页岩气压裂泵故障模拟实验平台的制作方法

本申请涉及页岩气压裂泵状态监测与故障诊断技术领域，尤其是涉及一种页岩气压裂泵故障模拟实验平台。

背景技术：

随着先进压裂技术的不断发展，我国页岩气的开发利用逐步走向工业化、规模化。其中，大型水力压裂技术是页岩气储层改造与增产的关键。压裂柱塞泵作为压裂车的关键设备之一，在压裂施工作业中的地位是非常重要的。其主要作用是将常压下一定粘度的压裂液转化为高压、大流量的压裂液以用于注入到地层，其性能的好坏直接影响油田压裂施工作业的技术水平。当前，我国的压裂泵产品正朝着高压、大排量和多功能性能的方向发展，其安全性与可靠性也日益受到人们的关注。其中，压裂泵及相关设备(泵注系统)健康状态的实时评估、退化趋势的准确预测、异常/故障工况的及时诊断对确保压裂作业的安全、经济、高效具有深远的意义。

目前，关于压裂泵监测及诊断的难点在于：1、恶劣苛刻工况下压裂装备及生产现场的监测、诊断不适宜布置大量、精密采集设备；2、现场工程进度紧，危险源多，不适宜技术人员进行实验性工作；3、传统诊断方法单一信息来源或标准得出的设备性能退化评价结果缺乏整体性、动态性、可调整性。

有鉴于此，目前亟需建立以压裂柱塞泵为主体的实验平台。

技术实现要素：

本申请实施例的目的在于提供一种页岩气压裂泵故障模拟实验平台，以用于页岩气压裂泵故障模拟实验。

为达到上述目的，本申请实施例提供了一种页岩气压裂泵故障模拟实验平台，包括：

压裂泵，

运行参数监测模块，其包括多个用于监测所述压裂泵的不同运行参数的传感器；

中央控制器，用于基于运行参数控制所述压裂泵的运转；

振动信号监测模块，用于采集所述压裂泵上指定测点位置的振动信号；

热像信号监测模块，用于采集所述压裂泵在工作时的热成像信号。

本申请实施例的页岩气压裂泵故障模拟实验平台，所述压裂泵包括柱塞泵。

本申请实施例的页岩气压裂泵故障模拟实验平台，所述柱塞泵设备还包括水箱，所述水箱的输出端与所述柱塞泵设备的泵头体的低压吸入端相连，所述泵头体的高压输出端与所述水箱的第一输入端相连，所述水箱的第二输入端与外供水源的输出端相连。

本申请实施例的页岩气压裂泵故障模拟实验平台，所述泵头体的低压吸入端设有合流三通阀，所述合流三通阀的第一输入端与所述水箱的输出端相连，所述合流三通阀的第二输入端连接所述外供水源的输出端；所述泵头体的高压输出端设有分流三通阀，所述分流三通阀的第一输出端与所述水箱的第一输入端相连，所述分流三通阀的第二输出端连接排出口。

本申请实施例的页岩气压裂泵故障模拟实验平台，所述运行参数监测模块至少包括：

吸入流量传感器；

输出流量传感器；

输出压力传感器；

润滑油油温传感器；

润滑油油压传感器。

本申请实施例的页岩气压裂泵故障模拟实验平台，所述吸入流量传感器包括设置于所述水箱的第二输入端的输入流量计；所述输出流量传感器包括设置于所述泵头体的高压输出端的输出流量计；所述输出压力传感器设置于包括所述泵头体上的压力表。

