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(1. 中航工业气动院沈阳金凯瑞科技有限公司 辽宁 沈阳 110031；2. 中国石油长庆油田分公司数字化与信息管理部 陕西 西安 710018；3. 大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163414)

0 引 言

目前，我国各大油田抽油机井的功图测试由过去效率低下的人工单井测试，逐渐过度到数字化远程监测、分析与管理，大大提高了测试效率和安全性。然而，长期安装井上的远程监测压力传感器经历风淋雨晒、四季温度变化等外界因素的影响，传感器的初值、系数等参数难免不发生漂移，造成功图测试精度降低，保证不了测试数据的准确性，利用这样的功图进行分析、量油计算，势必造成错误的结果；另外，在监控室监测的功图异常的井，也难以判别故障原因，因此在数字化油田建设中急需一种在线标定仪器，在抽油机井现场即可完成压力传感器的检测及标定。基于在数字化油田远程监测过程中所暴露出的问题，研发了远程压力传感器在线标定仪。该仪器能够实现远程监测压力传感器的修正、标定，不但可以解决数字化油田远程监测过程中暴露出的问题，还可以方便地完成现场功图、液面的测试任务。该标定仪器主要由标准压力传感器(含标准位移量)、信号测量系统、主机、软件等几部分构成。

1 工作原理

1.1 标定工作原理

现场使用时，将标准压力传感器安装在悬绳器与被检压力传感器之间，如图1所示。

图1 现场安装测试示意图

用专用电缆将标准压力传感器和被检压力传感器相连，在主机的控制下使用标准压力传感器和被检压力传感器进行功图同步测试，测试结果通过无线方式传回主机，通过同步周期内的每个测试点的标准压力和被检压力的数值来计算出最大误差，通过该误差来判断被检压力传感器是否合格，同步测试参数显示在主机上供用户进行对比分析；同时主机可以对数据计算结果进行存储、回放、分析及与上位机实现数据通讯、上传等功能；同时通过回归分析法确定被校传感器的零点、线性变化情况，并给出相应的检测结果，对发生漂移的传感器在不对传感器零点、线性进行调节的情况下，可以根据在线检测得出的分析结果对传感器所测压力值进行软件补偿修正，从而得到准确的测试结果。图2是现场测试标定示意图。

图2 现场测试标定示意图

1.2 动液面测试原理

远程压力传感器在线标定仪主机配接气动井口发声器，还可以完成动液面测试功能。 利用油井内套管气或外接氮气作为声源，利用压差瞬间爆破产生声波信号，声波信号沿着油套环形空间向井下传播，当遇到油管接箍、音标和液面等障碍物便产生反射脉冲，返回的声脉冲由微音器接收转换成电脉冲信号，图3是动液面现场测试安装示意图。

图3 动液面现场测试安装示意图

主机对接收的电脉冲信号进行放大、滤波、采集处理、计算得出油井动液面数据，并完成动液面曲线绘制及存储功能，图4是井下声波信号传播原理示意图[1,2]。

图4 声波信号传播原理示意图

2 技术方案设计

2.1 标准压力传感器结构设计

除现场测试要求保证平面结构因素外，整体布局越均匀、合理，其测量的精度越高。应变弹性体是压力测量机械形变向电信号转换的关键，其机械形变与应力的比例关系越趋近于线性，其测量精度越高。通过广义胡可定律和“commcs”软件进行仿真计算分析，设计出三应变弹性体圆周分布方式，受力中心位于三弹性体分布圆心处,图5是标准压力传感器结构示意图。三点支撑在最大限度上满足了弹性应变体的实际工况受力情况[3]。

2.2 标准压力传感器电路设计

标准压力传感器电路原理框图如6所示，主要包括一个高精度的标准压力传感器的电源系统、信号放大、采集、嵌入式高速CPU处理系统和一个被校传感器的I/V转换、信号采集处理系统，经过计算后的数据通过无线通讯模块与主机进行通讯；由于标准压力传感器不但要求测试精度高、速度快，而且体积、重量要求都比较苛刻，所以整套系统电路设计在满足功率要求的前提下，都是基于贴片集成电路和电子元器件的设计，除了在积机械结构上采用了适合现场的三点平面立柱式特有结构设计外，在电路设计方面也采用了当今较为先进的ARM单片机、高分辨率的A/D芯片、铁电存储及I/V转换等技术[4，5]。

图5 标准压力传感器结构示意图

图6 标准压力传感器电路原理框图

标准压力传感器应变体由3个弹性体构成，在每个圆柱弹性应变体中部位置都粘贴有4片高灵敏度应力应变片，由3个弹性体粘贴的应变片连接组成惠斯通电桥。 当有压力作用时, 弹性体在贴片处产生拉、压成双的弯曲应力(或剪应力), 从而使应变片发生阻值变化,通过惠斯通电桥电路把传感器的压力信号转变成电信号进行处理。弹性应变体通过电桥测量工作原理如图7所示[6]。

实际应用电路结合精密仪表放大器，设计有调零、补偿及放大增益电路。供电电源由主控板提供的经过稳压、滤波的高精密电源提供，保证了整体结构稳定性和精度；同时传感器上专门设计了可以方便拆卸的适合安装被校传感器的安装底座，以便现场检测时传感器叠加更稳定，保证了测试数据真实可靠。

