無(wú)線功圖采集器關(guān)鍵技術(shù)

1大慶油田采油六廠 2中糧生化能源（肇東）有限公司 3北京助創(chuàng)科技有限公司

無(wú)線功圖采集器關(guān)鍵技術(shù)

李義1鐘大海2代嘯寧2寧秀文3

1大慶油田采油六廠 2中糧生化能源（肇東）有限公司 3北京助創(chuàng)科技有限公司

油田常用的有線抽油機(jī)功圖采集器其安裝位置是在抽油機(jī)的懸繩器上，在抽油機(jī)正常生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，懸繩器一直處于上下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，容易造成線纜損壞。無(wú)線功圖采集器無(wú)需任何線纜，不存在線纜損壞的問(wèn)題。無(wú)線功圖采集器涉及到兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和補(bǔ)償方法。載荷傳感器選擇圓柱型載荷傳感器，并在功圖采集器上設(shè)有導(dǎo)水孔，以保障載荷傳感器在雨水環(huán)境下的穩(wěn)定性。環(huán)境溫度變化會(huì)影響載荷傳感器測(cè)量數(shù)值，通過(guò)采用特定的線性補(bǔ)償方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以及在不同的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行標(biāo)定，能夠保證當(dāng)外界環(huán)境溫度變化時(shí)載荷測(cè)量的精度要求。無(wú)線功圖采集器用于同步測(cè)試抽油機(jī)載荷和位移，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)油井的自動(dòng)化管理。將無(wú)線功圖采集器與有線功圖采集器進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，無(wú)線功圖采集器的測(cè)量精度和可靠性均能滿足使用要求。

無(wú)線功圖采集器；荷載傳感器；溫度補(bǔ)償；位移計(jì)算

1有線功圖采集器存在的問(wèn)題

目前油田使用的抽油機(jī)功圖采集器絕大多數(shù)是有線的，其安裝位置是在抽油機(jī)的懸繩器上，在抽油機(jī)正常生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，懸繩器一直處于上下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，容易造成線纜損壞。特別是北方地區(qū)，冬季氣溫很低，線纜更容易損壞。另外，抽油機(jī)井因各種原因會(huì)定期或不定期地進(jìn)行維修作業(yè)，作業(yè)時(shí)需將功圖采集器拆卸下來(lái)。抽油機(jī)井維修后，需將功圖采集器再安裝回去，而設(shè)備所帶的線纜易斷裂損壞，很難實(shí)現(xiàn)再次安裝，導(dǎo)致的結(jié)果是油井維修好了，功圖采集器卻無(wú)法正常工作。

2無(wú)線功圖采集器主要特點(diǎn)

（1）無(wú)線功圖采集器特別適合不斷往復(fù)運(yùn)動(dòng)、-40℃環(huán)境下長(zhǎng)期工作的需求。

（2）采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，電池供電，無(wú)需任何線纜，不存在線纜損壞的問(wèn)題。

（3）采取一體化緊湊式設(shè)計(jì)。抽油機(jī)井維修后，修井工人只需將設(shè)備安裝在懸繩器上即可，無(wú)需任何的電纜敷設(shè)、接線、調(diào)試及配置工作。

（4）數(shù)據(jù)傳輸采用無(wú)線方式，通過(guò)雙向校驗(yàn)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（5）通過(guò)雙向數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)功圖數(shù)據(jù)的定時(shí)采集和傳輸。用戶可根據(jù)需要在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，通過(guò)監(jiān)控服務(wù)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程讀取功圖的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

（6）采用高能電池供電，8 h采集1組數(shù)據(jù)時(shí)，電池可工作5年；10 h采集1組數(shù)據(jù)時(shí)，電池可工作2年。

（7）無(wú)線功圖采集器采集的參數(shù)有兩個(gè)，即載荷和位移，參數(shù)可通過(guò)載荷傳感器和加速度傳感器檢測(cè)。通過(guò)傳感器的關(guān)鍵算法和對(duì)傳感器的全量程標(biāo)定，可確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。無(wú)線功圖采集器見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)線功圖采集器

3載荷傳感器關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

無(wú)線功圖采集器關(guān)鍵部件之一的載荷傳感器，是由應(yīng)變片貼在承重柱上實(shí)現(xiàn)載荷檢測(cè)的。要想長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作以及測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠，涉及到兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和補(bǔ)償方法。

