基于無線角位移和載荷設備的功圖采集技術研究

張鋒 劉東

1.沈陽中科奧維科技股份有限公司 遼寧 沈陽 110179；2.奧維通信股份有限公司 遼寧 沈陽 110179

1 技術背景

石油是我國的主要能源，隨著我國經濟的飛速發展，對石油的需求會越來越多。我國各大油田主要分布于東北和西北，抽油機井位很分散，而且環境復雜，道路情況非常惡劣。目前通常是通過采油工定期到井場進行巡檢并采集功圖，了解抽油機的狀況。因此，當抽油機出現異常情況時，不能及時發現并采取相應措施，從而會影響油井產量。

目前，油田各井隊使用的功圖測試儀主要是拉繩式的，或使用國外的手持采集設備。使用這些工具必須工人到現場進行功圖測試，采用這些測試方法，耗費大量的人力和物力，同時采集的數據資料都不是連續性數據，這樣就無法準確地掌握油井的真實工作狀況，不便于實現對油井的管理以及第一時間發現油井故障，影響原油產量。

當今油田工業發展趨勢向著自動化、一體化、無線遠程化發展，本文針對無線角位移設備和無線載荷設備的關鍵技術進行闡述[1]。

2 無線角位移設備關鍵技術

無線角位移傳感器是針對游梁式抽油機功圖測試應用而設計的新型無線數字化產品。無線角位移設備通過抽油機游梁的周期性運動，使加速度傳感器輸出周期性的信號。根據角位移運動死點查找算法，采集得到當設備位于上、下死點位置時，角位移傳感器輸出的數字量。通過游梁運動角度與傳感器輸出數字量的函數關系式，將傳感器輸出數字量帶入，得出游梁位于上、下死點位置時的角度，在此過程可計算出該運動周期內功圖數據中的位移數據。然后，將上、下死點角度相加，進而得出游梁擺動最大角度，再根據游梁前臂長、游梁擺動最大角度與沖程的關系式，最終計算出抽油機的沖程。

無線角位移設備計算位移的核心器件是加速度傳感器。加速度傳感器采用ADXL103單軸傳感器芯片，單軸（X軸）通過重力旋轉，X軸上的重力矢量投影會產生加速度分量，大小等于加速度X軸和水平面之間夾角的正弦值。水平面通常是與重力矢量正交的平面。當重力為理想值1g時，輸出加速度A為：

使用單軸傳感器，輸出加速度值與傾角呈現非線性關系。傾斜角計算隨著水平面與X軸夾角的增大而減小，當夾角接近±90°時，數值接近0，且傾斜角出現很大變化時，輸出加速度只會產生很小變化。

通過重力旋轉，由于加速度傳感器輸出符合正弦關系，使用反正弦函數可以將加速度轉換為角度。公式如下所示，其中，傾斜角單位為弧度。

通過計算角位移傳感器采集的弧度值，通過如下公式，進而可以計算出抽油機的功圖位移數據S。其中值為游梁擺動角度，L值為游梁前臂長。

在計算功圖數據時，無線角位移設備要與無線載荷設備配合使用。無線角位移設備與無線載荷設備同時收到RTU發送來的啟動采集命令，雙方以相同的采集時間間隔，同時啟動采集，可以確保位移值與載荷值的時間同步，減少時間上的誤差，使功圖數據更加準確。

無線角位移設備在計算得出位移數據后，要將其上傳至RTU設備。首先發送位移數據首包至RTU，RTU設備回復首包應答數據給無線角位移設備。RTU通過判斷數據類型，并將位移數據首包轉發至無線載荷設備，通知無線載荷設備開始上傳載荷數據，可做到位移數據和載荷數據同步上傳。無線載荷設備將載荷數據上傳至RTU設備后，RTU設備將位移數據和載荷數據整合成功圖數據后，上傳至網關。使用油田組態軟件可讀取網關中功圖的Modbus寄存器，在組態軟件界面上顯示功圖形狀[2]。

無線角位移設備為了計算得出精確的角度值和位移值，在生產過程中，要對其角度進行標定。在標定過程中，一般會采用±45°作為標定點，對其進行標定。采用無線通信標定方法，操作簡便、快捷、效率高。標定后的角度值的精度可達到5‰，滿足油田技術要求。

3 無線載荷設備關鍵技術

無線載荷設備作為功圖采集的關鍵部分之一，想要長期可靠的工作，必然涉及載荷傳感器的穩定和測量的準確可靠。載荷傳感器為電阻應變式載荷傳感器，利用電阻應變效應來反映載荷變化，即電阻應變片根據受力大小其電阻發生改變，傳輸的電信號經放大、濾波、處理形成最終的載荷值。

無線載荷設備中的載荷傳感器，在生產過程中同樣需要對其進行標定。采用高溫、常溫、低溫標定法，對其進行標定。首先將溫箱調至高溫50℃，使用80KN、30KN、0KN共3個載荷標定點對其進行高溫區標定，對這3個標定點做分段線性擬合，可計算出全量程的載荷數值。常溫區25℃和低溫區-30℃使用同樣的標定方法，對載荷傳感器進行標定。采用這種標定方法，可以有效補償載荷傳感器因溫度變化產生漂移。經過標定后，當環境溫度變化時，測量的載荷數值穩定，載荷數值精度可達到5‰，滿足油田技術要求。

4 結束語

無線角位移和載荷設備的應用與其特有的優勢，表明其具有廣闊的發展前景。應用無線角位移和載荷設備所帶來的經濟效益和社會效益使其受到油田系統的廣泛歡迎。無線角位移和載荷設備仍需要不斷地完善和升級，以使其更好地測量和采集功圖數據，為油井監控系統提供有力的數據支持，從而更好地為油田生產服務。