0、引言
潜油螺杆泵采油系统是4大机械采油方式之一，它以其高效率、低能耗、占地面积小、安装方便、适宜于高粘度（5000cp值以上）、高含沙量（5%以上）油井作业等优点而备受广大石油科技工作者青睐。但是，由于材料和一些关键部件设计制造水平不过关，这项采油技术在我国一直没有投入应用，1998年笔者与某油田合作，成功地将该项技术成果投人生产试运行，近两年系统的运转结果表明，其各项技术指标均达到甚至超过预期要求。
这套采油系统投入生产后与其他采油设备一样面临的一个重要问题就是在线状态监测。由于它的结构特点所致，一旦某个零件或部件出现问题，可能产生故障传播现象导致其他零部件受损或使其使用寿命受到影响，为了将损失控制在最小范围内，必须对其进行在线状态监测，对系统出现的问题实时作出反应。
目前我们采用的办法是变频控制，但是它保护的只是电机，对故障传播响应的速度不是太快，按照笔者的思路最好的办法是将系统正常运转时的井口输出振动信号采集下来，做一个样本，然后在线、实时采集系统工作时的振动输出信号与样本进行比较，以此来判别系统是否有故障以及故障出现的位置。
对这种系统进行基于振动信号的状态判别与其他系统比较还有很大差异，就目前的一般机械系统状态监测而言，各种信号传感器通常可以置放于被监测对象本体或附近，采集出的信号反映出的问题相对比较真实，而对于潜油螺杆泵采油系统来说，其机械部分整体被置于1500m以下的油井中，在其模块化部件上安置传感器是不太现实的，而能够采集的信号一是油温，二是电机的电流、电压，三是在井口壁上安放位移传感器采集振动信号。油温反映系统的状态效果不太明显，来自于变频器的电流、电压的效果我们前面讨论过，本文旨在从振动信号作切人点，进行远距离信号颤别来进行在线状态监测。因为不管该采油系统哪一部分出现故障，其以井壁为媒体的振动信号的输出肯定会出现差异，这种差异就是我们确定监测模型和监测系统构成的根本所在。
1、潜油螺杆泵采油系统的结构、常见故障及输出信号的影晌因素
潜油螺杆泵采油系统的结构采用模块化设计，自下而上由下面5部分组成：
（1）潜油电机；（2）减速器；（3）皮囊保护器；（4）联轴体；（5）螺杆泵
生产试运行结果显示，系统的常见故障如下：
（1）在联轴体内的推力偏心轴承破碎；
（2）联轴体内的密封件密封功能失效，导致原油中的砂粒下泄、堆积，使减速器不能正常运转；
（3）减速器内的齿轮断齿或由于胶合磨损而失效；
（4）减速器内行星架上的滚针轴承破裂；
（5）联轴体内的主轴与滑动轴承干摩擦导致滑动轴承或主轴表面严重烧伤，运转不正常；
（6）皮囊保护器皮囊破碎；
（7）联轴体推力轴承以下部位的润滑油蒸发或泄漏，导致一些零件干摩。
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以上仅列举几种主要情形供参考，这些并不能囊括可能出现的全部故障。事实上，系统还有一些其他常见故障如电机烧毁或螺杆泵定子橡胶与原泊中的酸或碱反应而失效，但是这些因素不会导致故障传播，因而不在再我们考虑的范畴之列。除了系统自身故障导致的输出波形变化外，另外一些工况因素也会使初期的样本采集工作受到影响，这些影响因素是：
（1）系统下潜的深度；
（2）井下原油温度；
（3）原油有的粘度；
（4）井壁材料；
（5）原油中的含砂量；
（6）原油液面的位置；
（7）原油中的水油比例。
2、在线状态监测的基本原理
潜油螺杆泵采油系统在线状态监测系统的功能如图1所示。
由该图可知，整个监测系统采取的主要技术手段如下：采集标准信号并建立标准信号样本库；建立基于知识的信号比较分析单元；信号的压缩技术与信号的传输技术。
2.1标准信号的采集与样本库的建立
这里所说的标准信号是指设备正常运转时从井口壁上输出的信号，当整套设备下井经过10天左右的跑合后，趋于正常运转，这时我们采集到的信号的特征是无太大的脉冲的，即使有脉冲，也有固定的周期，非常规律，这一点已经过现场试验证明，我们将这样的信号取出，经过处理后附上编号存入样本库，作为日后比较的参照物。样本库的功能与一般专家系统中的数据库功能无太大差异，这里要强调说明的是，这样的样本不是一成不变的，随着时间的推移、设备的磨损、井下工况的变化，输出的信号必然发生变化，但是只要不出现波形畸变，仍视设备运转正常，不过这时要对样本库中的内容进行更新。按照我们目前现场试验所摸的规律，设备运行一个月更新一次为宜，设备运行5个月后，适当缩短更新周期为20天。
2.2信号的分析与征兆提取
