电潜泵故障诊断技术现状及发展趋势

王庆龙，柳海啸，李凌宇，魏舒，李亦白

(1.中海石油(中国)有限公司蓬勃作业公司，天津 300459；2.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

在油田开采过程中，开采企业会使用大量机械设备，电潜泵是其中重要的组成部分。电潜泵由多个部件构成，结构较为复杂，并且关联性较强，从而也因此提升电潜泵发生故障问题的概率。由于开采环境复杂，随着油田开采规模的不断增加，电潜泵如果发生故障问题，不仅会影响开采效率，而且也会增加维修成本，影响开采企业经济效益。所以，提升电潜泵故障诊断技术的应用水平，无疑对推动我国原油开采事业发展有着绝对意义。

1 电潜泵基本工作原理

在油田采油阶段，电潜泵与离心泵相互配合，从而完成整个采油流程。电潜泵在地层中工作，电流经过电压器的作用传递至电潜泵中，将电能转换为机械能，带动电机工作，完成原油的开采与收集。随后，在压力作用下，将采集到的原油输送出地面。为了提升电潜泵的运行质量，关键在于如何高精度地完成对电潜泵的控制，并且也要降低电潜泵故障问题的发生频率，提升电潜泵正常工作时间，将电潜泵的作用最大限度地发挥出来。

2 电潜泵的发展状况

由于世界经济的不平衡发展，发达国家与发展中国家的采油工程行业发展也存在差异。作为采油技术最发达的国家，美国的电潜泵技术最为先进，并且技术也更加成熟。与此同时，随着科学技术的不断发展，为了满足不断提升的采油需求，大排量、高功率、低故障的电潜泵技术成为了今后的重要方向。随着自动化、智能化、信息化技术的不断发展，电潜泵还将迎来更大的发展机遇。随着我国改革开放的不断深入，我国对于电潜泵的依赖更加显著，并且也从美国等先进国家进口了大量电潜泵整机与相关设备，在各大油田收获了不错的应用效果。以大庆油田为例，电潜泵采油井的比例逐步提升，极大地提升了大庆油田的石油产量，进而提升了大庆油田的经济效益。从我国引进第一台电潜泵算起，至今已经有近30多年的发展，随着我国机械制造技术的不断提升，电潜泵生产企业数量已经发展到数十家，电潜泵制造技术处于不断发展的态势之中，除了要制造高质量的电潜泵及其组件外，还需要在电潜泵故障诊断技术方面下大力气，快速实现提升电潜泵工作质量。

3 电潜泵故障诊断技术概述

3.1 传统电潜泵故障诊断方法

通过使用传统故障诊断方法检查电潜泵，多使用憋压诊断法与电流卡片诊断法。所谓电流卡片诊断法，指的是检查使用电流卡片，对电潜泵是否存在故障问题进行判断。在电潜泵通电运行后，电流表上的指针会发生偏转，并在电流卡片中留下一条曲线，根据曲线的变化情况，得出电潜泵是否存在故障。对于憋压诊断法来说，其操作流程要更加复杂，但是故障准确度要高于前者。在使用憋压诊断法时，保证电潜泵处于通电运行状态，关闭井口的生产阀，随着憋压时间的增加，井口的油压也会处于时刻变化状态，对井口的油压变化进行监测，完成曲线图的绘制，随后根据曲线特征变化情况判断电潜泵是否存在故障问题。憋压诊断法的原理为：气体与液体在油管中呈现混合状态，如果此时关闭生产阀，气体由于密度低，则会向油管上部流动，液体沉降至下部，管内压力增加，随着管内压力增加至一定范围，气体在油管内的体积会被不断挤压，此时压缩系数会与压力、时间表现出线性关系，从而判断电潜泵是否存在故障问题。

3.2 现代电潜泵故障诊断方法

随着传统电潜泵故障诊断方法越来越无法满足油田开采要求，现代电潜泵故障诊断方法也就由此出现。对于现代电潜泵故障诊断方法来说，其主要有三种方式，下面将对此进行详细阐述：(1)故障树分析法。故障检查人员可通过树形图，对电潜泵工作情况进行判断。其中，检查人员要了解电潜泵的工作原理与实际现场运行数据，罗列出电潜泵各个部件可能存在故障问题的概率，并完成树形图的绘制，通过计算与定量分析等方式，判断电潜泵是否存在故障；(2)模拟数学分析法。利用模糊矩阵分析电潜泵可能出现故障问题的概率，并得出故障的集合；(3)神经网络分析法。在对电潜泵进行故障诊断时，将电潜泵故障特征值输入至神经网络模型之中，通过得到的输出值明确电潜泵的故障类型。

4 电潜泵故障诊断技术中存在的问题

4.1 传统电潜泵故障诊断方法中存在的问题

4.1.1 电流卡片诊断方法中存在的问题

同其他方法相比，电流卡片诊断法的适用范围比较有限，只能解释一些特征较为明显的故障问题，无法准确、全面地对整个电潜泵系统进行故障判断，故障诊断的准确率十分有限。例如，如果需要再次开启电潜泵时，将会导致故障问题进一步严重，无法给予现场检修人员精准的参考，降低故障检修效率。

