基于無線角位移和載荷設(shè)備的功圖采集技術(shù)研究

張鋒 劉東

1.沈陽中科奧維科技股份有限公司 遼寧 沈陽 110179；2.奧維通信股份有限公司 遼寧 沈陽 110179

1 技術(shù)背景

石油是我國的主要能源，隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對石油的需求會越來越多。我國各大油田主要分布于東北和西北，抽油機井位很分散，而且環(huán)境復(fù)雜，道路情況非常惡劣。目前通常是通過采油工定期到井場進行巡檢并采集功圖，了解抽油機的狀況。因此，當(dāng)抽油機出現(xiàn)異常情況時，不能及時發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)措施，從而會影響油井產(chǎn)量。

目前，油田各井隊使用的功圖測試儀主要是拉繩式的，或使用國外的手持采集設(shè)備。使用這些工具必須工人到現(xiàn)場進行功圖測試，采用這些測試方法，耗費大量的人力和物力，同時采集的數(shù)據(jù)資料都不是連續(xù)性數(shù)據(jù)，這樣就無法準(zhǔn)確地掌握油井的真實工作狀況，不便于實現(xiàn)對油井的管理以及第一時間發(fā)現(xiàn)油井故障，影響原油產(chǎn)量。

當(dāng)今油田工業(yè)發(fā)展趨勢向著自動化、一體化、無線遠(yuǎn)程化發(fā)展，本文針對無線角位移設(shè)備和無線載荷設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)進行闡述[1]。

2 無線角位移設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)

無線角位移傳感器是針對游梁式抽油機功圖測試應(yīng)用而設(shè)計的新型無線數(shù)字化產(chǎn)品。無線角位移設(shè)備通過抽油機游梁的周期性運動，使加速度傳感器輸出周期性的信號。根據(jù)角位移運動死點查找算法，采集得到當(dāng)設(shè)備位于上、下死點位置時，角位移傳感器輸出的數(shù)字量。通過游梁運動角度與傳感器輸出數(shù)字量的函數(shù)關(guān)系式，將傳感器輸出數(shù)字量帶入，得出游梁位于上、下死點位置時的角度，在此過程可計算出該運動周期內(nèi)功圖數(shù)據(jù)中的位移數(shù)據(jù)。然后，將上、下死點角度相加，進而得出游梁擺動最大角度，再根據(jù)游梁前臂長、游梁擺動最大角度與沖程的關(guān)系式，最終計算出抽油機的沖程。

無線角位移設(shè)備計算位移的核心器件是加速度傳感器。加速度傳感器采用ADXL103單軸傳感器芯片，單軸（X軸）通過重力旋轉(zhuǎn)，X軸上的重力矢量投影會產(chǎn)生加速度分量，大小等于加速度X軸和水平面之間夾角的正弦值。水平面通常是與重力矢量正交的平面。當(dāng)重力為理想值1g時，輸出加速度A為：

使用單軸傳感器，輸出加速度值與傾角呈現(xiàn)非線性關(guān)系。傾斜角計算隨著水平面與X軸夾角的增大而減小，當(dāng)夾角接近±90°時，數(shù)值接近0，且傾斜角出現(xiàn)很大變化時，輸出加速度只會產(chǎn)生很小變化。

通過重力旋轉(zhuǎn)，由于加速度傳感器輸出符合正弦關(guān)系，使用反正弦函數(shù)可以將加速度轉(zhuǎn)換為角度。公式如下所示，其中，傾斜角單位為弧度。

通過計算角位移傳感器采集的弧度值，通過如下公式，進而可以計算出抽油機的功圖位移數(shù)據(jù)S。其中值為游梁擺動角度，L值為游梁前臂長。

在計算功圖數(shù)據(jù)時，無線角位移設(shè)備要與無線載荷設(shè)備配合使用。無線角位移設(shè)備與無線載荷設(shè)備同時收到RTU發(fā)送來的啟動采集命令，雙方以相同的采集時間間隔，同時啟動采集，可以確保位移值與載荷值的時間同步，減少時間上的誤差，使功圖數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

無線角位移設(shè)備在計算得出位移數(shù)據(jù)后，要將其上傳至RTU設(shè)備。首先發(fā)送位移數(shù)據(jù)首包至RTU，RTU設(shè)備回復(fù)首包應(yīng)答數(shù)據(jù)給無線角位移設(shè)備。RTU通過判斷數(shù)據(jù)類型，并將位移數(shù)據(jù)首包轉(zhuǎn)發(fā)至無線載荷設(shè)備，通知無線載荷設(shè)備開始上傳載荷數(shù)據(jù)，可做到位移數(shù)據(jù)和載荷數(shù)據(jù)同步上傳。無線載荷設(shè)備將載荷數(shù)據(jù)上傳至RTU設(shè)備后，RTU設(shè)備將位移數(shù)據(jù)和載荷數(shù)據(jù)整合成功圖數(shù)據(jù)后，上傳至網(wǎng)關(guān)。使用油田組態(tài)軟件可讀取網(wǎng)關(guān)中功圖的Modbus寄存器，在組態(tài)軟件界面上顯示功圖形狀[2]。

無線角位移設(shè)備為了計算得出精確的角度值和位移值，在生產(chǎn)過程中，要對其角度進行標(biāo)定。在標(biāo)定過程中，一般會采用±45°作為標(biāo)定點，對其進行標(biāo)定。采用無線通信標(biāo)定方法，操作簡便、快捷、效率高。標(biāo)定后的角度值的精度可達到5‰，滿足油田技術(shù)要求。

3 無線載荷設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)

無線載荷設(shè)備作為功圖采集的關(guān)鍵部分之一，想要長期可靠的工作，必然涉及載荷傳感器的穩(wěn)定和測量的準(zhǔn)確可靠。載荷傳感器為電阻應(yīng)變式載荷傳感器，利用電阻應(yīng)變效應(yīng)來反映載荷變化，即電阻應(yīng)變片根據(jù)受力大小其電阻發(fā)生改變，傳輸?shù)碾娦盘柦?jīng)放大、濾波、處理形成最終的載荷值。

無線載荷設(shè)備中的載荷傳感器，在生產(chǎn)過程中同樣需要對其進行標(biāo)定。采用高溫、常溫、低溫標(biāo)定法，對其進行標(biāo)定。首先將溫箱調(diào)至高溫50℃，使用80KN、30KN、0KN共3個載荷標(biāo)定點對其進行高溫區(qū)標(biāo)定，對這3個標(biāo)定點做分段線性擬合，可計算出全量程的載荷數(shù)值。常溫區(qū)25℃和低溫區(qū)-30℃使用同樣的標(biāo)定方法，對載荷傳感器進行標(biāo)定。采用這種標(biāo)定方法，可以有效補償載荷傳感器因溫度變化產(chǎn)生漂移。經(jīng)過標(biāo)定后，當(dāng)環(huán)境溫度變化時，測量的載荷數(shù)值穩(wěn)定，載荷數(shù)值精度可達到5‰，滿足油田技術(shù)要求。

4 結(jié)束語

無線角位移和載荷設(shè)備的應(yīng)用與其特有的優(yōu)勢，表明其具有廣闊的發(fā)展前景。應(yīng)用無線角位移和載荷設(shè)備所帶來的經(jīng)濟效益和社會效益使其受到油田系統(tǒng)的廣泛歡迎。無線角位移和載荷設(shè)備仍需要不斷地完善和升級，以使其更好地測量和采集功圖數(shù)據(jù)，為油井監(jiān)控系統(tǒng)提供有力的數(shù)據(jù)支持，從而更好地為油田生產(chǎn)服務(wù)。