無線示功儀綜合檢測方法在降低安全隱患方面的應用

高楊

中國石油大慶油田有限責任公司技術監督中心（黑龍江 大慶 163453）

0 引言

抽油機井用無線示功儀[1]是安裝于游梁式抽油機光桿與懸繩器之間的一種動態采集光桿載荷和沖程、沖次等數據，實時生成示功圖并自動上傳至數字化油田系統的智能儀表。預計2025年，國內某油田將會有60 000 余口機采井完成相關數字化油田改造。由于無線示功儀是判別油井工況的重要儀器，準確度要求較高，因其長期安裝在井口，經歷風吹雨淋、四季溫度變化、震動沖擊等外界因素，傳感器初值、系數等參數會發生漂移。因此，定期進行檢測，是保障其可靠性的重要手段[2]。

目前，拆卸檢測仍然是抽油機井用無線示功儀的主要檢測手段。在拆卸過程中，需要停井后，人工在懸繩器下端用扳手固定光桿卡子，人員手持支撐管置于卡子和井口盤根盒之間，短暫啟井后，光桿卡子與支撐管接觸后停井，懸繩器卸力，拆下無線示功儀送檢，檢測完畢后重復上述操作進行安裝。在儀表拆卸過程中存在以下幾方面安全隱患：手持支撐管操作不當造成夾傷；支撐管受力不均引起斷裂或飛出造成傷害；人員跌落和無線示功儀掉落。

如果能夠通過某種方法對無線示功儀進行大范圍篩查，再重點針對篩查中出現問題的儀表拆卸送檢，通過降低儀表拆卸頻率的方式，可以降低安全事故可能發生的概率。便攜式無線示功儀檢測裝置和無線示功儀實驗室一體化檢測裝置的綜合應用，能夠快速、有效地完成無線示功儀的大范圍篩查和綜合檢測。

1 無線示功儀拆卸安全隱患分析

1.1 手持支撐管操作不當造成夾傷

支撐管為一根鋼管縱向切縫后，在背面焊接把手，用于支撐懸繩器的簡易工具。使用時人員將其固定在懸繩器與盤根盒中間，懸繩器下落后與光桿卡子接觸后停井，此時，光桿自重及井下載荷全部由支撐管承擔。懸繩器與支撐管之間的縫隙以及支撐管與盤根盒之間的縫隙均存在夾傷風險，如果操作人員操作不當，可能會造成人身傷害。圖1 中所示為人員手持支撐管對懸繩器進行支撐的過程。

1.2 支撐管斷裂或飛出造成傷害

抽油機前端由兩根平行的鋼絲繩懸掛著懸繩器，與光桿卡在一起的光桿卡子把光桿以下的負荷懸掛在懸繩器上。當懸繩器掛上負荷時，兩根鋼絲繩被拉直，但兩根鋼絲繩的長度一般都無法保證完全相等，致使懸繩器不夠水平。同時，鋼絲繩是由多股鋼絲擰在一起的，所以經常會因兩根鋼繩擰的力不同，使得懸繩器在抽油機運轉過程中，不斷在一定角度內繞光桿軸心來回擺動。因此在光桿卡子與支撐管接觸時，可能會受到徑向力以及扭轉力的影響[3]，抽油機光桿載荷可達10 t 以上，在受力不平衡條件下，可能造成支撐管飛出或斷裂，進而造成人身傷害。

1.3 人員跌落與示功儀掉落

懸繩器距離地面2～3 m，井口情況各不相同，部分條件下只有通過懸空或腳踏井口進行操作，存在人員跌落風險。在光桿載荷全部由支撐管承擔時，懸繩器卸力，無法將無線示功儀夾緊，存在墜落風險。雖然部分廠家安裝了防掉繩防止墜落，但仍然有部分廠家未配備類似的防掉落措施，存在儀器損壞以及砸傷風險，圖2 為無線示功儀和防掉繩的安裝情況。

