無線示功儀綜合檢測方法在降低安全隱患方面的應(yīng)用

高楊

中國石油大慶油田有限責(zé)任公司技術(shù)監(jiān)督中心（黑龍江 大慶 163453）

0 引言

抽油機(jī)井用無線示功儀[1]是安裝于游梁式抽油機(jī)光桿與懸繩器之間的一種動(dòng)態(tài)采集光桿載荷和沖程、沖次等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)生成示功圖并自動(dòng)上傳至數(shù)字化油田系統(tǒng)的智能儀表。預(yù)計(jì)2025年，國內(nèi)某油田將會有60 000 余口機(jī)采井完成相關(guān)數(shù)字化油田改造。由于無線示功儀是判別油井工況的重要儀器，準(zhǔn)確度要求較高，因其長期安裝在井口，經(jīng)歷風(fēng)吹雨淋、四季溫度變化、震動(dòng)沖擊等外界因素，傳感器初值、系數(shù)等參數(shù)會發(fā)生漂移。因此，定期進(jìn)行檢測，是保障其可靠性的重要手段[2]。

目前，拆卸檢測仍然是抽油機(jī)井用無線示功儀的主要檢測手段。在拆卸過程中，需要停井后，人工在懸繩器下端用扳手固定光桿卡子，人員手持支撐管置于卡子和井口盤根盒之間，短暫啟井后，光桿卡子與支撐管接觸后停井，懸繩器卸力，拆下無線示功儀送檢，檢測完畢后重復(fù)上述操作進(jìn)行安裝。在儀表拆卸過程中存在以下幾方面安全隱患：手持支撐管操作不當(dāng)造成夾傷；支撐管受力不均引起斷裂或飛出造成傷害；人員跌落和無線示功儀掉落。

如果能夠通過某種方法對無線示功儀進(jìn)行大范圍篩查，再重點(diǎn)針對篩查中出現(xiàn)問題的儀表拆卸送檢，通過降低儀表拆卸頻率的方式，可以降低安全事故可能發(fā)生的概率。便攜式無線示功儀檢測裝置和無線示功儀實(shí)驗(yàn)室一體化檢測裝置的綜合應(yīng)用，能夠快速、有效地完成無線示功儀的大范圍篩查和綜合檢測。

1 無線示功儀拆卸安全隱患分析

1.1 手持支撐管操作不當(dāng)造成夾傷

支撐管為一根鋼管縱向切縫后，在背面焊接把手，用于支撐懸繩器的簡易工具。使用時(shí)人員將其固定在懸繩器與盤根盒中間，懸繩器下落后與光桿卡子接觸后停井，此時(shí)，光桿自重及井下載荷全部由支撐管承擔(dān)。懸繩器與支撐管之間的縫隙以及支撐管與盤根盒之間的縫隙均存在夾傷風(fēng)險(xiǎn)，如果操作人員操作不當(dāng)，可能會造成人身傷害。圖1 中所示為人員手持支撐管對懸繩器進(jìn)行支撐的過程。

1.2 支撐管斷裂或飛出造成傷害

抽油機(jī)前端由兩根平行的鋼絲繩懸掛著懸繩器，與光桿卡在一起的光桿卡子把光桿以下的負(fù)荷懸掛在懸繩器上。當(dāng)懸繩器掛上負(fù)荷時(shí)，兩根鋼絲繩被拉直，但兩根鋼絲繩的長度一般都無法保證完全相等，致使懸繩器不夠水平。同時(shí)，鋼絲繩是由多股鋼絲擰在一起的，所以經(jīng)常會因兩根鋼繩擰的力不同，使得懸繩器在抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，不斷在一定角度內(nèi)繞光桿軸心來回?cái)[動(dòng)。因此在光桿卡子與支撐管接觸時(shí)，可能會受到徑向力以及扭轉(zhuǎn)力的影響[3]，抽油機(jī)光桿載荷可達(dá)10 t 以上，在受力不平衡條件下，可能造成支撐管飛出或斷裂，進(jìn)而造成人身傷害。

1.3 人員跌落與示功儀掉落

懸繩器距離地面2～3 m，井口情況各不相同，部分條件下只有通過懸空或腳踏井口進(jìn)行操作，存在人員跌落風(fēng)險(xiǎn)。在光桿載荷全部由支撐管承擔(dān)時(shí)，懸繩器卸力，無法將無線示功儀夾緊，存在墜落風(fēng)險(xiǎn)。雖然部分廠家安裝了防掉繩防止墜落，但仍然有部分廠家未配備類似的防掉落措施，存在儀器損壞以及砸傷風(fēng)險(xiǎn)，圖2 為無線示功儀和防掉繩的安裝情況。

