無線功圖采集器關鍵技術

1大慶油田采油六廠 2中糧生化能源（肇東）有限公司 3北京助創科技有限公司

無線功圖采集器關鍵技術

李義1鐘大海2代嘯寧2寧秀文3

1大慶油田采油六廠 2中糧生化能源（肇東）有限公司 3北京助創科技有限公司

油田常用的有線抽油機功圖采集器其安裝位置是在抽油機的懸繩器上，在抽油機正常生產運行過程中，懸繩器一直處于上下運動狀態，容易造成線纜損壞。無線功圖采集器無需任何線纜，不存在線纜損壞的問題。無線功圖采集器涉及到兩項關鍵技術：傳感器結構設計和補償方法。載荷傳感器選擇圓柱型載荷傳感器，并在功圖采集器上設有導水孔，以保障載荷傳感器在雨水環境下的穩定性。環境溫度變化會影響載荷傳感器測量數值，通過采用特定的線性補償方法進行溫度補償，以及在不同的溫度范圍內進行標定，能夠保證當外界環境溫度變化時載荷測量的精度要求。無線功圖采集器用于同步測試抽油機載荷和位移，可實現數據實時傳輸以及實時監測抽油機運行狀態，實現對油井的自動化管理。將無線功圖采集器與有線功圖采集器進行了對比，結果表明，無線功圖采集器的測量精度和可靠性均能滿足使用要求。

無線功圖采集器；荷載傳感器；溫度補償；位移計算

1有線功圖采集器存在的問題

目前油田使用的抽油機功圖采集器絕大多數是有線的，其安裝位置是在抽油機的懸繩器上，在抽油機正常生產運行過程中，懸繩器一直處于上下運動狀態，容易造成線纜損壞。特別是北方地區，冬季氣溫很低，線纜更容易損壞。另外，抽油機井因各種原因會定期或不定期地進行維修作業，作業時需將功圖采集器拆卸下來。抽油機井維修后，需將功圖采集器再安裝回去，而設備所帶的線纜易斷裂損壞，很難實現再次安裝，導致的結果是油井維修好了，功圖采集器卻無法正常工作。

2無線功圖采集器主要特點

（1）無線功圖采集器特別適合不斷往復運動、-40℃環境下長期工作的需求。

（2）采用無線數據傳輸，電池供電，無需任何線纜，不存在線纜損壞的問題。

（3）采取一體化緊湊式設計。抽油機井維修后，修井工人只需將設備安裝在懸繩器上即可，無需任何的電纜敷設、接線、調試及配置工作。

（4）數據傳輸采用無線方式，通過雙向校驗保證數據傳輸的可靠性。

（5）通過雙向數據傳輸技術，實現功圖數據的定時采集和傳輸。用戶可根據需要在任何時間、任何地點，通過監控服務器實現遠程讀取功圖的實時數據。

（6）采用高能電池供電，8 h采集1組數據時，電池可工作5年；10 h采集1組數據時，電池可工作2年。

（7）無線功圖采集器采集的參數有兩個，即載荷和位移，參數可通過載荷傳感器和加速度傳感器檢測。通過傳感器的關鍵算法和對傳感器的全量程標定，可確保采集數據的準確性。無線功圖采集器見圖1。

圖1 無線功圖采集器

3載荷傳感器關鍵技術的實現

無線功圖采集器關鍵部件之一的載荷傳感器，是由應變片貼在承重柱上實現載荷檢測的。要想長期穩定地工作以及測量數據的準確、可靠，涉及到兩項關鍵技術：傳感器結構設計和補償方法。

載荷傳感器選擇圓柱型載荷傳感器，并在功圖采集器上設有導水孔，進入的水可從下邊導走不會滯留，保障了載荷傳感器在雨水環境下的穩定性。

載荷傳感器的測量原理是通過應變片的變形來檢測受力大小。由于應變片受環境溫度影響會產生蠕變，因此環境溫度變化，即溫漂現象會產生測量誤差。為了解決溫漂問題，必須進行溫度補償。另外，載荷傳感器因溫度變化產生漂移，漂移量并不是線性的，所以在做溫度補償時必須采取全溫度范圍的補償，不能只在某個溫度下進行補償。通過研究采用特定的線性補償方法，取得了相當穩定的線性補償效果。

對載荷傳感器進行校準標定時，不能只在常溫下進行，應在不同的溫度范圍內進行標定，確保環境溫度變化時載荷測量數值是準確的。

綜上所述，環境溫度變化會影響載荷傳感器測量數值，通過采用特定的線性補償方法進行溫度補償，以及在不同的溫度范圍內進行標定，能夠保證當外界環境溫度變化時載荷測量的精度要求。

4位移的計算方法

無線功圖采集器的位移是通過加速度傳感器進行測量的。加速度傳感器進行一次積分得到的是瞬時速度，二次積分得到的是位移。由于抽油機運動的速度快慢不一，運行沖次有的每分鐘小于2次，有的甚至小于1次。對于這種變加速度且整體運行速度又非常緩慢的情況，通過加速度進行位移計算是比較困難的。采用加速度兩次積分的方法，把加速度變成位移，在大位移和低沖次兩種狀態下積分變得更加復雜。因此，在現有工況下，要想獲得準確的位移，就不能簡單地通過積分來求得，而需要采用一些較為復雜的數學方法。在長期的實踐中，逐步模索出了一些行之有效的方法：

（1）采用基于低頻加速度信號的波形反演和帶限信號外推算法，大大提高了加速度積分的準確性。

（2）采用專用的波形重構算法，有效減弱了0.159 2 Hz以下頻點積分后誤差被放大對測量精度的影響（即沖次在9.552以下的周期），而且軟件積分算法解決了寬周期響應的一致性問題。

（3）采用擴展的卡爾曼濾波算法來修正MEMS傳感器的隨機誤差。

（4）采用基于溫度補償的MEMS加速度偏移修正算法。

5結論與建議

（1）抽油機運行過程中位移參數測量是否準確需要通過標定確認。據了解，目前國內各油田計量檢定機構還沒有對無線功圖采集器的位移參數進行全量程標定的設備。經過攻關，研發出了無線功圖采集器的標定設備，并且所有應用的產品都經過了全量程標定。2014年4月在大慶某外圍采油廠選擇了10口沖速在2 min-1以下的油井，將使用無線功圖采集器與常規（有線）功圖采集器進行對比。結果表明，無線功圖采集器的測量精度和可靠性均能滿足使用要求。

（2）應該建立一套完善的標定程序，包括標定的設備和標定規程，只有這樣才能保證無線功圖采集器測量數據的準確性。

（欄目主持 樊韶華）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.8.037

2015-04-30