目前我國(guó)東部油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期，開(kāi)采難度越來(lái)越大，油井光桿抖動(dòng)現(xiàn)象日益嚴(yán)重。光桿抖動(dòng)造成井口漏油，井內(nèi)油管磨損、斷裂，增加維護(hù)工作量，增加了作業(yè)難度，成本大大增加。抽油機(jī)井口盤(pán)根是井口的密封裝置，光桿抖動(dòng)加劇盤(pán)根盒內(nèi)密封橡膠的磨損。因此光桿抖動(dòng)已經(jīng)成為影響油田正常生產(chǎn)的主要因素之一。

光桿抖動(dòng)的檢測(cè)是目前急需解決的一個(gè)問(wèn)題。加速度傳感器一直是振動(dòng)檢測(cè)中的重要元件。本文利用三維加速度傳感器（MMA7260QT）設(shè)計(jì)了一個(gè)光桿抖動(dòng)檢測(cè)裝置，并在抽油井上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了光桿振動(dòng)的加速度和速度，為光桿抖動(dòng)分析提供了有力的分析依據(jù)。

1. MMA7260的工作原理

在傳統(tǒng)的振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，加速度傳感器功能單一，輸出信號(hào)需要進(jìn)行調(diào)理(隔離放大，濾波等等)，因此對(duì)模擬電路設(shè)計(jì)有極高的要求。隨著近年來(lái)大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，加速度傳感器也逐漸向集成化，低功耗的方向發(fā)展。

集成了信號(hào)調(diào)理電路的加速度傳感器能大大簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)功耗，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時(shí)減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，更利于產(chǎn)品快速推向市場(chǎng)。Motoro1a公司最新推出的MMA7260QT就是這樣一款三軸向集成的加速度傳感芯片。

MMA7260QT傳感器由重力g 感測(cè)單元，震蕩器，時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器, C to V 轉(zhuǎn)換器，積分放大濾波器，微調(diào)電路和溫度補(bǔ)償電路組成。引腳較少，五輸入三輸出，且每根管腳的功能和作用容易理解，因此使用起來(lái)比較簡(jiǎn)單。輸出的信號(hào)為模擬電壓信號(hào)，因此可以直接與帶有A/D 轉(zhuǎn)換模塊的MCU/ 單片機(jī)相連接。

MMA7260QT內(nèi)建g-select 電路, 其量程可在1.5g,2g,4g,6g 加速度中選擇,可以通過(guò)兩個(gè)g-select 引腳的邏輯輸入來(lái)選擇g值。

其功能結(jié)構(gòu)如下圖示：

圖1 MMA7260QT結(jié)構(gòu)圖

2.檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（有略節(jié)）

考慮到MMA7260QT的輸出是模擬輸出信號(hào)，因此選用了一款片內(nèi)自帶A/D轉(zhuǎn)換模塊的DSP，即Motorola公司的56F803。選擇56F803的原因，不僅考慮到它的低功耗特性,而且它自帶12位ADC，轉(zhuǎn)換精度較高且供電電壓為3.3V。56F803集中處理來(lái)自加速度傳感器的信號(hào)。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

在這里要注意的是MMA7260QT與DSP的連接, 在電源部分接入一個(gè)0.1μF 的電容, 在X, Y, Z 三個(gè)軸向上的輸出各接一個(gè)1KΩ 的電阻和一個(gè)0.1uF 的電容, 目的是將開(kāi)關(guān)電容濾波電路的時(shí)鐘噪聲降至最低, 如下圖所示, 其中R 代表1kΩ的電阻, C 代表0.1μF 的電容。其中兩個(gè)g-select 引腳分別與微控制器的兩個(gè)I/O 引腳相連, 我們通過(guò)微控制器的設(shè)置來(lái)選擇g值。

系統(tǒng)啟動(dòng)后, 首先將各個(gè)模塊初始化, 初始化完畢DSP 開(kāi)始實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)定時(shí)器中斷信號(hào)。加速度傳感器在運(yùn)行過(guò)程中不斷測(cè)量其瞬時(shí)加速度值, 由于是模擬電壓信號(hào), 因此這三個(gè)引腳需接于DSP的A/D引腳。

當(dāng)定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到, 就會(huì)引起相應(yīng)的定時(shí)中斷,DSP 檢測(cè)到中斷信號(hào)時(shí), 由中斷控制器判斷找到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序的入口地址, 調(diào)用串口程序進(jìn)行處理，由56F803的ADC采集進(jìn)來(lái)的電壓通過(guò)SCI，經(jīng)RS232后由串行口與PC機(jī)進(jìn)行通訊。程序流程圖所下所示：

