据实际情况，客观的选择泵型；施工时按照规章，将施工产生的砂、垢清除干净，减少人为因素导致的泵堵塞或磨损加剧；潜油泵的轴、叶轮、导壳和垫片等应该多用一些抗磨，不易受腐蚀的材料或者加强其表面质量；泵磨损所产生的剧烈振动、甚至泵卡是导致潜油电泵其他部分故障的主要原因，因此，防砂和抗磨损是今后潜油泵改进的主要方向。2.2.2 分离器故障油气分离器位于保护器和多级离心泵之间，其主要作用是将混合气液进行气、液两相分离，而后使分离出的气体进入油管和套管的环形空间，分离出的液体则进入离心泵。这样就可以避免气体对泵产生气蚀，减少气体对泵工作性能的影响，从而提高泵效和延长泵的使用寿命。导致分离器故障的原因有：地质原因地质原因中主要是含砂量影响较大，导致的故障模式主要是磨损和堵塞。井液中含有超出工作参数设定的杂质如砂、垢、水泥块，而堵塞了分离泵的入口，致使其故障。分离器中含有砂、垢，造成各部件的加速磨损，导致分离器故障。由于分离器叶轮驱动井液作高速旋转，井液中的砂逐渐腐蚀外壳，导致穿透衬筒，进而蚀穿分离器外壳，最后造成分离器断裂。自身质量除了含砂量较大所引起的故障，分离器自身的质量问题也是其故障的主要原因。如材料质量和加工工艺存在缺陷、分离器轴的加工问题等都会导致分离器磨损严重、壳体断裂、轴断等故障。改进意见：除了减少施工时产生的砂、垢外，可以考虑在分离器吸入口处再多添加一个小滤网的防砂罩。加强分离器壳体的材料质量，也是减少分离器断裂的主要方法。2.2.3 保护器故障电机保护器是用来保护潜油电机在油井内正常工作的关键部件，所起的作用是通过隔离井液和为电机提供电机润滑油来保护潜油电机。保护器作为保护电机的重要部件，电机无故障连续工作的时间就取决于保护器工作的可靠性，电机的许多故障都是直接或间接由保护器故障引起的。保护器故障的原因有：磨损磨损是保护器内部故障的原因，如。 保护器与电机之间花键套磨损。 上保护器上轴头处磨损。 潜油泵一旦磨损，就会产生振动而使保护器的密封件磨损，使密封失效。地质原因由于井内工作条件苛刻，所以保护器最容易出现故障。 由于气体的影响，造成保护器进水、电机油变质，从而引起的故障。 结垢严重，使得保护器失效。周围的环境使保护器壳体蚀穿。使用管理问题使用管理不当（主要是经常启、停泵）也非常容易引起保护器失效。每开停机 1 次，造成电潜泵保护器呼吸 1 次，一部分井液随之进入保护器，频繁的开停泵后易造成电潜泵保护器失效，进而引起电动机失效；电潜泵多次停泵，保护器中的电油就会被大量损耗，井液就会进入电机，导致电机绝缘降低而被烧坏。改进意见：为了减少保护器进液，首先就要从管理上避免频繁启停泵；其次加强壳体表面质量，以减少蚀穿等故障发生；保护器的安装也要认真，保证轴转动灵活；2.2.4 电机故障电机故障的主要表现为绝缘材料的老化和击穿。其原因可归结为： 地质原因地质原因较多，但都会加速电机的正常损耗，严重时会烧毁电机，造成电泵井停产。 油层温度过高，加速了绝缘材料的老化，同时耐击穿电压随周围介质温度的升高而降低。 因供液能力不足，导致散热条件变坏，易造成电机烧毁。 井下气体的侵蚀，也会加速绝缘材料的老化。 高温和高压会使井下液体和气体的腐蚀作用加剧，从而加速绝缘层的老化。 因泵卡导致的启动扭矩增大，造成启动电流过大，容易烧毁电动机。 泵的砂卡、结垢都会导致电机温度升高、烧坏。 机组在通过大曲率斜井段时容易造成机组弯曲，而机组的抗弯能力差，就易引起电动机烧毁等故障 。选择原因电机的选择应针对油井的状态客观选取，而目前常会发生因为电机选择有误（电机功率过小）而导致电机故障。如当井液密度大、电机选择有误差、电压低或不平衡时，都会造成电机过载，使电机过热而损坏。改进意见：选择电机的功率一定要与泵配备合理。油井要有足够的液量冷却电机，以减少因高温烧毁电机的概率。要防止电网波动，保护电机的正常工作。加强电机自身的绝缘材料的性能，主要在抗老化、防腐蚀和耐击穿性方面需要提高。电机安装时，要确保密封可靠、安装准确到位，其中冬季施工时要注意电机油温度等因素。修复机组要在各项性能检测完好后才能下井，并应注意使用工况和年限问题。3.2.5 电缆等线路故障潜油电缆作为潜油电泵机组输送电能的通路部分，长期工作在高温、高压和具有腐蚀性气体的环境中，较易发生故障。电缆机械损伤的原因： 运输途中不注意保护，易碰撞，使电缆铠皮损伤，造成电缆不绝缘或击穿。施工过程中，没有认真执行下泵操作规程或电缆的频繁起下，使电缆挤压、刮伤、拉伸、打扭；与潜油电机连接不当，造成电缆损坏。大、小扁电缆的连接处是在现场连接，受施工条件的影响，导致连接处强度低于电缆本身，易被击穿；电缆头同电机头连接时，易造成电缆头密封 O 形密封圈与电机头相切，使密封性能变差、绝缘降低，促使机组不能正常运行。引起电缆故障的地质原因有： 油层温度过高，导致电缆绝缘材料失效。 高压及腐蚀性介质造成绝缘和护套损坏。 流体压力迅速变化，会导致电缆膨胀，从而引起绝缘层破裂。 井下气体进入绝缘层与导体之间，会加速绝缘层老化。 地层供液不足会导致泵的磨损加剧和机组无液体冷却，使动力电缆的电气性能下降。 泵因砂卡，启动扭矩增大，造成启动电流过大，容易击穿电缆。