潜油往复式抽油机研究及其故障诊断

魏 欣

(大庆油田有限责任公司 采油工程研究院，黑龙江 大庆 163453)

油田开发中，常规机械采油分为两类：一是以游梁式抽油机和螺杆泵为主的有杆举升，占90%左右[1]；二是以大排量潜油电泵为代表的无杆举升，占比很小。开发后期，定向井、大斜度井、小排量油井逐步增多，井眼轨迹复杂，常规举升方式一次性投资大、杆管偏磨严重、无效能耗高、下泵深度受限、管理维护工作量大[2-3]。因此，提出无杆采油新工艺，采用潜油往复式抽油机，已形成小规模应用，节能效果显著，前景较好[4-5]。但试验井普遍存在过载停机频发、整机振动大、实时故障监测及诊断缺乏手段、外置电缆重复利用率低、油管结蜡严重、井下工况监测技术难度大等问题，严重制约检泵周期[6-7]。基于此，本文开展潜油往复式抽油机结构、原理和运动规律研究，提出潜油直线电机优化设计方案、基于功率曲线监测的故障诊断方法、新型低成本固体化学防蜡方法及工艺、玻璃钢敷缆复合连续油管技术等一系列故障诊断措施。应用效果表明：潜油直线电机及其控制系统推力输出能力明显改善，电机柔性启停、驱动，整机振动明显降低，整套工艺的可靠性有效提升；实时故障监测及诊断系统能够及时预警油管结蜡故障，有利于摸索合理的清防蜡规律；新型低成本固体化学防蜡方法及工艺有效降低了结蜡速率；玻璃钢敷缆复合连续油管技术的提出及试验为下一步科研攻关指明了方向。

1 潜油往复式抽油机结构及原理

1.1 结构分析

潜油往复式抽油机主要由潜油直线电机、潜油往复泵、变频管控装置、潜油电缆、变压器、电缆保护器、防砂管、接线盒、扶正器等组成，结构如图1所示。

图1 潜油往复式抽油机结构示意

潜油直线电机能够直接驱动潜油往复泵做往复运动，无需中间转换机构，属于圆筒型永磁交流直线同步电机，如图2所示。主要由定子和动子构成，根据复杂井况环境，设计为短定子长动子结构。定子有槽，由外保护筒、绕组线圈、硅钢铁芯、内衬筒组成；动子永磁体采用内嵌式安装，由磁环、隔环铁芯与中心撑杆组成。变频装置将交流电变频后，经潜油电缆输送给电机，定子三相绕组通电后产生的气隙磁场与动子永磁体产生的励磁磁场相互作用，产生电磁举升力，当任意组三相交流电的两相转换时，举升力也随之换向。

图2 潜油直线电机结构示意

潜油往复泵倒置于潜油直线电机之上，如图3所示。结构优化是将常规往复泵的固定阀设计在泵筒上部，泵筒内的柱塞上、下均设计游动阀，主要有固定阀总成、柱塞总成和密封装置。其中固定阀总成包括固定阀罩、阀球、阀座，固定阀罩下端加工出内螺纹和泵筒连接；柱塞总成包括柱塞闭式阀罩、游动阀球与阀座，柱塞下端与直线电机的动子连接；密封装置组成一个密封腔，防止井液流入直线电机后烧毁电机，起到保护电机的作用[8]。

1-固定阀总成；2-柱塞总成； 3-泵筒； 4-套管。

电机运行状态合理、精准控制，是实现潜油直线电机在井下复杂工况可靠工作的前题。变频装置主要由整流模块、逆变模块、单片机、专用变压器、开关管、检测元件、存储模块等组成，属于开环控制方式，如图4所示。整流模块将三相交流电转换为直流工作电压，通过控制功率管的开关顺序，然后逆变模块将所需频率三相方波交流电供给潜油直线电机，在电机的3个绕组上产生不同幅值、不同频率的电压，从而实现对电机的控制。能够实现：间歇供电，调频调速，在线调整冲次，调整范围为0.1～8.0 min-1；在线调整频率，动子上、下行程频率调整范围分别为8～15 Hz和15～24 Hz。具有手动控制、自动保护、自启和过载保护、过热保护、碰泵保护等功能，控制规律为动子上行频率越大，上行速度越快，电流值越小，电机推力越小，反之越大。