4.1.2 憋压诊断方法中存在的问题

当使用憋压诊断方法时，随着生产阀关闭时间的增加，油井周边地层压力也会发生变化。在开启电潜泵后，地层压力需要经过很长时间才可恢复至开采要求，极大地影响原油开采效率。另外，憋压诊断方法属于间接故障检测手段，无法直接对电潜泵机组工作情况进行判断，仅仅是通过曲线特征对电潜泵是否有故障进行推测，故障判断的准确率达不到当前石油开采的要求，并且测试时间往往比较久。

4.2 现代电潜泵故障诊断技术存在的问题

4.2.1 故障树诊断方法中存在的问题

计算机分析技术是故障树诊断方法的重要工具，当电潜泵出现故障问题后，检修人员可将故障数据输入至计算机中。与其他诊断方式相比，故障树诊断方法的运用，可以较为准确地对电潜泵工作情况进行判断，但是当有局部故障出现时，由于此时数学模型的差异性较大，故障树诊断法的判断准确率将会明显下降。如果电潜泵各个部件之间独立运转，故障树诊断法是最佳的诊断手段。然而，在实际工况条件下，电潜泵在工作时会将各个部件紧密连接在一起，所以也导致故障树诊断法的应用质量受到影响。定量计算是电潜泵故障树诊断法应用的重要支撑，并且需要许多数据的收集才可提升定量计算的准确性，从而提升故障判断的准确率。当电潜泵的运行环境改变，原有数据信息将不具备代表性，需要重新开始数据收集工作，不仅会增加数据收集时间，而且也存在不小的工作量。

4.2.2 模糊数学法诊断中存在的问题

在诊断电潜泵过程中，由于模糊数学法缺乏灵活性，导致无法准确判断电潜泵的工作状态，如果电潜泵出现新的故障问题，则模糊数学法的适用性将大幅度下降。其中，只有对故障信息进行归类统计，通过得到有效的系数，方可将关系矩阵建立起来。如果无法得到新的系数，那么将会导致模糊数学法受到极大的限制，不确定性也就会由此增加。

5 电潜泵故障诊断技术的发展趋势

油田开采进入中后期，开采难度逐渐增加，现今使用的诊断方式面临极大的考验。必须要对诊断技术进行大力创新，提升电潜泵故障诊断的效率与准确性。

5.1 逐步建立并完善在线监测诊断系统

建立可以实时监测机组与地层条件的在线诊断系统，可以对电潜泵在井下的工作状态进行不间断的监测，地面人员可通过反馈回的信息了解电潜泵是否存在故障问题，及时针对故障做好应对。一般来说，在电潜泵出现故障前，其通常会正常工作一段时间，将正常工作条件下的参数与故障参数进行对比，可以计算出合理的阙值，当电潜泵某个工作参数的变化幅度高于阙值，在线监测诊断系统便可自动判定电潜泵存在故障，地面人员可进一步对参数指标进行分析，明确故障类型与故障位置，及时制定故障检修方案。

5.2 借助振动信号完成电潜泵故障诊断

作为一种旋转机械设备，电潜泵机组的各项功能需要依靠叶轮转动来实现。如果某个部件发生故障，电潜泵则会出现振动异常，如果振动过大，将会导致部件发生损坏，甚至引发严重安全事故。因此，通过对电潜泵振动情况进行监测，可以真实地将电潜泵机组工作状态反映出来。此外，电潜泵大多在井下工作，振动信号监测也可帮助地面人员了解电潜泵工作状态，监测手段也更加便捷、实用。

5.3 多种诊断方法结合运用

无论选用何种故障诊断方法，均有其优点与弊端。因此，检修人员可将现代与传统诊断方法相结合，汲取各自的优势，从而形成更加完善的诊断方法，不仅可提升故障诊断方法的适用性，而且故障诊断的准确率也会大幅度提升。对于电流卡片诊断法而言，其缺乏自我学习功能，所以将人工神经网络与电流卡片诊断法相结合，借助人工神经网络的存储与信息处理功能，将电流曲线图形特征与故障参数两者的关系输入至计算机中，由人工神经网络准确地对电潜泵运行状态进行判断。故障树故障诊断法需要借助统计数据与经验，分析电潜泵可能发生故障的概率，大部分数据存在一定的不确定性，所以可借助模糊数学分析法对故障树中的不确定信息进行分析，提升数据的可靠性，避免误差在统计数据中出现，而且也可确保故障分析结果与实际情况相一致，适应性与灵活性可以得到大幅度提升。

6 结语

在当前经济形势下，我国对于石油资源的需求更加迫切。与此同时，随着石油开采规模的增加，油田开采工况更加复杂，导致电潜泵在实际工作中时常出现故障问题，影响油田开采效率与经济效益。与此同时，随着故障诊断技术的不断发展，诊断准确率与可靠性均比以往有着明显的改观，借助现代化技术手段以及将多种诊断方法相结合的模式，不仅可以提升电潜泵故障诊断的准确性，同时也可延长电潜泵正常工作时间。总之，不断下大力气研究电潜泵故障诊断技术，并了解故障诊断技术的发展趋势，对提升电潜泵工作质量与可靠性有着十分重要的意义。