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(1. 中航工業(yè)氣動院沈陽金凱瑞科技有限公司 遼寧 沈陽 110031；2. 中國石油長慶油田分公司數(shù)字化與信息管理部 陜西 西安 710018；3. 大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司 黑龍江 大慶 163414)

0 引 言

目前，我國各大油田抽油機井的功圖測試由過去效率低下的人工單井測試，逐漸過度到數(shù)字化遠程監(jiān)測、分析與管理，大大提高了測試效率和安全性。然而，長期安裝井上的遠程監(jiān)測壓力傳感器經(jīng)歷風淋雨曬、四季溫度變化等外界因素的影響，傳感器的初值、系數(shù)等參數(shù)難免不發(fā)生漂移，造成功圖測試精度降低，保證不了測試數(shù)據(jù)的準確性，利用這樣的功圖進行分析、量油計算，勢必造成錯誤的結果；另外，在監(jiān)控室監(jiān)測的功圖異常的井，也難以判別故障原因，因此在數(shù)字化油田建設中急需一種在線標定儀器，在抽油機井現(xiàn)場即可完成壓力傳感器的檢測及標定?；谠跀?shù)字化油田遠程監(jiān)測過程中所暴露出的問題，研發(fā)了遠程壓力傳感器在線標定儀。該儀器能夠實現(xiàn)遠程監(jiān)測壓力傳感器的修正、標定，不但可以解決數(shù)字化油田遠程監(jiān)測過程中暴露出的問題，還可以方便地完成現(xiàn)場功圖、液面的測試任務。該標定儀器主要由標準壓力傳感器(含標準位移量)、信號測量系統(tǒng)、主機、軟件等幾部分構成。

1 工作原理

1.1 標定工作原理

現(xiàn)場使用時，將標準壓力傳感器安裝在懸繩器與被檢壓力傳感器之間，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場安裝測試示意圖

用專用電纜將標準壓力傳感器和被檢壓力傳感器相連，在主機的控制下使用標準壓力傳感器和被檢壓力傳感器進行功圖同步測試，測試結果通過無線方式傳回主機，通過同步周期內的每個測試點的標準壓力和被檢壓力的數(shù)值來計算出最大誤差，通過該誤差來判斷被檢壓力傳感器是否合格，同步測試參數(shù)顯示在主機上供用戶進行對比分析；同時主機可以對數(shù)據(jù)計算結果進行存儲、回放、分析及與上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊、上傳等功能；同時通過回歸分析法確定被校傳感器的零點、線性變化情況，并給出相應的檢測結果，對發(fā)生漂移的傳感器在不對傳感器零點、線性進行調節(jié)的情況下，可以根據(jù)在線檢測得出的分析結果對傳感器所測壓力值進行軟件補償修正，從而得到準確的測試結果。圖2是現(xiàn)場測試標定示意圖。

圖2 現(xiàn)場測試標定示意圖

1.2 動液面測試原理

遠程壓力傳感器在線標定儀主機配接氣動井口發(fā)聲器，還可以完成動液面測試功能。 利用油井內套管氣或外接氮氣作為聲源，利用壓差瞬間爆破產(chǎn)生聲波信號，聲波信號沿著油套環(huán)形空間向井下傳播，當遇到油管接箍、音標和液面等障礙物便產(chǎn)生反射脈沖，返回的聲脈沖由微音器接收轉換成電脈沖信號，圖3是動液面現(xiàn)場測試安裝示意圖。

圖3 動液面現(xiàn)場測試安裝示意圖

主機對接收的電脈沖信號進行放大、濾波、采集處理、計算得出油井動液面數(shù)據(jù)，并完成動液面曲線繪制及存儲功能，圖4是井下聲波信號傳播原理示意圖[1,2]。

圖4 聲波信號傳播原理示意圖

2 技術方案設計

2.1 標準壓力傳感器結構設計

除現(xiàn)場測試要求保證平面結構因素外，整體布局越均勻、合理，其測量的精度越高。應變彈性體是壓力測量機械形變向電信號轉換的關鍵，其機械形變與應力的比例關系越趨近于線性，其測量精度越高。通過廣義胡可定律和“commcs”軟件進行仿真計算分析，設計出三應變彈性體圓周分布方式，受力中心位于三彈性體分布圓心處,圖5是標準壓力傳感器結構示意圖。三點支撐在最大限度上滿足了彈性應變體的實際工況受力情況[3]。

2.2 標準壓力傳感器電路設計

標準壓力傳感器電路原理框圖如6所示，主要包括一個高精度的標準壓力傳感器的電源系統(tǒng)、信號放大、采集、嵌入式高速CPU處理系統(tǒng)和一個被校傳感器的I/V轉換、信號采集處理系統(tǒng)，經(jīng)過計算后的數(shù)據(jù)通過無線通訊模塊與主機進行通訊；由于標準壓力傳感器不但要求測試精度高、速度快，而且體積、重量要求都比較苛刻，所以整套系統(tǒng)電路設計在滿足功率要求的前提下，都是基于貼片集成電路和電子元器件的設計，除了在積機械結構上采用了適合現(xiàn)場的三點平面立柱式特有結構設計外，在電路設計方面也采用了當今較為先進的ARM單片機、高分辨率的A/D芯片、鐵電存儲及I/V轉換等技術[4，5]。

圖5 標準壓力傳感器結構示意圖

圖6 標準壓力傳感器電路原理框圖

標準壓力傳感器應變體由3個彈性體構成，在每個圓柱彈性應變體中部位置都粘貼有4片高靈敏度應力應變片，由3個彈性體粘貼的應變片連接組成惠斯通電橋。 當有壓力作用時, 彈性體在貼片處產(chǎn)生拉、壓成雙的彎曲應力(或剪應力), 從而使應變片發(fā)生阻值變化,通過惠斯通電橋電路把傳感器的壓力信號轉變成電信號進行處理。彈性應變體通過電橋測量工作原理如圖7所示[6]。

實際應用電路結合精密儀表放大器，設計有調零、補償及放大增益電路。供電電源由主控板提供的經(jīng)過穩(wěn)壓、濾波的高精密電源提供，保證了整體結構穩(wěn)定性和精度；同時傳感器上專門設計了可以方便拆卸的適合安裝被校傳感器的安裝底座，以便現(xiàn)場檢測時傳感器疊加更穩(wěn)定，保證了測試數(shù)據(jù)真實可靠。

圖7 電橋測量工作原理圖

2.3 主機設計

主機向傳感器發(fā)出測試指令，完成壓力傳感器的功圖同步測試，并同時接收測試數(shù)據(jù)，在主機上繪制出對比功圖和計算出測試結果。根據(jù)設定誤差判別出被測傳感器合格與否并進行標定。主機具有誤差設定、檢測對比、現(xiàn)場修正、功圖液面測試、存儲和通訊功能。為了使主機體積、重量盡可能小，攜帶方便，主機內所有電路模塊也都采用了先進的貼片技術設計，主機測試存儲的對比測試數(shù)據(jù)及標定參數(shù)可上傳到上位機進行處理、分析、診斷。主機電路原理框圖如圖8所示。

圖8 主機電路原理框圖

3 標 定

無線遠程壓力傳感器通常是壓力0～150 kN對應4～20 mA電流輸出型傳感器。井口RTU(Remote Terminal Unit)是針對每一口油井安裝的一種遠端測控單元裝置，負責對現(xiàn)場本井壓力、位移、溫度等傳感器信號的監(jiān)測和控制，完成現(xiàn)場各物理量數(shù)據(jù)的采集、處理及無線遠程傳輸功能；也可以設定成同一個井場各井口RTU采集的數(shù)據(jù)，統(tǒng)一上傳到一個總的RTU,我們稱之為匯聚RTU，統(tǒng)一完成無線遠程傳輸。井口RTU通過設定壓力零點、壓力增益兩個參數(shù)實現(xiàn)壓力修正，如圖9所示。這兩個參數(shù)分別與壓力傳感器X0零點輸出電流mA值、增益系數(shù)a(kN/mA)相對應，通過軟件修改這兩個參數(shù)即可實現(xiàn)壓力校準修正目的，這兩個參數(shù)含義如下：

壓力零點： 壓力零點為當壓力值為0 kN時,控制器對應的AD采集標準值，默認值為10 000，即4 mA對應的AD采集標準值；

壓力增益： 壓力增益(GF)含義為滿量程壓力電流輸出與零點壓力電流輸出值的差值,即壓力輸出的斜率;

GF=(XFull-X0)×12.5

(1)

式(1)中，GF為RTU修正傳感器界面的壓力增益；XFull為被校傳感器加載滿量程時被輸出電流值；X0為被校傳感器無加載(0 kN)輸出電流值。

圖9 RTU標定修正傳感器界面

在線標定儀通過同步測試一個周期的標準壓力值、被校壓力值，得到一系列的被校壓力電流輸出值與標準壓力的測試數(shù)據(jù)點(xi,yi),i=0.287,xi的單位是mA,yi的單位是kN，通過一元線性回歸分析的計算方法得到擬合直線方程：

Y=a(X-X0)

(2)

式(2)中，X0為壓力零點對應的實際電流輸出值；a為增益系數(shù)(kN/mA)。為確定回歸系數(shù)X0、a的值，采用最小二乘法，將實測值yi與xi代入公式(2)計算的離差(yi-Y)的所有點平方和設為函數(shù)Q，使Q達到最小值。

(3)

根據(jù)極值原理，X0、a應滿足下列方程：

(4)

(5)

通過軟件計算，可以求出X0、a的值，確定修正壓力零點X0(mA)和增益系數(shù)a(kN/mA)；通過公式(2)，可以計算出滿量程壓力YFull=150kN所對應的實際電流輸出值，即

X0=X0；XFull=X0+YFull/a

(6)

再通過RTU軟件給出的換算公式,把公式(6)代入(1)即可換算成RTU對應的零點壓力X0及壓力增益GF數(shù)值，在測試及查詢界面中附在零點值及增益之后，如圖10所示。如果需要對RTU進行壓力修正，則在圖9 RTU修正傳感器界面中修改這兩個數(shù)值， 把主機計算修正值下載到RTU中保存即可[3]。

圖10 帶有標定修正功能的顯示界面

4 現(xiàn)場應用情況

前期在長慶油田對王窯、侯南作業(yè)區(qū)30余口井進行了現(xiàn)場驗。我們選取高19-20井數(shù)據(jù)資料進行說明，檢測及標定情況如下。圖11是現(xiàn)場標準壓力傳感器與被檢測傳感器功圖同步測試，紅色功圖為標準壓力傳感器所測功圖，綠色功圖為被檢測傳感器所測功圖。表1是標準、被測壓力傳感器標定前、標定后所測最大、最小壓力對比數(shù)據(jù)表。最大誤差未必出現(xiàn)在最大、最小壓力值位置，只是用其說明修正前后變化情況。

圖11 功圖同步測試

名稱最大壓力值/kN最小壓力值/kN被檢壓力傳感器(修正前)43.3225.04標準壓力傳感器41.9824.52被檢壓力傳感器(修正后)41.5724.06

修正前，被檢測最大誤差為0.9%,檢測結果為不合格(誤差精度設定0.5級標準)，需對其進行修正。

將被檢壓力傳感器與數(shù)據(jù)電纜相連，筆記本電腦與RTU相連，由標定儀直接計算出寫給RTU的修正值，然后重新進行檢測，圖12是經(jīng)過修正后測試的功圖。

圖12 修正后測試的功圖

修正標定后，最大誤差0.27%,符合0.5級標準。

現(xiàn)場應用說明，該儀器可以滿足現(xiàn)場壓力傳感器的檢測和修正功能，現(xiàn)場安裝、攜帶方便、操作簡捷。該儀器人機界面友好，顯示直觀具體，參數(shù)齊全，符合油田現(xiàn)場測試人員的操作習慣，便于掌握。

5 結 論

在長慶油田近幾年的大量現(xiàn)場試驗及結果表明，該遠程壓力傳感器在線標定儀完全達到預期設計目標和要求，實現(xiàn)了遠程壓力傳感器的在線檢測以及標定修正的功能，而不必配備大量檢測、校準儀表設備，大大降低了測試人員工作強度，避免了時間的浪費，提高了工作效率，給油田遠程監(jiān)測傳感器標定修正帶來便利。同時，在不改變現(xiàn)有測試方式的前提下，使用該在線檢測儀也可以完成現(xiàn)場功圖、液面的測試任務。該儀器在數(shù)字化油田建設中具有廣闊的應用前景和實用價值，已獲得國家發(fā)明專利。