一种压裂泵健康状态监视系统及方法与流程

本发明涉及石油压裂作业技术领域，尤其涉及一种压裂泵健康状态监视系统及方法。

背景技术

在水力压裂作业中，利用压裂液传导压力的作用，将地层压开，形成数条裂缝，从而达到增产增注的目地，压裂泵是实现这一目地的核心设备。针对压裂施工的工况，要求压裂泵具备压力高、排量大、耐腐蚀及耐磨性强的特点，这使得压裂泵的零部件容易磨损，需要频繁更换。零部件频繁更换会增加替换零件的额外成本以及用于安装替换零件操作的额外时间。

技术实现要素：

为了解决压裂泵零部件频繁更换增加的额外成本和安装替换零件操作的额外时间的不利影响，本发明提供一种压裂泵健康状态监视系统，实时监控压裂泵运行状态，根据压裂泵运行状态对泵进行检修，降低维护保养频次，提高泵阀体配件使用效率，减少维护费。

具体的，一种压裂泵健康状态监视系统，其特征在于，包括位置传感器、应变仪、计算设备和显示设备，所述位置传感器、所述应变仪均连接所述计算设备，所述计算设备连接所述显示设备；

所述位置传感器用于检测各个柱塞的实时位置，输出表示各个柱塞实时位置的传感信号；

所述应变仪用于检测液力端每个缸的应变，输出表示液力端每个缸的应变的传感信号；

所述计算设备包括信号采集模块、处理器、存储器，所述信号采集模块为多个，分别连接所述位置传感器、所述应变仪，用于接收传感信号；

所述处理器与所述信号采集模块连接，用于根据位置传感器和应变仪的传感信号计算并确定各阀门的活动状态的临界值，判断各阀门的工作状态，工作异常时发出报警；

所述存储器与所述处理器连接，用于存储传感数据和各阀门的工作状态数据；

所述显示设备用于显示压裂泵运行状态及生成的报警信息。

优选地，所述位置传感器为接近开关或编码器。

优选地，位置传感器安装于压裂泵动力端曲轴处，通过确定曲轴的位置进而确定柱塞的实时位置。

优选地，所述位置传感器安装于临近柱塞运动路径处，直接监测柱塞的实时位置。

优选地，所述应变仪为电阻应变仪、光纤应变仪或半导体应变仪，所述应变仪安装于压裂泵液力端的外表面。

优选地，所述显示设备为pc电脑显示器、hmi触摸屏或高清数字电视。

优选地，所述显示设备还可发出报警声音。

本发明还提出一种压裂泵健康状态监视方法，其特征在于，包括如下步骤：

s1：计算设备接收位置传感器信号，计算各个柱塞的实时位置；

s2：计算设备接收应变仪信号及计算获得的柱塞位置信号，得到各个缸吸入阀和排出阀的动作点；

s3：通过柱塞的位置和各阀的动作点确定吸入阀及排出阀动作延迟；

s4：判断某一个或多各阀动作延迟出现异常，若是，转入步骤s5，若否，转入步骤s1继续监视；

s5：判断故障位置及故障级别，输出到显示器；

s6：判断是否结束监视，若是，输入s7，若否，转入s1继续监视。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明提出的压裂泵健康状态监视系统实时监控压裂泵运行状态，根据压裂泵运行状态对泵进行检修，降低维护保养频次，提高泵阀体配件使用效率，减少维护费。

（2）本发明提出一种压裂泵健康状态监视方法，通过监控压裂泵液力端缸内压力变化的趋势，配合对柱塞位置的监测，可以通过比较吸入阀和排出阀的动作延迟来判断压裂泵的运行状态，识别压裂泵的健康状态，进而为压裂泵的状态检修提供依据。

附图说明

图1是本发明提出的一种压裂泵健康状态监视系统结构示意图。

图2是压裂泵结构俯视图。

图3是压裂泵结构侧视图。

图4是位置传感器放置在临近柱塞运动路径处产生的脉冲信号。

图5是位置传感器放置在压裂泵动力端曲轴处产生的角度信号。

图6是放置在液力端外表面的应变仪获得的应变信号。

图7是吸入阀和排出阀阀动作与应变信号和位置信号之间的关系。

图8是本发明提出的一种压裂泵健康状态监视方法流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

本发明提出的一种压裂泵健康状态监视系统的实施例如图1所示。压裂泵健康状态监视系统，包括位置传感器、应变仪、计算设备和显示设备，位置传感器、应变仪均连接计算设备，计算设备连接显示设备；位置传感器用于检测各个柱塞的实时位置，输出表示各个柱塞实时位置的传感信号；应变仪用于检测液力端每个缸的应变，输出表示液力端每个缸的应变的传感信号；计算设备包括信号采集模块、处理器、存储器，信号采集模块为多个，分别连接位置传感器、应变仪，用于接收传感信号；处理器与信号采集模块连接，用于根据位置传感器和应变仪的传感信号计算并确定各阀门的活动状态的临界值，判断各阀门的工作状态，工作异常时发出报警；存储器与处理器连接，用于存储传感数据和各阀门的工作状态数据；显示设备用于显示压裂泵运行状态及生成的报警信息。

