【摘要】應(yīng)變測試是石油井井架檢測承載能力測試的主要檢測項目，針對傳統(tǒng)有線應(yīng)變測試系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計了基于無線網(wǎng)絡(luò)的石油井架應(yīng)變測試系統(tǒng)，這種無線測試系統(tǒng)具有測試精度高、抗干擾能力強、高效率、高可靠性、低功耗等優(yōu)點，適合石油井架承載能力檢測中應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】承載能力；井架；無線應(yīng)變；應(yīng)力測試

0.引言

井架是石油鉆井和修井作業(yè)過程中的重要組成部分，現(xiàn)代鉆井、修井作業(yè)中都使用井架，井架負責(zé)起升和下放鉆柱、安放天車、懸掛游車、大鉤等機具以及存放鉆柱、油管等。井架作為鉆井設(shè)備的關(guān)鍵部分，其承載性能直接關(guān)系到整套鉆機系統(tǒng)的安全運行[1]。

應(yīng)力測試是石油井架檢測的主要項目之一，是井架承載能力測試的主要方式。傳統(tǒng)井架應(yīng)變系統(tǒng)應(yīng)用的是有線測試系統(tǒng)，有線測試系統(tǒng)的特點是：安裝繁瑣、工作量大、測量精度受導(dǎo)線長度和布線影響大、測試周期長等。針對傳統(tǒng)有線應(yīng)變測試系統(tǒng)存在的問題，我們設(shè)計了基于無線網(wǎng)絡(luò)的石油井架應(yīng)變測試系統(tǒng)，這種無線測試系統(tǒng)具有測試精度高、抗干擾能力強、高效率、高可靠性、低功耗等優(yōu)點，適合在石油井架承載能力檢測中應(yīng)用。

1.研究現(xiàn)狀和進展

目前，石油井架承載能力測試主要依據(jù)標準SY/T 6326-2008《石油鉆機和修井機機架、底座承載能力檢測評定方法》，該標準是根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范制定的，它的理論基礎(chǔ)是鋼結(jié)構(gòu)在靜載荷條件下的強度破壞和穩(wěn)定失效作為判據(jù)準則，因此在評定井架承載能力時，必須采用對井架施加大小不等的載荷，測定井架結(jié)構(gòu)內(nèi)許多測點在這些載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變，只有這樣才能準確判定該井架的安全承載能力。

2.石油井架無線應(yīng)變測試系統(tǒng)

無線應(yīng)變測量系統(tǒng)由無線應(yīng)變傳感器節(jié)點、接收網(wǎng)關(guān)、計算機采集處理軟件三部分組成，無線傳感器節(jié)點可以組成龐大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以自組織形成星型、線型和網(wǎng)狀網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

基于無線網(wǎng)絡(luò)的石油井架應(yīng)變測試系統(tǒng)使用簡單方便，無線數(shù)字信號傳輸方式消除了長電纜傳輸帶來的噪聲干擾，整個測量系統(tǒng)具有極高的測量精度和抗干擾能力，縮短了測試周期，節(jié)省了大量的人力物力，提高了系統(tǒng)的可靠性和測試精度。

無線傳感器節(jié)點控制井架檢測點上的應(yīng)變采集點采集井架應(yīng)變信號，并通過無線網(wǎng)絡(luò)把采集數(shù)據(jù)傳送到接收網(wǎng)關(guān)，由接收網(wǎng)關(guān)送入計算機進行顯示和分析處理。

3.系統(tǒng)硬件

無線傳輸模塊采用的是SG404無線應(yīng)變傳感器節(jié)點，SG404無線應(yīng)變傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，由電源模塊、采集處理模塊、無線收發(fā)模塊組成，封裝在RytonPPS 塑料外殼內(nèi)，節(jié)點每個通道內(nèi)置有獨立的高精度120-1000Ω橋路電阻和放大調(diào)理電路，可以方便地由軟件自動切換選擇1/4 橋、半橋、全橋測量方式，該節(jié)點是一種新型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，基于802.15.4協(xié)議可以自組織形成星型、線型和網(wǎng)狀網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

