無線傳感系統(tǒng)在石油井架承載能力計(jì)量中的應(yīng)用研究

劉金梅， 閆天紅， 周國強(qiáng)

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318）

無線傳感系統(tǒng)在石油井架承載能力計(jì)量中的應(yīng)用研究

劉金梅， 閆天紅， 周國強(qiáng)

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318）

為了解決現(xiàn)有石油井架實(shí)際測試中安裝繁瑣、測試精度低等不足，提出基于Wifi的無線應(yīng)力測試方法進(jìn)行在役石油井架承載能力評價(jià)。根據(jù)力學(xué)和電學(xué)理論，對應(yīng)變傳感器的工作原理進(jìn)行了分析，并討論了測試系統(tǒng)所使用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)承載性能評價(jià)時(shí)以無線測試獲得的實(shí)測應(yīng)力和結(jié)構(gòu)理論分析結(jié)果之間的殘差構(gòu)建優(yōu)化修正函數(shù)，并以某油田使用的在役井架為例進(jìn)行分析，結(jié)果表明應(yīng)用此方法可以取得滿意的結(jié)果，為有損傷在役石油井架的安全評定及狀態(tài)監(jiān)測提供了有效的方法和依據(jù)。

計(jì)量學(xué)；承載能力評價(jià)；無線測試；石油井架

1 引 言

石油鉆機(jī)用井架是勘查油氣儲(chǔ)藏和開采石油、天然氣等鉆井過程中的重要設(shè)備。利用靜、動(dòng)態(tài)實(shí)測數(shù)據(jù)來識(shí)別井架結(jié)構(gòu)參數(shù)是在役石油井架使用安全性評價(jià)的重要方面［1～3］，它的識(shí)別精度高低與否直接關(guān)系著后續(xù)基準(zhǔn)模型的建立、承載能力計(jì)量及使用安全性的綜合評價(jià)。傳統(tǒng)應(yīng)力應(yīng)變測試系統(tǒng)是一種有線測量系統(tǒng)，以應(yīng)變計(jì)為主要元器件，測試現(xiàn)場具體應(yīng)用時(shí)存在一定的問題，如：安裝繁瑣、測試導(dǎo)線布置和連接工作量大、測量精度易受導(dǎo)線長度和布線的影響、測試周期長、不能實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)與測試同步作業(yè)等［4，5］。為了彌補(bǔ)這些不足，需要尋求更精確可靠的測試手段和方法。本文研究了無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并將其應(yīng)用于石油井架井場測試中。

2 無線傳感系統(tǒng)

2.1 應(yīng)變傳感器工作原理

應(yīng)變傳感器是無線測試系統(tǒng)的核心部件。根據(jù)對傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理的分析表明，該傳感器的彈性敏感元件是如圖1所示的應(yīng)力環(huán)，應(yīng)力環(huán)是該傳感器的關(guān)鍵部位。

圖1 環(huán)形彈性敏感元件

傳感器的設(shè)計(jì)必須使應(yīng)力環(huán)中A、B兩點(diǎn)的最大應(yīng)力小于材料的彈性極限。

將應(yīng)力環(huán)A點(diǎn)（或B點(diǎn)）處截開，該截面處的內(nèi)力用x1、x2、x3表示，則有：

式中：δij為xj＝1時(shí)在xi方向上產(chǎn)生的位移，ΔiP為在力P作用下xi方向上產(chǎn)生的位移。根據(jù)位移互等定理，δij＝δji。

根據(jù)摩爾積分可求得：

式中：E為應(yīng)力環(huán)材料的彈性模量，J為應(yīng)力環(huán)截面抗扭慣性矩。

由此求得：

應(yīng)力環(huán)的剖截面是矩形，長為b，寬為h（如圖1所示）。如在截面A點(diǎn)處由內(nèi)力x1引起的內(nèi)應(yīng)力用σAN表示，彎曲應(yīng)力用σAM表示，有：

則A點(diǎn)處的最大應(yīng)力為：

截面B點(diǎn)處的最大應(yīng)力與A點(diǎn)相同。

應(yīng)力環(huán)上的應(yīng)變電阻R1、R2、R3和R4通過全橋接線方式實(shí)現(xiàn)，連接橋路型式如圖2所示。

圖2 應(yīng)變片連接橋路及在環(huán)中的粘貼位置

電壓輸出為：

由于是等臂電橋，其電壓輸出可表示為：

式中：U為供給電橋的電源電壓；K為電阻應(yīng)變片靈敏度系數(shù)；ε為彈性元件的應(yīng)變值；ΔRi為橋臂電阻增量，i＝1，2，3，4。

2.2 無線測試網(wǎng)絡(luò)

