高楊

中國石油大慶油田有限責(zé)任公司技術(shù)監(jiān)督中心（黑龍江大慶 163453）

0 引言

隨著國內(nèi)一些油田逐步進(jìn)入石油開采后期，如何提高石油采收率、降低人力成本，已成為迫切需要解決的問題。我國各大油田均已將“數(shù)字化油田建設(shè)”作為當(dāng)前發(fā)展的首要任務(wù)[1-3]。而數(shù)字化油田系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)需要通過各類安裝于油井、水井、氣井、計量間、中轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站等的儀表采集獲得，無線載荷位移傳感器就是其中一種測量抽油機載荷和沖程并合成示功圖的重要儀器[4-6]。由于單井均需要配備，數(shù)量很大，同時，它又是判別油井工況的重要儀器，準(zhǔn)確度要求較高。由于其長期安裝在井口，經(jīng)歷風(fēng)淋雨曬、四季溫度變化等外界因素，傳感器初值、系數(shù)等參數(shù)會發(fā)生漂移[7]。因此，定期對無線載荷位移傳感器進(jìn)行檢測和校準(zhǔn)是保障其準(zhǔn)確性的重要手段。

然而現(xiàn)階段采用的無線載荷位移傳感器實驗室檢測方法是利用拉壓力試驗機進(jìn)行載荷檢測[8]，利用長度檢測平臺進(jìn)行位移檢測[9]，對于兩種參數(shù)同步采集才能獲得的示功圖無法進(jìn)行檢測與準(zhǔn)確度評價，檢測效率也非常低。無法滿足數(shù)字化油田建設(shè)中新增儀表的檢測需求，預(yù)計至2025 年，國內(nèi)某油田將全面實現(xiàn)數(shù)字化油田建設(shè)，預(yù)計新增計量儀表100 余萬臺。所有計量儀表都需要進(jìn)行首次檢測及周期檢測，現(xiàn)有的實驗室手動檢測方式顯然無法滿足需求，這是數(shù)字化油田建設(shè)中亟待解決的問題。

無線載荷位移傳感器實驗室一體化檢測裝置的主要工作原理是通過位移牽引系統(tǒng)拖動安裝于導(dǎo)軌上的滑塊，使其在水平方向上模擬試驗所需的運動狀態(tài)，將加載系統(tǒng)進(jìn)行集成化設(shè)計，安裝于滑塊上方。使用時，將無線載荷位移傳感器固定于加載系統(tǒng)上，對其動態(tài)施加載荷，在加載系統(tǒng)和位移牽引系統(tǒng)的共同作用下，無線載荷位移傳感器與檢測裝置測得的示功圖數(shù)據(jù)共同上傳給上位機，按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行自動計算與綜合評價[10]。

1 位移控制與檢測方法

1.1 位移校準(zhǔn)系統(tǒng)工作原理

位移參數(shù)檢測系統(tǒng)采用定制化直線運動系統(tǒng)方案，具有體積小、控制精度高、高效節(jié)能、可靠性高、使用維護(hù)方便等特點。主要工作過程為上位機發(fā)送運動指令給伺服電機驅(qū)動直線運動模組，帶動模組上的滑塊做直線往復(fù)運動。機臺上布置有高精度磁柵尺，運動滑塊上的磁頭實時讀取位置信息反饋給位移控制器，并與伺服電機編碼器的位置反饋進(jìn)行實時比較，計算誤差，若超出設(shè)定誤差范圍，進(jìn)行報警提示。軌道兩端布置有限位光電開關(guān)，為極限位置提供信號輸出，保障運動滑塊位置安全。機臺兩端最外側(cè)布置有液壓緩沖裝置，作為設(shè)備最后一道安裝屏障，保障運動滑塊不會沖出軌道危及試驗人員安全，具體工作原理如圖1所示。

圖1 位移控制與檢測裝置工作原理圖

1.2 系統(tǒng)組成及技術(shù)優(yōu)點

位移校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由直線運動系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、光柵尺反饋系統(tǒng)、限位保護(hù)系統(tǒng)4 部分組成。直線運動系統(tǒng)采用定制化模組，鋼強化傳動皮帶內(nèi)置于導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)，創(chuàng)新性的采用了導(dǎo)軌、導(dǎo)輪的H 型布局，能夠支持的最大移動速度為8 m/s，直線驅(qū)動系統(tǒng)實物如圖2所示。

圖2 直線驅(qū)動系統(tǒng)

伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用進(jìn)口伺服電機驅(qū)動，并實現(xiàn)了動態(tài)調(diào)節(jié)電機扭矩的功能,電機扭矩與負(fù)載慣量按照下式計算：

式中：T為電機所需扭矩，N·m；F為負(fù)載力，N；S為皮帶輪半徑，m。

式中：J為皮帶輪轉(zhuǎn)動的慣量，kg·m2；M為負(fù)載質(zhì)量，kg；R為皮帶輪半徑，m。

磁柵尺反饋系統(tǒng)主要用于閉環(huán)校準(zhǔn)直線位移精度，為伺服控制提供數(shù)據(jù)反饋，保證位移控制與輸出的準(zhǔn)確性，磁柵尺精度可達(dá)1 mm。限位保護(hù)系統(tǒng)分為三級保護(hù)，包括伺服電機反接制動、限位開關(guān)制動。同時在裝置兩側(cè)布置有緩沖器裝置，作為整個系統(tǒng)的最后一道防護(hù)，保證滑塊高速運行時不會沖出軌道，對人員造成傷害。在以上各子系統(tǒng)的共同作用下，保證了裝置位移控制與反饋的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，限位保護(hù)系統(tǒng)如圖3所示。