載荷傳感器選擇圓柱型載荷傳感器，并在功圖采集器上設(shè)有導(dǎo)水孔，進(jìn)入的水可從下邊導(dǎo)走不會(huì)滯留，保障了載荷傳感器在雨水環(huán)境下的穩(wěn)定性。

載荷傳感器的測(cè)量原理是通過(guò)應(yīng)變片的變形來(lái)檢測(cè)受力大小。由于應(yīng)變片受環(huán)境溫度影響會(huì)產(chǎn)生蠕變，因此環(huán)境溫度變化，即溫漂現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。為了解決溫漂問(wèn)題，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。另外，載荷傳感器因溫度變化產(chǎn)生漂移，漂移量并不是線性的，所以在做溫度補(bǔ)償時(shí)必須采取全溫度范圍的補(bǔ)償，不能只在某個(gè)溫度下進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)研究采用特定的線性補(bǔ)償方法，取得了相當(dāng)穩(wěn)定的線性補(bǔ)償效果。

對(duì)載荷傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定時(shí)，不能只在常溫下進(jìn)行，應(yīng)在不同的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行標(biāo)定，確保環(huán)境溫度變化時(shí)載荷測(cè)量數(shù)值是準(zhǔn)確的。

綜上所述，環(huán)境溫度變化會(huì)影響載荷傳感器測(cè)量數(shù)值，通過(guò)采用特定的線性補(bǔ)償方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以及在不同的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行標(biāo)定，能夠保證當(dāng)外界環(huán)境溫度變化時(shí)載荷測(cè)量的精度要求。

4位移的計(jì)算方法

無(wú)線功圖采集器的位移是通過(guò)加速度傳感器進(jìn)行測(cè)量的。加速度傳感器進(jìn)行一次積分得到的是瞬時(shí)速度，二次積分得到的是位移。由于抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度快慢不一，運(yùn)行沖次有的每分鐘小于2次，有的甚至小于1次。對(duì)于這種變加速度且整體運(yùn)行速度又非常緩慢的情況，通過(guò)加速度進(jìn)行位移計(jì)算是比較困難的。采用加速度兩次積分的方法，把加速度變成位移，在大位移和低沖次兩種狀態(tài)下積分變得更加復(fù)雜。因此，在現(xiàn)有工況下，要想獲得準(zhǔn)確的位移，就不能簡(jiǎn)單地通過(guò)積分來(lái)求得，而需要采用一些較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)方法。在長(zhǎng)期的實(shí)踐中，逐步模索出了一些行之有效的方法：

（1）采用基于低頻加速度信號(hào)的波形反演和帶限信號(hào)外推算法，大大提高了加速度積分的準(zhǔn)確性。

（2）采用專用的波形重構(gòu)算法，有效減弱了0.159 2 Hz以下頻點(diǎn)積分后誤差被放大對(duì)測(cè)量精度的影響（即沖次在9.552以下的周期），而且軟件積分算法解決了寬周期響應(yīng)的一致性問(wèn)題。

（3）采用擴(kuò)展的卡爾曼濾波算法來(lái)修正MEMS傳感器的隨機(jī)誤差。

（4）采用基于溫度補(bǔ)償?shù)腗EMS加速度偏移修正算法。

5結(jié)論與建議

（1）抽油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中位移參數(shù)測(cè)量是否準(zhǔn)確需要通過(guò)標(biāo)定確認(rèn)。據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)各油田計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)還沒(méi)有對(duì)無(wú)線功圖采集器的位移參數(shù)進(jìn)行全量程標(biāo)定的設(shè)備。經(jīng)過(guò)攻關(guān)，研發(fā)出了無(wú)線功圖采集器的標(biāo)定設(shè)備，并且所有應(yīng)用的產(chǎn)品都經(jīng)過(guò)了全量程標(biāo)定。2014年4月在大慶某外圍采油廠選擇了10口沖速在2 min-1以下的油井，將使用無(wú)線功圖采集器與常規(guī)（有線）功圖采集器進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，無(wú)線功圖采集器的測(cè)量精度和可靠性均能滿足使用要求。

（2）應(yīng)該建立一套完善的標(biāo)定程序，包括標(biāo)定的設(shè)備和標(biāo)定規(guī)程，只有這樣才能保證無(wú)線功圖采集器測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（欄目主持 樊韶華）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.8.037

2015-04-30