無線測試網(wǎng)絡(luò)的工作方式見圖3。電腦控制所有過程。電腦發(fā)送命令到基站，并自此開始，命令發(fā)送到系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)模塊。每個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊負(fù)責(zé)4個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集。移動(dòng)基站通過扮演“主方（電腦）和客方（STS-WIFI節(jié)電模快）中繼站的角色，提高系統(tǒng)效率。

其中無線連接網(wǎng)絡(luò)是WiFi數(shù)據(jù)傳輸形式［6，7］。WiFi俗稱無線寬帶，全稱為Wirless Fidelity，是IEEE定義的一個(gè)無線通信工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)，屬于短距離無線技術(shù)。無線接入和高速傳輸是WiFi的主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)無線網(wǎng)卡使用的標(biāo)準(zhǔn)不同，WiFi的速率也有所差別，其中IEEE 802.11b的最高速率為11 Mbps，IEEE 802.11a和IEEE 802.11g的最高速率為54Mbps。在信號(hào)較弱的情況下，其傳輸速率可以自動(dòng)調(diào)整，有效地保障了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。WiFi的覆蓋半徑可達(dá)100 m，相對于藍(lán)牙、zigbee技術(shù)覆蓋范圍更廣。

WiFi無線網(wǎng)絡(luò)是由AP（Access point）和無線網(wǎng)卡組成，組網(wǎng)方式非常簡單。AP一般稱為接入點(diǎn)或者網(wǎng)絡(luò)橋接器，它是傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)和無線局域網(wǎng)之間的橋梁。它的工作原理相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)置無線發(fā)射器的HUB或者路由，而無線網(wǎng)卡則是負(fù)責(zé)接收AP所發(fā)射信號(hào)的用戶端設(shè)備。通常將能搜索到WiFi網(wǎng)絡(luò)的地方稱為熱點(diǎn)區(qū)域，任何一個(gè)帶有WiFi無線網(wǎng)卡的終端進(jìn)入熱點(diǎn)區(qū)域，都可以通過AP高速接入互聯(lián)網(wǎng)。

圖3 無線網(wǎng)絡(luò)工作方式示意圖

3 石油井架結(jié)構(gòu)性能評價(jià)方法

3.1 基于模型修正的評價(jià)方法

以在役井架荷載試驗(yàn)為基礎(chǔ)的安全評估，由于受到測試技術(shù)和實(shí)際結(jié)構(gòu)的限制，只能獲得有限測點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)。測點(diǎn)數(shù)量少，荷載小，往往所測點(diǎn)的部位并不一定是在役鉆機(jī)井架損傷最嚴(yán)重的部位，單純依據(jù)這些測試數(shù)據(jù)不能全面徹底地反映結(jié)構(gòu)承載能力，也無法完備準(zhǔn)確地評定井架的使用安全性。因此需要建立基準(zhǔn)數(shù)值模型，本文考慮基于優(yōu)化的模型修正方法。

假定有限元模型和試驗(yàn)測得的應(yīng)力參數(shù)分別為σi和σ*i，將已知的p組測試參數(shù)作為狀態(tài)變量，相對誤差平方和作為目標(biāo)函數(shù)，有限元模型中一些不確定參數(shù)（如：幾何尺寸、剛度、邊界條件等）作為設(shè)計(jì)變量，則結(jié)構(gòu)的修正問題可轉(zhuǎn)化為如下的非線性最小二乘問題，具體可寫為如下一般形式：

約束：ηd≤η≤ηu，ηu和ηd分別為設(shè)計(jì)變量的上下限。

為了方便工程應(yīng)用，模型修正問題的求解采用一階優(yōu)化和隨機(jī)搜索方法實(shí)現(xiàn)［8～10］。

對修正過的基準(zhǔn)模型進(jìn)行數(shù)值分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)性能評價(jià)。