图4 变频装置原理

1.2 工艺原理研究

潜油往复式抽油机以潜油直线电机作为驱动装置，将直线电机与潜油往复泵相结合，潜入到油层中，电机定子与泵筒连接，动子与泵柱塞连接，在电磁举升力作用下，驱动柱塞做周期往复运动，实现油液举升。

为了深入研究运行原理，建立工艺举升过程理论模型。理论模型是仅考虑动子自身重力与柱塞截面积以上液柱载荷的情况下建立，如图5所示。将动子往复运动过程看做是以动子运行时间为横轴、有功功率为纵轴的平行四边形，冲程顶端和底端分别定义为上、下死点，1个往复过程就是从下死点向上运动至上死点，再由上死点向下返回到下死点的过程。因此，潜油往复式抽油机举升过程分为4个阶段。

图5 潜油往复式抽油机运行理论模型

1) 动子蓄能。上行程开始瞬间，固定阀打开，游动阀关闭，作用在油管上的柱塞截面以上液柱重力转移至电机动子上，因此发生弹性形变，油管与动子都缩短。此时建立模型中斜直线AB，动子虽然在上移，但柱塞相对于泵筒并没有产生位移变化，代表了弹性形变所用时间和电能蓄积的过程，称为蓄能线。

2) 动子上行程。模型中直线BC代表上行程柱塞运行时间，理论上B、C点所承受负载一样，如果油管内已充满液体，在井口将排出相当于柱塞冲程体积的液柱，因此上行程是泵筒吸入液体和井口排出液体的过程[9]。

3) 动子泄能。下行程开始瞬间，固定阀关闭，游动阀打开，作用在电机动子上的柱塞截面以上液柱重力又转移至油管上，二者又发生弹性形变，油管与动子都伸长，此时建立模型中斜直线CD，柱塞依然没有位移变化，代表弹性形变所用时间和电能减少的过程，称为泄能线。

4) 动子下行程。模型中直线DA代表下行程柱塞运行时间，理论上DA段动子只克服自身重力。下行程柱塞上下连通，柱塞下部液体通过游动阀进入柱塞上部，下行程是套管内液体进入柱塞行程段的过程[10]。

1.3 电机运动规律研究

通过潜油往复式抽油机理论研究，可知潜油直线电机动子上、下冲程中，动子运动分为加速、匀速、减速3个阶段，加速和减速阶段速度特征符合正弦曲线，时间上瞬时响应，均是弹性形变过程。

动子上冲程速度方程为：

(1)

动子下冲程速度方程为：

(2)

直线电机动子运动系数a的计算式为：

(3)

式中：t0为加速或减速时间，s；ω为圆周率，rad/s；T为运动周期，s；t为运行时间，s；s为冲程，m；n为冲次，min-1。

开展室内测试，得到潜油直线电机动子位移规律曲线，如图6所示。与理论研究相符，动子上、下冲程满足线性关系。

图6 潜油直线电机动子位移规律

2 潜油往复式抽油机故障诊断方法研究

2.1 潜油直线电机优化设计

针对试验井存在过载停机频发、整机振动大和可靠性差等问题，严重制约检泵周期，建立潜油直线电机性能检测系统，并以此为支撑，结合现场应用的实际要求，对电机进行优化设计，实现故障诊断。

1) 柔性闭环控制技术[11]。技术的核心是长距离无感矢量控制方式，在矢量控制的基础上引入无感控制，在无感矢量控制程序中嵌入柔性控制算法。该控制系统由智能控制器、驱动器等组成，且具备数据远传功能，利用滤波、精算消除或降低各种干扰及影响。能够保证多项运行参数的高速采集和实时复杂运算，并采用32位运算处理器，通过采集分析电机功率，调整电流和电压，计算动子速度和推力，自动分析出合适的驱动电流，达到最小电流下的高效运行。可在0.1～10 min-1范围内柔性调节冲次，随井下负载变化调整输出功率，降低电机启动载荷和系统冲击振动，实现柔性运行、柔性启停。通过PID的高级智能调节，实现自动生成全冲程内的最佳运行速度分布方案和输出功率分布方案，并能根据工况的变化情况自动完成运行方案的优化调整，全程围绕最佳速度分布和功率输出分布做持续无级变速运行，电机与控制器之间完全通过软件实现闭环控制。

