熊建華王明才馮恩山徐 強(qiáng)

（1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061；2.江蘇油田分公司試采一廠，江蘇 江都 225265；3.江蘇油田分公司，江蘇 揚(yáng)州 225009）

電動(dòng)機(jī)輸出扭矩在線檢測(cè)儀的研制與應(yīng)用

熊建華1，2王明才2馮恩山2徐 強(qiáng)3

（1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061；2.江蘇油田分公司試采一廠，江蘇 江都 225265；3.江蘇油田分公司，江蘇 揚(yáng)州 225009）

如何準(zhǔn)確測(cè)試游梁式抽油機(jī)井的地面機(jī)械效率是一個(gè)難以解決的問題，其主要原因是無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)試電動(dòng)機(jī)效率。通過電動(dòng)機(jī)扭矩在線檢測(cè)裝置的研制，可動(dòng)態(tài)測(cè)量出電動(dòng)機(jī)輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，方便地計(jì)算出電動(dòng)機(jī)輸出功率，包括瞬時(shí)功率和平均功率。如果同步測(cè)量電動(dòng)機(jī)輸入功率，可方便計(jì)算電動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率，從而解決了測(cè)試抽油機(jī)井系統(tǒng)效率時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)試地面效率的問題。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了較好的效果，為分析和研究抽油機(jī)井系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的能耗情況、提高機(jī)采系統(tǒng)效率提供了重要手段。同時(shí)，也為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)電動(dòng)機(jī)壽命和電動(dòng)機(jī)效率提供了重要手段。

抽油機(jī)井；電動(dòng)機(jī)扭矩檢測(cè)儀；研制；應(yīng)用

游梁式抽油機(jī)是油田機(jī)械采油中使用最多的設(shè)備之一，而機(jī)械采油中所使用的抽油機(jī)系統(tǒng)（即機(jī)采系統(tǒng)）能耗約占油田能耗的三分之一。所以，提高機(jī)采系統(tǒng)效率是降低油田能耗、提高油田開發(fā)效益的主要任務(wù)之一。抽油機(jī)井能耗分地面部分和井下部分，井下能耗可通過示功圖測(cè)試計(jì)算，地面能耗主要是電動(dòng)機(jī)和抽油機(jī)。

由于抽油機(jī)由四連桿機(jī)構(gòu)組成，其運(yùn)動(dòng)特性，受油井井下泵上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)方式的影響，受原油物性、井筒狀況及地面條件的影響，抽油機(jī)和電動(dòng)機(jī)所承受的載荷十分復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法直接獲得抽油機(jī)功率和電動(dòng)機(jī)功率，也就無(wú)法準(zhǔn)確分析和計(jì)算地面實(shí)際運(yùn)行效率。因此，有必要研究一種裝置，目的是在線測(cè)試地面功率。通過研制的電動(dòng)機(jī)扭矩測(cè)試儀，配合油井無(wú)線連續(xù)監(jiān)測(cè)示功儀，采用應(yīng)變扭矩測(cè)試和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，將所測(cè)試的電動(dòng)機(jī)輸出功率和光桿功率通過無(wú)線模塊實(shí)時(shí)同步發(fā)送到掌上電腦，解決了地面系統(tǒng)運(yùn)行效率的測(cè)試難題［1-7］。

1 電動(dòng)機(jī)扭矩檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)與原理

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率測(cè)試是通過測(cè)得電機(jī)運(yùn)行的輸入、輸出功率來獲得，可用式（1）計(jì)算。輸入功率可利用電能測(cè)試儀測(cè)得，輸出功率通過電動(dòng)機(jī)輸出扭矩和轉(zhuǎn)速傳感器直接檢測(cè)，通過式（2）計(jì)算。

式中：η為電機(jī)效率，%；P1為電動(dòng)機(jī)輸入功率，kW；P2為電動(dòng)機(jī)輸出功率，kW；T2為電動(dòng)機(jī)輸出扭矩，N·m；n為電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速，r·min-1。

