谷 雨，于桂杰，趙 慶，3

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

有桿采油是國內(nèi)外油氣行業(yè)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(chǎn)生彎曲變形，繼而引發(fā)的偏磨、斷裂等常見的失效情況約占據(jù)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(fā)現(xiàn)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(diào)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(dǎo)致抽油桿中和點以下的部分呈受壓狀態(tài)[5]。目前，為了防止抽油桿的彎曲變形，生產(chǎn)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(jīng)發(fā)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(yè)技術(shù)的發(fā)展進程中，自動化技術(shù)被廣泛應(yīng)用，在自動控制和通訊技術(shù)的推動下，Wiener 等創(chuàng)立了控制論，這門學(xué)科自創(chuàng)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(xiàn)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(jié)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(fā)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(jīng)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(xiàn)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(guān)系。

如圖1所示，分別分析處于上、下沖程的抽油桿受力狀態(tài)。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(chǎn)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(nèi)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(shù)；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(jīng)驗公式為

根據(jù)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(tài)，只會在卡阻情況下因受力超過其材料的抗拉強度而發(fā)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?yōu)閱我焕燧d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(chǔ)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(jù)采集的載荷值和設(shè)定值來控制電機的運行。在上沖程過程中，如果荷載超過規(guī)定值，則控制電機使抽油桿停止上行，并及時發(fā)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(fā)生斷裂；在下沖程過程中，如果載荷小于規(guī)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(tài)并發(fā)生彎曲，直至抽油桿整體均受拉力時才繼續(xù)控制電機運行。

2 模擬實驗裝置

2.1 模擬實驗硬件

根據(jù)實驗?zāi)康?，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(fù)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(xiàn)對電機運轉(zhuǎn)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(tǒng)[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(shù)碼管功能、AD 模數(shù)轉(zhuǎn)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(qū)動模塊作為功能模塊，外接可調(diào)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(shù)值進行獲取，方便進行數(shù)據(jù)的控制，傳感器的感應(yīng)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?zāi)康?，設(shè)定程序流程，如圖4所示。為避免抽油桿受壓導(dǎo)致彎曲，實驗設(shè)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(dǎo)致斷裂，實驗設(shè)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(huán)運行程序以實現(xiàn)控制。

單片機主機程序主要實現(xiàn)判斷行程狀態(tài)、判斷并顯示載荷數(shù)值、控制電機啟停等功能，如下所示為實現(xiàn)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(xiàn)輔助性顯示及危險警告功能，如下所示為實現(xiàn)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(shù)的砝碼于壓力傳感器的薄膜感應(yīng)區(qū)，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(guān)系圖，從中可得到壓力與電阻之間為非線性關(guān)系。

為了簡化實驗過程，需要通過電阻-電壓轉(zhuǎn)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(guān)系，再由單片機直接測量電壓并顯示AD 示數(shù)。經(jīng)過整合，得到關(guān)于載荷、示數(shù)、壓強之間的關(guān)系，如表1所示。

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

表1 載荷、示數(shù)及對應(yīng)壓強關(guān)系Tab.1 Load，indication and pressure relationship

根據(jù)表1，可以獲得壓強值與單片機示數(shù)的關(guān)系，其關(guān)系式如下所示。根據(jù)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(shù)大?。粁為壓強值，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(fù)運動，下行至最低點后繼續(xù)上行，至最高點后繼續(xù)下行。控制手指壓力調(diào)整載荷值，當載荷值低于程序設(shè)定的規(guī)定值時，推桿僅在下沖程時出現(xiàn)暫停運行的現(xiàn)象，在上沖程仍舊正常運行；而當載荷值高于程序設(shè)定的規(guī)定值時，推桿僅在上沖程出現(xiàn)暫停運行的現(xiàn)象，在下沖程仍舊正常運行。

4 結(jié)語

通過以上分析和模擬實驗，得到以下結(jié)論：①分析抽油桿的受力狀態(tài)，可知在上沖程過程中，抽油桿一直處于受拉狀態(tài)；在下沖程過程中，其中和點以下部分處于受壓狀態(tài)，易導(dǎo)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?yōu)閱我焕燧d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(xiàn)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(jīng)濟效益具有重大意義。