無線應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)在井架承載能力檢測(cè)中的應(yīng)用
2012-12-31 00:00:00劉志剛
【摘要】應(yīng)變測(cè)試是石油井井架檢測(cè)承載能力測(cè)試的主要檢測(cè)項(xiàng)目，針對(duì)傳統(tǒng)有線應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計(jì)了基于無線網(wǎng)絡(luò)的石油井架應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，這種無線測(cè)試系統(tǒng)具有測(cè)試精度高、抗干擾能力強(qiáng)、高效率、高可靠性、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，適合石油井架承載能力檢測(cè)中應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】承載能力；井架；無線應(yīng)變；應(yīng)力測(cè)試
0.引言
井架是石油鉆井和修井作業(yè)過程中的重要組成部分，現(xiàn)代鉆井、修井作業(yè)中都使用井架，井架負(fù)責(zé)起升和下放鉆柱、安放天車、懸掛游車、大鉤等機(jī)具以及存放鉆柱、油管等。井架作為鉆井設(shè)備的關(guān)鍵部分，其承載性能直接關(guān)系到整套鉆機(jī)系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1]。
應(yīng)力測(cè)試是石油井架檢測(cè)的主要項(xiàng)目之一，是井架承載能力測(cè)試的主要方式。傳統(tǒng)井架應(yīng)變系統(tǒng)應(yīng)用的是有線測(cè)試系統(tǒng)，有線測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)是：安裝繁瑣、工作量大、測(cè)量精度受導(dǎo)線長(zhǎng)度和布線影響大、測(cè)試周期長(zhǎng)等。針對(duì)傳統(tǒng)有線應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)存在的問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于無線網(wǎng)絡(luò)的石油井架應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，這種無線測(cè)試系統(tǒng)具有測(cè)試精度高、抗干擾能力強(qiáng)、高效率、高可靠性、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，適合在石油井架承載能力檢測(cè)中應(yīng)用。
1.研究現(xiàn)狀和進(jìn)展
目前，石油井架承載能力測(cè)試主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6326-2008《石油鉆機(jī)和修井機(jī)機(jī)架、底座承載能力檢測(cè)評(píng)定方法》，該標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范制定的，它的理論基礎(chǔ)是鋼結(jié)構(gòu)在靜載荷條件下的強(qiáng)度破壞和穩(wěn)定失效作為判據(jù)準(zhǔn)則，因此在評(píng)定井架承載能力時(shí)，必須采用對(duì)井架施加大小不等的載荷，測(cè)定井架結(jié)構(gòu)內(nèi)許多測(cè)點(diǎn)在這些載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變，只有這樣才能準(zhǔn)確判定該井架的安全承載能力。
2.石油井架無線應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)
無線應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)由無線應(yīng)變傳感器節(jié)點(diǎn)、接收網(wǎng)關(guān)、計(jì)算機(jī)采集處理軟件三部分組成，無線傳感器節(jié)點(diǎn)可以組成龐大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以自組織形成星型、線型和網(wǎng)狀網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
基于無線網(wǎng)絡(luò)的石油井架應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)使用簡(jiǎn)單方便，無線數(shù)字信號(hào)傳輸方式消除了長(zhǎng)電纜傳輸帶來的噪聲干擾，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)具有極高的測(cè)量精度和抗干擾能力，縮短了測(cè)試周期，節(jié)省了大量的人力物力，提高了系統(tǒng)的可靠性和測(cè)試精度。
無線傳感器節(jié)點(diǎn)控制井架檢測(cè)點(diǎn)上的應(yīng)變采集點(diǎn)采集井架應(yīng)變信號(hào)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)把采集數(shù)據(jù)傳送到接收網(wǎng)關(guān)，由接收網(wǎng)關(guān)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示和分析處理。
3.系統(tǒng)硬件
無線傳輸模塊采用的是SG404無線應(yīng)變傳感器節(jié)點(diǎn)，SG404無線應(yīng)變傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，由電源模塊、采集處理模塊、無線收發(fā)模塊組成，封裝在RytonPPS 塑料外殼內(nèi)，節(jié)點(diǎn)每個(gè)通道內(nèi)置有獨(dú)立的高精度120-1000Ω橋路電阻和放大調(diào)理電路，可以方便地由軟件自動(dòng)切換選擇1/4 橋、半橋、全橋測(cè)量方式，該節(jié)點(diǎn)是一種新型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，基于802.15.4協(xié)議可以自組織形成星型、線型和網(wǎng)狀網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
4.系統(tǒng)軟件
