抽油井數字示功儀的製作方法

2023-04-29 22:45:56 1

專利名稱:抽油井數字示功儀的製作方法
本實用新型公開一種確定有杆泵石油抽油系統工作狀況的測試儀器，屬石油採油工程中測試技術。
我國各大油田普遍應用著有杆泵抽油設備。在採油過程中，及時和準確地了解有杆泵抽油系統的工作狀況，對提高抽油效率、降低採油成本和提高油井產量具有非常重大的意義。
目前我國油田的抽油井幾乎全部應用動力儀(仿西德SG2型)進行抽油系統工作狀況的檢測工作。動力儀是一種記錄光杆(抽油杆的第一級)載荷與位移關係曲線即示功圖的儀器，它的測量精度較低，並且不能計算及繪製井下示功圖。
美國發明了有關測定抽油井工作特性的方法(美國專利US3343409)，將抽油杆看作傳輸導體，井下泵的載荷和位移以應力波的形式傳輸到地面的光杆，用載荷傳感器和位移傳感器在地面光杆上接收每一瞬間的載荷和位移信號，並將測得數據連同生產人員取得的油井數據(抽油杆長度、重量和截面積等等)一併提供給計算機進行計算，從而得到抽油杆任一深度的載荷和位移；使用繪圖儀，可給出井下任一深度上的示功圖；通過對示功圖的分析計算，可以準確地獲得抽油系統井下設備、地面設備和油井本身的工作狀況。
美國Delta－X公司研製了這類儀器，但對操作人員的技術素質要求高，操作不夠簡便；內部測試系統的計算機分析軟體受嚴格保密，無法進一步開發利用；測量準確度方面還實際存在一些不穩定現象；並且價格極為昂貴。
本實用新型的目的是應用以上美國發明的有關測定抽油井工作特性的方法，但針對上述缺點，提供一種改進的採用現成國產的傳感器、按裝和操作簡便、對操作人員技術素質要求不高、精度高和成本低的抽油井數字示功儀。
本實用新型是這樣實現的藉助載荷傳感器和位移傳感器，測量有杆抽油泵在地面的示功圖，根據一定的理論推導關係，計算出有杆抽油泵在井下的示功圖。推斷井下示功圖的基本原理(美國專利US3343409)是將抽油杆視為傳輸導體，井下泵的載荷和位移以應力波的形式傳輸到地面的光杆。用載荷傳感器和位移傳感器在地面光杆上接收每個瞬間的載荷和位移信號，並將測試數據等提供給微機進行計算，從而得到抽油杆任一深度的載荷和位移，也即可得出井下任一深度包括泵處的示功圖。
抽油杆的力學模型是一根具有粘滯阻尼的作縱向振動的細長園杆，它的運動可用下列偏微分方程來描述
式中U(X，t)是抽油杆離地面X深處在t時刻的位移；a是應力波在抽油杆中的傳播速度；C是阻尼係數。
偏微分方程的邊界條件是地面光杆動載荷函數D(t)和地面光杆位移函數U(t)，用截斷的(有限的)富氏級數展開，近似進行，表示D(t)＝L(t)－W＝ (σ0)/2 ＋n=1N]]>(σncosnωt＋Tnsinnωt) (2)
U(t)＝ (V0)/2 ＋
(Vncosnωt＋δnsinnωt) (3)式中L(t)是光杆總載荷函數；W是抽油杆在流體中的重量。
以公式(2)和(3)作為邊界條件，用分離變量法介偏微分方程(1)，可得抽油杆任意深度X截面的位移和載荷函數，稱為新的位移函數和載荷函數，依據這兩個函數就可得出井下任意深度包括泵處的示功圖，這兩個函數的表示式為U(X，t)＝ (σ0)/(2EA) X＋ (V0)/2 ＋
〔On(x)cosnωt＋Pn(x)sinnωt〕 (4)F(X，t)＝EA〔 (σ0)/(2EA) ＋