本申请实施例的页岩气压裂泵故障模拟实验平台，所述页岩气压裂泵故障模拟实验平台还包括：

存储模块，用于保存所述运行参数，以提供给上位机处理；

相应的，所述振动信号监测模块采集的振动信号，以及所述热像信号监测模块采集的热成像信号用以提供给所述上位机处理。

本申请实施例的页岩气压裂泵故障模拟实验平台，所述页岩气压裂泵故障模拟实验平台还包括：

参数显示模块，用于在所述中央控制器的控制下实时显示所述运行参数。

本申请实施例的页岩气压裂泵故障模拟实验平台，所述振动信号监测模块包括无线振动传感器。

本申请实施例的页岩气压裂泵故障模拟实验平台，所述热像信号监测模块包括红外热像仪。

由以上本申请实施例提供的技术方案可见，本申请实施例的页岩气压裂泵故障模拟实验平台可以模拟压裂泵整体性机械、动力、液路等方面的特征，其采集得到的实验数据更贴近生产实际。而且，本申请实施例的页岩气压裂泵故障模拟实验平台可采集压裂泵的多种运行参数，从而提供了丰富的多元监测信息，避免了基于单一信息来源诊断结果的片面性与局限性。不仅如此，本申请实施例的页岩气压裂泵故障模拟实验平台还可以通过拆装、破坏相应零部件，以及调整相应控件，来模拟多种压裂场景下的设备异常/故障，进而采集异常/故障数据。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本申请一实施例中页岩气压裂泵故障模拟实验平台的结构框图；

图2为本申请另一实施例中页岩气压裂泵故障模拟实验平台的结构框图；

图3为本申请一实施例中柱塞泵设备与水箱的结构示意图；

图4为本申请一实施例中柱塞泵设备的振动测点分布图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。例如在下面描述中，在第一部件上方形成第二部件，可以包括第一部件和第二部件以直接接触方式形成的实施例，还可以包括第一部件和第二部件以非直接接触方式(即第一部件和第二部件之间还可以包括额外的部件)形成的实施例等。

而且，为了便于描述，本申请一些实施例可以使用诸如“在…上方”、“在…之下”、“顶部”、“下方”等空间相对术语，以描述如实施例各附图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件之间的关系。应当理解的是，除了附图中描述的方位之外，空间相对术语还旨在包括装置在使用或操作中的不同方位。例如若附图中的装置被翻转，则被描述为“在”其他元件或部件“下方”或“之下”的元件或部件，随后将被定位为“在”其他元件或部件“上方”或“之上”。

参考图1所示，本申请实施例的页岩气压裂泵故障模拟实验平台可以包括压裂泵、运行参数监测模块、中央控制器、振动信号监测模块和热像信号监测模块。运行参数监测模块可以包括多个用于监测所述压裂泵的不同运行参数的传感器；中央控制器可用于基于运行参数控制所述压裂泵的运转；振动信号监测模块可用于采集所述压裂泵上指定测点位置的振动信号；热像信号监测模块可用于采集所述压裂泵在工作时的热成像信号。

本申请实施例的页岩气压裂泵故障模拟实验平台可模拟压裂泵运行过程中常见的异常工况及故障情况(例如振动、发热等)，监测多种运行参数，这些异常工况及故障情况以及运行参数可提供给上位机，以便于上位机可融合多种异常信息得出诊断结果，进而形成诊断标准，而这些诊断标准则可以作为压裂泵健康状态评价、运行状态监测及故障诊断的参考依据。其中，上位机可以是配置有页岩气压裂泵故障分析处理软件的计算机。

本申请一实施例中，所述压裂泵可以包括但不限于柱塞泵设备等。例如图3所示，在一示例性实施例中，所述柱塞泵设备可以包括变频电机、与变频电机相连的传动箱(或其他传动机构)、与传动箱相连的动力端、与动力端相连的柱塞缸、与柱塞缸相连的泵头体以及一些管路和阀门等。除此之外，所述柱塞泵设备还可包括水箱，所述水箱的输出端可与所述柱塞泵设备的泵头体的低压吸入端相连，所述泵头体的高压输出端可与所述水箱的第一输入端相连；所述水箱的第二输入端可与外供水源的输出端相连。所述泵头体的低压吸入端可设有合流三通阀，所述合流三通阀的第一输入端可与所述水箱的输出端相连，所述合流三通阀的第二输入端可连接所述外供水源的输出端；所述泵头体的高压输出端可设有分流三通阀，所述分流三通阀的第一输出端可与所述水箱的第一输入端相连，所述分流三通阀的第二输出端可连接排出口。