系統(tǒng)軟件采用BeeData軟件，軟件由主接口子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)源子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)顯示子系統(tǒng)組成。每一個(gè)子系統(tǒng)均包括若干不同的功能的模塊，模塊之間協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的管理和控制。
軟件對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)同步顯示、分析和儲(chǔ)存，采集得到的數(shù)據(jù)可以方便的輸出到第三方軟件進(jìn)行后處理。軟件可對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量和設(shè)備是否發(fā)生故障實(shí)施監(jiān)控，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的異常情況實(shí)時(shí)報(bào)警，利于網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和管理。
5.無線應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)
5.1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
以新投入使用的CB26采修一體化平臺(tái)HXJ110DB型修井井架進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，測(cè)試地點(diǎn)在埕島油田CB26-1井。測(cè)試儀器采用SG404型無線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)，并用BeeData無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，無線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)采樣率為設(shè)置為25sps，半橋模式，傳輸模式為實(shí)時(shí)傳輸采樣數(shù)據(jù)，測(cè)試系統(tǒng)在井架中下段立柱和井架二層臺(tái)立柱設(shè)置了8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)連接2個(gè)應(yīng)變片，共計(jì)16個(gè)測(cè)試點(diǎn)。
5.2數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
利用ansys軟件建立井架有限元分析模型對(duì)井架受力進(jìn)行模擬分析，即：在一定載荷下井架產(chǎn)生的應(yīng)力和在ansys有限元模型上進(jìn)行加載分析，驗(yàn)證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。現(xiàn)場(chǎng)采集的應(yīng)力值與有限元模型分析的應(yīng)力值進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如下：
載荷（kN）：820
井架中下段立柱中：
測(cè)試值（με）：-130.2、-127.1、-139.9、-128、-139.1、-144.3、-151.4、-142。
模擬值（με）：-129.5、-129.5、-133.7、-133.7、-140.6、-140.6、-144.8、-144.8。
誤差（%）：0.54、-1.85、4.64、-4.26、-1.07、2.63、4.56、-1.93。
井架二層臺(tái)立柱中：
測(cè)試值（με）：-126.9、-132.6、-125.3、-132.1、-105.8、-100.9、-104.5、-112.7。
模擬值（με）：-128.3、-128.3、-126.7、-126.7、-101.2、-101.2、-109.6、-109.6。
誤差（%）：-1.09、3.35、-1.10、4.26、4.55、-0.30、-4.65、2.83。
通過上述對(duì)比發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)應(yīng)力值與有限元模型分析的應(yīng)力值誤差在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了無線應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
此外，通過BeeData軟件對(duì)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明：無線應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，噪聲干擾小，檢測(cè)過程中未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失與現(xiàn)象。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)具有極高的測(cè)量精度和抗干擾能力，無線應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)能夠滿足井架承載能力測(cè)試對(duì)檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的要求，可以在井架應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試中應(yīng)用。
6.結(jié)束語(yǔ)
基于目前井架應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)有線傳輸系統(tǒng)存在的問題，提出了基于無線網(wǎng)絡(luò)的石油井架應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明無線應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)與傳統(tǒng)的有限應(yīng)變測(cè)試方式相比節(jié)省了布線，使用簡(jiǎn)單方便，縮短了測(cè)試周期；無線數(shù)字信號(hào)傳輸方式消除了長(zhǎng)電纜傳輸帶來的噪聲干擾，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)具有極高的測(cè)量精度和抗干擾能力，滿足了現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜工況下系統(tǒng)對(duì)采集節(jié)點(diǎn)小型化和低功耗的要求，適合在石油井架承載能力檢測(cè)中應(yīng)用。
【參考文獻(xiàn)】
[1]韓東穎，周國(guó)強(qiáng)，李子豐等.鉆機(jī)井架安全承載能力評(píng)定方法研究.天然氣工業(yè)[J].2007，27（1）：81-84.