圖2 無線示功儀與防掉繩安裝情況

2 無線示功儀現場不拆卸檢測方法

2.1 便攜式無線示功儀檢測裝置工作原理

抽油機光桿一般由低碳合金鋼制造，在井下載荷發生變化時會隨載荷變化發生形變，且其變形與力成正比。如果能夠利用高精度傳感器，精確測量形變量，并與光桿所受的軸向力建立聯系，就可以實現夾持測量抽油機載荷的作用，實現不拆卸檢測。而形變測量的穩定性與彈性形變的重復性與選用的材料有很大關系，通過測試和分析多種彈性載荷體原材料，選擇韌性和剛度最優比的材料[4]，采用測量抽油桿橫向變形方式，對抽油桿抽汲過程中的橫向拉伸變化進行測量，載荷測量準確度可達1%。測試中，將卡口式載荷傳感器直接卡在油抽桿上，傳感器的敏感元件與抽油桿連接采用螺紋直接固緊，中間無其他傳力連接結構，可以有效解決抽油桿形變信號在轉換過程中的損失問題，且避免連接結構對測量信號的不必要干擾。測量抽油桿橫向形變，由前述可知橫向變形要遠小于縱向形變，因此利用杠桿放大原理對其信號放大[5]，在敏感元件結構體上設計出杠桿的鉸鏈結構，鉸鏈一端感應油桿形變，另一端產生放大后的形變，通過感應元件上測量形變。感應元件選用懸臂梁結構[6]，變形后為彎曲變形，由于感應元件與杠桿為一體化結構，根據材料力學變形協調原理[7]，感應元件與杠桿連接截面轉角相等，可以計算出感應元件產生的測量應變。圖3 為便攜式無線示功儀檢測裝置示意圖。

圖3 便攜式無線示功儀檢測裝置原理圖

在位移參數測量方面，無線示功儀目前主要采用加速度傳感器來確定抽油機的上下死點[8]，計算上下沖程，位移準確度可以達到3%。通過實驗發現，加速度式傳感器在某些低沖次油井上使用時，會明顯出現位移測量值偏小的現象。因此在校準裝置的研制過程中，采用了激光測距的技術方案[9]。此方案的優點在于可保證在多種沖次條件下位移測量值的準確性，準確度可達0.1%。其缺點為需要攜帶一塊激光反光板，在使用中需要固定在井口。裝置的配套檢測軟件，可以實現被檢儀表數據自動采集以及對載荷、沖程、沖次、功圖圖形的自動比對功能。能夠在現場對抽油機井安裝的示功儀進行測量比對，配套軟件具備直接讀取功圖數據的功能，軟件能夠將裝置測得數據與被測示功儀的數據對比計算，檢測完成后可以立刻查看功圖，生成檢測報告。

2.2 便攜式無線示功儀檢測裝置的現場應用

在現場使用過程中，操作人員只需要將抽油機停機至下死點后，操作人員手持夾持式傳感器，擰動鎖緊螺絲將其固定在懸繩器下方光桿處，啟動抽油機。操作人員手持無線示功儀檢測裝置主機，錄入井號等信息后，開始測試，上下兩沖程后測量完畢。裝置還具有數字化平臺數據接口，使操作人員后期測試對比流程簡化，測試人員將測試數據回放到計算機軟件后，軟件具有一鍵對比功能，并對待檢井數字化功圖測試數據自動計算，并形成測試記錄。圖4為便攜式無線示功儀檢測裝置的實物及現場使用圖。

