基于單片機載荷控制模擬有桿采油實驗研究

谷 雨，于桂杰，趙 慶，3

（1.中國石油大學（華東） 機電工程學院，青島266580；2.中國石油大學（華東） 儲運與建筑工程學院，青島266580；3.香港中文大學（深圳） 商學院，深圳518172）

有桿采油是國內外油氣行業的主要采油方式，約占了80%[1]。在實際采油過程中，部分抽油桿在下行時會產生彎曲變形，繼而引發的偏磨、斷裂等常見的失效情況約占據了抽油桿事故的38.9%[2]，這些事故是增加采油成本的主要因素[3]。針對抽油桿彎曲變形的原因進行分析，發現抽油桿在下行過程中會受到過大的下行阻力，并且抽油桿與驢頭懸點的步調的不一致使得抽油桿的下行運動滯后[4]，這兩個原因都將導致抽油桿中和點以下的部分呈受壓狀態[5]。目前，為了防止抽油桿的彎曲變形，生產上常采用在抽油桿底部增加加重桿的方法，方便對中和點的位置進行控制；或是采用增加扶正器的方法，對已經發生偏磨的抽油桿進行防護[6-7]。但這些手段治標不治本，無法從根本上解決抽油桿的失效問題[8]。

在工業技術的發展進程中，自動化技術被廣泛應用，在自動控制和通訊技術的推動下，Wiener 等創立了控制論，這門學科自創立以來獲得了許多重要成果。本文基于載荷控制抽油桿上下運行的工作原理，編寫載荷控制程序，利用單片機對抽油桿實行自動化控制，實現了通過載荷控制抽油桿上下運行的目的，完成了模擬實驗。模擬實驗結果表明，通過載荷控制抽油桿上下運行，變抽油桿的拉壓交變載荷為單一拉伸載荷，消除了彎曲變形的可能性，從根本上消除了抽油桿柱發生偏磨、斷裂的因素；載荷控制抽油桿上下運行對于減少有桿采油事故率、提高油田經濟效益具有重大意義。

1 載荷控制抽油桿上下運行原理

抽油桿在采油過程中出現彎曲變形有兩方面的原因，因此需要分析抽油桿的受力情況，確立載荷與抽油桿彎曲變形的關系。

如圖1所示，分別分析處于上、下沖程的抽油桿受力狀態。在抽油桿的受力分析過程中，主要考慮抽油桿與液柱的重力、液柱浮力、摩擦力、拉力、泵的沉沒壓力、井口壓力、慣性載荷、沖擊載荷等因素[9]。由于泵的沉沒壓力與井口壓力的作用方向相反，抵消了產生的一些影響，同時慣性載荷與沖擊載荷在理想情況下不予考慮[10]，僅考慮抽油桿與液柱的重力、浮力、摩擦力以及電機提供的拉力。

圖1 抽油桿受力分析圖Fig.1 Mechanical analysis diagram of sucker rod

抽油桿重力Gg的計算公式為[11]

式中：Ag為抽油桿截面積，m2；L為抽油桿的長度，m；ρg為抽油桿材料的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

上沖程過程中，液柱重力Gy的計算公式為

式中：Ah為活塞截面積，m2；Ly為液柱高度，m；ρy為液柱密度，kg/m3。

下沖程過程中，液柱浮力F浮的計算公式為

下沖程過程中，抽油桿與液柱之間的摩擦力F1的計算公式為[12]

式中：μ為液柱動力粘度，Pa·s；m為油管內徑與抽油桿直徑之比；s為沖程，m；n為沖次，min。

下沖程過程中，液柱與游動閥之間的摩擦力F2的計算公式為

式中：u為流量系數；Ak為閥孔截面積，m2。

上沖程過程中，油管與液柱之間的摩擦力F3的經驗公式為

根據抽油桿的受力分析可知，抽油桿在上行過程中受到抽油桿重力、液柱的重力、摩擦力和拉力的共同作用，一直處于受拉的狀態，只會在卡阻情況下因受力超過其材料的抗拉強度而發生斷裂。而抽油桿在下行過程中受到抽油桿重力、液柱浮力、摩擦力、拉力的共同作用，以中和點為分界線，中和點以上的抽油桿受拉，中和點以下的抽油桿受壓。

要在根本上解決中和點以下的抽油桿在下行過程中的受壓問題，需要改變中和點以下的抽油桿的受力方式，使其從拉壓交變載荷變為單一拉伸載荷，即抽油桿中和點下移至抽油桿底部。

因此本文在致力于解決該問題的基礎上，提出了載荷控制抽油桿上下運行的方法。具體原理為在懸點處接載荷傳感器，編寫程序，根據采集的載荷值和設定值來控制電機的運行。在上沖程過程中，如果荷載超過規定值，則控制電機使抽油桿停止上行，并及時發出信號提醒進行檢修，以避免載荷長時間作用使抽油桿受力超過其材料的抗拉強度而發生斷裂；在下沖程過程中，如果載荷小于規定值，則控制電機不再帶動抽油桿下行，避免使抽油桿中和點以下部分呈受壓狀態并發生彎曲，直至抽油桿整體均受拉力時才繼續控制電機運行。