(On』(x)cosnωt＋Pn』(x)sinnωt〕 (5)式中On(X)＝(KnchβnX＋δnshβnX)sinαnX＋(μnshβnX＋VnchβnX)cosαnX (6)Pn(X)＝(KnshβnX＋δnchβnX)cosαnX－(μnchβnX＋VnshβnX)sinαnX (7)其中αn=nω2a1+1+(cnω)2(8)]]>βn=nω2a-1+1+(cnω)2(9)]]>
Kn＝ (σnαn+Tnβn)/(EA(αn2+βn2)) (10)μn＝ (σnβn-Tnαn)/(EA(αn2+βn2)) (11)E是抽油杆杆材的彈性模量；A是抽油杆的橫截面積。
上述公式適用於單級抽油杆，實際上抽油杆通常是不同直徑的組合杆，需要將上述解加以推廣擴充，採用更一般表達方式。
在直徑不同的兩級抽油杆接頭處，位移和載荷是連續的，可用第一級抽油杆末端的位移和載荷，表示第二級抽油杆的邊界條件，由此得到第二級抽油杆X截面的位移和載荷。依此類推，可得到組合杆任意深度X截面的位移和載荷。
設從地面開始計算序號，各杆柱截面積分別為A1，A2，…，Am；各杆柱長度分別為X1，X2，…，Xm；富氏係數為jσn，jTn，jVn，jδn，其左腳標j表示與富氏係數有關的抽油杆各段的級數。類似地還有jOn(Xj)；jPn(Xj)；jO』n(Xj)；jP′n(Xj)。j＝1，2，…m，m代表組合抽油杆的總共節數或級數。
第j級抽油杆下端的位移函數和載荷函數為U(Xj，t) (jσ0)/(2EAj) Xj＋ (jV0)/2 ＋
〔jOn(Xj)cosnωt＋jPn(Xj)sinnωt〕 (12)F(Xj，t)＝EAj〔 (jσ0)/(2EAj) ＋
(jO′n(Xj)cosnωt＋
jP′n(Xj)sinnωt)〕 (13)式中jV0＝ (j-1σ0Xj-1)/(EAj-1) ＋j－1V0(14)jσ0＝j－1σ0(15)jVn＝j－1On(Xj－1) (16)jδn＝j－1Pn(Xj－1) (17)jσn＝EAj－1 j－1O′n(Xj－1) (18)jTn＝EAj－1 j－1P′n(Xj－1) (19)關於上述全部方程的導出和所需要的公式與計算步驟，也請參閱美國專利US3343409。
本實用新型抽油井數字示功儀構成框圖請見附圖1。動力儀〔1〕由三個主要部分組成油壓千斤頂〔2〕、載荷傳感器〔3〕和位移傳感器〔4〕。動力儀〔1〕在光杆上的安裝方法與傳統使用的仿西德SG2型動力儀完全一樣。動力儀〔1〕將光杆的載荷和位移信號轉換成電信號傳送給計算機接口板〔5〕，計算機接口板〔5〕將載荷和位移電信號經過變換處理後傳送給微機〔6〕，微機〔6〕執行予定的計算程序，在屏幕上顯示出示功圖，也可由繪圖儀〔7〕畫出和由印表機〔8〕記錄。計算機接口板〔5〕由模數轉換器〔9〕、位移計數器〔10〕、位移判向器〔11〕、數據緩衝器〔12〕、中央處理器〔13〕、只讀存貯器〔14〕和RS232接口〔15〕組成。
以下結合各附圖對本實用新型作進一步詳細描述。
圖1是本實用新型抽油井數字示功儀全部構成的框圖。
圖2是載荷傳感器的原理圖。
圖3是光電增量編碼器原理圖。
圖4是求解偏微分方程程序框圖。
參照圖1，動力儀〔1〕中油壓千斤頂〔2〕的結構與國內傳統的仿西德SG2型動力儀的油壓缸體相似，在光杆上的安裝方法和卡具也完全一樣，用以承受光杆的載荷，將光杆的載荷轉換為油壓力，並將此油壓力傳送給載荷傳感器〔3〕。
