地面驅(qū)動(dòng)單螺桿泵投資少，維護(hù)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(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于現(xiàn)場應(yīng)用，從而制約了螺桿泵采油技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。目前螺桿泵故障診斷技術(shù)尚停留在宏觀井況的基礎(chǔ)上，憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)場工人的判斷準(zhǔn)確率很低，只能根據(jù)噪音和振動(dòng)信號(hào)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(yàn)。所以現(xiàn)場管理很不容易，無法高效地進(jìn)行螺桿泵采油生產(chǎn)，針對這些問題，國內(nèi)外大批學(xué)者進(jìn)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(dòng)扭矩模型進(jìn)行了論述，建立了單螺桿泵啟動(dòng)扭矩?cái)?shù)學(xué)計(jì)算模型。但其模型未考慮螺桿泵啟動(dòng)的延遲效應(yīng)，未將電機(jī)啟動(dòng)階段和螺桿泵啟動(dòng)階段分開考慮，另外，也未考慮電動(dòng)機(jī)處于加速狀態(tài)時(shí)其加速度變化對桿柱扭矩的影響。
本文針對這些問題，進(jìn)行了改進(jìn)研究，修正了螺桿泵啟動(dòng)模型，并利用該模型初步建立了地面驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)單螺桿泵啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速瞬間提高，抽油桿產(chǎn)生很大的慣性扭矩，導(dǎo)致抽油桿啟動(dòng)扭矩遠(yuǎn)大于正常工作時(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)力矩一般很小，但長時(shí)間靜止的采油螺桿泵啟動(dòng)力矩(空載)有時(shí)卻非常大，為空載運(yùn)轉(zhuǎn)力矩的20～30倍，為滿載荷工作力矩的 2～3倍。其啟動(dòng)扭矩的大小，與螺桿泵密封線長度、轉(zhuǎn)定子之間的過盈值、橡膠硬度和工作壓力有關(guān)，還與靜止時(shí)間長短和摩擦面粗糙度有關(guān)。正是因?yàn)閱?dòng)扭矩和螺桿泵采油系統(tǒng)工作參數(shù)的相關(guān)性，我們可以進(jìn)行螺桿泵工況故障診斷。
螺桿泵采油系統(tǒng)啟動(dòng)階段分為電機(jī)啟動(dòng)階段和泵啟動(dòng)階段兩部分。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)可以分為兩個(gè)階段來考慮。
第一階段，從電動(dòng)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)到達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的階段，即啟動(dòng)階段。在這個(gè)階段，電動(dòng)機(jī)處于加速狀態(tài)，其加速度不是常數(shù)，其轉(zhuǎn)速是隨時(shí)間變化的。第二階段，從電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速到此后的任意時(shí)刻，即工作階段。這個(gè)階段電動(dòng)機(jī)以額定轉(zhuǎn)速勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，但由于某些時(shí)候電流不夠穩(wěn)定或者其它的外在因素，可能導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)無規(guī)律的微小波動(dòng)。
根據(jù)抽油桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將啟動(dòng)階段分析劃分為延時(shí)階段、啟動(dòng)階段和工作階段等三個(gè)階段，如圖1所示。
第一階段為螺桿泵延時(shí)階段，電機(jī)啟動(dòng)后，由零轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速逐漸增加，此時(shí)，井底螺桿泵所受到的阻力和阻力矩為零;第二階段為啟動(dòng)階段，井底的阻力和阻力矩開始增加，其扭矩大小和電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)。第三階段為螺桿泵開始工作階段，抽油桿柱在電機(jī)達(dá)到勻速轉(zhuǎn)速一段時(shí)間后正常工作。
這里可以清楚得看出電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)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(dòng)階段稍長于前者，換句話說，當(dāng)電動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)，抽油桿所受到的扭矩并沒有達(dá)到穩(wěn)定值，而是再延長小段時(shí)間才達(dá)到。
現(xiàn)場實(shí)例分析
從大量的現(xiàn)場生產(chǎn)資料和經(jīng)驗(yàn)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(yán)重;油管結(jié)蠟嚴(yán)重;螺桿泵定子脫落;螺桿泵定子磨損嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)。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(jìn)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(dòng)扭矩的有限元模型和靜力學(xué)模型綜合進(jìn)行判斷的。故障類型暫時(shí)分為6種，見表1。
利用啟動(dòng)扭矩有限元模型計(jì)算井口啟動(dòng)扭矩，對二連油田巴18-55井計(jì)算，油層中深1350，產(chǎn)量14.4t，含水30.1%，下泵深度1247，動(dòng)液面 757米，油壓0.7MPa，套壓0.1MPa，螺桿泵泵型GLB75-40。我們計(jì)算得到不同轉(zhuǎn)速的啟動(dòng)扭矩。如圖4示。
利用故障診斷方法
首先，需要標(biāo)定該井的阻尼系數(shù);其次，現(xiàn)場實(shí)測該井的井口扭矩曲線，然后和該井計(jì)算井口扭矩曲線和正常工作扭矩曲線進(jìn)行對比。利用典型扭矩曲線圖版進(jìn)行故障判斷。先測量正常工作時(shí)候的井口扭矩曲線，對比計(jì)算的井口扭矩曲線，來標(biāo)定該井阻尼系數(shù)。
本文對地面驅(qū)動(dòng)單螺桿泵采油系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，建立了地面驅(qū)動(dòng)單螺桿泵啟動(dòng)扭矩有限元計(jì)算模型，并結(jié)合螺桿泵工作扭矩和軸向力，建立一套地面驅(qū)動(dòng)單螺桿泵采油系統(tǒng)故障診斷的方法，該方法準(zhǔn)確性較高，易于使用。為螺桿泵工況診斷技術(shù)在油田的應(yīng)用，提供了理論基礎(chǔ)。
本文計(jì)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(dòng)坐標(biāo)系下建立單元方程。抽油桿在隨電機(jī)一塊轉(zhuǎn)動(dòng)，是典型的大轉(zhuǎn)動(dòng)小變形問題。在靜坐標(biāo)系下建立方程求解，必須引入大變形理論，這將會(huì)給求解帶來很大的困難。在動(dòng)坐標(biāo)系下，該問題就轉(zhuǎn)換成為小變形問題，求解過程大大簡化。需要注意，在動(dòng)坐標(biāo)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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