【摘要】应变测试是石油井井架检测承载能力测试的主要检测项目，针对传统有线应变测试系统存在的问题，设计了基于无线网络的石油井架应变测试系统，这种无线测试系统具有测试精度高、抗干扰能力强、高效率、高可靠性、低功耗等优点，适合石油井架承载能力检测中应用。
【关键词】承载能力；井架；无线应变；应力测试
0.引言
井架是石油钻井和修井作业过程中的重要组成部分，现代钻井、修井作业中都使用井架，井架负责起升和下放钻柱、安放天车、悬挂游车、大钩等机具以及存放钻柱、油管等。井架作为钻井设备的关键部分，其承载性能直接关系到整套钻机系统的安全运行[1]。
应力测试是石油井架检测的主要项目之一，是井架承载能力测试的主要方式。传统井架应变系统应用的是有线测试系统，有线测试系统的特点是：安装繁琐、工作量大、测量精度受导线长度和布线影响大、测试周期长等。针对传统有线应变测试系统存在的问题，我们设计了基于无线网络的石油井架应变测试系统，这种无线测试系统具有测试精度高、抗干扰能力强、高效率、高可靠性、低功耗等优点，适合在石油井架承载能力检测中应用。
1.研究现状和进展
目前，石油井架承载能力测试主要依据标准SY/T 6326-2008《石油钻机和修井机机架、底座承载能力检测评定方法》，该标准是根据钢结构设计规范制定的，它的理论基础是钢结构在静载荷条件下的强度破坏和稳定失效作为判据准则，因此在评定井架承载能力时，必须采用对井架施加大小不等的载荷，测定井架结构内许多测点在这些载荷作用下产生的应力应变，只有这样才能准确判定该井架的安全承载能力。
2.石油井架无线应变测试系统
无线应变测量系统由无线应变传感器节点、接收网关、计算机采集处理软件三部分组成，无线传感器节点可以组成庞大的无线传感器网络，可以自组织形成星型、线型和网状网等多种网络拓扑结构。
基于无线网络的石油井架应变测试系统使用简单方便，无线数字信号传输方式消除了长电缆传输带来的噪声干扰，整个测量系统具有极高的测量精度和抗干扰能力，缩短了测试周期，节省了大量的人力物力，提高了系统的可靠性和测试精度。
无线传感器节点控制井架检测点上的应变采集点采集井架应变信号，并通过无线网络把采集数据传送到接收网关，由接收网关送入计算机进行显示和分析处理。
3.系统硬件
无线传输模块采用的是SG404无线应变传感器节点，SG404无线应变传感器节点结构紧凑，体积小巧，由电源模块、采集处理模块、无线收发模块组成，封装在RytonPPS 塑料外壳内，节点每个通道内置有独立的高精度120-1000Ω桥路电阻和放大调理电路，可以方便地由软件自动切换选择1/4 桥、半桥、全桥测量方式，该节点是一种新型的数据采集系统，基于802.15.4协议可以自组织形成星型、线型和网状网等多种网络拓扑结构。
4.系统软件
系统软件采用BeeData软件，软件由主接口子系统、数据源子系统、数据记录子系统和数据显示子系统组成。每一个子系统均包括若干不同的功能的模块，模块之间协同工作，实现了对无线传感器节点的管理和控制。
软件对传感器节点采集到的数据同步显示、分析和储存，采集得到的数据可以方便的输出到第三方软件进行后处理。软件可对网络通信质量和设备是否发生故障实施监控，针对网络中的异常情况实时报警，利于网络的维护和管理。
5.无线应变测试系统试验
5.1现场试验
以新投入使用的CB26采修一体化平台HXJ110DB型修井井架进行了现场实测，测试地点在埕岛油田CB26-1井。测试仪器采用SG404型无线应变节点，并用BeeData无线传感器网络软件进行数据分析，无线应变节点采样率为设置为25sps，半桥模式，传输模式为实时传输采样数据，测试系统在井架中下段立柱和井架二层台立柱设置了8个节点，每个节点连接2个应变片，共计16个测试点。
5.2数值仿真实验及结果分析
利用ansys软件建立井架有限元分析模型对井架受力进行模拟分析，即：在一定载荷下井架产生的应力和在ansys有限元模型上进行加载分析，验证分析结果的准确性。现场采集的应力值与有限元模型分析的应力值进行了对比，对比结果如下：
载荷（kN）：820
井架中下段立柱中：
测试值（με）：-130.2、-127.1、-139.9、-128、-139.1、-144.3、-151.4、-142。
模拟值（με）：-129.5、-129.5、-133.7、-133.7、-140.6、-140.6、-144.8、-144.8。
误差（%）：0.54、-1.85、4.64、-4.26、-1.07、2.63、4.56、-1.93。
井架二层台立柱中：
测试值（με）：-126.9、-132.6、-125.3、-132.1、-105.8、-100.9、-104.5、-112.7。
模拟值（με）：-128.3、-128.3、-126.7、-126.7、-101.2、-101.2、-109.6、-109.6。
误差（%）：-1.09、3.35、-1.10、4.26、4.55、-0.30、-4.65、2.83。
通过上述对比发现：现场实测应力值与有限元模型分析的应力值误差在5%以内，验证了无线应力测试数据的准确性。
此外，通过BeeData软件对应力应变数据分析，结果表明：无线应变测试系统数据传输稳定，噪声干扰小，检测过程中未发现数据丢失与现象。整个测量系统具有极高的测量精度和抗干扰能力，无线应变测试系统能够满足井架承载能力测试对检测试验数据的要求，可以在井架应力应变测试中应用。
6.结束语
基于目前井架应力测试系统有线传输系统存在的问题，提出了基于无线网络的石油井架应变测试系统，并对测试系统的进行了现场试验研究。试验结果表明无线应变测试系统与传统的有限应变测试方式相比节省了布线，使用简单方便，缩短了测试周期；无线数字信号传输方式消除了长电缆传输带来的噪声干扰，整个测量系统具有极高的测量精度和抗干扰能力，满足了现场复杂工况下系统对采集节点小型化和低功耗的要求，适合在石油井架承载能力检测中应用。
【参考文献】
[1]韩东颖，周国强，李子丰等.钻机井架安全承载能力评定方法研究.天然气工业[J].2007，27（1）：81-84.
