基于單片機(jī)載荷控制模擬有桿采油實(shí)驗(yàn)研究

谷 雨，于桂杰，趙 慶，3

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東） 機(jī)電工程學(xué)院，青島266580；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東） 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，青島266580；3.香港中文大學(xué)（深圳） 商學(xué)院，深圳518172）

有桿采油是國(guó)內(nèi)外油氣行業(yè)的主要采油方式，約占了80%[1]。在實(shí)際采油過(guò)程中，部分抽油桿在下行時(shí)會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，繼而引發(fā)的偏磨、斷裂等常見(jiàn)的失效情況約占據(jù)了抽油桿事故的38.9%[2]，這些事故是增加采油成本的主要因素[3]。針對(duì)抽油桿彎曲變形的原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)抽油桿在下行過(guò)程中會(huì)受到過(guò)大的下行阻力，并且抽油桿與驢頭懸點(diǎn)的步調(diào)的不一致使得抽油桿的下行運(yùn)動(dòng)滯后[4]，這兩個(gè)原因都將導(dǎo)致抽油桿中和點(diǎn)以下的部分呈受壓狀態(tài)[5]。目前，為了防止抽油桿的彎曲變形，生產(chǎn)上常采用在抽油桿底部增加加重桿的方法，方便對(duì)中和點(diǎn)的位置進(jìn)行控制；或是采用增加扶正器的方法，對(duì)已經(jīng)發(fā)生偏磨的抽油桿進(jìn)行防護(hù)[6-7]。但這些手段治標(biāo)不治本，無(wú)法從根本上解決抽油桿的失效問(wèn)題[8]。

在工業(yè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，自動(dòng)化技術(shù)被廣泛應(yīng)用，在自動(dòng)控制和通訊技術(shù)的推動(dòng)下，Wiener 等創(chuàng)立了控制論，這門(mén)學(xué)科自創(chuàng)立以來(lái)獲得了許多重要成果。本文基于載荷控制抽油桿上下運(yùn)行的工作原理，編寫(xiě)載荷控制程序，利用單片機(jī)對(duì)抽油桿實(shí)行自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)載荷控制抽油桿上下運(yùn)行的目的，完成了模擬實(shí)驗(yàn)。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)載荷控制抽油桿上下運(yùn)行，變抽油桿的拉壓交變載荷為單一拉伸載荷，消除了彎曲變形的可能性，從根本上消除了抽油桿柱發(fā)生偏磨、斷裂的因素；載荷控制抽油桿上下運(yùn)行對(duì)于減少有桿采油事故率、提高油田經(jīng)濟(jì)效益具有重大意義。

1 載荷控制抽油桿上下運(yùn)行原理

抽油桿在采油過(guò)程中出現(xiàn)彎曲變形有兩方面的原因，因此需要分析抽油桿的受力情況，確立載荷與抽油桿彎曲變形的關(guān)系。

如圖1所示，分別分析處于上、下沖程的抽油桿受力狀態(tài)。在抽油桿的受力分析過(guò)程中，主要考慮抽油桿與液柱的重力、液柱浮力、摩擦力、拉力、泵的沉沒(méi)壓力、井口壓力、慣性載荷、沖擊載荷等因素[9]。由于泵的沉沒(méi)壓力與井口壓力的作用方向相反，抵消了產(chǎn)生的一些影響，同時(shí)慣性載荷與沖擊載荷在理想情況下不予考慮[10]，僅考慮抽油桿與液柱的重力、浮力、摩擦力以及電機(jī)提供的拉力。

圖1 抽油桿受力分析圖Fig.1 Mechanical analysis diagram of sucker rod

抽油桿重力Gg的計(jì)算公式為[11]

式中：Ag為抽油桿截面積，m2；L為抽油桿的長(zhǎng)度，m；ρg為抽油桿材料的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

上沖程過(guò)程中，液柱重力Gy的計(jì)算公式為

式中：Ah為活塞截面積，m2；Ly為液柱高度，m；ρy為液柱密度，kg/m3。

下沖程過(guò)程中，液柱浮力F浮的計(jì)算公式為

下沖程過(guò)程中，抽油桿與液柱之間的摩擦力F1的計(jì)算公式為[12]