图7 电桥测量工作原理图

2.3 主机设计

主机向传感器发出测试指令，完成压力传感器的功图同步测试，并同时接收测试数据，在主机上绘制出对比功图和计算出测试结果。根据设定误差判别出被测传感器合格与否并进行标定。主机具有误差设定、检测对比、现场修正、功图液面测试、存储和通讯功能。为了使主机体积、重量尽可能小，携带方便，主机内所有电路模块也都采用了先进的贴片技术设计，主机测试存储的对比测试数据及标定参数可上传到上位机进行处理、分析、诊断。主机电路原理框图如图8所示。

图8 主机电路原理框图

3 标 定

无线远程压力传感器通常是压力0～150 kN对应4～20 mA电流输出型传感器。井口RTU(Remote Terminal Unit)是针对每一口油井安装的一种远端测控单元装置，负责对现场本井压力、位移、温度等传感器信号的监测和控制，完成现场各物理量数据的采集、处理及无线远程传输功能；也可以设定成同一个井场各井口RTU采集的数据，统一上传到一个总的RTU,我们称之为汇聚RTU，统一完成无线远程传输。井口RTU通过设定压力零点、压力增益两个参数实现压力修正，如图9所示。这两个参数分别与压力传感器X0零点输出电流mA值、增益系数a(kN/mA)相对应，通过软件修改这两个参数即可实现压力校准修正目的，这两个参数含义如下：

压力零点： 压力零点为当压力值为0 kN时,控制器对应的AD采集标准值，默认值为10 000，即4 mA对应的AD采集标准值；

压力增益： 压力增益(GF)含义为满量程压力电流输出与零点压力电流输出值的差值,即压力输出的斜率;

GF=(XFull-X0)×12.5

(1)

式(1)中，GF为RTU修正传感器界面的压力增益；XFull为被校传感器加载满量程时被输出电流值；X0为被校传感器无加载(0 kN)输出电流值。

图9 RTU标定修正传感器界面

在线标定仪通过同步测试一个周期的标准压力值、被校压力值，得到一系列的被校压力电流输出值与标准压力的测试数据点(xi,yi),i=0.287,xi的单位是mA,yi的单位是kN，通过一元线性回归分析的计算方法得到拟合直线方程：

Y=a(X-X0)

(2)

式(2)中，X0为压力零点对应的实际电流输出值；a为增益系数(kN/mA)。为确定回归系数X0、a的值，采用最小二乘法，将实测值yi与xi代入公式(2)计算的离差(yi-Y)的所有点平方和设为函数Q，使Q达到最小值。

(3)

根据极值原理，X0、a应满足下列方程：

(4)

(5)

通过软件计算，可以求出X0、a的值，确定修正压力零点X0(mA)和增益系数a(kN/mA)；通过公式(2)，可以计算出满量程压力YFull=150kN所对应的实际电流输出值，即

X0=X0；XFull=X0+YFull/a

(6)

再通过RTU软件给出的换算公式,把公式(6)代入(1)即可换算成RTU对应的零点压力X0及压力增益GF数值，在测试及查询界面中附在零点值及增益之后，如图10所示。如果需要对RTU进行压力修正，则在图9 RTU修正传感器界面中修改这两个数值， 把主机计算修正值下载到RTU中保存即可[3]。

图10 带有标定修正功能的显示界面

4 现场应用情况

前期在长庆油田对王窑、侯南作业区30余口井进行了现场验。我们选取高19-20井数据资料进行说明，检测及标定情况如下。图11是现场标准压力传感器与被检测传感器功图同步测试，红色功图为标准压力传感器所测功图，绿色功图为被检测传感器所测功图。表1是标准、被测压力传感器标定前、标定后所测最大、最小压力对比数据表。最大误差未必出现在最大、最小压力值位置，只是用其说明修正前后变化情况。

图11 功图同步测试

名称最大压力值/kN最小压力值/kN被检压力传感器(修正前)43.3225.04标准压力传感器41.9824.52被检压力传感器(修正后)41.5724.06

修正前，被检测最大误差为0.9%,检测结果为不合格(误差精度设定0.5级标准)，需对其进行修正。

将被检压力传感器与数据电缆相连，笔记本电脑与RTU相连，由标定仪直接计算出写给RTU的修正值，然后重新进行检测，图12是经过修正后测试的功图。

图12 修正后测试的功图

修正标定后，最大误差0.27%,符合0.5级标准。

现场应用说明，该仪器可以满足现场压力传感器的检测和修正功能，现场安装、携带方便、操作简捷。该仪器人机界面友好，显示直观具体，参数齐全，符合油田现场测试人员的操作习惯，便于掌握。

5 结 论

在长庆油田近几年的大量现场试验及结果表明，该远程压力传感器在线标定仪完全达到预期设计目标和要求，实现了远程压力传感器的在线检测以及标定修正的功能，而不必配备大量检测、校准仪表设备，大大降低了测试人员工作强度，避免了时间的浪费，提高了工作效率，给油田远程监测传感器标定修正带来便利。同时，在不改变现有测试方式的前提下，使用该在线检测仪也可以完成现场功图、液面的测试任务。该仪器在数字化油田建设中具有广阔的应用前景和实用价值，已获得国家发明专利。