在图3所示的柱塞泵设备中，变频电机为动力源，变频电机的运行受集成于所述中央控制器上的变频电机控制器的控制。泵头体的低压吸入端的水源可以有两种：(1)外供水源(直接接入吸入端)；(2)水箱水源(外供水源先进入水箱再由水箱流向吸入端)。同样，泵头体的高压输出端可以有两种输出途径：(1)外部空间(即通过排出口直接排向外部)；(2)水箱(高压流体经由水箱的第一输入端进入水箱)。因此，在本实施例中，水箱可有两种用途：(1)循环降压。低压流体由水箱流向泵头体的低压吸入端，经柱塞泵增压后，以高压流体形式回流进入水箱，再以低压流体形式流向泵头体的低压吸入端，实现流体循环。此种情形下，水箱起减速、降压、存蓄作用。(2)独立供水。外供水源先进入水箱，再由水箱流向泵头体的低压吸入端，经柱塞泵增压后，泵头体的高压输出可直接排出高压流体至外部空间(而不回流水箱)，即不实现流体循环。此种情形下，水箱起存蓄、隔离作用，从而可将吸入端流量与输出端流量作独立观测处理。

本申请一实施例中，所述运行参数监测模块可以至少包括以吸入流量传感器、输出流量传感器、输出压力传感器、润滑油油温传感器和润滑油油压传感器中的一部分或全部，以监测相应的运行参数(吸入流量、输出流量、输出压力、润滑油油温和润滑油油压)。这些传感器根据需要可安装于柱塞泵设备的任何合适位置。例如润滑油油温传感器和润滑油油压传感器可内置于柱塞泵设备的柱塞缸内；吸入流量传感器可以为设置于所述水箱的第二输入端的输入流量计；输出流量传感器可以为设置于所述泵头体的高压输出端的输出流量计；所述输出压力传感器可以为设置于所述泵头体上的压力表。

本申请一实施例中，结合图2所示，所述页岩气压裂泵故障模拟实验平台还可以包括参数显示模块。参数显示模块可用于在所述中央控制器的控制下实时显示所述运行参数，以便于现场观察。此外，根据需要，诸如变频电机运行频率等其他数据也可以输出显示于所述参数显示模块上。

在一示例性实施例中，所述参数显示模块例如可以为液晶显示屏等，本申请对此不做限定。

本申请一实施例中，请继续结合图2所示，所述页岩气压裂泵故障模拟实验平台还可以包括存储模块，以用于保存所述运行参数，从而提供给上位机处理；在一示例性实施例中，所述存储模块例如可以为可移动存储模块，例如移动硬盘、usb盘或各种记忆卡等。相应的，所述振动信号监测模块采集的振动信号，以及所述热像信号监测模块采集的热成像信号同样可提供给所述上位机处理。

本申请一实施例中，所述振动信号监测模块可以为多个且可安装于不同测点位置上，以实现压裂泵的动力端振动监测和液力端振动监测。在一示例性实施例中，结合图3所示，所述振动信号监测模块可以为六个，其可分别安装于柱塞泵设备的动力端壳体测点、动力端主轴两端的轴承测点、柱塞缸测点、泵头体测点、泵头体输出端测点上(各测点请详见图4中的黑色圆点位置)。本申请一实施例中，所述振动信号监测模块可以采用无线振动传感器，以避免有线传感器仪器带来的线路铺设问题。

本申请一实施例中，所述热像信号监测模块例如可包括红外热像仪。所述红外热像仪可根据监测需要及现场环境选取架设位置及拍摄角度。

本申请实施例的页岩气压裂泵故障模拟实验平台的研究对象可以为任何现有压裂泵，尤其是小型实体柱塞泵。本申请实施例的页岩气压裂泵故障模拟实验平台可以模拟压裂泵整体性机械、动力、液路等方面的特征，其采集得到的实验数据更贴近生产实际。而且，本申请实施例的页岩气压裂泵故障模拟实验平台可采集压裂泵的多种运行参数，从而提供了丰富的多元监测信息，避免了基于单一信息来源诊断结果的片面性与局限性。不仅如此，本申请实施例的页岩气压裂泵故障模拟实验平台还可以通过拆装、破坏相应零部件，以及调整相应控件，来模拟多种压裂场景下的设备异常/故障，进而采集异常/故障数据。