3.2 評價(jià)準(zhǔn)則

在役石油井架結(jié)構(gòu)性能評價(jià)目前主要依據(jù)文獻(xiàn)［11］中所述的規(guī)定。

對任一無支承部分的軸心受壓桿件，其壓應(yīng)力應(yīng)滿足：

式中：fa為結(jié)構(gòu)分析得到的軸向壓應(yīng)力，F(xiàn)a為材料容許壓應(yīng)力。

當(dāng)最大有效長細(xì)比kl／r＜Cc時(shí)：

式中：E為材料的彈性模量，k為彎曲平面內(nèi)有效長度系數(shù)，l為桿件無支撐長度，r為回轉(zhuǎn)半徑，F(xiàn)y為材料的屈服極限。

受拉或受壓最大許用彎曲應(yīng)力為

式中：Fb為許用彎曲應(yīng)力。

4 工程應(yīng)用

以某油田使用的ZJ40／2250L鉆機(jī)配套使用的JJ225／43-K型井架為例進(jìn)行分析。該井架為前開口式無繃?yán)K井架，主要由井架主體、人字架和井架附件等組成。井架主體分5段，總高49.38m，最大設(shè)計(jì)鉤載為2 250.0 kN。結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖如圖4所示。

圖4 井架結(jié)構(gòu)簡圖及測點(diǎn)布置方案

試驗(yàn)時(shí)應(yīng)用STS-WiFi無線測試系統(tǒng)，在井架結(jié)構(gòu)二層臺(tái)和中下段的立柱上共布置32個(gè)測點(diǎn)，布點(diǎn)方案如圖4所示。試驗(yàn)初始狀態(tài)鉤載指重表讀數(shù)為15.0 kN，分3次逐級加載，3次加載平穩(wěn)段記錄指重表讀數(shù)分別為205.0 kN、400.0 kN、610.0 kN，則實(shí)際鉤載分別為190.0 kN、385.0 kN、595.0 kN。二層臺(tái)處①號(hào)立柱1?！?＃測點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)變測試數(shù)據(jù)曲線如圖5所示，其他各點(diǎn)的測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表1。整個(gè)測試操作過程簡單，工作效率大大提高，測試與鉆進(jìn)同步作業(yè)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示；Wifi網(wǎng)路作為主控計(jì)算機(jī)、信號(hào)發(fā)射基站和數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸形式，性能可靠，且數(shù)據(jù)傳輸精度高。

圖5 二層臺(tái)①號(hào)立柱1?！?＃測點(diǎn)動(dòng)應(yīng)變測試數(shù)據(jù)曲線

數(shù)值分析時(shí)，將井架各桿件簡化為具有6個(gè)自由度的非線性空間梁單元beam188，用一個(gè)單元代表一根桿件，整個(gè)井架按其結(jié)構(gòu)劃分為222個(gè)梁單元，以及115個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中有6個(gè)約束為鉸支點(diǎn)，分別位于井架支腳處和人字架支腳處，其中鉸點(diǎn)限制x、y、z方向的移動(dòng)自由度及繞y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，即零位移約束，其余均為剛性節(jié)點(diǎn)。

以第一、二次加載后得到的立柱實(shí)測應(yīng)力結(jié)果作為模型修正的參考數(shù)據(jù)，第3次加載作為預(yù)測結(jié)果的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。修正前后的應(yīng)力結(jié)果與實(shí)測值的對比見表1所示。

表1 在役鉆機(jī)井架實(shí)測立柱應(yīng)力與模型修正后結(jié)果對比

由表1可知，修正后模型的應(yīng)力值和實(shí)測結(jié)果非常接近，第3次加載的預(yù)測結(jié)果也達(dá)到了良好的吻合度，因此可近似認(rèn)為該模型能夠反映井架實(shí)物的力學(xué)性態(tài)，以此模型作為基準(zhǔn)數(shù)值模型進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)室研究是可行的。在此基礎(chǔ)上預(yù)測結(jié)構(gòu)任何桿件在任意載荷的力學(xué)性能，預(yù)測結(jié)果數(shù)據(jù)分析曲線見圖6所示。分析知預(yù)測結(jié)果比較理想。

圖6 實(shí)測應(yīng)力與修正模型預(yù)測結(jié)果曲線

根據(jù)規(guī)范對此模型進(jìn)行安全性能評定，得出該鉆井隊(duì)使用的鉆機(jī)井架由于損傷缺陷的存在使得強(qiáng)度和穩(wěn)定性不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要降級使用，最大評定載荷為2 160.0 kN。