本发明提出的一种压裂泵健康状态监视系统监测原理如下：

压裂泵结构如图2、3所示，压裂泵主要由动力端、液力端及旋转总成组成。动力端由电动机提供动力，由电动机和传动箱组成；液力端由五个缸组成，通过每个缸吸入排出压裂液；旋转总成由一个曲轴，多个连杆、十字头、柱塞及相关连接结构件组成，曲轴位于压裂泵后端，通过连杆和十字头与液力端每个缸的柱塞相连。

压裂泵液力端的每个液缸一个单独的柱塞，通过连杆和十字头机械地连接到曲轴上，同时，每个液缸还包括一个吸入阀和排出阀，曲轴驱动柱塞在缸内直线往返运动，使得液体从吸入阀吸入缸内，从排出阀排出。例如，柱塞缩回，一部分吸力用来打开吸入阀，同时，允许液体进入缸内，在这个过程中，液体从相应的吸入管汇被吸入到每个缸内，从而填补柱塞在缸内缩回留下的空间，排出阀处于关闭状态。在某些情况下，这一过程是压裂泵液缸内减压的一个过程。另一种情况，如柱塞伸出进入缸内，随着柱塞深入缸内，液体被加压，在此期间，吸入阀关闭，允许对液体加压，迫使排出阀打开，液体从缸内排出进入相应的排出管汇。当缸内压力不足以支撑排出阀打开状态，排出阀关闭。由此，柱塞在液缸内往复运动，相应的吸入阀和排出阀循环打开和关闭。

监控系统包括一个或多个位置传感器来测量曲轴的位置，通过测量曲轴的位置进而确定每个柱塞在液缸内的位置，位置传感器可以放置在压裂泵的外面，例如，如图2所示，在曲轴外面放置一个位置传感器来测量曲轴的位置。

图4和图5描述的是压裂泵运行期间，由位置传感器得到的曲轴位置信号，位置信号在显示单元上显示。图4描述的是位置信号是一以横坐标为时间（单位为毫秒）的脉冲信号，传感器放置在临近柱塞运动路径处，测量柱塞在缸内的实际位置，通过换算，该信号也可以代表曲轴的位置。图5描述的是位置信号是一以横坐标为时间（单位为毫秒）的角度信号，传感器放置在压裂泵动力端曲轴处，测量曲轴的旋转位置，通过换算，该信号也可以代表柱塞在缸内的实际位置。例如，计算设备确定柱塞位置的参考点柱塞完全伸出和柱塞完全缩回，其中，图4和图5中的柱塞完全伸出参考点相对应，表示柱塞抽离液缸最近位置，图4和图5中的柱塞完全缩回参考点相对应，表示柱塞抽离液缸最远位置，柱塞完全伸出参考点与柱塞完全缩回参考点之间的距离表示柱塞在缸内一个行程的完成长度。

图4中，处理器可以直接由脉冲信号确定参考点，也可以通过其他关联位置信号（如编码器角度信号）确定，通常，曲轴和柱塞运动之间的关系是确定的。

图5显示了一个位置信号，横坐标为时间（单位为毫秒），纵坐标为曲轴旋转角度（单位为°）。通常，该位置信号可以通过位于曲轴边的位置传感器获得。

通过检测液力端每个液缸内压力或应力的变化，能够确定液缸内吸入阀和排出阀的活动状态。监控系统可采用应变仪来测量液缸内的应变，应变仪放置在液力端外表面，甚至每个缸都有一个单独的应变仪来测量液缸内的应变。

图6描述的是一个应变信号，通过放置在液力端外表面的应变仪获得。每个应变仪可以产生一个对应液缸的应变信号，在压裂泵运行期间，吸入阀和排出阀动作引起液缸内压力变化，计算设备执行存储在内存器中的指令，根据每个缸的应变信号确定吸入阀和排出阀的动作点，动作点代表阀开启和关闭动作及计算动作过渡时间。例如，吸入阀关闭时，缸内的液体压缩，缸内压力增大，直至排出阀打开，当排出阀打开时，压力恒定直至排出阀关闭，缸内压力减小，直至吸入阀重新打开，在这一循环过程中，根据应变信号的变化，描述吸入阀和排出阀的动作过程及状态。