斜井的井身结构也会对电缆造成损坏。改进意见：电缆主要应该从施工和管理上严格控制操作流程和规范，以减少人为失误导致的电缆损伤。电缆头在现场与电机安装时，要做好密封性，同时增强抗振性。2.2.6 油管故障油管起着悬挂电潜泵井下机组的重要作用，故障占总故障数的 8.06%，可见其故障非常频繁，且检查故障需要将油管一根根的提起检查，非常复杂。油管的故障主要是油管漏，这主要是由环境的影响和材料本身的原因所引起的。故在下入潜油电泵机组之前，应仔细检查油管的腐蚀程度，以免由于油管穿孔而造成不必要的检泵作业，或严重时出现油管断裂，造成机组落入井下，产生不必要的修井作业费用。改进意见：油管材料的耐腐蚀性是影响油管可靠的主要因素，加强其管壁内外的抗腐蚀性。施工时一定要仔细检查油管质量，并且在下入油管时要小心与电缆的距离，防止对电缆造成机械损伤。安装时，做好卸油器和油管的丝扣配合，防止造成漏失。2.3 本章小结通过对大庆油田一个5 年标准得潜油电泵机组检泵资料的整理、统计及对比分析，找到目前主要的故障模式，将故障模式分为一级和二级故障进行了详细而系统的故障原因分类和分析，并对常见故障模式提出了相应的改进措施或可行性方案，以便减少元件设计不完善、操作失误、管理使用不当等导致的故障发生，并为后续的故障树建立做好基础工作。3 潜油电泵系统的故障建立系统图形并进行分析通过以上分析建立潜油电泵系统的故障树，识别导致故障的基本事件与人为失误的组合，可为人们提供设法避免或减少导致故障基本原因的线索，从而降低故障发生的可能性。对导致灾害故障的各种因素及逻辑关系能作出全面、简洁和形象的描述。便于查明系统内固有的或潜在的各种危险因素，为设计、施工和管理提供科学依据。使有关人员、作业人员全面了解和掌握各项防灾要点。便于进行定性、定量分析和系统评价。建立出潜油电泵系统故障的详细故障树。鉴于系统故障树过于庞大且各底事件过多，为了更直观、简练的分析，将系统故障树进行简化，使故障的分析更集中并舍去了低故障概率事件，仅将影响元件和部件故障的主要因素列出。现给出简化的故障图：上图中下角标一致的X标号用来代表同一影响因素。可以从系统的角度看出频繁出现的影响因素以及偶然出现的影响因素在系统中的比重所带来的系统影响。下面我们将从故障的角度来看一下影响因素：从图中我们可以看出，X01、X04、X28、X30、X31：都属于环境及外界影响。X03：泵振动过大。 X05、X32：是运输及施工损伤。X10：为润滑油失效。 X16X21：代表潜油电泵的工作参数。X25、X36：是轴机械性能。X09、X15、X39、X41：表示各部分的配合精度差。X02、X06、X07、X08、X11、X12、X13、X14、X22、X24、X27、X34、X35、X38、X42：是材料及加工等缺陷。我们对故障进行定性分析，要根据特定故障求取其最小割集或最小径集，确定事件发生的故障模式、原因及其对顶事件的影响程度，为经济有效地采取预防对策和控制措施，防止同类故障发生提供科学依据。3.3 最小割集最小割集能表明系统的危险性，每个最小割集都是顶事件发生的一种可能渠道。最小割集的数目越多，系统越危险。根据前面关于最小割集的原理，利用布尔代数算法，可以得到潜油电泵系统故障的最小割集 19 组。具体如下所示：E1 = X01， X02， X03E2 = X01， X03， X04， X35， X16， X1 7， X1 8， X1 9， X20， X21E3 = X36， X37E4 = X01， X03， X04， X38， X16， X1 7， X1 8， X1 9， X20， X21E5 = X01， X39E6 = X03， X04， X14E7 = X04， X15E8 = X04， X05E9 = X01， X06， X16， X17， X18， X1 9， X20， X21E10= X01， X07E11= X04， X10， X22E12= X03， X25E13= X23E14= X31E15= X05， X26， X27E16= X09， X10， X11E17= X32E18= X33E19= X01， X05故障树定性分析的目的是求出故障树的全部最小割集，它反映了系统的全部故障模式，其中发生概率最大的故障模式就是其薄弱环节。从中可以看出，泵卡、频繁启停泵、电缆等线路的施工及起下电缆损伤、电网故障、分离器吸入口堵塞、泵轴断裂和油管漏等都是导致潜油电泵系统故障的最主要原因。3.4 潜油电泵故障树结果分析前面关于潜油电泵系统所作的故障树分析：通过对故障树的定性分析，共求出了 19 组最小割集，它反映了系统全部的故障模式，其中发生概率最大的主要是电机烧毁、电缆损伤、频繁启停泵、潜油泵轴断裂、运输施工损伤等。再根据结构重要度系数排序，我们可以看出在众多底事件当中，环境影响、含砂量过大、泵振动过大和运输施工损伤是故障的主要因素。而最后通过分别使用常规方法和模糊数学的方法对故障树的定量计算，就更能清晰地看出潜油电泵系统和各基本事件的可靠度及其波动范围，更好的掌握电泵机组的工作状况。4 本文总结针对目前潜油电泵研究领域的薄弱环节，本文从系统的角度进行分析，对潜油