5 結(jié) 論

將無線傳感系統(tǒng)應(yīng)用于在役鉆機(jī)井架安全性能檢測上可以彌補(bǔ)現(xiàn)有井架結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)方面存在的不足，操作簡單，且結(jié)果可靠。提出了基于模型修正的在役石油鉆機(jī)井架性能評價(jià)方法，以無線測試系統(tǒng)測得的實(shí)測應(yīng)力和結(jié)構(gòu)理論應(yīng)力之間的殘差構(gòu)建優(yōu)化修正函數(shù)，采用一階優(yōu)化和隨機(jī)搜索方法求解。采用此方法進(jìn)行石油鉆機(jī)井架的結(jié)構(gòu)性能評價(jià)，可以取得滿意的結(jié)論。評價(jià)分析過程可以借助于通用有限元程序ANSYS的優(yōu)化功能和計(jì)算能力，經(jīng)過多步模型修正，進(jìn)行井架結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別和狀態(tài)評估，便于工程應(yīng)用。

［1］ 劉金梅，周國強(qiáng)，韓國有，等.波浪作用下海洋石油井架的模態(tài)參數(shù)識(shí)別與承載力評價(jià)［J］.海洋工程，2009，27（1）：22－27.

［2］ 周國強(qiáng)，劉金梅，郭奕珊，等.鉆探用井架承載能力試驗(yàn)與安全評定［J］.石油鉆探技術(shù)，2008，36（4）：53－56.

［3］ 韓東穎，周國強(qiáng)，李子豐.含損傷缺陷的大型鋼結(jié)構(gòu)架極限承載預(yù)測方法研究［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2007，28（4）：370－374.

［4］ 劉金梅.在用石油井架結(jié)構(gòu)分析、測試及評定理論［D］.大慶：大慶石油學(xué)院，2001.

［5］ 周國強(qiáng)，韓東穎，郭奕珊.井架模型極限載荷試驗(yàn)［J］.石油機(jī)械，2005，33（9）：9－11.

［6］ 孫利明，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［7］ 陳志鵬，張?zhí)焐?，邱法維.結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與工程檢測［M］.北京：中國水利水電出版社，2005：57－62.

［8］ 劉繼承，周傳榮.一個(gè)基于優(yōu)化的有限元模型修正方法［J］.振動(dòng)與沖擊，2003，22（2）：33－35.

［9］ Li Z F，Han D Y，Zhou G Q.Ultimate load-carrying capacity forecast of derricksteel structures［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2007，28（4）：636－637.

［10］ 劉金梅，周國強(qiáng)，韓國有.基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力修改的在役鉆機(jī)井架仿真模型研究［J］.石油學(xué)報(bào)，2009，30（5）：788－792.

［11］ American Petroleum Institute.Specification for Drilling and Well Servicing Structures（Third Edition）［S］. 2008.

Application ofW ireless Sensor System to Bearing Capacity Measurement of Oil Derrick

LIU Jin-mei， YAN Tian-hong， ZHOU Guo-qiang
（Mechanical Science and Engineering College of Northeast Petroleum University，Daqing，Heilongjiang 163318，China）

For solving the shortcomings of traditional test technology of oil derrick，a bearing capacity evalution method is proposed based on wireless strain test.According tomechanical and electrical theory，the strain sensor principle is particularly analyzed.Wifi Network used in test system is discussed.In order to realize the comprehensive performance evaluation of the derrick in-service，the optimal updating function is established according to residual equation between test and theory stress.An analysis is carried out for the derrick in-service of an oilfield.The results indicate that a satisfying result can be acquired.It can provide an effectivemethod and basis for the safety assessment and monitoring of oil derrick in-service with damage.

Metrology；Bearing capacity evalution；Wireless test；Oil derrick

TB936

A

1000-1158（2014）04-0350-05

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．04．10

2013-01-04；

2013-05-08

黑龍江省研究生創(chuàng)新基金（YJSC2012-067HLJ）；中國石油科技創(chuàng)新基金（2013D-5006-0604）

劉金梅（1975－），女，黑龍江人，東北石油大學(xué)副教授，博士，主要從事油氣田地面工程方面的研究工作。ljm1975nepu＠163.com