專利名稱：一種用于鉆井泵狀態(tài)檢測與故障診斷的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一套新穎的用于石油鉆井用的三缸單作用往復式泵的狀態(tài)檢測與故障診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)可用于該類泵動力端(包括曲軸軸承、支承軸承、十字頭)及液力端(包括活塞、缸套、吸入與排出閥)的狀態(tài)監(jiān)測和故障判別。
背景技術(shù)：
一臺石油鉆機一般配備有兩臺鉆井泵，現(xiàn)代鉆井泵一般為三缸單作用往復泵。鉆井泵是石油鉆井循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，它用以向井下泵送鉆井的“血液”---鉆井液，所以它被稱為鉆機的“心臟”。鉆井泵壓力的高低、排量的大小與鉆井工藝密切相關(guān)，因此它工作狀態(tài)的好壞直接影響到鉆井工作能否正常進行，影響到鉆井工作的安全、效率、成本和質(zhì)量。在工作中，其皮帶輪、齒輪、軸承作旋轉(zhuǎn)運動，十字頭為旋轉(zhuǎn)運動與直線往復運動的交匯點，而活塞桿、活塞在泵缸中作直線往復運動，這些運動與泵缸中鉆井液的壓力波動一起引起泵的強烈振動。由于鉆井泵工作在野外而且具有功率大、壓力高、工作條件惡劣的特點，因此由于泵的損壞導致鉆井工作停頓造成巨大損失的實例非常之多。目前，鉆井泵工作狀態(tài)的好壞全靠現(xiàn)場工人和技術(shù)人員憑經(jīng)驗來判斷。鉆井泵分為動力端和液力端兩部分，動力端包括皮帶輪、齒輪、軸承、曲柄連桿機構(gòu)、十字頭等；液力端包括活塞、泵缸、泵閥、空氣包等。一般現(xiàn)場人員對液力端的故障較易判斷和維修，而動力端由于結(jié)構(gòu)復雜、封閉嚴密和裝拆難度大，現(xiàn)場人員難以進行故障診斷和維修。因此現(xiàn)場常常采用定期大修的辦法來保證泵工作的可靠性，所以帶有一定的盲目性。有時大修時間已到，實際泵并無多大問題，若進行拆修更換，將帶來不必要的經(jīng)濟開支；有時泵動力端已有嚴重問題但未覺察，因大修時間未到仍讓其工作，在工作中突然損壞，導致鉆井工作中斷而造成重大損失。因此，積極開展鉆井泵的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷工作是十分必要的。
目前，國內(nèi)石油行業(yè)對鉆井泵的故障診斷系統(tǒng)的研究工作深度和廣度都還不夠，離實際應(yīng)用還有相當距離，問題的關(guān)鍵在于對鉆井泵故障診斷的重點的把握及難點的突破上，因此有必要下功夫研究確定鉆井泵故障診斷的重點所在，集中力量突破其難點，研制出符合鉆井泵結(jié)構(gòu)及工作實際的、適合于現(xiàn)場使用的、能取得明顯成效的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。
鉆井泵屬往復泵的一種，它的工作條件十分惡劣，其工作介質(zhì)是一種帶有磨礪性與腐蝕性的鉆井液，它在工作中存在多種激勵振源(如往復運動與旋轉(zhuǎn)運動振源、鉆井液壓力脈動對機體的撞擊以及各種不平衡慣性力的干擾等)，因此對其進行故障診斷具有較大的難度，國內(nèi)外此項研究工作開展得都不多。根據(jù)對國內(nèi)16個相關(guān)數(shù)據(jù)庫近十年的資料查詢，可知目前國內(nèi)進行的相關(guān)研究工作主要集中在鉆井泵的液力端(泵閥和活塞)，而對于動力端及整個系統(tǒng)的研究著力較少。國外關(guān)于往復泵故障診斷的研究工作的報道也很少，其中有用對已解調(diào)超聲信號進行譜分析的方法進行往復機械故障診斷的，在俄羅斯煉油廠已有在線故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)在離心泵上的成功應(yīng)用，但未見有在往復泵上應(yīng)用的報道。目前尚未有一套與本發(fā)明相同的鉆井泵狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，其他單位診斷所采取的硬件和軟件均與本發(fā)明不同。
由于鉆井泵動力端部件價格昂貴，如曲軸大軸承，每個價值3~5萬元，支承軸承每個價值約2萬元，所以其故障造成的直接經(jīng)濟損失也遠遠大于液力端。因此，及時了解動力端的性能情況，采取正確的運行及維修決策，其對安全鉆井及經(jīng)濟效益的價值更大。
