第五采油廠 2011年度 采油工程專業(yè)論文潛油電泵井故障系統(tǒng)分析 第五采油廠作業(yè)大隊電泵隊 高 克 2011年7月 電泵井故障的類型分析高 克作業(yè)大隊電泵隊摘要：隨著油田采油進入高含水期，潛油電泵應(yīng)用越來越廣泛，如何減少故障導(dǎo)致的停產(chǎn)和維修等經(jīng)濟損失的需要越來越迫切，本文全面地分析了歷年來潛油電泵的發(fā)展及研究現(xiàn)狀，從模糊故障分析方面入手。對潛油電泵系統(tǒng)故障的原因進行了詳細分類及分析；建立了潛油電泵系統(tǒng)故障樹，分析了系統(tǒng)故障的關(guān)鍵因素及重點部位，以便更好的掌握電泵系統(tǒng)故障的重點部位及機理；應(yīng)用所得的系統(tǒng)故障概率，進行了系統(tǒng)風(fēng)險的概率評價，通過建立和分析系統(tǒng)故障樹，可以更好的掌握導(dǎo)致系統(tǒng)故障的主要因素；以加強安全防范措施，并使?jié)撚碗姳玫陌踩u價在采油生產(chǎn)方面有普遍性的意義。主題詞：潛油電泵井 安全評價 1 潛油電泵井現(xiàn)狀及分析評價方法1.1 潛油電泵研究的現(xiàn)狀以及本課題研究的意義隨著油田開采進入高含水期，潛油電泵系統(tǒng)的綜合故障率并沒有隨著技術(shù)的進步而大幅下降。對于地處千米以下的潛油電泵的故障，目前還是不能很好的進行觀測和檢查。經(jīng)過對潛油電泵研究現(xiàn)狀的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，潛油電泵系統(tǒng)的故障分析如果從系統(tǒng)的角度進行考慮，延伸到潛油電泵各子系統(tǒng)；考慮各部分互相影響的作用，使相互獨立、互不相干的各部分成為一個整體。有以下幾個好處：首先，不但可以對各子系統(tǒng)的故障原因進行分類和分析，對重點故障部位進行詳細的故障原因分析，并且可以提出相應(yīng)的改進措施及可行性方案。其次，通過詳細的故障原因分析，畫出較為詳備和可靠的潛油電泵系統(tǒng)故障圖，進行系統(tǒng)故障樹分析，為今后潛油電泵重點部位的革新做好分析工作。最后，根據(jù)潛油電泵系統(tǒng)故障樹的定量分析，可以對系統(tǒng)進行安全評價；可以對一套正在運行的潛油電泵機組進行人-機-環(huán)境安全性的模糊評價，通過評價可以對機組目前安全運行的情況作出一個全面的評判。1.2我廠電泵井投產(chǎn)情況概況自1981年大慶油田開始大規(guī)模應(yīng)用潛油電泵技術(shù)，現(xiàn)在全油田共有潛油電泵井2444口，占機采井總數(shù)的6. 45%；年舉升液量1.53 X 108t，占總舉升液量的34.79% ；年耗電約7.27 X 108kW /h，占油田采油用電的21.38% ，能耗較高。目前，我廠共有電泵井總數(shù)52口、平均單井日產(chǎn)液145t，含水95。97%，泵掛深度870.33m，動液面558.93m沉沒度311.40m排量效率107.90%,2010年檢泵周期1735天，平均年檢泵周期1473天，免修期1312天。1.3故障分析法故障分析，簡單地講就是把系統(tǒng)最不希望發(fā)生的故障作為故障分析的目標(biāo)，把選定的系統(tǒng)故障狀態(tài)稱為頂事件，然后找出引起頂事件的底層因素。故障樹分析是一種圖形演繹方法，具有很大的靈活性，其建樹的過程就是一個對系統(tǒng)更深入認(rèn)識的過程，通過建立故障樹模型可以定量計算復(fù)雜系統(tǒng)發(fā)生事故的概率，為改善和評價系統(tǒng)安全性提供定量依據(jù)。