式中：μ為液柱動(dòng)力粘度，Pa·s；m為油管內(nèi)徑與抽油桿直徑之比；s為沖程，m；n為沖次，min。

下沖程過(guò)程中，液柱與游動(dòng)閥之間的摩擦力F2的計(jì)算公式為

式中：u為流量系數(shù)；Ak為閥孔截面積，m2。

上沖程過(guò)程中，油管與液柱之間的摩擦力F3的經(jīng)驗(yàn)公式為

根據(jù)抽油桿的受力分析可知，抽油桿在上行過(guò)程中受到抽油桿重力、液柱的重力、摩擦力和拉力的共同作用，一直處于受拉的狀態(tài)，只會(huì)在卡阻情況下因受力超過(guò)其材料的抗拉強(qiáng)度而發(fā)生斷裂。而抽油桿在下行過(guò)程中受到抽油桿重力、液柱浮力、摩擦力、拉力的共同作用，以中和點(diǎn)為分界線(xiàn)，中和點(diǎn)以上的抽油桿受拉，中和點(diǎn)以下的抽油桿受壓。

要在根本上解決中和點(diǎn)以下的抽油桿在下行過(guò)程中的受壓?jiǎn)栴}，需要改變中和點(diǎn)以下的抽油桿的受力方式，使其從拉壓交變載荷變?yōu)閱我焕燧d荷，即抽油桿中和點(diǎn)下移至抽油桿底部。

因此本文在致力于解決該問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出了載荷控制抽油桿上下運(yùn)行的方法。具體原理為在懸點(diǎn)處接載荷傳感器，編寫(xiě)程序，根據(jù)采集的載荷值和設(shè)定值來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)行。在上沖程過(guò)程中，如果荷載超過(guò)規(guī)定值，則控制電機(jī)使抽油桿停止上行，并及時(shí)發(fā)出信號(hào)提醒進(jìn)行檢修，以避免載荷長(zhǎng)時(shí)間作用使抽油桿受力超過(guò)其材料的抗拉強(qiáng)度而發(fā)生斷裂；在下沖程過(guò)程中，如果載荷小于規(guī)定值，則控制電機(jī)不再帶動(dòng)抽油桿下行，避免使抽油桿中和點(diǎn)以下部分呈受壓狀態(tài)并發(fā)生彎曲，直至抽油桿整體均受拉力時(shí)才繼續(xù)控制電機(jī)運(yùn)行。

2 模擬實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 模擬實(shí)驗(yàn)硬件

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模趯?shí)驗(yàn)中采用推桿電機(jī)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，推桿電機(jī)實(shí)物圖如圖2所示。其中，推桿等效于抽油桿，電機(jī)等效于抽油電機(jī)及減速箱，推桿的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)等效于抽油桿柱的上下沖程運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)所用推桿的電機(jī)由24 V 直流電供電，推桿單次運(yùn)動(dòng)行程約為0.2 m，速度約為0.018 m/s。

圖2 推桿電機(jī)實(shí)物圖Fig.2 Physical drawing of push rod motor

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的控制以及對(duì)載荷信息的分析，在實(shí)驗(yàn)中選取C51 單片機(jī)作為控制系統(tǒng)[13]，所用的編程語(yǔ)言為C 語(yǔ)言，單片機(jī)實(shí)物圖如圖3所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用到單片機(jī)的數(shù)碼管功能、AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換功能、蜂鳴器功能、LED 指示燈功能以及部分I/O 引腳。另外，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊作為功能模塊，外接可調(diào)電壓電源，與單片機(jī)、電機(jī)直接連接并供電。

圖3 單片機(jī)實(shí)物圖Fig.3 Physical drawing of single chip computer

在實(shí)驗(yàn)中選用薄膜壓力傳感器對(duì)載荷數(shù)值進(jìn)行獲取，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)的控制，傳感器的感應(yīng)面積約為0.49 cm2。

2.2 模擬實(shí)驗(yàn)軟件—程序流程分析與控制程序

基于此次實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)定程序流程，如圖4所示。為避免抽油桿受壓導(dǎo)致彎曲，實(shí)驗(yàn)設(shè)定在下沖程時(shí)，只有載荷值超過(guò)300 kPa，抽油桿才向下正常運(yùn)行，否則電機(jī)停止工作；為避免抽油桿受拉力過(guò)大而導(dǎo)致斷裂，實(shí)驗(yàn)設(shè)定在上沖程時(shí)，只有載荷值低于700 kPa，抽油桿才向上正常運(yùn)行，否則電機(jī)停止工作。

