無線應變測試系統在井架承載能力檢測中的應用

【摘要】應變測試是石油井井架檢測承載能力測試的主要檢測項目，針對傳統有線應變測試系統存在的問題，設計了基于無線網絡的石油井架應變測試系統，這種無線測試系統具有測試精度高、抗干擾能力強、高效率、高可靠性、低功耗等優點，適合石油井架承載能力檢測中應用。

【關鍵詞】承載能力；井架；無線應變；應力測試

0.引言

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

應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。傳統井架應變系統應用的是有線測試系統，有線測試系統的特點是：安裝繁瑣、工作量大、測量精度受導線長度和布線影響大、測試周期長等。針對傳統有線應變測試系統存在的問題，我們設計了基于無線網絡的石油井架應變測試系統，這種無線測試系統具有測試精度高、抗干擾能力強、高效率、高可靠性、低功耗等優點，適合在石油井架承載能力檢測中應用。

1.研究現狀和進展

目前，石油井架承載能力測試主要依據標準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》，該標準是根據鋼結構設計規范制定的，它的理論基礎是鋼結構在靜載荷條件下的強度破壞和穩定失效作為判據準則，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，測定井架結構內許多測點在這些載荷作用下產生的應力應變，只有這樣才能準確判定該井架的安全承載能力。

2.石油井架無線應變測試系統

無線應變測量系統由無線應變傳感器節點、接收網關、計算機采集處理軟件三部分組成，無線傳感器節點可以組成龐大的無線傳感器網絡，可以自組織形成星型、線型和網狀網等多種網絡拓撲結構。

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

無線傳感器節點控制井架檢測點上的應變采集點采集井架應變信號，并通過無線網絡把采集數據傳送到接收網關，由接收網關送入計算機進行顯示和分析處理。

3.系統硬件

無線傳輸模塊采用的是SG404無線應變傳感器節點，SG404無線應變傳感器節點結構緊湊，體積小巧，由電源模塊、采集處理模塊、無線收發模塊組成，封裝在RytonPPS 塑料外殼內，節點每個通道內置有獨立的高精度120-1000Ω橋路電阻和放大調理電路，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，該節點是一種新型的數據采集系統，基于802.15.4協議可以自組織形成星型、線型和網狀網等多種網絡拓撲結構。

4.系統軟件

系統軟件采用BeeData軟件，軟件由主接口子系統、數據源子系統、數據記錄子系統和數據顯示子系統組成。每一個子系統均包括若干不同的功能的模塊，模塊之間協同工作，實現了對無線傳感器節點的管理和控制。

軟件對傳感器節點采集到的數據同步顯示、分析和儲存，采集得到的數據可以方便的輸出到第三方軟件進行后處理。軟件可對網絡通信質量和設備是否發生故障實施監控，針對網絡中的異常情況實時報警，利于網絡的維護和管理。

5.無線應變測試系統試驗

5.1現場試驗

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型無線應變節點，并用BeeData無線傳感器網絡軟件進行數據分析，無線應變節點采樣率為設置為25sps，半橋模式，傳輸模式為實時傳輸采樣數據，測試系統在井架中下段立柱和井架二層臺立柱設置了8個節點，每個節點連接2個應變片，共計16個測試點。

5.2數值仿真實驗及結果分析

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生的應力和在ansys有限元模型上進行加載分析，驗證分析結果的準確性。現場采集的應力值與有限元模型分析的應力值進行了對比，對比結果如下：

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。

通過上述對比發現：現場實測應力值與有限元模型分析的應力值誤差在5%以內，驗證了無線應力測試數據的準確性。

此外，通過BeeData軟件對應力應變數據分析，結果表明：無線應變測試系統數據傳輸穩定，噪聲干擾小，檢測過程中未發現數據丟失與現象。整個測量系統具有極高的測量精度和抗干擾能力，無線應變測試系統能夠滿足井架承載能力測試對檢測試驗數據的要求，可以在井架應力應變測試中應用。

6.結束語

基于目前井架應力測試系統有線傳輸系統存在的問題，提出了基于無線網絡的石油井架應變測試系統，并對測試系統的進行了現場試驗研究。試驗結果表明無線應變測試系統與傳統的有限應變測試方式相比節省了布線，使用簡單方便，縮短了測試周期；無線數字信號傳輸方式消除了長電纜傳輸帶來的噪聲干擾，整個測量系統具有極高的測量精度和抗干擾能力，滿足了現場復雜工況下系統對采集節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[J].2007，27（1）：81-84.