1.4 系統(tǒng)安全評價安全評價也稱危險性評價或風(fēng)險評價，是以實現(xiàn)系統(tǒng)安全為目的，應(yīng)用安全系統(tǒng)工程原理和工程技術(shù)方法，對系統(tǒng)中固有或潛在的危險進行定性和定量分析，得出系統(tǒng)發(fā)生危險的可能性及其后果嚴(yán)重程度的評價，通過與評價標(biāo)準(zhǔn)的比較得出系統(tǒng)的危險程度，以達到社會所要求的安全標(biāo)準(zhǔn)的一種科學(xué)方法。2 潛油電泵系統(tǒng)的故障統(tǒng)計及分析2.1 潛油電泵機組的組成及特點潛油電泵是井下工作的多級離心泵，同油管一起下入井內(nèi)，地面電源通過變壓器、控制屏和潛油電纜將電能輸送給井下潛油電機，使電機帶動多級離心泵旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機械能，把油井中的井液舉升到地面，由以上這些部分共同構(gòu)成了潛油電泵機組。潛油電泵機組的特點有：排量范圍大；揚程高；可以根據(jù)產(chǎn)液變化要求進行變頻調(diào)速；地面設(shè)備占用面積和空間小，適用于海上平臺；使用壽命長；便于管理；可適用于斜井與水平井。通常潛油電泵機組主要由三大部分組成，其管柱工作示意圖，如下所示：2.2 一級故障分析 根據(jù)查閱資料，取樣大慶油田的多個采油廠自 2002 年 1 月至 2006 年 12 月記為一個周期的5年期間，共計 5364 次檢修潛油電泵作業(yè)中發(fā)現(xiàn)的故障及其原因，按故障模式歸類如表所示： 大慶油田02-06年潛油電泵機組損壞原因比例下面我們根據(jù)電泵的各組成部分可能發(fā)生的故障進行列舉，并給出相應(yīng)的解決辦法。2.2.1 潛油泵故障潛油泵是一種多級離心泵，外型細長，結(jié)構(gòu)比較特殊，位于潛油電泵系統(tǒng)的最上端，是支撐整套電泵系統(tǒng)重量的主要設(shè)備，也是整個潛油電泵系統(tǒng)的核心部件。故障原因一般為：油井出砂、結(jié)蠟或結(jié)垢等會使泵頭和油管內(nèi)腔堵塞，導(dǎo)致泵排量下降，而且砂粒也易進入電泵的各個配合部位，引起卡泵并會加速泵的磨損，嚴(yán)重時會造成泵軸卡死甚至電機燒毀。葉輪與導(dǎo)殼的過流表面長期在含有砂粒的液體沖刷下，過早的產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損，使?jié)撚捅玫男阅芨淖儯瑢?dǎo)致潛油泵嚴(yán)重磨損。若單流閥失效，停機后管柱內(nèi)砂沉入到泵的葉輪中，造成砂卡泵開機失效。大曲率斜井段，將會引起機組彎曲變形，造成潛油泵軸卡死。由于地層供液不足，會導(dǎo)致泵的磨損加劇和機組無液體冷卻，出現(xiàn)局部高溫。改進意見：潛油泵要根據(jù)實際情況，客觀的選擇泵型；施工時按照規(guī)章，將施工產(chǎn)生的砂、垢清除干凈，減少人為因素導(dǎo)致的泵堵塞或磨損加劇；潛油泵的軸、葉輪、導(dǎo)殼和墊片等應(yīng)該多用一些抗磨，不易受腐蝕的材料或者加強其表面質(zhì)量；泵磨損所產(chǎn)生的劇烈振動、甚至泵卡是導(dǎo)致潛油電泵其他部分故障的主要原因，因此，防砂和抗磨損是今后潛油泵改進的主要方向。2.2.2 分離器故障油氣分離器位于保護器和多級離心泵之間，其主要作用是將混合氣液進行氣、液兩相分離，而后使分離出的氣體進入油管和套管的環(huán)形空間，分離出的液體則進入離心泵。這樣就可以避免氣體對泵產(chǎn)生氣蝕，減少氣體對泵工作性能的影響，從而提高泵效和延長泵的使用壽命。導(dǎo)致分離器故障的原因有：地質(zhì)原因地質(zhì)原因中主要是含砂量影響較大，導(dǎo)致的故障模式主要是磨損和堵塞。井液中含有超出工作參數(shù)設(shè)定的雜質(zhì)如砂、垢、水泥塊，而堵塞了分離泵的入口，致使其故障。