圖2是載荷傳感器〔3〕的原理圖，採用國產的電阻應變式液壓力傳感器。它的彈性元件是一根一端封閉的扁園截面的合金鋼管〔16〕，內部充滿著由油壓千斤頂〔2〕提供的被測液壓力，合金鋼管〔16〕外周表面貼有四片電阻應變片〔17〕、〔18〕、〔19〕和〔20〕。這四片電阻應變片〔17〕、〔18〕、〔19〕、〔20〕組成測量電橋，測量電橋後接一放大器〔21〕，放大器〔21〕的輸出電壓即與液壓力成正比，也即與光杆的載荷成正比。為提高測量精度，在測量電橋的一個橋臂上可並聯上一個標定用電阻〔18′〕，當該標定用電阻〔18′〕並聯上後，電橋即產生一個相當於2噸載荷的突變輸出電壓，提供微機〔6〕作載荷計量的標準。載荷傳感器〔3〕的非線性、滯遲和重複性誤差不超過0.5％，完全滿足精確測量的要求。
動力儀〔1〕中的位移傳感器〔4〕由光電增量編碼器和卷繩輪系組成。圖3是國產的光電增量編碼器的原理圖。光電增量編碼器由可轉動的光柵碼盤〔22〕、固定狹縫板〔23〕、紅外發光二極體〔24〕、〔25〕和光敏二極體〔26〕、〔27〕組成。卷繩輪系的一端掛在井口的固定點上，另一端拖動繩輪轉動。繩輪的轉動帶動光柵碼盤〔22〕轉動，光電增量編碼器即輸出一串脈衝，脈衝個數與光柵碼盤〔22〕的轉角成正比，由此完成了將光杆位移變成電脈衝數的轉換。
為判別光杆上下位移的方向也即光柵碼盤〔22〕的正反轉向，在光電增量編碼器中，紅外發光二極體〔24〕和光敏二極體〔26〕組成一組光路；紅外發光二極體〔25〕和光敏二極體〔27〕組成另一組光路，由圖3所示，兩組光路之間距離是光柵碼盤〔22〕上一個明暗區間周長T的 1/4 。一組光路輸出的脈衝〔28〕相對另一組光路輸出脈衝〔29〕的相位超前還是滯後由光杆位移的上下決定，所以利用兩組光路輸出脈衝〔28〕、〔29〕的相對相位關係即可確定光杆位移的上下方向。光電增量編碼器和卷繩輪系的設計考慮是光柵碼盤〔22〕明暗區間周長T相應於光杆的0.16mm位移；光電增量編碼器和卷繩輪系總的解析度為0.2mm。
從上述載荷傳感器〔3〕和位移傳感器〔4〕所得到的是模擬信號和脈衝信號，必須將其轉換成數位訊號方可傳送給微機〔6〕進行處理。
光杆的載荷信號是這樣處理的計算機接口板〔5〕中的模數轉換器〔9〕是一個8位(二進位)的模數轉換器，把載荷傳感器〔3〕輸出的模擬信號轉換成數位訊號，並暫存在數據緩衝器〔12〕中。
光杆的位移信號是這樣處理的計算機接口板〔5〕中的位移計數器〔10〕是一個8位(二進位)的計數器，用以記下在一定時間間隔內的脈衝數，即採集到了光杆的位移量。採集的時間間隔是19ms。
光杆的位移信號是周期性信號，位移傳感器〔4〕輸出的相位相差 1/4 T的兩路輸出脈衝〔28〕和〔29〕，接向一個位移判向器〔11〕，由此得到位移方向信號。
計算機接口板〔5〕同時採集以上載荷信號，位移信號和位移方向信號並暫存起來，然後分別將這三個信號傳送給微機〔6〕，傳送完這三個信號後就處於等待狀態；經過19ms再進行下一次數據採集和傳送，如此循環不已。抽油杆的運動是比較緩慢的，19ms的採樣時間間隔已能很好地反應抽油杆的載荷和位移的變化。以上這樣安排，微機〔6〕可在任何時間接收數據，而不必考慮發送與接收間的同步問題。計算機接口板〔5〕設計時考慮到凡是與IBM微機兼容的微機都可使用這塊計算機接口板〔5〕。