2 載荷控制與檢測方法

2.1 載荷校準(zhǔn)系統(tǒng)工作原理

載荷校準(zhǔn)系統(tǒng)布置于可運動滑塊上方，隨位移控制系統(tǒng)按實驗要求做往復(fù)運動。由伺服電機正反轉(zhuǎn)來控制液壓油進(jìn)油和出油，進(jìn)而控制加載油缸的伸縮。加載機架底部布置有高精度壓力傳感器，可實時讀取油缸加載壓力，進(jìn)而反饋給載荷控制器，并與伺服電機編碼器位置反饋進(jìn)行實時比較，保證控制精度。

2.2 系統(tǒng)組成及技術(shù)優(yōu)點

載荷校準(zhǔn)系統(tǒng)由以下部分組成：控制系統(tǒng)、伺服油源和加載缸、液壓閥組、儀表傳感器等部分組成?？刂葡到y(tǒng)由控制箱、實時控制器及擴展模塊等組成?？刂葡到y(tǒng)接受上位計算機的加載指令，控制加載系統(tǒng)加載力輸出，采集并匯總加載數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔挥嬎銠C。加載系統(tǒng)控制原理如圖4所示。由于加載系統(tǒng)安裝于直線驅(qū)動系統(tǒng)的滑塊上方，因伺服加載系統(tǒng)工作時最大水平運行頻率為15次，所以伺服加載系統(tǒng)設(shè)計要求結(jié)構(gòu)緊湊、總質(zhì)量不大于120 kg。只有降低滑塊上方器件的質(zhì)量，才能保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，因此，控制箱采用了分布式設(shè)計，一組就地安裝在試驗設(shè)備運動滑臺機架上，用于控制器擴展模塊、伺服驅(qū)動器等元件。另一組安裝在遠(yuǎn)程計算機操作臺處，用于實時控制器、UPS電源等安裝布置。就地控制箱和遠(yuǎn)控箱之間通過柔性電纜和拖鏈連接。在以上各子系統(tǒng)的共同作用下，保證了裝置載荷控制與反饋的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，載荷控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 加載系統(tǒng)控制原理圖

圖5 載荷控制系統(tǒng)設(shè)計圖

3 檢測結(jié)果輸出與評價

無線載荷位移傳感器實驗室一體化檢測裝置將位移控制技術(shù)與載荷校準(zhǔn)技術(shù)相結(jié)合，可根據(jù)校準(zhǔn)流程和參數(shù)自動完成校準(zhǔn)，實現(xiàn)了載荷校準(zhǔn)、位移校準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)功圖比對與準(zhǔn)確性評價，載荷、位移的誤差計算方法見下式：

式中：δF為被校準(zhǔn)載荷傳感器最大引用誤差，%；ΔFmax為被校準(zhǔn)綜合測試儀各校準(zhǔn)點中最大示值誤差，kN；FFS為被校準(zhǔn)載荷傳感器測量范圍的上限值，kN。

式中：δS為被校準(zhǔn)位移傳感器最大引用誤差，%；ΔSmax為被校準(zhǔn)位移傳感器各校準(zhǔn)點中位移最大示值誤差，m；SFS為被校準(zhǔn)綜合測試儀位移測量范圍的上限值，m。

無線載荷位移傳感器實驗室一體化檢測裝置除可以對載荷、位移進(jìn)行單項檢測外，還可以按照標(biāo)準(zhǔn)功圖進(jìn)行位移和加載力動態(tài)控制，模擬出標(biāo)準(zhǔn)功圖的載荷、位移的運動特性，同時將裝置的示功圖與無線載荷位移傳感器的示功圖進(jìn)行比對，可以實現(xiàn)無線載荷傳感器載荷值相對誤差、位移值相對誤差、示功圖面積符合率的綜合評價，軟件界面及計算結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 示功圖檢測界面

圖7 誤差及圖形面積比對界面

4 結(jié)論

無線載荷位移傳感器載荷、位移參數(shù)一體化檢測的實現(xiàn)，說明將當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中常用的集成化智能控制技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字化油田計量檢測中，可以最大程度保證了載荷、位移參數(shù)的同步性、準(zhǔn)確性，能夠顯著提高檢測效率。與傳統(tǒng)的檢測方式相比，將原有的兩參數(shù)彼此分離、單獨評價的思路改為同時檢測、同時出具檢測結(jié)果的方式，與儀表工作的實際情況更為接近，得出的評價結(jié)果更具有說服力，同時解決了示功圖準(zhǔn)確性無法評價的問題。在此基礎(chǔ)上，還實現(xiàn)了軟件自動比對，自動出具檢測報告的功能。另外，無線載荷位移傳感器一體化檢測裝置具備高度的功能擴展性，可以將現(xiàn)場采集到的示功圖數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向錄入，利用裝置進(jìn)行運動模擬、工況復(fù)現(xiàn)，可以在故障診斷、特殊工況下儀表的準(zhǔn)確度評價方面有所應(yīng)用。