綜上所述，目前尚無一套成熟的鉆井泵狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，需要進行研制和開發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一套新的鉆井泵狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用方便，既能較好地對鉆井泵液力端進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，又能對鉆井泵動力端進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，診斷準確率高，適合鉆井現(xiàn)場使用。
(1)在測試傳感器的選擇和布置方面?？紤]到曲軸大軸承在油池中作擺動的特點，我們選用了抗干擾和耐油的復合傳感器(加速度型)，并采取特殊措施使傳感器直接安裝在軸承座上，以直接獲取軸承的狀態(tài)信息。對于液力端及十字頭，則采用振動加速度計測取振動信息；為獲取各缸運動件之間的正確的相位關(guān)系采用了渦流傳感器來監(jiān)測各缸活塞的死點位置；依據(jù)泵現(xiàn)有的壓力表獲取泵即時的壓力情況。
(2)在測試分析系統(tǒng)的構(gòu)建方面。我們構(gòu)建了如附圖1所示的鉆井泵狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，有效地解決了狀態(tài)信號的測取、放大及A/D轉(zhuǎn)換、診斷結(jié)論獲取及數(shù)據(jù)處理保存等問題。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、攜帶方便、操作簡單，既可使用井場電源，又具有獨立電源，非常適合于在油田井場實際使用。
(3)可靠有效和診斷準確率高的診斷軟件。


圖1 本發(fā)明所提出的鉆井泵故障診斷系統(tǒng)及測點布置簡圖。
圖2 本發(fā)明所提出的鉆井泵動力端信號分析及故障診斷原理。
圖3本發(fā)明所提出的鉆井泵液力端信號分析及故障診斷原理。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖進一步對這種系統(tǒng)進行描述。所發(fā)明的軟件系統(tǒng)，針對鉆井泵的動力端和液力端的實際情況，結(jié)合所作的實驗研究工作，在一個完整的振動測試平臺(見附圖1)上采用不同的信號分析處理方法。具體地說對動力端，將采取如附圖2所示方法進行處理分析。其目的是為減少噪聲干擾，使故障特征譜線明顯突出所以采用了譜分析加共振解調(diào)加模糊識別的綜合分析方法。通過對此共振解調(diào)波的幅值域和頻率域分析，就可判定故障的量值和類型。但由于軸承的實際運行工況與理論計算時的假設(shè)情況有一定差距，所以僅從頻譜波型仍難以直接辯識出故障，因此還需要尋求別的方法予以處理，以取得較好的效果。通過摸索，我們根據(jù)模糊數(shù)學中的最近貼近原則，找到了判定軸承故障的閾值。
對液力端，將采取如附圖3所示方法進行處理分析。通過理論研究和實驗室小泵的大量實驗，基本找到了對液力端泵閥泄漏、缸套刺漏等故障的識別方法。近年來發(fā)展起來的小波包分析(Wavelet Packet Analysis)能夠為信號提供一種更加精細的分析方法，它將頻帶進行多層次劃分，對多分辨分析沒有細分的高頻部分進一步分解，并能夠根據(jù)被分析信號的特征，自適應(yīng)地選擇相應(yīng)頻帶，使之與信號頻譜相匹配，從而提高了時-頻分辨率，因此小波包分析在機械故障診斷中具有更廣泛的應(yīng)用價值。利用了小波包分析能對信號頻譜進行精細分析這一特點，大大減少了診斷特征向量的維數(shù)，同時又可提取出原始信號的主要特征。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Networt)技術(shù)是基于神經(jīng)科學研究的最新成果而發(fā)展起來的邊緣學科，是對人腦某些基本特征的簡單數(shù)學模擬。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的平行分布式處理方式、聯(lián)想記憶的容錯能力、自組織自學習能力及較強的非線性映射能力在機械故障的診斷和識別中顯示了極大的應(yīng)用潛力。