4.系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件采用BeeData軟件，軟件由主接口子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)源子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)顯示子系統(tǒng)組成。每一個子系統(tǒng)均包括若干不同的功能的模塊，模塊之間協(xié)同工作，實現(xiàn)了對無線傳感器節(jié)點的管理和控制。

軟件對傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)同步顯示、分析和儲存，采集得到的數(shù)據(jù)可以方便的輸出到第三方軟件進行后處理。軟件可對網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量和設(shè)備是否發(fā)生故障實施監(jiān)控，針對網(wǎng)絡(luò)中的異常情況實時報警，利于網(wǎng)絡(luò)的維護和管理。

5.無線應(yīng)變測試系統(tǒng)試驗

5.1現(xiàn)場試驗

以新投入使用的CB26采修一體化平臺HXJ110DB型修井井架進行了現(xiàn)場實測，測試地點在埕島油田CB26-1井。測試儀器采用SG404型無線應(yīng)變節(jié)點，并用BeeData無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件進行數(shù)據(jù)分析，無線應(yīng)變節(jié)點采樣率為設(shè)置為25sps，半橋模式，傳輸模式為實時傳輸采樣數(shù)據(jù)，測試系統(tǒng)在井架中下段立柱和井架二層臺立柱設(shè)置了8個節(jié)點，每個節(jié)點連接2個應(yīng)變片，共計16個測試點。

5.2數(shù)值仿真實驗及結(jié)果分析

利用ansys軟件建立井架有限元分析模型對井架受力進行模擬分析，即：在一定載荷下井架產(chǎn)生的應(yīng)力和在ansys有限元模型上進行加載分析，驗證分析結(jié)果的準確性。現(xiàn)場采集的應(yīng)力值與有限元模型分析的應(yīng)力值進行了對比，對比結(jié)果如下：

載荷（kN）：820

井架中下段立柱中：

測試值（με）：-130.2、-127.1、-139.9、-128、-139.1、-144.3、-151.4、-142。

模擬值（με）：-129.5、-129.5、-133.7、-133.7、-140.6、-140.6、-144.8、-144.8。

誤差（%）：0.54、-1.85、4.64、-4.26、-1.07、2.63、4.56、-1.93。

井架二層臺立柱中：

測試值（με）：-126.9、-132.6、-125.3、-132.1、-105.8、-100.9、-104.5、-112.7。

模擬值（με）：-128.3、-128.3、-126.7、-126.7、-101.2、-101.2、-109.6、-109.6。

誤差（%）：-1.09、3.35、-1.10、4.26、4.55、-0.30、-4.65、2.83。

通過上述對比發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)場實測應(yīng)力值與有限元模型分析的應(yīng)力值誤差在5%以內(nèi)，驗證了無線應(yīng)力測試數(shù)據(jù)的準確性。

此外，通過BeeData軟件對應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明：無線應(yīng)變測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，噪聲干擾小，檢測過程中未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失與現(xiàn)象。整個測量系統(tǒng)具有極高的測量精度和抗干擾能力，無線應(yīng)變測試系統(tǒng)能夠滿足井架承載能力測試對檢測試驗數(shù)據(jù)的要求，可以在井架應(yīng)力應(yīng)變測試中應(yīng)用。

6.結(jié)束語

基于目前井架應(yīng)力測試系統(tǒng)有線傳輸系統(tǒng)存在的問題，提出了基于無線網(wǎng)絡(luò)的石油井架應(yīng)變測試系統(tǒng)，并對測試系統(tǒng)的進行了現(xiàn)場試驗研究。試驗結(jié)果表明無線應(yīng)變測試系統(tǒng)與傳統(tǒng)的有限應(yīng)變測試方式相比節(jié)省了布線，使用簡單方便，縮短了測試周期；無線數(shù)字信號傳輸方式消除了長電纜傳輸帶來的噪聲干擾，整個測量系統(tǒng)具有極高的測量精度和抗干擾能力，滿足了現(xiàn)場復(fù)雜工況下系統(tǒng)對采集節(jié)點小型化和低功耗的要求，適合在石油井架承載能力檢測中應(yīng)用。

【參考文獻】

[1]韓東穎，周國強，李子豐等.鉆機井架安全承載能力評定方法研究.天然氣工業(yè)[J].2007，27（1）：81-84.