1.1 在線檢測(cè)裝置

扭矩測(cè)試裝置主要由特殊皮帶輪、傳力螺絲、彈性體和傳力螺絲組成。其主要工作原理是：彈性體通過脹箍與電動(dòng)機(jī)的輸出軸連接在一起，而皮帶輪通過8個(gè)傳力螺桿與彈性體相連，當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸通過漲箍帶動(dòng)彈性體，再由彈性體上的傳力螺桿帶動(dòng)皮帶輪旋轉(zhuǎn)。

彈性體的薄盤上貼有扭矩應(yīng)變片，彈性體結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)電動(dòng)機(jī)加載時(shí)，強(qiáng)度較低的薄盤將會(huì)產(chǎn)生變形，從而帶動(dòng)扭矩應(yīng)變片產(chǎn)生變形，輸出扭矩變化信號(hào)。采用這種測(cè)量方式可直接檢測(cè)出從軸部傳遞出來的扭力。

1.2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)

測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法，是利用重力加速度傳感器來檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，加速度傳感器采用芯片，直接焊接在電路板上。電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，截面上的任意一點(diǎn)P（圓心除外），受到重力G和向心力F，從加速度的角度考慮，它受到了恒定的重力加速度g和向心力加速度a，如圖2所示。

若將加速度傳感器放在與軸切面P平行的平面Q上，其受力情況與軸上的點(diǎn)P相同，加速度傳感器可檢測(cè)軸切線方向上的加速度。由于向心力加速度的方向垂直于切線，對(duì)傳感器的輸出沒有影響，加速度傳感器只檢測(cè)重力加速度沿切線方向的分加速度，如圖2所示。其中，θ角為轉(zhuǎn)動(dòng)過程中傳感器相對(duì)于軸中心的圓心角，傳感器檢測(cè)到的加速度為：a=g×cos θ,在傳感器隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過程中，加速度傳感器輸出一個(gè)周期的余弦波，檢測(cè)該波形的周期，即可計(jì)算出軸的轉(zhuǎn)速。

1.3 檢測(cè)數(shù)據(jù)處理與傳輸

為了滿足數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、傳輸要求，將訊號(hào)調(diào)理、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、無(wú)線模塊及電源管理等基本電路設(shè)計(jì)在同一塊電路板上。其主控芯片采用低能耗的MSP430系列，電路板上安裝了64 MB儲(chǔ)存器，并設(shè)有USB接口，擴(kuò)大了數(shù)據(jù)儲(chǔ)存量，方便了數(shù)據(jù)交換。短距離無(wú)線發(fā)射模塊采用CC1000模塊SmartRF技術(shù)。

2 主要技術(shù)參數(shù)

扭矩測(cè)量范圍：0～300 N·m，精度：±0.3%；

轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍：0.5～2 500 r·min-1，精度：±0.1%；