微機〔6〕的計算分析軟體的主要工作是求解偏微分方程式。圖4是求解偏微分方程的程序框圖。自動循環求解出某級直至最末級抽油杆下端的載荷函數和位移函數，經以下各主要步驟自動循環求出(1)把地面光杆的位移函數U(t)和動載荷函數D(t)輸入；(2)用FFT(快速富氏變換)求出位移函數U(t)和動載荷函數D(t)的各富氏係數；(3)將求得各富氏係數的位移函數U(t)和動載荷函數D(t)做為邊界條件，解出新的位移函數U(x1，t)的各富氏係數和新的載荷函數F(x1，t)的各富氏係數；(4)用反FFT求出新的位移函數U(x1，t)和新的載荷函數F(x1，t)，即第一級抽油杆下端的位移函數和載荷函數；以下(5)、(6)、(7)為重複以上(2)、(3)、(4)步驟，即(5)用FFT求出位移函數U(x1，t)和載荷函數F(x1，t)的各富氏係數；(6)解出新的位移函數U(x2，t)和新的載荷函數F(x2，t)的各富氏係數；(7)用反FFT求出新的位移函數U(x2，t)和新的載荷函數F(x2，t)，即第二級抽油杆下端的位移函數U(x2，t)和載荷函數F(x2，t)；依此類推，循環進行，可得某級直至最末級抽油杆下端的位移函數和載荷函數。
本實用新型總的對光杆載荷和位移測量精度優於2％。載荷量程為7噸和9噸兩種，位移量程為6米。
本實用新型的優點是全部採用國產的傳感器；總的對光杆載荷和位移的測量精度也高；整個測試系統操作方便簡單，現場安裝停工時間也短；對操作人員的技術素質要求較低；並且價格相對很便宜。
微機〔6〕接收數據後要進行一系列數據處理工作，在程序設計時考慮了以下因素(1)本系統要在採油現場測取數據，並解算偏微分方程，這些工作要求有較高速度，故解算偏微分方程的程序採用機器語言的程序。
(2)考慮程序能適用於任何與IBM微機兼容的微機。
權利要求
1.一種確定石油抽油井工作狀況的數字示功儀，將有杆泵的抽油杆看作傳輸導體，用載荷傳感器[3]和位移傳感器[4]在地面光杆上接收每一瞬間的載荷和位移信號；兩種傳感器產生的信號數位化後，連同一些油井數據(抽油杆長度、重量、截面積等等)提交微機[6]運算處理，得到抽油杆任一深度的瞬間的載荷和位移數據；應用繪圖儀[7]得到這些位置的示功圖，本實用新型的特徵是(1)用油壓千斤頂[2]將光杆載荷轉換為油壓力，再將油壓力傳遞給一個由電阻應變式液壓力傳感器組成的載荷傳感器[3]；(2)採用由光電增量編碼器和卷繩輪系組成的位移傳感器[4]；(3)採用計算機接口板[5]把兩種傳感器輸出變換成數位訊號；(4)由地面光杆動載荷函數D(t)和地面光杆位移函數U(t)輸入，靠求解偏微分方程程序，自動循環求解出某級抽油杆下端的載荷函數和位移函數。
2.按權利要求
1所述的數字示功儀，其特徵是計算機接口板〔5〕由模數轉換器〔9〕、位移計數器〔10〕、位移判向器〔11〕、數據緩衝器〔12〕、中央處理器〔13〕、只讀存貯器〔14〕和RS232接口〔15〕組成；同時採集載荷信號、位移信號和位移方向信號，並暫存起來，然後分別傳送給微機〔6〕，送完這三個信號後處等待狀態，經19ms再進行下一次採集，如此循環不已。
專利摘要
本實用新型公開一種確定石油抽油井工作狀況的抽油井數字示功儀，屬石油鑽採測試技術。使用國產傳感器測出有杆抽油泵地面光杆的載荷和位移信號，經計算機接口板處理後，用微機進行計算，得到抽油杆任一深度的載荷和位移，由此繪出井下任一深度的示功圖。本測試系統操作方便、簡單、精度高和成本低。
文檔編號E21B47/12GK87205901SQ87205901
公開日1988年4月20日 申請日期1987年3月31日
發明者陸耀楨, 陳建明, 周鴻康, 李天保 申請人:西安交通大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan