高楊

中國(guó)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

隨著國(guó)內(nèi)一些油田逐步進(jìn)入石油開采后期，如何提高石油采收率、降低人力成本，已成為迫切需要解決的問題。我國(guó)各大油田均已將“數(shù)字化油田建設(shè)”作為當(dāng)前發(fā)展的首要任務(wù)[1-3]。而數(shù)字化油田系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)需要通過各類安裝于油井、水井、氣井、計(jì)量間、中轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站等的儀表采集獲得，無線載荷位移傳感器就是其中一種測(cè)量抽油機(jī)載荷和沖程并合成示功圖的重要儀器[4-6]。由于單井均需要配備，數(shù)量很大，同時(shí)，它又是判別油井工況的重要儀器，準(zhǔn)確度要求較高。由于其長(zhǎng)期安裝在井口，經(jīng)歷風(fēng)淋雨曬、四季溫度變化等外界因素，傳感器初值、系數(shù)等參數(shù)會(huì)發(fā)生漂移[7]。因此，定期對(duì)無線載荷位移傳感器進(jìn)行檢測(cè)和校準(zhǔn)是保障其準(zhǔn)確性的重要手段。

然而現(xiàn)階段采用的無線載荷位移傳感器實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法是利用拉壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行載荷檢測(cè)[8]，利用長(zhǎng)度檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)行位移檢測(cè)[9]，對(duì)于兩種參數(shù)同步采集才能獲得的示功圖無法進(jìn)行檢測(cè)與準(zhǔn)確度評(píng)價(jià)，檢測(cè)效率也非常低。無法滿足數(shù)字化油田建設(shè)中新增儀表的檢測(cè)需求，預(yù)計(jì)至2025 年，國(guó)內(nèi)某油田將全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化油田建設(shè)，預(yù)計(jì)新增計(jì)量?jī)x表100 余萬臺(tái)。所有計(jì)量?jī)x表都需要進(jìn)行首次檢測(cè)及周期檢測(cè)，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室手動(dòng)檢測(cè)方式顯然無法滿足需求，這是數(shù)字化油田建設(shè)中亟待解決的問題。

無線載荷位移傳感器實(shí)驗(yàn)室一體化檢測(cè)裝置的主要工作原理是通過位移牽引系統(tǒng)拖動(dòng)安裝于導(dǎo)軌上的滑塊，使其在水平方向上模擬試驗(yàn)所需的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將加載系統(tǒng)進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，安裝于滑塊上方。使用時(shí)，將無線載荷位移傳感器固定于加載系統(tǒng)上，對(duì)其動(dòng)態(tài)施加載荷，在加載系統(tǒng)和位移牽引系統(tǒng)的共同作用下，無線載荷位移傳感器與檢測(cè)裝置測(cè)得的示功圖數(shù)據(jù)共同上傳給上位機(jī)，按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算與綜合評(píng)價(jià)[10]。

1 位移控制與檢測(cè)方法

1.1 位移校準(zhǔn)系統(tǒng)工作原理

位移參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)采用定制化直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案，具有體積小、控制精度高、高效節(jié)能、可靠性高、使用維護(hù)方便等特點(diǎn)。主要工作過程為上位機(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)模組上的滑塊做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。機(jī)臺(tái)上布置有高精度磁柵尺，運(yùn)動(dòng)滑塊上的磁頭實(shí)時(shí)讀取位置信息反饋給位移控制器，并與伺服電機(jī)編碼器的位置反饋進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，計(jì)算誤差，若超出設(shè)定誤差范圍，進(jìn)行報(bào)警提示。軌道兩端布置有限位光電開關(guān)，為極限位置提供信號(hào)輸出，保障運(yùn)動(dòng)滑塊位置安全。機(jī)臺(tái)兩端最外側(cè)布置有液壓緩沖裝置，作為設(shè)備最后一道安裝屏障，保障運(yùn)動(dòng)滑塊不會(huì)沖出軌道危及試驗(yàn)人員安全，具體工作原理如圖1所示。

圖1 位移控制與檢測(cè)裝置工作原理圖

1.2 系統(tǒng)組成及技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

位移校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、光柵尺反饋系統(tǒng)、限位保護(hù)系統(tǒng)4 部分組成。直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用定制化模組，鋼強(qiáng)化傳動(dòng)皮帶內(nèi)置于導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)，創(chuàng)新性的采用了導(dǎo)軌、導(dǎo)輪的H 型布局，能夠支持的最大移動(dòng)速度為8 m/s，直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)物如圖2所示。

圖2 直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用進(jìn)口伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)扭矩的功能,電機(jī)扭矩與負(fù)載慣量按照下式計(jì)算：

式中：T為電機(jī)所需扭矩，N·m；F為負(fù)載力，N；S為皮帶輪半徑，m。

式中：J為皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)的慣量，kg·m2；M為負(fù)載質(zhì)量，kg；R為皮帶輪半徑，m。

磁柵尺反饋系統(tǒng)主要用于閉環(huán)校準(zhǔn)直線位移精度，為伺服控制提供數(shù)據(jù)反饋，保證位移控制與輸出的準(zhǔn)確性，磁柵尺精度可達(dá)1 mm。限位保護(hù)系統(tǒng)分為三級(jí)保護(hù)，包括伺服電機(jī)反接制動(dòng)、限位開關(guān)制動(dòng)。同時(shí)在裝置兩側(cè)布置有緩沖器裝置，作為整個(gè)系統(tǒng)的最后一道防護(hù)，保證滑塊高速運(yùn)行時(shí)不會(huì)沖出軌道，對(duì)人員造成傷害。在以上各子系統(tǒng)的共同作用下，保證了裝置位移控制與反饋的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，限位保護(hù)系統(tǒng)如圖3所示。