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序流程圖

對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行積分變換求速度時(shí)，在測(cè)試信號(hào)中往往因測(cè)試儀器溫度變化造成的零點(diǎn)漂移含有長(zhǎng)周期趨勢(shì)項(xiàng)，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行積分變換時(shí)，趨勢(shì)相對(duì)變換結(jié)果的影響比較突出，因此消除長(zhǎng)周期趨勢(shì)項(xiàng)是信號(hào)預(yù)處理的一個(gè)重要的內(nèi)容。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)光桿抖動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)。將系統(tǒng)板安裝在一塊平板上，平板后有兩塊小鐵板做成的卡子，卡子中間放上磁鐵，構(gòu)成一個(gè)磁性裝置?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí),將該裝置放在光桿上，系統(tǒng)板與光桿平行且不易脫落，裝置隨光桿上下運(yùn)動(dòng)，測(cè)取三個(gè)方向的加速度，其中Z方向?yàn)楣鈼U運(yùn)動(dòng)方向。在勝利油田做了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，下圖給出某油井的X、Y軸抖動(dòng)加速度（2沖次）。采樣周期為4ms。

圖4 X,Y軸加速度圖

圖5 同一時(shí)刻X,Y軸加速度圖

圖6 坐標(biāo)變換后的X,Y軸加速度圖

圖7 同一時(shí)刻X,Y軸速度圖

由圖4可以得知，光桿運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度信號(hào)是很復(fù)雜的，本文所測(cè)取的是懸繩器下方的傳感器安裝位置的抖動(dòng)情況。圖4的橫坐標(biāo)是點(diǎn)數(shù)，也等價(jià)于具體的位移，即圖4反應(yīng)的是傳感器安裝位置在到達(dá)某一具體位移時(shí)的抖動(dòng)情況。

從測(cè)得的兩個(gè)周期的信號(hào)來(lái)看，加速度信號(hào)發(fā)生大變化的時(shí)候，是在從下死點(diǎn)到上死點(diǎn)過(guò)程中的中后段和上死點(diǎn)到下死點(diǎn)過(guò)程中的前段。以圖4中的X軸的加速度值為橫坐標(biāo)，Y軸的值為縱坐標(biāo)，可以合成圖5所示的加速度分布圖。

由圖5可知，X,Y方向加速度的振動(dòng)多集中在±0.05g(±0.5m/s²)之間并以原點(diǎn)為中心對(duì)稱(chēng)，為分析光桿的抖動(dòng)提供了依據(jù)。同一時(shí)刻X,Y軸的速度分別在±0.1m/s之間，且基本呈現(xiàn)有規(guī)律的振動(dòng)。因?yàn)橄到y(tǒng)安放位置的不同，所測(cè)得的X,Y軸加速度方向也不同，為了方便分析和觀察，將圖5順時(shí)針旋轉(zhuǎn)43^o，可以得到圖6。

從圖6上可以看出在新的坐標(biāo)X,Y上光桿的抖動(dòng)加速度基本集中于關(guān)于X，Y軸對(duì)稱(chēng)和原點(diǎn)中心對(duì)稱(chēng)的橢圓。經(jīng)計(jì)算可知，X方向,Y方向在一個(gè)周期內(nèi)的加速度代數(shù)和分別為0，說(shuō)明X方向,Y方向的振動(dòng)加速度在一個(gè)周期內(nèi)均可以抵消。對(duì)其余井的分析，也有基本相同的情況。同時(shí)，計(jì)算了同一時(shí)刻X，Y軸方向的速度，如圖7所示，X,Y軸上速度有著明顯的周期性。

結(jié)束語(yǔ)

抽油桿偏磨使油管過(guò)早的報(bào)廢，給生產(chǎn)帶來(lái)很大的影響，使成本大大地增加。本文利用三軸加速度傳感器，設(shè)計(jì)了抽油桿橫向加速度采集系統(tǒng)，對(duì)抽油桿的抖動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)和分析。橫向合成加速度幅值越大，抽油桿偏磨的情況越嚴(yán)重。

抽油桿偏磨的問(wèn)題一直是困擾油田生產(chǎn)的大問(wèn)題，偏磨的原因非常復(fù)雜。抽油桿在井內(nèi)發(fā)生偏磨,在地面觀察難度很大。有井口盤(pán)根的作用，使得光桿橫向抖動(dòng)信號(hào)變得非常復(fù)雜。如何根據(jù)光桿橫向抖動(dòng)信號(hào)分析判斷抽油桿的偏磨，還需進(jìn)一步研究，以及實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。本在測(cè)試方法上做一個(gè)前期的探索。這個(gè)探索對(duì)研究抽油桿偏磨提供了地面分析依據(jù)。

（編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“光桿抖動(dòng)檢測(cè)方法研究”，作者為喬婷、白連平。）