地面驅動單螺桿泵投資少，維護簡單，管理方便，是重要的舉升工具。但是，其故障診斷理論研究卻遠遠滯后于現(xiàn)場應用，從而制約了螺桿泵采油技術的進一步發(fā)展。目前螺桿泵故障診斷技術尚停留在宏觀井況的基礎上，憑借經(jīng)驗進行感性的判斷，沒有建立類似于有桿泵采油專家系統(tǒng)，也沒有判斷各種工況界限的標準。現(xiàn)場工人的判斷準確率很低，只能根據(jù)噪音和振動信號來判斷，且要求判斷者具有較高的專業(yè)水平和豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗。所以現(xiàn)場管理很不容易，無法高效地進行螺桿泵采油生產(chǎn)，針對這些問題，國內外大批學者進行了廣泛深入地研究，呂彥平等對單螺桿泵采油系統(tǒng)的啟動扭矩模型進行了論述，建立了單螺桿泵啟動扭矩數(shù)學計算模型。但其模型未考慮螺桿泵啟動的延遲效應，未將電機啟動階段和螺桿泵啟動階段分開考慮，另外，也未考慮電動機處于加速狀態(tài)時其加速度變化對桿柱扭矩的影響。
本文針對這些問題，進行了改進研究，修正了螺桿泵啟動模型，并利用該模型初步建立了地面驅動單螺桿泵采油系統(tǒng)工況診斷理論方法。
診斷螺桿泵工況
地面驅動單螺桿泵啟動時，轉速瞬間提高，抽油桿產(chǎn)生很大的慣性扭矩，導致抽油桿啟動扭矩遠大于正常工作時的工作扭矩，其承受的扭矩大于額定扭矩后抽油桿易擰斷。采油螺桿泵的空載運轉力矩一般很小，但長時間靜止的采油螺桿泵啟動力矩(空載)有時卻非常大，為空載運轉力矩的20～30倍，為滿載荷工作力矩的 2～3倍。其啟動扭矩的大小，與螺桿泵密封線長度、轉定子之間的過盈值、橡膠硬度和工作壓力有關，還與靜止時間長短和摩擦面粗糙度有關。正是因為啟動扭矩和螺桿泵采油系統(tǒng)工作參數(shù)的相關性，我們可以進行螺桿泵工況故障診斷。
螺桿泵采油系統(tǒng)啟動階段分為電機啟動階段和泵啟動階段兩部分。電機啟動時可以分為兩個階段來考慮。
第一階段，從電動機開始運轉到達到額定轉速的階段，即啟動階段。在這個階段，電動機處于加速狀態(tài)，其加速度不是常數(shù)，其轉速是隨時間變化的。第二階段，從電動機達到額定轉速到此后的任意時刻，即工作階段。這個階段電動機以額定轉速勻速運轉，但由于某些時候電流不夠穩(wěn)定或者其它的外在因素，可能導致電動機的轉速出現(xiàn)無規(guī)律的微小波動。
根據(jù)抽油桿的運動狀態(tài)，將啟動階段分析劃分為延時階段、啟動階段和工作階段等三個階段，如圖1所示。
第一階段為螺桿泵延時階段，電機啟動后，由零轉速轉速逐漸增加，此時，井底螺桿泵所受到的阻力和阻力矩為零;第二階段為啟動階段，井底的阻力和阻力矩開始增加，其扭矩大小和電機轉速有關。第三階段為螺桿泵開始工作階段，抽油桿柱在電機達到勻速轉速一段時間后正常工作。
這里可以清楚得看出電動機的啟動階段和工作階段與抽油桿柱啟功階段和工作階段是不同的，后者的啟動階段稍長于前者，換句話說，當電動機達到穩(wěn)定轉速時，抽油桿所受到的扭矩并沒有達到穩(wěn)定值，而是再延長小段時間才達到。
現(xiàn)場實例分析
從大量的現(xiàn)場生產(chǎn)資料和經(jīng)驗我們發(fā)現(xiàn)，螺桿泵油井經(jīng)常出現(xiàn)的工作狀態(tài)有以下幾種：抽油桿斷脫;油管漏失嚴重;油管結蠟嚴重;螺桿泵定子脫落;螺桿泵定子磨損嚴重;螺桿泵定子溶漲。
其中，油井正常生產(chǎn)狀態(tài)判斷是判斷其它故障的標準和基礎。我們首先判斷油井是否處于正常的生產(chǎn)狀態(tài)，要接著再進一步判斷不正常井的故障類型。油井正常生產(chǎn)狀態(tài)，是利用啟動扭矩的有限元模型和靜力學模型綜合進行判斷的。故障類型暫時分為6種，見表1。
利用啟動扭矩有限元模型計算井口啟動扭矩，對二連油田巴18-55井計算，油層中深1350，產(chǎn)量14.4t，含水30.1%，下泵深度1247，動液面 757米，油壓0.7MPa，套壓0.1MPa，螺桿泵泵型GLB75-40。我們計算得到不同轉速的啟動扭矩。如圖4示。
利用故障診斷方法
首先，需要標定該井的阻尼系數(shù);其次，現(xiàn)場實測該井的井口扭矩曲線，然后和該井計算井口扭矩曲線和正常工作扭矩曲線進行對比。利用典型扭矩曲線圖版進行故障判斷。先測量正常工作時候的井口扭矩曲線，對比計算的井口扭矩曲線，來標定該井阻尼系數(shù)。
本文對地面驅動單螺桿泵采油系統(tǒng)進行有限元分析，建立了地面驅動單螺桿泵啟動扭矩有限元計算模型，并結合螺桿泵工作扭矩和軸向力，建立一套地面驅動單螺桿泵采油系統(tǒng)故障診斷的方法，該方法準確性較高，易于使用。為螺桿泵工況診斷技術在油田的應用，提供了理論基礎。
本文計算中抽油桿柱是彈性體，變形前桿柱軸線與井眼軸線重合，并與油管存在初始間隙，間隙的大小可以是任意分布的，變形后抽油桿柱的某些部分和油管接觸;油管為彈性體，在接觸反力和摩阻力的作用下發(fā)生形變;考慮抽油桿柱的初始變形。
動坐標系下建立單元方程。抽油桿在隨電機一塊轉動，是典型的大轉動小變形問題。在靜坐標系下建立方程求解，必須引入大變形理論，這將會給求解帶來很大的困難。在動坐標系下，該問題就轉換成為小變形問題，求解過程大大簡化。需要注意，在動坐標系下求解，除了必須引入離心力，還必須考慮科氏力的影響。
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