對于故障形成原因復雜、故障與征兆間對應(yīng)關(guān)系復雜的情況，可利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來進行分類和識別。因此，在測試信號小波包分析的基礎(chǔ)上，通過將分頻帶能量作為診斷特征向量，在大量實驗研究的基礎(chǔ)上，借助于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BP網(wǎng)絡(luò))，有效地實現(xiàn)了信號處理中的小波包分析技術(shù)與狀態(tài)識別中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。所開發(fā)的軟件可有效地診斷鉆井泵液力端泵閥泄漏、缸套刺漏等故障。
權(quán)利要求
1.這種用于鉆井泵狀態(tài)檢測與故障診斷的系統(tǒng)，包括硬件和軟件兩部分組成，其硬件部分的主要特征在于以加速度計置放在各泵頭的鉛垂和水平方向，作為進行泵部件的振動測試的“一次儀表”，泵液力端(含缸套、活塞、閥及閥座)和十字頭的振動信號(加速度計置放在各十字頭軸瓦上)通過加速度計傳給電荷放大器放大，再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡進行A/D轉(zhuǎn)換，再送入計算機軟件系統(tǒng)進行分析診斷；泵動力端(曲軸支撐軸承、曲拐大軸承)的振動信號通過一種具有防水、防油、密封性能好的加速度計置放在軸承座上而測得，通過共振解調(diào)儀作共振解調(diào)處理并進行放大，以突出故障信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡進行A/D轉(zhuǎn)換，再送入計算機軟件系統(tǒng)進行分析診斷；在十字頭介桿頭死點處安裝一渦流傳感器，測取十字頭某一介桿頭的行程信號，經(jīng)過換算可得到三個活塞的相互相位信息。
2.按權(quán)利要求1所述的這種系統(tǒng)的軟件部分的特征在于利用NI公司提供的I/O接口設(shè)備，使用Labwindows/CVI語言所編制的一套對振動信號進行測試分析和故障診斷的系統(tǒng)。此軟件與權(quán)利要求1所包含的硬件系統(tǒng)緊密結(jié)合，可實現(xiàn)對鉆井泵液力端和動力端的狀態(tài)分析和故障診斷。對于泵液力端，用頻譜分析加小波包處理(分解和重構(gòu))，根據(jù)特征向量值的變化來判斷有無故障及故障的嚴重程度；對于泵動力端，對經(jīng)共振解調(diào)處理后的振動信號采用頻譜分析加模糊識別，以確定各軸承的故障情況及故障類型。
全文摘要
鉆井泵為往復式活塞泵，一般采用的是三缸單作用式，是石油鉆機的關(guān)鍵設(shè)備，承擔著向井下泵送鉆井液的任務(wù)。根據(jù)鉆井泵的結(jié)構(gòu)和監(jiān)測目標，分別在泵頭、十字頭處、動力端各軸承座上布置加速度測點，并安裝一渦流傳感器監(jiān)測相位信號，然后將加速度信號分別送入電荷放大器，再通過接口箱，將信號輸入計算機處理。對于在泵液力端測得的信號，采用小波包分析加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進行泵閥泄漏和泵缸刺漏的識別和診斷；對于十字頭，亦采用相同方法進行磨損量的診斷；對于泵動力端軸承，則采用故障特征值理論計算與共振解調(diào)加譜分析加模糊識別的方法進行故障診斷。本發(fā)明(結(jié)構(gòu)圖見摘要附圖)的特點是建立了一套現(xiàn)場使用方便、快捷、診斷準確率高、實用的鉆井泵的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，目前尚未見到有同樣類型的系統(tǒng)在現(xiàn)場使用，因此具有很好的應(yīng)用前景。
文檔編號E21B44/00GK1718995SQ20051004003
公開日2006年1月11日 申請日期2005年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月17日
發(fā)明者裴峻峰, 王學良, 曾洪圖, 齊明俠, 王靈奎, 張志毅, 白康生, 萬廣偉, 張鎖龍, 王留貴 申請人:江蘇工業(yè)學院, 中國石化集團河南石油勘探局鉆井工程公司