2 載荷控制與檢測(cè)方法

2.1 載荷校準(zhǔn)系統(tǒng)工作原理

載荷校準(zhǔn)系統(tǒng)布置于可運(yùn)動(dòng)滑塊上方，隨位移控制系統(tǒng)按實(shí)驗(yàn)要求做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)來控制液壓油進(jìn)油和出油，進(jìn)而控制加載油缸的伸縮。加載機(jī)架底部布置有高精度壓力傳感器，可實(shí)時(shí)讀取油缸加載壓力，進(jìn)而反饋給載荷控制器，并與伺服電機(jī)編碼器位置反饋進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，保證控制精度。

2.2 系統(tǒng)組成及技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

載荷校準(zhǔn)系統(tǒng)由以下部分組成：控制系統(tǒng)、伺服油源和加載缸、液壓閥組、儀表傳感器等部分組成?？刂葡到y(tǒng)由控制箱、實(shí)時(shí)控制器及擴(kuò)展模塊等組成?？刂葡到y(tǒng)接受上位計(jì)算機(jī)的加載指令，控制加載系統(tǒng)加載力輸出，采集并匯總加載數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔挥?jì)算機(jī)。加載系統(tǒng)控制原理如圖4所示。由于加載系統(tǒng)安裝于直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的滑塊上方，因伺服加載系統(tǒng)工作時(shí)最大水平運(yùn)行頻率為15次，所以伺服加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)緊湊、總質(zhì)量不大于120 kg。只有降低滑塊上方器件的質(zhì)量，才能保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，因此，控制箱采用了分布式設(shè)計(jì)，一組就地安裝在試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)機(jī)架上，用于控制器擴(kuò)展模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器等元件。另一組安裝在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)操作臺(tái)處，用于實(shí)時(shí)控制器、UPS電源等安裝布置。就地控制箱和遠(yuǎn)控箱之間通過柔性電纜和拖鏈連接。在以上各子系統(tǒng)的共同作用下，保證了裝置載荷控制與反饋的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，載荷控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 加載系統(tǒng)控制原理圖

圖5 載荷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

3 檢測(cè)結(jié)果輸出與評(píng)價(jià)

無線載荷位移傳感器實(shí)驗(yàn)室一體化檢測(cè)裝置將位移控制技術(shù)與載荷校準(zhǔn)技術(shù)相結(jié)合，可根據(jù)校準(zhǔn)流程和參數(shù)自動(dòng)完成校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了載荷校準(zhǔn)、位移校準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)功圖比對(duì)與準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)，載荷、位移的誤差計(jì)算方法見下式：

式中：δF為被校準(zhǔn)載荷傳感器最大引用誤差，%；ΔFmax為被校準(zhǔn)綜合測(cè)試儀各校準(zhǔn)點(diǎn)中最大示值誤差，kN；FFS為被校準(zhǔn)載荷傳感器測(cè)量范圍的上限值，kN。

式中：δS為被校準(zhǔn)位移傳感器最大引用誤差，%；ΔSmax為被校準(zhǔn)位移傳感器各校準(zhǔn)點(diǎn)中位移最大示值誤差，m；SFS為被校準(zhǔn)綜合測(cè)試儀位移測(cè)量范圍的上限值，m。

無線載荷位移傳感器實(shí)驗(yàn)室一體化檢測(cè)裝置除可以對(duì)載荷、位移進(jìn)行單項(xiàng)檢測(cè)外，還可以按照標(biāo)準(zhǔn)功圖進(jìn)行位移和加載力動(dòng)態(tài)控制，模擬出標(biāo)準(zhǔn)功圖的載荷、位移的運(yùn)動(dòng)特性，同時(shí)將裝置的示功圖與無線載荷位移傳感器的示功圖進(jìn)行比對(duì)，可以實(shí)現(xiàn)無線載荷傳感器載荷值相對(duì)誤差、位移值相對(duì)誤差、示功圖面積符合率的綜合評(píng)價(jià)，軟件界面及計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 示功圖檢測(cè)界面

圖7 誤差及圖形面積比對(duì)界面

4 結(jié)論

無線載荷位移傳感器載荷、位移參數(shù)一體化檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)，說明將當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中常用的集成化智能控制技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字化油田計(jì)量檢測(cè)中，可以最大程度保證了載荷、位移參數(shù)的同步性、準(zhǔn)確性，能夠顯著提高檢測(cè)效率。與傳統(tǒng)的檢測(cè)方式相比，將原有的兩參數(shù)彼此分離、單獨(dú)評(píng)價(jià)的思路改為同時(shí)檢測(cè)、同時(shí)出具檢測(cè)結(jié)果的方式，與儀表工作的實(shí)際情況更為接近，得出的評(píng)價(jià)結(jié)果更具有說服力，同時(shí)解決了示功圖準(zhǔn)確性無法評(píng)價(jià)的問題。在此基礎(chǔ)上，還實(shí)現(xiàn)了軟件自動(dòng)比對(duì)，自動(dòng)出具檢測(cè)報(bào)告的功能。另外，無線載荷位移傳感器一體化檢測(cè)裝置具備高度的功能擴(kuò)展性，可以將現(xiàn)場(chǎng)采集到的示功圖數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向錄入，利用裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬、工況復(fù)現(xiàn)，可以在故障診斷、特殊工況下儀表的準(zhǔn)確度評(píng)價(jià)方面有所應(yīng)用。