分離器中含有砂、垢，造成各部件的加速磨損，導(dǎo)致分離器故障。由于分離器葉輪驅(qū)動井液作高速旋轉(zhuǎn)，井液中的砂逐漸腐蝕外殼，導(dǎo)致穿透襯筒，進而蝕穿分離器外殼，最后造成分離器斷裂。自身質(zhì)量除了含砂量較大所引起的故障，分離器自身的質(zhì)量問題也是其故障的主要原因。如材料質(zhì)量和加工工藝存在缺陷、分離器軸的加工問題等都會導(dǎo)致分離器磨損嚴(yán)重、殼體斷裂、軸斷等故障。改進意見：除了減少施工時產(chǎn)生的砂、垢外，可以考慮在分離器吸入口處再多添加一個小濾網(wǎng)的防砂罩。加強分離器殼體的材料質(zhì)量，也是減少分離器斷裂的主要方法。2.2.3 保護器故障電機保護器是用來保護潛油電機在油井內(nèi)正常工作的關(guān)鍵部件，所起的作用是通過隔離井液和為電機提供電機潤滑油來保護潛油電機。保護器作為保護電機的重要部件，電機無故障連續(xù)工作的時間就取決于保護器工作的可靠性，電機的許多故障都是直接或間接由保護器故障引起的。保護器故障的原因有：磨損磨損是保護器內(nèi)部故障的原因，如。 保護器與電機之間花鍵套磨損。 上保護器上軸頭處磨損。 潛油泵一旦磨損，就會產(chǎn)生振動而使保護器的密封件磨損，使密封失效。地質(zhì)原因由于井內(nèi)工作條件苛刻，所以保護器最容易出現(xiàn)故障。 由于氣體的影響，造成保護器進水、電機油變質(zhì)，從而引起的故障。 結(jié)垢嚴(yán)重，使得保護器失效。周圍的環(huán)境使保護器殼體蝕穿。使用管理問題使用管理不當(dāng)（主要是經(jīng)常啟、停泵）也非常容易引起保護器失效。每開停機 1 次，造成電潛泵保護器呼吸 1 次，一部分井液隨之進入保護器，頻繁的開停泵后易造成電潛泵保護器失效，進而引起電動機失效；電潛泵多次停泵，保護器中的電油就會被大量損耗，井液就會進入電機，導(dǎo)致電機絕緣降低而被燒壞。改進意見：為了減少保護器進液，首先就要從管理上避免頻繁啟停泵；其次加強殼體表面質(zhì)量，以減少蝕穿等故障發(fā)生；保護器的安裝也要認(rèn)真，保證軸轉(zhuǎn)動靈活；2.2.4 電機故障電機故障的主要表現(xiàn)為絕緣材料的老化和擊穿。其原因可歸結(jié)為： 地質(zhì)原因地質(zhì)原因較多，但都會加速電機的正常損耗，嚴(yán)重時會燒毀電機，造成電泵井停產(chǎn)。 油層溫度過高，加速了絕緣材料的老化，同時耐擊穿電壓隨周圍介質(zhì)溫度的升高而降低。 因供液能力不足，導(dǎo)致散熱條件變壞，易造成電機燒毀。 井下氣體的侵蝕，也會加速絕緣材料的老化。 高溫和高壓會使井下液體和氣體的腐蝕作用加劇，從而加速絕緣層的老化。 因泵卡導(dǎo)致的啟動扭矩增大，造成啟動電流過大，容易燒毀電動機。 泵的砂卡、結(jié)垢都會導(dǎo)致電機溫度升高、燒壞。 機組在通過大曲率斜井段時容易造成機組彎曲，而機組的抗彎能力差，就易引起電動機燒毀等故障 。選擇原因電機的選擇應(yīng)針對油井的狀態(tài)客觀選取，而目前常會發(fā)生因為電機選擇有誤（電機功率過小）而導(dǎo)致電機故障。如當(dāng)井液密度大、電機選擇有誤差、電壓低或不平衡時，都會造成電機過載，使電機過熱而損壞。改進意見：選擇電機的功率一定要與泵配備合理。油井要有足夠的液量冷卻電機，以減少因高溫?zé)龤щ姍C的概率。要防止電網(wǎng)波動，保護電機的正常工作。加強電機自身的絕緣材料的性能，主要在抗老化、防腐蝕和耐擊穿性方面需要提高。電機安裝時，要確保密封可靠、安裝準(zhǔn)確到位，其中冬季施工時要注意電機油溫度等因素。修復(fù)機組要在各項性能檢測完好后才能下井，并應(yīng)注意使用工況和年限問題。