圖2 無線示功儀與防掉繩安裝情況

2 無線示功儀現(xiàn)場不拆卸檢測方法

2.1 便攜式無線示功儀檢測裝置工作原理

抽油機(jī)光桿一般由低碳合金鋼制造，在井下載荷發(fā)生變化時(shí)會隨載荷變化發(fā)生形變，且其變形與力成正比。如果能夠利用高精度傳感器，精確測量形變量，并與光桿所受的軸向力建立聯(lián)系，就可以實(shí)現(xiàn)夾持測量抽油機(jī)載荷的作用，實(shí)現(xiàn)不拆卸檢測。而形變測量的穩(wěn)定性與彈性形變的重復(fù)性與選用的材料有很大關(guān)系，通過測試和分析多種彈性載荷體原材料，選擇韌性和剛度最優(yōu)比的材料[4]，采用測量抽油桿橫向變形方式，對抽油桿抽汲過程中的橫向拉伸變化進(jìn)行測量，載荷測量準(zhǔn)確度可達(dá)1%。測試中，將卡口式載荷傳感器直接卡在油抽桿上，傳感器的敏感元件與抽油桿連接采用螺紋直接固緊，中間無其他傳力連接結(jié)構(gòu)，可以有效解決抽油桿形變信號在轉(zhuǎn)換過程中的損失問題，且避免連接結(jié)構(gòu)對測量信號的不必要干擾。測量抽油桿橫向形變，由前述可知橫向變形要遠(yuǎn)小于縱向形變，因此利用杠桿放大原理對其信號放大[5]，在敏感元件結(jié)構(gòu)體上設(shè)計(jì)出杠桿的鉸鏈結(jié)構(gòu)，鉸鏈一端感應(yīng)油桿形變，另一端產(chǎn)生放大后的形變，通過感應(yīng)元件上測量形變。感應(yīng)元件選用懸臂梁結(jié)構(gòu)[6]，變形后為彎曲變形，由于感應(yīng)元件與杠桿為一體化結(jié)構(gòu)，根據(jù)材料力學(xué)變形協(xié)調(diào)原理[7]，感應(yīng)元件與杠桿連接截面轉(zhuǎn)角相等，可以計(jì)算出感應(yīng)元件產(chǎn)生的測量應(yīng)變。圖3 為便攜式無線示功儀檢測裝置示意圖。

圖3 便攜式無線示功儀檢測裝置原理圖

在位移參數(shù)測量方面，無線示功儀目前主要采用加速度傳感器來確定抽油機(jī)的上下死點(diǎn)[8]，計(jì)算上下沖程，位移準(zhǔn)確度可以達(dá)到3%。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加速度式傳感器在某些低沖次油井上使用時(shí)，會明顯出現(xiàn)位移測量值偏小的現(xiàn)象。因此在校準(zhǔn)裝置的研制過程中，采用了激光測距的技術(shù)方案[9]。此方案的優(yōu)點(diǎn)在于可保證在多種沖次條件下位移測量值的準(zhǔn)確性，準(zhǔn)確度可達(dá)0.1%。其缺點(diǎn)為需要攜帶一塊激光反光板，在使用中需要固定在井口。裝置的配套檢測軟件，可以實(shí)現(xiàn)被檢儀表數(shù)據(jù)自動(dòng)采集以及對載荷、沖程、沖次、功圖圖形的自動(dòng)比對功能。能夠在現(xiàn)場對抽油機(jī)井安裝的示功儀進(jìn)行測量比對，配套軟件具備直接讀取功圖數(shù)據(jù)的功能，軟件能夠?qū)⒀b置測得數(shù)據(jù)與被測示功儀的數(shù)據(jù)對比計(jì)算，檢測完成后可以立刻查看功圖，生成檢測報(bào)告。

2.2 便攜式無線示功儀檢測裝置的現(xiàn)場應(yīng)用

在現(xiàn)場使用過程中，操作人員只需要將抽油機(jī)停機(jī)至下死點(diǎn)后，操作人員手持夾持式傳感器，擰動(dòng)鎖緊螺絲將其固定在懸繩器下方光桿處，啟動(dòng)抽油機(jī)。操作人員手持無線示功儀檢測裝置主機(jī)，錄入井號等信息后，開始測試，上下兩沖程后測量完畢。裝置還具有數(shù)字化平臺數(shù)據(jù)接口，使操作人員后期測試對比流程簡化，測試人員將測試數(shù)據(jù)回放到計(jì)算機(jī)軟件后，軟件具有一鍵對比功能，并對待檢井?dāng)?shù)字化功圖測試數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算，并形成測試記錄。圖4為便攜式無線示功儀檢測裝置的實(shí)物及現(xiàn)場使用圖。

圖4 便攜式無線示功儀檢測裝置現(xiàn)場使用圖

便攜式無線載荷位移傳感器檢測裝置從根本上解決了需要拆卸儀表進(jìn)行檢測的問題，可以滿足無線示功儀現(xiàn)場準(zhǔn)確度大范圍篩查的要求。但是這種現(xiàn)場檢測方式仍然存在載荷檢測精確度偏低的問題，同時(shí)載荷值只能計(jì)算變化量，無法測量真實(shí)載荷，因此仍然不能完全取代拆卸檢測。因此，實(shí)驗(yàn)室無線示功儀一體化檢測裝置能夠精確、高效地實(shí)現(xiàn)無線示功儀綜合檢測與評價(jià)，與便攜式無線示功儀檢測裝置形成互補(bǔ)，從根本上解決無線示功儀檢測的問題，圖5 為便攜式無線示功儀檢測結(jié)果與圖形對比。