測(cè)量方式：在線連續(xù)檢測(cè)；

測(cè)量圖存儲(chǔ)量：本機(jī)存儲(chǔ)器32 MB；

自動(dòng)保存測(cè)量圖的時(shí)間間隔：10 min～1個(gè)月任意設(shè)置；

通信距離：100～400 m；

通信頻率：ISM頻段430～434 MHz；

工作溫度范圍：-40～85℃；

工作電源：鋰離子電池；

電池滿容量工作時(shí)間：45 d；

工作壽命：5 a。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)扭矩檢測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了20井次的應(yīng)用。其中在5口井上進(jìn)行了30 d連續(xù)檢測(cè)。以江蘇油田XQ1-11井為例，該井采用32 mm泵，產(chǎn)液量15.6 m3·d-1，產(chǎn)油量5.7 t·d-1。采用8型抽油機(jī)，工作制度為沖程2.5 m、沖次6次，該井系統(tǒng)效率為31%。為了進(jìn)一步分析抽油系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的效率，對(duì)該井進(jìn)行了兩點(diǎn)同步測(cè)試，分別在懸繩器和電機(jī)輸出軸2個(gè)部位安裝了無(wú)線連續(xù)檢測(cè)示功儀、電機(jī)扭矩測(cè)試儀，連續(xù)檢測(cè)了15 d，獲得了電機(jī)輸出扭矩相關(guān)數(shù)據(jù)（見表1），電機(jī)平均輸出功率為2.64 kW。為了進(jìn)一步分析抽油機(jī)在一個(gè)沖程內(nèi)各參數(shù)變化情況，將懸點(diǎn)、電機(jī)輸出2個(gè)點(diǎn)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，獲得了抽油機(jī)在一個(gè)沖程內(nèi)的光桿功率、電機(jī)輸出功率的閉合圖（見圖3），該圖為進(jìn)一步揭示抽油機(jī)地面系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)效率情況提供了科學(xué)依據(jù)。通過分析計(jì)算，得出機(jī)械效率78.03%，電機(jī)效率90.7%。

表1 XQ1-11井測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1）電動(dòng)機(jī)輸出扭矩在線檢測(cè)儀可方便地進(jìn)行電動(dòng)機(jī)輸出扭矩的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，用重力加速度方式可檢測(cè)出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，所測(cè)數(shù)據(jù)用無(wú)線傳輸方式發(fā)送到電腦，可以準(zhǔn)確地得出抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)的輸出功率、電動(dòng)機(jī)效率和抽油機(jī)的機(jī)械效率。

2）配合電能測(cè)試儀、油井無(wú)線連續(xù)監(jiān)測(cè)示功儀，可實(shí)現(xiàn)同步測(cè)試抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)輸入功率、電動(dòng)機(jī)輸出功率、光桿功率，這些數(shù)據(jù)對(duì)分析抽油機(jī)井各節(jié)點(diǎn)效率和抽油機(jī)在一個(gè)行程內(nèi)的功率變化非常重要，可準(zhǔn)確分析影響抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的原因。

3）該儀器集成化程度高，操作方便，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，為分析采油系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)效率狀況提供了重要依據(jù)。

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Development and application of on-line detector for motor torque

Xiong Jianhua1，2Wang Mingcai2Feng Enshan2Xu Qiang3
(1.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Dongying 257061,China;2.No.1 Oil Producing Test Plant of Jiangsu Oilfield Company,SINOPEC,Jiangdu 225265,China;3.Jiangsu Oilfield Company,SINOPEC,Yangzhou 225009,China)

How to test accurately the ground system efficiency in the rod pumped well is a problem difficult to solve.The main reason is that the motor efficiency can not be tested on-line.Through developing the on-line detector for motor torque,the motor output torque and rotate speed can be dynamically measured on-line.The motor output power,including the instantaneous power and average power can be calculated conveniently.If the motor input power can be measured synchronously,the mechanical efficiency of motor can be calculated conveniently.Consequently,the problem of testing the ground system efficiency can be solved accurately during the efficiency testing in the rod pumped well.The field application has achieved a good effect,which can provide important means for analyzing,researching,improving the efficiency of machine-production system and also can provide important method for accurately evaluating the motor efficiency and life.

rod pumped well,detector for motor torque,development,application.

TE933+·1

A

2009-12-27；改回日期：2010-07-27。

熊建華，男，1967年生，高級(jí)工程師,畢業(yè)于石油大學(xué)（華東），主要從事采油工程方面的研究。E-mail：xiongjh@joeco.com.cn。

（編輯 劉 麗）

1005-8907（2010）05-646-03

熊建華，王明才，馮恩山，等.電動(dòng)機(jī)輸出扭矩在線檢測(cè)儀的研制與應(yīng)用［J］.斷塊油氣田，2010，17（5）：646-648.

Xiong Jianhua，Wang Mingcai，F(xiàn)eng Enshan，et al.Development and application of on-line detector for motor torque［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2010，17（5）：646-648.