3.2.5 電纜等線路故障潛油電纜作為潛油電泵機組輸送電能的通路部分，長期工作在高溫、高壓和具有腐蝕性氣體的環(huán)境中，較易發(fā)生故障。電纜機械損傷的原因： 運輸途中不注意保護，易碰撞，使電纜鎧皮損傷，造成電纜不絕緣或擊穿。施工過程中，沒有認(rèn)真執(zhí)行下泵操作規(guī)程或電纜的頻繁起下，使電纜擠壓、刮傷、拉伸、打扭；與潛油電機連接不當(dāng)，造成電纜損壞。大、小扁電纜的連接處是在現(xiàn)場連接，受施工條件的影響，導(dǎo)致連接處強度低于電纜本身，易被擊穿；電纜頭同電機頭連接時，易造成電纜頭密封 O 形密封圈與電機頭相切，使密封性能變差、絕緣降低，促使機組不能正常運行。引起電纜故障的地質(zhì)原因有： 油層溫度過高，導(dǎo)致電纜絕緣材料失效。 高壓及腐蝕性介質(zhì)造成絕緣和護套損壞。 流體壓力迅速變化，會導(dǎo)致電纜膨脹，從而引起絕緣層破裂。 井下氣體進入絕緣層與導(dǎo)體之間，會加速絕緣層老化。 地層供液不足會導(dǎo)致泵的磨損加劇和機組無液體冷卻，使動力電纜的電氣性能下降。 泵因砂卡，啟動扭矩增大，造成啟動電流過大，容易擊穿電纜。斜井的井身結(jié)構(gòu)也會對電纜造成損壞。改進意見：電纜主要應(yīng)該從施工和管理上嚴(yán)格控制操作流程和規(guī)范，以減少人為失誤導(dǎo)致的電纜損傷。電纜頭在現(xiàn)場與電機安裝時，要做好密封性，同時增強抗振性。2.2.6 油管故障油管起著懸掛電潛泵井下機組的重要作用，故障占總故障數(shù)的 8.06%，可見其故障非常頻繁，且檢查故障需要將油管一根根的提起檢查，非常復(fù)雜。油管的故障主要是油管漏，這主要是由環(huán)境的影響和材料本身的原因所引起的。故在下入潛油電泵機組之前，應(yīng)仔細檢查油管的腐蝕程度，以免由于油管穿孔而造成不必要的檢泵作業(yè)，或嚴(yán)重時出現(xiàn)油管斷裂，造成機組落入井下，產(chǎn)生不必要的修井作業(yè)費用。改進意見：油管材料的耐腐蝕性是影響油管可靠的主要因素，加強其管壁內(nèi)外的抗腐蝕性。施工時一定要仔細檢查油管質(zhì)量，并且在下入油管時要小心與電纜的距離，防止對電纜造成機械損傷。安裝時，做好卸油器和油管的絲扣配合，防止造成漏失。2.3 本章小結(jié)通過對大慶油田一個5 年標(biāo)準(zhǔn)得潛油電泵機組檢泵資料的整理、統(tǒng)計及對比分析，找到目前主要的故障模式，將故障模式分為一級和二級故障進行了詳細而系統(tǒng)的故障原因分類和分析，并對常見故障模式提出了相應(yīng)的改進措施或可行性方案，以便減少元件設(shè)計不完善、操作失誤、管理使用不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致的故障發(fā)生，并為后續(xù)的故障樹建立做好基礎(chǔ)工作。3 潛油電泵系統(tǒng)的故障建立系統(tǒng)圖形并進行分析通過以上分析建立潛油電泵系統(tǒng)的故障樹，識別導(dǎo)致故障的基本事件與人為失誤的組合，可為人們提供設(shè)法避免或減少導(dǎo)致故障基本原因的線索，從而降低故障發(fā)生的可能性。對導(dǎo)致災(zāi)害故障的各種因素及邏輯關(guān)系能作出全面、簡潔和形象的描述。便于查明系統(tǒng)內(nèi)固有的或潛在的各種危險因素，為設(shè)計、施工和管理提供科學(xué)依據(jù)。使有關(guān)人員、作業(yè)人員全面了解和掌握各項防災(zāi)要點。便于進行定性、定量分析和系統(tǒng)評價。建立出潛油電泵系統(tǒng)故障的詳細故障樹。鑒于系統(tǒng)故障樹過于龐大且各底事件過多，為了更直觀、簡練的分析，將系統(tǒng)故障樹進行簡化，使故障的分析更集中并舍去了低故障概率事件，僅將影響元件和部件故障的主要因素列出。