通常，利用位置传感器的测量值和应变仪的测量值来确定压裂泵液力端每个缸的吸入阀和排出阀的动作延迟，来识别各阀体的动作是否正常。

图7描述的是吸入阀和排出阀阀动作与应变信号和位置信号之间的关系，在显示器上显示。图中，动作点和柱塞位置参考点之间的时间表示压裂泵液缸吸入阀和排出阀动作（打开和关闭）延迟。例如，图7中的应变信号中标出吸入阀和排出阀的动作点分别为排出阀关闭、吸入阀打开、吸入阀关闭、排出阀打开，同时，参照图4和5中描述的柱塞位置参考点，在吸入阀关闭和柱塞完全缩回参考点之间的时间表示吸入关闭延迟，打开排出阀和柱塞完全缩回参考点之间的时间表示排出阀打开延迟，同样，排出阀关闭和柱塞完全伸出参考点之间的时间表示排出阀关闭延迟以及吸入阀打开和柱塞完全伸出参考点之间的时间表示吸入阀打开延迟。

在本系统中，处理器通过比较吸入阀和排出阀的动作延迟来判断压裂泵的运行状态。例如液力端缸内减压过程中，处理器对比每一个液缸内排出阀关闭动作延迟来确定排出阀关闭延迟时间正常值，当某一个或多个延迟值偏离正常值，表示对应的液缸有故障，同样，对比吸入阀打开动作延迟判断液缸是否有故障。同理，在液力端缸内加压过程中，处理器对比排出阀的打开延迟和吸入阀的关闭延迟确定液缸是否有故障。液缸故障通常由液缸内存在空气泡引起的故障和阀体损坏（阀体密封损坏引起的泄漏或弹簧等配件引起的阀体开关动作不了灵敏）引起的故障。

位置传感器可以是一个传感器或一组传感器，可以是接近开关，也可以是编码器。位置传感器放置在压裂泵动力端曲轴处，确定曲轴的位置，也可以放置在临近柱塞运动路径处，监控柱塞的运动，柱塞的运动与曲轴的旋转有确定的关系。位置传感器产生一个信号，代表曲轴的位置或柱塞的位置，传输到计算设备中。

应变仪放置在压裂泵的液力端。图1中的应变仪为三个或三个以上的应变仪来确定压裂泵每个缸的应变。应变仪可以是电阻应变仪、光纤应变仪、半导体应变仪等，包括上述各种应变仪，但不限于上述各种应变仪。应变仪可以放置在压裂泵液力端的外表面，在此位置测量每个缸的应变情况。应变仪的安装位置可以通过工程估算确定，也可以通过有限元分析或其他一些分析确定，例如，通过有限元分析可以直观地得到液力端各个部位的受力情况。应变仪产生应变信号表示各个缸的应变情况，并传输到计算设备中。

计算设备包括一个处理器、若干信号采集模块和一块存储器（或内存）。处理器执行指令，包括一个或多个操作来确定压裂泵液力端各个阀门的运行状态，指令存储在存储器内。例如，计算设备接收位置传感器和应变仪的信号，从信号中提取数据存储在存储器中，处理器执行指令读取数据，计算并确定各阀门的活动状态的临界值，信号采集模块持续实时采集数据，用于识别液力端各阀运行的状态。处理器得到的结果信息通过显示单元显示，显示单元可以是任何pc电脑显示器或hmi触摸屏，也可以是高清数字电视，显示界面除了图形显示压裂泵运行状态及生成的报警信息，还可以包括音频信号，当压裂泵液力端阀体出现异常时，发出报警声音。

显示设备显示处理器得到的结果信息，结果信息包括压裂泵液力端液缸各阀体的运行状态，使用寿命，kpi（关键业绩指标）分析，显示单元可以是任何pc电脑显示器或hmi触摸屏，也可以是高清数字电视，显示界面除了图形显示压裂泵运行状态及生成的报警信息，还可以包括音频信号，当压裂泵液力端阀体出现异常时，发出报警声音。除上述内容外，显示设备还包括对传感器数据和压裂泵数据的操作，包括历史数据查看，数据导入导出功能。

图8为本发明提出的一种压裂泵健康状态监视方法流程图，包括如下步骤：

s1：计算设备接收位置传感器信号，计算各个柱塞的实时位置；

s2：计算设备接收应变仪信号及计算获得的柱塞位置信号，得到各个缸吸入阀和排出阀的动作点；

s3：通过柱塞的位置和各阀的动作点确定吸入阀及排出阀动作延迟；

s4：判断某一个或多各阀动作延迟出现异常，若是，转入步骤s5，若否，转入步骤s1继续监视；

s5：判断故障位置及故障级别，输出到显示器；

s6：判断是否结束监视，若是，输入s7，若否，转入s1继续监视；

s7：结束。

本系统通过监控压裂泵液力端缸内压力变化的趋势，识别压裂泵的健康状态。处理器从每个缸的应变仪获得应变信号，通常，监控系统至少包括三个应变仪。应变仪放置在液力端外表面，压裂泵工作时，产生一个应变信号表示相对应缸的应变。应变信号描述每个缸内吸入阀和排出阀的动作过程，与之相对应的是柱塞在缸内的运动过程。

需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，的存储介质可为磁碟、光盘、rom、ram等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。