2) 动子防转动设计。永磁体采用轴向充磁结构，提高隔环铁芯和永磁体外套表面光洁度，动子撑杆材质选择1Cr18Ni9Ti，隔环和永磁体紧密配合后激光焊接为一体，保证外体和撑杆同时受力，动子撑杆直径由ø18 mm提高到ø20 mm，提高抗弯和抗拉强度，对中心撑杆铣键槽，对应永磁体车键，装配后增强定位性，防止径向转动。

3) 绕组线圈性能优化。优化绕组线圈长宽比及绕制方法，线圈采用矩形截面，减小间隙，提高槽满率；绕组线圈绝缘膜由原0.5 mm增加至0.7 mm，增加耐绝缘等级；提高电机灌装平衡油温度等级，耐温达120 ℃，满足深井井温；在不增加电机尺寸的情况下，设计绕组线圈匝数增加1/3，工作电压由660 V提高至1 140 V，举升力提高30%以上，举升扬程由1 800 m提高至2 500 m。

4) 全密封设计。将定子内衬筒进行封闭焊接，中间部位喷焊镍合金粉沫，厚度为0.1～0.2 mm；在动子表面整体镀铬，增强抗磨性；动子永磁体整体封闭，保证动子、定子与油液完全隔离；改进加工工艺，减小定子和动子的轴向尺寸误差，降低机组振动。针对ø139.7 mm和ø177.8 mm套管设计电机外径分别为ø114 mm和ø143 mm，定子磁场强度均增加20%。

应用潜油直线电机性能检测系统，对优化后电机的举升力、输入输出功率、振动进行性能检测评价，其中振动是在相同工况条件下，比较常规开环控制方式和柔性闭环控制方式。检测结果表明：电机输出功率达45 kW，举升力达到34.7 kN，相比改进前提升38.8%。应用柔性闭环控制方式，电机的启动电流和运行电流明显降低，幅度分别达到53.94%和44.73%；系统振动强度大幅度削弱，降低幅度达到50.26%，如图7～8所示。现场应用后，潜油往复式抽油机平均检泵周期提高150 d，可靠性有效提升。

图7 常规及柔性控制振动强度对比

图8 常规及柔性控制电流曲线对比

2.2 实时故障监测及诊断系统设计

针对潜油往复式抽油机实时故障监测及诊断缺乏手段[12-15]，提出一种基于功率曲线监测的潜油往复式抽油机故障诊断方法。以虚拟仪器为技术平台， 采取模块化的编程思想，通过Labview直观的图形化人机界面采集潜油直线电机实时功率数据；使用Matlab软件编程，在Labview中使用Matlab script 节点技术，调用Matlab中编写的程序代码，对实测功率信号采用小波算法进行降噪、分解和重构处理，得到清晰的功率-时间曲线，结合潜油往复式抽油机运行机理，通过支持向量机与神经网络算法相结合识别曲线变化特点，实现故障监测、预警和及时诊断。实时故障监测及诊断系统集成设计为便携式仪器，能够和变频装置有效通讯，主要包括高精度电压电流互感器、高精度USB-6008数据采集卡、单片机、触摸屏、电源模块、人机交换模块、数据及曲线保存模块等单元，系统结构及功能设计如图9所示。

图9 故障监测及诊断系统结构

针对试验井油管结蜡严重，开展故障监测及诊断系统应用。效果表明，功率波形清晰，能够及时预警油管结蜡故障，做到早发现早处理，有利于摸索合理的清防蜡规律，避免施工作业，提高电缆重复利用率，延长检泵周期，降本增效。油管结蜡会增加井下电机动子举升阻力，运行载荷在往复过程中将超过最大理论值，动子上、下冲程功率曲线表现出明显的“肥胖”特征，下冲程的振动载荷也增大。蜡堵发生时，功率波形将发生不规律、明显的突变。试验井正常运行、结蜡运行、蜡堵时功率曲线特征如图10～12所示。