現(xiàn)給出簡化的故障圖：上圖中下角標(biāo)一致的X標(biāo)號用來代表同一影響因素。可以從系統(tǒng)的角度看出頻繁出現(xiàn)的影響因素以及偶然出現(xiàn)的影響因素在系統(tǒng)中的比重所帶來的系統(tǒng)影響。下面我們將從故障的角度來看一下影響因素：從圖中我們可以看出，X01、X04、X28、X30、X31：都屬于環(huán)境及外界影響。X03：泵振動過大。 X05、X32：是運輸及施工損傷。X10：為潤滑油失效。 X16X21：代表潛油電泵的工作參數(shù)。X25、X36：是軸機械性能。X09、X15、X39、X41：表示各部分的配合精度差。X02、X06、X07、X08、X11、X12、X13、X14、X22、X24、X27、X34、X35、X38、X42：是材料及加工等缺陷。我們對故障進行定性分析，要根據(jù)特定故障求取其最小割集或最小徑集，確定事件發(fā)生的故障模式、原因及其對頂事件的影響程度，為經(jīng)濟有效地采取預(yù)防對策和控制措施，防止同類故障發(fā)生提供科學(xué)依據(jù)。3.3 最小割集最小割集能表明系統(tǒng)的危險性，每個最小割集都是頂事件發(fā)生的一種可能渠道。最小割集的數(shù)目越多，系統(tǒng)越危險。根據(jù)前面關(guān)于最小割集的原理，利用布爾代數(shù)算法，可以得到潛油電泵系統(tǒng)故障的最小割集 19 組。具體如下所示：E1 = X01， X02， X03E2 = X01， X03， X04， X35， X16， X1 7， X1 8， X1 9， X20， X21E3 = X36， X37E4 = X01， X03， X04， X38， X16， X1 7， X1 8， X1 9， X20， X21E5 = X01， X39E6 = X03， X04， X14E7 = X04， X15E8 = X04， X05E9 = X01， X06， X16， X17， X18， X1 9， X20， X21E10= X01， X07E11= X04， X10， X22E12= X03， X25E13= X23E14= X31E15= X05， X26， X27E16= X09， X10， X11E17= X32E18= X33E19= X01， X05故障樹定性分析的目的是求出故障樹的全部最小割集，它反映了系統(tǒng)的全部故障模式，其中發(fā)生概率最大的故障模式就是其薄弱環(huán)節(jié)。從中可以看出，泵卡、頻繁啟停泵、電纜等線路的施工及起下電纜損傷、電網(wǎng)故障、分離器吸入口堵塞、泵軸斷裂和油管漏等都是導(dǎo)致潛油電泵系統(tǒng)故障的最主要原因。3.4 潛油電泵故障樹結(jié)果分析前面關(guān)于潛油電泵系統(tǒng)所作的故障樹分析：通過對故障樹的定性分析，共求出了 19 組最小割集，它反映了系統(tǒng)全部的故障模式，其中發(fā)生概率最大的主要是電機燒毀、電纜損傷、頻繁啟停泵、潛油泵軸斷裂、運輸施工損傷等。再根據(jù)結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)排序，我們可以看出在眾多底事件當(dāng)中，環(huán)境影響、含砂量過大、泵振動過大和運輸施工損傷是故障的主要因素。而最后通過分別使用常規(guī)方法和模糊數(shù)學(xué)的方法對故障樹的定量計算，就更能清晰地看出潛油電泵系統(tǒng)和各基本事件的可靠度及其波動范圍，更好的掌握電泵機組的工作狀況。4 本文總結(jié)針對目前潛油電泵研究領(lǐng)域的薄弱環(huán)節(jié)，本文從系統(tǒng)的角度進行分析，對潛油