2 模擬實驗裝置

2.1 模擬實驗硬件

根據實驗目的，在實驗中采用推桿電機對模型進行簡化，推桿電機實物圖如圖2所示。其中，推桿等效于抽油桿，電機等效于抽油電機及減速箱，推桿的上下往復運動等效于抽油桿柱的上下沖程運動。實驗所用推桿的電機由24 V 直流電供電，推桿單次運動行程約為0.2 m，速度約為0.018 m/s。

圖2 推桿電機實物圖Fig.2 Physical drawing of push rod motor

為實現對電機運轉的控制以及對載荷信息的分析，在實驗中選取C51 單片機作為控制系統[13]，所用的編程語言為C 語言，單片機實物圖如圖3所示。實驗過程中使用到單片機的數碼管功能、AD 模數轉換功能、蜂鳴器功能、LED 指示燈功能以及部分I/O 引腳。另外，電機驅動模塊作為功能模塊，外接可調電壓電源，與單片機、電機直接連接并供電。

圖3 單片機實物圖Fig.3 Physical drawing of single chip computer

在實驗中選用薄膜壓力傳感器對載荷數值進行獲取，方便進行數據的控制，傳感器的感應面積約為0.49 cm2。

2.2 模擬實驗軟件—程序流程分析與控制程序

基于此次實驗目的，設定程序流程，如圖4所示。為避免抽油桿受壓導致彎曲，實驗設定在下沖程時，只有載荷值超過300 kPa，抽油桿才向下正常運行，否則電機停止工作；為避免抽油桿受拉力過大而導致斷裂，實驗設定在上沖程時，只有載荷值低于700 kPa，抽油桿才向上正常運行，否則電機停止工作。

圖4 程序流程Fig.4 Flow chart of program

實驗中將會采用2個單片機，分別作為主機和副機使用。通過Keil4 軟件分別編寫主機與副機的程序[14]并生成hex 文件，通過電腦將文件燒錄至單片機中，循環運行程序以實現控制。

單片機主機程序主要實現判斷行程狀態、判斷并顯示載荷數值、控制電機啟停等功能，如下所示為實現控制電機啟停功能的部分單片機主機程序。

單片機副機程序主要實現輔助性顯示及危險警告功能，如下所示為實現輔助型顯示功能的部分單片機副機程序。

3 模擬實驗

在實驗中，通過墊片施加不同個數的砝碼于壓力傳感器的薄膜感應區，會改變壓力傳感器輸出電阻值的大小。如圖5所示為傳感器電阻-壓力曲線關系圖，從中可得到壓力與電阻之間為非線性關系。

為了簡化實驗過程，需要通過電阻-電壓轉換模塊將壓力傳感器輸出的電阻值變化處理為電壓值變化，得到線性的電壓-壓力關系，再由單片機直接測量電壓并顯示AD 示數。經過整合，得到關于載荷、示數、壓強之間的關系，如表1所示。

圖5 傳感器電阻-壓力曲線關系圖Fig.5 Sensor resistance pressure curve

表1 載荷、示數及對應壓強關系Tab.1 Load，indication and pressure relationship

根據表1，可以獲得壓強值與單片機示數的關系，其關系式如下所示。根據公式所編寫的程序可以讓單片機直接顯示施加于傳感器的壓強值。

式中：y為AD 示數大小；x為壓強值，kPa。

在實驗過程中，利用手指按壓薄膜壓力傳感器，使載荷處于一個合適值，隨后推桿電機正常運行，推桿實行上下往復運動，下行至最低點后繼續上行，至最高點后繼續下行。控制手指壓力調整載荷值，當載荷值低于程序設定的規定值時，推桿僅在下沖程時出現暫停運行的現象，在上沖程仍舊正常運行；而當載荷值高于程序設定的規定值時，推桿僅在上沖程出現暫停運行的現象，在下沖程仍舊正常運行。

4 結語

通過以上分析和模擬實驗，得到以下結論：①分析抽油桿的受力狀態，可知在上沖程過程中，抽油桿一直處于受拉狀態；在下沖程過程中，其中和點以下部分處于受壓狀態，易導致該部分抽油桿彎曲變形；②利用傳感器傳遞的載荷信號控制電機運行，可將抽油桿的拉壓交變載荷變為單一拉伸載荷，有效改變抽油桿的不良受力情況，消除了彎曲變形的可能性，從根本上消除了抽油桿偏磨、斷裂的因素；③模擬實驗成功地通過載荷的變化控制推桿電機的啟停，證明了載荷控制抽油機電機的可行性，實現了抽油機運行自動化，對于減少有桿采油事故率、提高油田經濟效益具有重大意義。