下面以柱塞泵为例，介绍本申请实施例的页岩气压裂泵故障模拟实验平台的实验过程。

在实验前可首先选择水路循环模式：循环水路或非循环水路。选择时应基于两项考虑，一是水源供应水平，二是实验环境要求。如实验场所可提供持续稳定的外供水源，且周边环境允许排放高压水(或有足够条件铺设较长管路输送至其它地区排放)，则可选择非循环水路。如实验场所空间狭小，不适宜排放高压水，且无稳定外供水源，则可选择循环水路。其中，选择循环水路模式时，则应在水箱中预先灌入足够水量。

选定水路循环模式后，可启动各模块/装置，在参数显示模块可查看到采集的运行参数等数据，并可根据实际需求，可在上位机端通过与页岩气压裂泵故障模拟实验平台的中央控制器通讯来设置运行参数监测模块等的参数。此外，根据监测需求及现场环境选择热像信号监测模块的架设位置，连接相关数据线及电源线，在上位机端可查看到热像仪拍摄内容。

上述准备工作完毕后，启动变频电机，运行频率维持在较低频率，调整管路阀门使设备运行平稳。待流量、压力示数稳定后，可根据实验需求调整运行频率，或其他故障模拟所需的参数、部件调整。其中，部分故障模拟实验如下：

1、调整电机运行频率对应多种工况并进行参数采集。即通过调整电机运行频率控制转速，模拟柱塞泵转速异常变化。如转速异常升高，转速异常降低，转速骤升，转速骤降等。提取电机参数变化工况下各参量的变化趋势或数值特征，有利于识别实际生产中正常操作造成的参数异常变化情况，避免误报警。

2、低转速条件下调整泵头体连接螺栓松紧度并进行各参数采集。即通过松动泵头体连接螺栓模拟泵头体异常跳动、刺漏、介质泄漏、密封失效等。在低转速条件下模拟泵头体连接螺栓松动实验有利于从液力端密封、配合角度解释泵机故障情况，避免泵头体异常引发的泵机不可修复性故障。

3、低转速条件下调整柱塞连接螺栓松紧度并进行参数采集。即通过调整柱塞连接螺栓松紧度模拟柱塞异常跳动、柱塞松脱、延迟往复等故障。在低转速条件下模拟柱塞连接螺栓松动实验便于从泵机内部结构、机械构造角度解释泵机异常/故障情况，避免柱塞故障引发的泵机不可修复性故障。此外，柱塞故障的关联参数表征较多，如柱塞缸壳振动信号、柱塞缸热像信号、输出压力、输出排量等，属泵机核心故障，掌握柱塞故障的参数表征，能够指导相关设备的故障诊断、预防维修等工作。

4、低压条件下控制泵头体的低压吸入管道或松动吸入接口并进行参数采集。即通过阀门调整或接口松动模拟吸入流体泄漏、设备吸空、流量降低等故障。对这一现象的仿真实验能够了解吸入不足工况下设备的运行情况及对各部件的影响。其中，吸入端泄漏可集中体现为输出端流量值、压力值异常下降，其它参数受影响程度尚待评估，则在低压工况下进行模拟试验能够掌握低效运行情况下泵机运行状态及各参数特征。

5、低压条件下控制高压排出管道或松动排出接口并进行参数采集。即通过阀门调整或接口松动模拟高压输出液体泄漏、喷溅、刺漏等。低压工况下进行模拟实验能够掌握输出端泄漏情况下设备运行情况及参数特征，且输出端泄漏集中体现为输出端压力值异常下降，其它参数受影响程度尚待评估，则在低压工况下进行模拟试验能够掌握除泄漏管材外其它零部件受影响情况。

6、调整密封圈各参数采集。即通过调换、破坏或其他方式使用不适宜的密封圈，模拟密封圈异常引发的故障并进行参数采集。对该类故障进行模拟实验能够了解不同位置密封件失效后对泵机工作状态的影响，通过采集相关数据并提取故障特征将有利于密封件失效故障的预警及诊断。

7、其它需要的实验内容。

实验完成后，关闭变频电机，使设备停止，关闭各处阀门。关闭各检查模块。排放水箱内的实验用水，将设备晾干，恢复。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个硬件中实现。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的模块或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种模块或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的模块或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。