该项技术是整个监测系统的核心技术，它采用的是专家系统中推理机与知识库综合作用的原理，但由于它的比较对象的本质不同于一般专家系统中推理机作用的对象，所以采用的技术手段也有差异。我们这里所做比较的关键有3方面：（1）比较一个周期内被监测信号所产生的畸变脉冲次数；（2）脉冲的幅值；（3）周期内脉冲信号的规则性，综合这3项因素进行比较来判断采油系统所处的状态。通过长时间的摸索、特征信号的积累，不仅可以判别故障的有无，而且可以诊断出哪一部分出现故障。
通常将由工作设备实测到的信号分为平稳信号和非平稳信号两大类：
（1）平稳信号的故障征兆
对于平稳信号，在对信号处理后所得到的频谱中，包含了大量反映设备工作状态的征兆信息，它们的数值与相互之间的比例关系往往可以表征设备是否正常运行及故障的类别和部位。下面简要列出常用的征兆：
SI——1倍频成分大；S2——2倍频成分大；
S3——3倍频成分大；S4——低频成分大；
S5——高频成分大；
S6——1倍频大于2倍频；
S7——1倍频小于2倍频；
S8——顿谱呈纵树形；
S9——轴向振动大。
（2）非平稳信号的故障征兆
小波分析由于可在时一一频域内局部变化，故可监测到突变信号。信号的小波变换的模在信号的突变点取局部极大值，随分辨尺度的增大，噪声引起的极值成份迅速减小，而故障引起的极大值点得以显露。
另外，由于信号中含有突变成分，其频域表现为宽带形式，因此不能采用全程滤波，而小波变换可以做到在突变区外滤波，不在突变区内滤波，改为上下各阶小波系数的一致性处理。
2.3数据压缩与传输
本文所提到的监控网上的传输信息是多媒体信息，这种信息在远距离传输时占用的频带宽，损耗大，运营成本昂贵，解决这一问题的有效办法是信号的数字化。实际上，数字化后的信号资源占用量也是十庞大的，我们综合了Intel公司推出的Idea技术、美国Pictumtel公司推出的SG4技术、CLI公司推出的CXT++技术，这些技术可将视频信息压缩约1.4MB/s的纯数据流，用专线网传输保证信号的可靠度，并提高了系统运行效率。
故障信息的载体有数据信号、视频信号、音频信号及控制信号等，不同的信号有不同的传输特征和要求，它们要借助于通信网络进行传输，但并非所有的信道均可满足对压缩后监测信号的传输要求，为了保证信号的失真度控制在3.5%以下，并且具有动态实时性，我们采用了综合业务数字网（ISDN），它的数码传输率在384KB/s以上，提供了比普通电话网传输速度快，容量更大，质量更高的信息通道，并可以与InterNet网相连，为日后系统的扩充奠定了坚实的基础。
2.4状态监测系统的构成
振动信号采自机组地面部分。拾振器为丹麦B&K公司生产的DeltaShare型加速度计，该类型传感器对野外环境具有很好的适应性，并能长时期保持工作稳定，从而使测得的信号比较可靠；加速度计产生的信号经电荷放大器放大后输入B&K2144型便携式双通道实时频谱分析仪进行初步分析，并可与存储在分析仪内的标准信号进行比较，若发现问题，可将信号通过IEEE-488并口从网络传给远程计算机或存储在磁盘内带回再输入计算机，利用B&K3560分析系统及自行开发的故障诊断专家系统作进一步的详细分析，并决定是否采取相应的措施对发现的故障进行处理。
3、结束语
基于振动信号对潜油螺杆泵采油系统进行在线状态监测这种思维框架经过笔者对8套采油设备的实践，取得了预期的效果。由于这种监测是对被监测对象的远距离感应，即传感器不能置放在被监测体上，使得这种监测技术的研究在监测与故障诊断研究领域中独具特色，相信该项技术的研究成果会对丰富发展故障诊断学科起重要作用。另外，这种监测系统还有如下优点：
（1）它利用了现代信息的传播工具——网络，可以缩短监测信息的收集时间，可以加速信息采集站——控制站——观察站——诊断站——行动站之间的通讯联系，迅速地控制故障传播，同时可以将监测情况实时反馈给采油设备的制造商；
（2）它采用了专家系统的运作模式设计软硬件平台，便于获取、积累、继承、利用多方面的知识去采集、分析采油系统的输出信息，对振动信号所载的信息特征进行准确有望在别、对号。
这种基于获取远距离传播的振动信号来对采油设备进行状态监测的网络系统涉及的学科知识面很广，细节问题多，偶然影响因素多，本文对此还仅仅是尝试，一些具体的理论和技术还有待进一步深入探讨，笔者希望借此机会引起故障诊断领域的广大同行关注，以使这项技术早日服务于石油开采业。
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