圖4 便攜式無線示功儀檢測裝置現場使用圖

便攜式無線載荷位移傳感器檢測裝置從根本上解決了需要拆卸儀表進行檢測的問題，可以滿足無線示功儀現場準確度大范圍篩查的要求。但是這種現場檢測方式仍然存在載荷檢測精確度偏低的問題，同時載荷值只能計算變化量，無法測量真實載荷，因此仍然不能完全取代拆卸檢測。因此，實驗室無線示功儀一體化檢測裝置能夠精確、高效地實現無線示功儀綜合檢測與評價，與便攜式無線示功儀檢測裝置形成互補，從根本上解決無線示功儀檢測的問題，圖5 為便攜式無線示功儀檢測結果與圖形對比。

圖5 便攜式無線示功儀檢測裝置數據與圖形

3 無線示功儀實驗室一體化檢測方法

3.1 無線示功儀一體化檢測技術工作原理

現階段對無線載荷位移傳感器進行實驗室檢測，只能利用拉壓力試驗機進行載荷檢測，利用長度檢測平臺進行位移檢測，對兩種參數同步采集才能獲得的示功圖無法進行檢測與準確度評價。而無線示功儀檢測裝置將載荷、位移參數檢測進行結合，將載荷加載機構進行了集成化設計，安裝于能夠跟隨位移平臺進行往復運動的位移機構上。上位機發送運動指令給伺服電機驅動直線運動模組，帶動模組上滑塊做直線往復運動。同時機臺上布置有高精度磁柵尺[10]，運動滑塊上的磁頭實時讀取位置信息反并饋給位移控制器，與伺服電機編碼器位置反饋進行實時比較，計算誤差，若超出設定誤差范圍，則報警提示。圖6 為無線示功儀一體化檢測裝置整體及加載機構的結構圖。

圖6 無線示功儀一體化檢測裝置整體及加載機構

3.2 無線示功儀一體化檢測技術應用

無線示功儀一體化檢測裝置具有多沖次、多沖程、多工況檢測以及數據反演功能。在檢測過程中，操作人員將無線示功儀安裝于夾具上，對無線示功儀的網關、編號等進行設置。通訊正常后，操作上位機軟件，選定功圖仿真功能，在數據庫中調取需要實驗的工況，例如標準功圖、供液不足、游動凡爾漏失工況，或者通過功圖反演功能，將現場采集的功圖數據導入數據庫。選擇好工況后，設置好沖次、實驗周期、功圖數據采集時間等參數，即可開展功圖檢測，在無線示功儀數據和平臺數據反饋給上位機后，軟件會自動進行功圖載荷、位移、圖形面積符合率等參數的誤差計算和評價，圖7 為軟件界面。

圖7 軟件界面

4 無線示功儀現場檢測方法與實驗室檢測方法的實際應用效果

以某采油廠某作業區為例，在此作業區共計開展179 臺無線示功儀的檢測，首先采用免拆卸現場檢測方法，發現部分無線載荷位移傳感器存在功圖顯示錯誤的問題，此類問題儀表共計19 臺，占比10.61%。其次是部分無線載荷位移傳感器存在載荷值超差的問題，此類問題儀表共計37 臺，占比20.67%。最后是部分無線載荷位移傳感器存在沖程值超差的問題，此類問題儀共計44 臺，占比24.58%。結合以上因素進行評價，得出無線載荷位移傳感器綜合合格率59.78%。將不合格的無線示功儀再通過實驗室檢測的方式進行檢測與評價。通過此種方式，顯著減少了儀表拆卸的工作量及安全隱患。

5 結論

利用新型檢測裝置與綜合檢測方法，可以解決無線示功儀拆卸檢測帶來的安全隱患問題。同時為保證檢測的可靠性，對于出現問題的儀表，利用實驗室一體化檢測裝置進行詳細檢測與評價，兩種檢測方法相互補充。在保證檢測的科學性和嚴密性基礎上，降低了儀表拆卸檢測的頻率；降低了儀表拆卸造成的安全隱患；降低了檢測對油井正常生產的影響；降低了拆卸儀表、送檢、取回、安裝等過程帶來的人力、物力、財力的浪費，為油田安全生產以及數字化油田建設發揮助力作用。