卡光桿綜合測試儀校準標準化探討

2018-12-06 04:49:52孫思源

石油管材與儀器 2018年5期

孫思源

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司黑龍江大慶 163513)

0 引言

低壓測試儀油田用于測試功圖、液面深度、套壓等參數，主要判斷泵效、了解地層壓力，其校準質量直接影響測試結果。目前低壓測試儀有綜合測試儀、液面監測儀、示功儀[1]等。隨著科技的發展，示功儀已經被綜合測試儀替代。綜合測試儀正朝著無線傳輸、間接測量的方向發展，載荷采用測量抽油桿形變量代替壓載式，位移采用測量加速度測量位移代替拉線式[2]。低壓測試儀型號和功能不斷地推陳出新，給校準工作的標準化提出了更高的要求[3-4]。現行的校準標準SY/T 7080-2016《抽油機井綜合測試儀校準方法》，在針對卡光桿綜合測試儀的特殊校準方法下的標準化操作還存在很多模糊和需要討論的地方，仍然沿用了SY/T 6678-2007《電子示功儀校準方法》標準中壓載拉線式綜合測試儀校準方法，需要改進。

1 卡光桿綜合測試儀的校準方法標準化

卡光桿綜合測試儀的技術要求主要體現在：準確度等級、示外觀檢查、振動和沖擊檢查、載荷零點、滿量程穩定性和鑒別力的檢查、示值校準。

現行使用標準為SY/T 7080-2016《抽油機井綜合測試儀校準方法》，2016年1月7日發布，2016年6月1日實施。該標準主要針對啟用后的抽油機井綜合測試儀校準工作中的技術要求和數據處理方法提出了要求，并未針對現行儀器的具體校準方法和流程建立標準化要求。在此，針對從儀器交接到檢定證書出具的各項環節提出標準化的討論意見。

1.1 卡光桿載荷零點穩定性校準標準化建議

SY/T 6678-2000《電子示功儀校準方法》和SY/T 7080-2016《抽油機井綜合測試儀校準方法》中對載荷零點偏移和零點漂移校準都是針對壓載拉線式綜合測試儀制定的，但是對于卡光桿加速度式綜合測試儀載荷零點校準不適應。首先，由于卡光桿綜合測試儀測試原理和標定方程模型AD差值變化量對應是載荷差值變化量的比值，這樣的測量方法無法形成如壓載綜合測試儀空載時的絕對零值，載荷校準單元如圖1所示。所以卡光桿綜合測試儀安裝在圖1中抽油桿組件的位置進行載荷校準，壓載綜合測試安裝在圖1中壓頭、壓腳的位置進行載荷校準。其次，區別于原始壓載拉線式測試儀的完全無載荷值的零點采集，在進行零點檢查時，卡光桿綜合測試儀的載荷零點是一個相對的量。固定儀器標準的松緊度是一個區間而不是一個值，導致每一次安裝儀器時，卡光桿綜合測試儀都存在一個初值且初值可變。

因此，卡光桿加速度式綜合測試儀載荷絕對零點檢是無法實現的。如果要求對零點示值偏移和漂移校準，在給定一載荷值進行測試，如20 kN之前記錄零點對應工程值。觀察儀器的響應數值，按零點漂移和零點偏移的計算方法時，必須扣除之前記錄的工程值，從而來判斷儀器的穩定性是否合格。如對相對零點漂移有較高的要求，可以嘗試在儀器檢定下使用載荷檢定程序，采集初值之后觀察并記錄相對AD初值的實測AD值以及載荷值的變化量，將數值填入檢定軟件中進行精度計算。

由此看出，卡光桿綜合測試儀載荷示值、零點偏移、零點漂移校準必須進零點修正。

圖1 載荷校準單元

1.2 載荷示值校準標準化建議

卡光桿加速度綜合測試儀載荷校準。卡光桿綜合測試儀載荷并不能按照標準SY/T 7080-2016所述進行選點標定，不能按照壓載拉線式載荷標定辦法進行標定。

卡光桿綜合測試儀的校準工作，由于其原理限制，對于零點的采集是不準確的。同時由于傳感器位卡光桿的位置、松緊、光桿外徑、光桿材料性質的影響，同一載荷下，不同循環標準光桿被壓縮或拉伸，卡光桿傳感器輸出的量值不同。因此，標定時并不以零點為起始點，在儀器固定之后需要讀取儀器初值，從而檢定零點漂移和零點偏移。對于其他標定點，卡光桿綜合測試儀的不同儀器廠家采用一定范圍內兩點三循環拉伸標定。

1)GY-GSG-100

GY-GSG-100型儀器在標定時，采用兩點標定，一般的標定區間是10 kN和130 kN。進行三次拉伸標定，確定每千牛導致的傳感器數值變化的平均值進而標定儀器。儀器標定范圍10～130 kN，檢定范圍0～100 kN五點三循環計算誤差值。

2)HYKJ

HYKJ型儀器在標定時，第一步是寫入初值，基本可以避免零點誤差。采用兩點拉伸標定進行載荷校正，一般的標定區間是50 kN和100 kN。僅進行一次采值計入標定方程。儀器標定范圍50～100 kN，檢定范圍0～100 kN五點三循環計算誤差值。

