无线功图采集器关键技术

1大庆油田采油六厂 2中粮生化能源（肇东）有限公司 3北京助创科技有限公司

无线功图采集器关键技术

李义1钟大海2代啸宁2宁秀文3

1大庆油田采油六厂 2中粮生化能源（肇东）有限公司 3北京助创科技有限公司

油田常用的有线抽油机功图采集器其安装位置是在抽油机的悬绳器上，在抽油机正常生产运行过程中，悬绳器一直处于上下运动状态，容易造成线缆损坏。无线功图采集器无需任何线缆，不存在线缆损坏的问题。无线功图采集器涉及到两项关键技术：传感器结构设计和补偿方法。载荷传感器选择圆柱型载荷传感器，并在功图采集器上设有导水孔，以保障载荷传感器在雨水环境下的稳定性。环境温度变化会影响载荷传感器测量数值，通过采用特定的线性补偿方法进行温度补偿，以及在不同的温度范围内进行标定，能够保证当外界环境温度变化时载荷测量的精度要求。无线功图采集器用于同步测试抽油机载荷和位移，可实现数据实时传输以及实时监测抽油机运行状态，实现对油井的自动化管理。将无线功图采集器与有线功图采集器进行了对比，结果表明，无线功图采集器的测量精度和可靠性均能满足使用要求。

无线功图采集器；荷载传感器；温度补偿；位移计算

1有线功图采集器存在的问题

目前油田使用的抽油机功图采集器绝大多数是有线的，其安装位置是在抽油机的悬绳器上，在抽油机正常生产运行过程中，悬绳器一直处于上下运动状态，容易造成线缆损坏。特别是北方地区，冬季气温很低，线缆更容易损坏。另外，抽油机井因各种原因会定期或不定期地进行维修作业，作业时需将功图采集器拆卸下来。抽油机井维修后，需将功图采集器再安装回去，而设备所带的线缆易断裂损坏，很难实现再次安装，导致的结果是油井维修好了，功图采集器却无法正常工作。

2无线功图采集器主要特点

（1）无线功图采集器特别适合不断往复运动、-40℃环境下长期工作的需求。

（2）采用无线数据传输，电池供电，无需任何线缆，不存在线缆损坏的问题。

（3）采取一体化紧凑式设计。抽油机井维修后，修井工人只需将设备安装在悬绳器上即可，无需任何的电缆敷设、接线、调试及配置工作。

（4）数据传输采用无线方式，通过双向校验保证数据传输的可靠性。

（5）通过双向数据传输技术，实现功图数据的定时采集和传输。用户可根据需要在任何时间、任何地点，通过监控服务器实现远程读取功图的实时数据。

（6）采用高能电池供电，8 h采集1组数据时，电池可工作5年；10 h采集1组数据时，电池可工作2年。

（7）无线功图采集器采集的参数有两个，即载荷和位移，参数可通过载荷传感器和加速度传感器检测。通过传感器的关键算法和对传感器的全量程标定，可确保采集数据的准确性。无线功图采集器见图1。

图1 无线功图采集器

3载荷传感器关键技术的实现

无线功图采集器关键部件之一的载荷传感器，是由应变片贴在承重柱上实现载荷检测的。要想长期稳定地工作以及测量数据的准确、可靠，涉及到两项关键技术：传感器结构设计和补偿方法。

载荷传感器选择圆柱型载荷传感器，并在功图采集器上设有导水孔，进入的水可从下边导走不会滞留，保障了载荷传感器在雨水环境下的稳定性。

载荷传感器的测量原理是通过应变片的变形来检测受力大小。由于应变片受环境温度影响会产生蠕变，因此环境温度变化，即温漂现象会产生测量误差。为了解决温漂问题，必须进行温度补偿。另外，载荷传感器因温度变化产生漂移，漂移量并不是线性的，所以在做温度补偿时必须采取全温度范围的补偿，不能只在某个温度下进行补偿。通过研究采用特定的线性补偿方法，取得了相当稳定的线性补偿效果。

对载荷传感器进行校准标定时，不能只在常温下进行，应在不同的温度范围内进行标定，确保环境温度变化时载荷测量数值是准确的。

综上所述，环境温度变化会影响载荷传感器测量数值，通过采用特定的线性补偿方法进行温度补偿，以及在不同的温度范围内进行标定，能够保证当外界环境温度变化时载荷测量的精度要求。

4位移的计算方法

无线功图采集器的位移是通过加速度传感器进行测量的。加速度传感器进行一次积分得到的是瞬时速度，二次积分得到的是位移。由于抽油机运动的速度快慢不一，运行冲次有的每分钟小于2次，有的甚至小于1次。对于这种变加速度且整体运行速度又非常缓慢的情况，通过加速度进行位移计算是比较困难的。采用加速度两次积分的方法，把加速度变成位移，在大位移和低冲次两种状态下积分变得更加复杂。因此，在现有工况下，要想获得准确的位移，就不能简单地通过积分来求得，而需要采用一些较为复杂的数学方法。在长期的实践中，逐步模索出了一些行之有效的方法：

（1）采用基于低频加速度信号的波形反演和带限信号外推算法，大大提高了加速度积分的准确性。

（2）采用专用的波形重构算法，有效减弱了0.159 2 Hz以下频点积分后误差被放大对测量精度的影响（即冲次在9.552以下的周期），而且软件积分算法解决了宽周期响应的一致性问题。

（3）采用扩展的卡尔曼滤波算法来修正MEMS传感器的随机误差。

（4）采用基于温度补偿的MEMS加速度偏移修正算法。

5结论与建议

（1）抽油机运行过程中位移参数测量是否准确需要通过标定确认。据了解，目前国内各油田计量检定机构还没有对无线功图采集器的位移参数进行全量程标定的设备。经过攻关，研发出了无线功图采集器的标定设备，并且所有应用的产品都经过了全量程标定。2014年4月在大庆某外围采油厂选择了10口冲速在2 min-1以下的油井，将使用无线功图采集器与常规（有线）功图采集器进行对比。结果表明，无线功图采集器的测量精度和可靠性均能满足使用要求。

（2）应该建立一套完善的标定程序，包括标定的设备和标定规程，只有这样才能保证无线功图采集器测量数据的准确性。

（栏目主持 樊韶华）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.8.037

2015-04-30