图10 试验井正常运行功率曲线

图11 试验井结蜡运行功率曲线

图12 试验井蜡堵初期功率曲线

2.3 低成本清防蜡方法及工艺

通过开展油管结蜡实时监测及诊断现场试验，可知清防蜡措施是保证机组可靠运行的必要手段，电加热杆、加热电缆等清防蜡工艺应用效果明显，但生产运行成本高、施工作业复杂，可靠性有待探索。基于此，提出新型低成本的固体化学防蜡方法及工艺。分析试验区块原油的物性成分，以其中蜡质、胶质、沥青质等含量为配方参考依据，进行针对性配方的研制，经过反复试验，得到最佳配比；研制可投捞式固体化学防蜡防垢器，不动管柱作业，创新固体防蜡药剂井口投加方式，方便了固体防蜡药剂的补充。同时结合三防油管、强磁防蜡、定期加药和热洗方式等低成本措施进行清防蜡作业。最终形成一系列适用不同区块原油特点的潜油往复式抽油机低成本清防蜡技术，其中以防蜡防磨油管、防蜡防磨内涂层油管和防蜡防垢器为代表。如图13，试验井在相同井况条件下，结蜡速率由小到大的方法分别为防蜡防垢器、防蜡防磨内涂层油管、防蜡防磨油管和普通油管，表明可投捞式固体化学防蜡防垢器具有更好的防蜡效果，有效地降低了结蜡速率。

图13 系列清防蜡方法结蜡速率对比曲线

2.4 玻璃钢敷缆复合连续油管技术研究

目前，电潜往复式抽油机是以金属油管逐节续接，铠装电缆在金属管外侧捆绑作业、独立供电。外置电缆在施工作业和运行过程中机械损伤频发，耐腐蚀性能差，重复利用率低，作业工序费时费力，平均使用寿命在2 a左右；金属油管结垢、结蜡、腐蚀严重；井下工况监测投入成本高、技术难度大、工艺整体性差。针对这些问题，提出一种玻璃钢敷缆复合连续油管配套电潜往复式抽油机的开创性技术，其连续油管结构如图14所示。

图14 玻璃钢敷缆复合连续油管结构示意

这种非金属连续油管由内衬层、环向增强层、骨架层、纵向拉伸层、外保护层、井下传感器及连接工具等构成。其中，内衬层和外保护层均由聚合物材料挤出成型，环向增强层和骨架层由高强度纤维和树脂复合缠绕成型，纵向拉伸层由树脂、高强度纤维及聚四氟乙烯(F46)护套组成，三相动力缆和辅热电缆嵌在外拉伸层中，信号电缆嵌在内拉伸层中。管材技术参数如表1。

表1 玻璃钢敷缆复合连续油管技术参数

实现了1根连续管柱具有输油、供电、防蜡解堵、井下工况监测、耐腐蚀等功能，专业作业设备高效施工作业，管材可以重复利用，使用寿命达20 a。形成1套节能环保、智能化运行、周期内使用成本低、数字化采油管理的新型采油工艺。现场试验4口井，技术优势突出。

3 结论

1) 潜油往复式抽油机举升过程理论模型的建立，为深入研究工艺原理、电机运动规律提供理论支撑，为实时故障监测及诊断系统设计奠定基础。

2) 措施后的潜油直线电机输出功率达45 kW，举升力达到34.7 kN，推力输出能力明显改善；柔性闭环控制方式实现了启动和运行电流、机组振动强度明显降低。整体诊断措施有效提升了工艺的可靠性，延长了检泵周期。

3) 基于功率曲线监测的实时故障监测及诊断系统和固体化学防蜡工艺对油管结蜡故障实现了及时预警、低成本清防蜡，故障特征明显，结蜡速率有效降低。

4) 玻璃钢敷缆复合连续油管技术的提出及试验，实现了1根连续管柱具有输油、供电、防蜡防垢解堵、井下工况监测等功能，管材可以重复利用，建立了1套节能环保、智能化运行、周期内使用成本低、数字化采油管理的全新采油方案，为下一步科研攻关指明了方向。