圖4 程序流程Fig.4 Flow chart of program

實(shí)驗(yàn)中將會(huì)采用2個(gè)單片機(jī)，分別作為主機(jī)和副機(jī)使用。通過(guò)Keil4 軟件分別編寫(xiě)主機(jī)與副機(jī)的程序[14]并生成hex 文件，通過(guò)電腦將文件燒錄至單片機(jī)中，循環(huán)運(yùn)行程序以實(shí)現(xiàn)控制。

單片機(jī)主機(jī)程序主要實(shí)現(xiàn)判斷行程狀態(tài)、判斷并顯示載荷數(shù)值、控制電機(jī)啟停等功能，如下所示為實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)啟停功能的部分單片機(jī)主機(jī)程序。

單片機(jī)副機(jī)程序主要實(shí)現(xiàn)輔助性顯示及危險(xiǎn)警告功能，如下所示為實(shí)現(xiàn)輔助型顯示功能的部分單片機(jī)副機(jī)程序。

3 模擬實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)墊片施加不同個(gè)數(shù)的砝碼于壓力傳感器的薄膜感應(yīng)區(qū)，會(huì)改變壓力傳感器輸出電阻值的大小。如圖5所示為傳感器電阻-壓力曲線(xiàn)關(guān)系圖，從中可得到壓力與電阻之間為非線(xiàn)性關(guān)系。

為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程，需要通過(guò)電阻-電壓轉(zhuǎn)換模塊將壓力傳感器輸出的電阻值變化處理為電壓值變化，得到線(xiàn)性的電壓-壓力關(guān)系，再由單片機(jī)直接測(cè)量電壓并顯示AD 示數(shù)。經(jīng)過(guò)整合，得到關(guān)于載荷、示數(shù)、壓強(qiáng)之間的關(guān)系，如表1所示。

圖5 傳感器電阻-壓力曲線(xiàn)關(guān)系圖Fig.5 Sensor resistance pressure curve

表1 載荷、示數(shù)及對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)關(guān)系Tab.1 Load，indication and pressure relationship

根據(jù)表1，可以獲得壓強(qiáng)值與單片機(jī)示數(shù)的關(guān)系，其關(guān)系式如下所示。根據(jù)公式所編寫(xiě)的程序可以讓單片機(jī)直接顯示施加于傳感器的壓強(qiáng)值。

式中：y為AD 示數(shù)大?。粁為壓強(qiáng)值，kPa。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用手指按壓薄膜壓力傳感器，使載荷處于一個(gè)合適值，隨后推桿電機(jī)正常運(yùn)行，推桿實(shí)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，下行至最低點(diǎn)后繼續(xù)上行，至最高點(diǎn)后繼續(xù)下行?？刂剖种笁毫φ{(diào)整載荷值，當(dāng)載荷值低于程序設(shè)定的規(guī)定值時(shí)，推桿僅在下沖程時(shí)出現(xiàn)暫停運(yùn)行的現(xiàn)象，在上沖程仍舊正常運(yùn)行；而當(dāng)載荷值高于程序設(shè)定的規(guī)定值時(shí)，推桿僅在上沖程出現(xiàn)暫停運(yùn)行的現(xiàn)象，在下沖程仍舊正常運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析和模擬實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：①分析抽油桿的受力狀態(tài)，可知在上沖程過(guò)程中，抽油桿一直處于受拉狀態(tài)；在下沖程過(guò)程中，其中和點(diǎn)以下部分處于受壓狀態(tài)，易導(dǎo)致該部分抽油桿彎曲變形；②利用傳感器傳遞的載荷信號(hào)控制電機(jī)運(yùn)行，可將抽油桿的拉壓交變載荷變?yōu)閱我焕燧d荷，有效改變抽油桿的不良受力情況，消除了彎曲變形的可能性，從根本上消除了抽油桿偏磨、斷裂的因素；③模擬實(shí)驗(yàn)成功地通過(guò)載荷的變化控制推桿電機(jī)的啟停，證明了載荷控制抽油機(jī)電機(jī)的可行性，實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)運(yùn)行自動(dòng)化，對(duì)于減少有桿采油事故率、提高油田經(jīng)濟(jì)效益具有重大意義。