圖5 便攜式無線示功儀檢測裝置數(shù)據(jù)與圖形

3 無線示功儀實(shí)驗(yàn)室一體化檢測方法

3.1 無線示功儀一體化檢測技術(shù)工作原理

現(xiàn)階段對無線載荷位移傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測，只能利用拉壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行載荷檢測，利用長度檢測平臺進(jìn)行位移檢測，對兩種參數(shù)同步采集才能獲得的示功圖無法進(jìn)行檢測與準(zhǔn)確度評價(jià)。而無線示功儀檢測裝置將載荷、位移參數(shù)檢測進(jìn)行結(jié)合，將載荷加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行了集成化設(shè)計(jì)，安裝于能夠跟隨位移平臺進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的位移機(jī)構(gòu)上。上位機(jī)發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)模組，帶動(dòng)模組上滑塊做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)機(jī)臺上布置有高精度磁柵尺[10]，運(yùn)動(dòng)滑塊上的磁頭實(shí)時(shí)讀取位置信息反并饋給位移控制器，與伺服電機(jī)編碼器位置反饋進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，計(jì)算誤差，若超出設(shè)定誤差范圍，則報(bào)警提示。圖6 為無線示功儀一體化檢測裝置整體及加載機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。

圖6 無線示功儀一體化檢測裝置整體及加載機(jī)構(gòu)

3.2 無線示功儀一體化檢測技術(shù)應(yīng)用

無線示功儀一體化檢測裝置具有多沖次、多沖程、多工況檢測以及數(shù)據(jù)反演功能。在檢測過程中，操作人員將無線示功儀安裝于夾具上，對無線示功儀的網(wǎng)關(guān)、編號等進(jìn)行設(shè)置。通訊正常后，操作上位機(jī)軟件，選定功圖仿真功能，在數(shù)據(jù)庫中調(diào)取需要實(shí)驗(yàn)的工況，例如標(biāo)準(zhǔn)功圖、供液不足、游動(dòng)凡爾漏失工況，或者通過功圖反演功能，將現(xiàn)場采集的功圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。選擇好工況后，設(shè)置好沖次、實(shí)驗(yàn)周期、功圖數(shù)據(jù)采集時(shí)間等參數(shù)，即可開展功圖檢測，在無線示功儀數(shù)據(jù)和平臺數(shù)據(jù)反饋給上位機(jī)后，軟件會自動(dòng)進(jìn)行功圖載荷、位移、圖形面積符合率等參數(shù)的誤差計(jì)算和評價(jià)，圖7 為軟件界面。

圖7 軟件界面

4 無線示功儀現(xiàn)場檢測方法與實(shí)驗(yàn)室檢測方法的實(shí)際應(yīng)用效果

以某采油廠某作業(yè)區(qū)為例，在此作業(yè)區(qū)共計(jì)開展179 臺無線示功儀的檢測，首先采用免拆卸現(xiàn)場檢測方法，發(fā)現(xiàn)部分無線載荷位移傳感器存在功圖顯示錯(cuò)誤的問題，此類問題儀表共計(jì)19 臺，占比10.61%。其次是部分無線載荷位移傳感器存在載荷值超差的問題，此類問題儀表共計(jì)37 臺，占比20.67%。最后是部分無線載荷位移傳感器存在沖程值超差的問題，此類問題儀共計(jì)44 臺，占比24.58%。結(jié)合以上因素進(jìn)行評價(jià)，得出無線載荷位移傳感器綜合合格率59.78%。將不合格的無線示功儀再通過實(shí)驗(yàn)室檢測的方式進(jìn)行檢測與評價(jià)。通過此種方式，顯著減少了儀表拆卸的工作量及安全隱患。

5 結(jié)論

利用新型檢測裝置與綜合檢測方法，可以解決無線示功儀拆卸檢測帶來的安全隱患問題。同時(shí)為保證檢測的可靠性，對于出現(xiàn)問題的儀表，利用實(shí)驗(yàn)室一體化檢測裝置進(jìn)行詳細(xì)檢測與評價(jià)，兩種檢測方法相互補(bǔ)充。在保證檢測的科學(xué)性和嚴(yán)密性基礎(chǔ)上，降低了儀表拆卸檢測的頻率；降低了儀表拆卸造成的安全隱患；降低了檢測對油井正常生產(chǎn)的影響；降低了拆卸儀表、送檢、取回、安裝等過程帶來的人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)，為油田安全生產(chǎn)以及數(shù)字化油田建設(shè)發(fā)揮助力作用。