3)GTP-S200

GTP-S200型儀器在標定時，采用兩點拉伸標定進行載荷校正，一般的標定區間是20 kN和40 kN。僅進行一次采值計入標定方程。儀器標定范圍20～40 kN，檢定范圍0～100 kN五點三循環計算誤差值。

通過對以上三種卡光桿綜合測試儀載荷標定不同于壓載拉線式綜合測試儀載荷標定，壓載式載荷標定生成的數學公式是一次直線方程，標準載荷一一對應的儀器響應值，而卡光桿載荷標定方法為——兩點拉伸標定，數據處理采用做差再相除的辦法，即儀器對應AD值之差與標準值之差的商是一個常數，生成的方程是改進的正比例函數。所以最新標準必須規定卡光加速度式綜合測試載荷校準(標定、檢定)方式、選點范圍。

1.3 卡光桿綜合測試儀回程數據處理標準化建議

同樣，卡光桿綜合測試儀載荷檢定的數據也不同于壓載式載荷檢定數據的處理方法。由于卡光桿綜合測試儀的原理是測量標準桿在拉伸和壓縮過程中的微小形變，其對標準桿拉伸和壓縮兩種受力情況下的彈性系數的一致性要求很高。在日常檢定的過程中，經常遇到的一種情況是：標定方程形成后，遞增的拉伸過程檢定數值誤差很小，但在反向量程數值遞減的過程中，出現檢定數值與標準值差距很大的情況，從表1可知，最大誤差為6.81%，大于最大允許誤差3%，載荷示值校準不合格。

由表2中的數據能夠明顯的看出在加載和減載的過程中，儀器測得的相對零值是隨著儀器加減載過程發生變化的，由最初狀態下的0.73向5.17變化，金屬標準桿的拉伸和壓縮形變存在的弛豫性導致相應示值標準點的檢定數據存在與零值幾乎相符合的數值變化。在標定過程中，寫入儀器標定方程的單位千牛變化量基本保持穩定，如果將零值變化量導致的行程數值變化進行補償運算的話將得到表2數據，通過零點初值修正最大誤差為3.48%，但仍大于最大允許誤差3%。

表1 載荷校準(檢定)數據一

表2 零點數據補償運算載荷校準(檢定)數據二

零點補償后，在更換加載方向的初始循環會出現由于金屬拉伸弛豫性導致的檢定數據超差，針對這些數據做補償運算得到表3數據，最大誤差為1.64%，小于最大允許誤差3%，載荷示值校準合格。

表3 弛豫性質補償運算載荷校準(檢定)數據三

因此，SY/T 7080-2016《抽油機井綜合測試儀校準方法》標準中必須對卡光桿綜合測試載荷檢定的數據處理做出規定，零點和馳豫性補償。

1.4 卡光桿位移校準標準化建議

卡光桿式無線功圖傳感器是采用加速度傳感器測量位移，而不是用物理拉線測位移，所以無法使用老式檢定裝置對其位移精度進行標校。目前采用位移輔助校準單元判斷加速度傳感器的好壞(見圖2)，用位移校準單元進行檢定(見圖3)，但是由于各地加速度差異特別小，標定的意義有待討論。

什么是校準？通過查閱資料，從標準JJF1001-1998到JJF1001-2011[5]，JJF1001-2011對校準的定義更為全面細化，含意更為嚴格和廣義。與2007年發布的《國際計量學詞匯-基礎通用的概念和相關術語》﹙VIM第3版﹚相一致。標準JJF1001-1998的第8.11條對校準的定義為：“在規定條件下,為確定測量儀器或測量系統所指示的量值，或實物量具或參考物質所代表的量值，與所對應的由標準所復現的量值之間關系的一組操作”。但在標準JJF1001-2012第4.10條校準被定義為：“在規定條件下,為確定計量器具示值誤差的一組操作。其第一步是確定由測量標準提供的量值與相應示值之間的關系，第二步則是用此信息確定由示值獲得測量結果的關系，這里測量標準提供的量值與相應示值都具有測量不確定度”。可以理解為第一步求刻度方程或相應函數(公式)；第二步驗證第一步所求刻度的準確度，即誤差。也可以理解為第一步為標定，第二步為檢定。但實際絕大多數校準標準中，只涉及了第二步。雖然加速度傳感器輸出值是一個常數，只有緯度發生很大變化，加速度才變化。作為標準沒有第一步，至少是不嚴謹的。理由有3條：理由1，通過標定首先可以判斷加速度傳感器的好壞，否則檢定是徒勞的；理由2，可以加深加速度位移公式的理解，起碼至少可以知道加速度位移公式是加速度對時間的積分函數；理由3，通過標定可以評價加速度傳感器穩定性。因此有必要對加速度傳感器進行標定。如圖2所示。使用標準塊和平臺對加速度傳感器進行標定，當加速度傳感器水平放置和垂直放置時，其輸出的加速度信號即為該傳感器的量程范圍。在校平后的水平臺上放置標準角度塊，使傳感器呈0、 30、45、60、90°放置，那么傳感器0、30、45、60°放置的輸出值與90°放置的輸出值的比值依次sin0°、sin30°、sin45°、sin60°，否則損壞。如果加速度傳感器沒有問題，則可以開始位移標定(求出加速度傳感器平均直流分量)和位移校準，位移校準單元如圖3所示。