一種抽油杆井下受力測量裝置製造方法
2023-05-21 22:09:01 1
一種抽油杆井下受力測量裝置製造方法
【專利摘要】本發明屬於計量測試【技術領域】，涉及一種井下抽油杆受力特性測量裝置，本裝置也可作為其他井下杆狀件受力狀況測量。它包括應變片陣列、測量短節、環形密封圈和微電控制系統;測量短節兩端分別套環形密封圈，然後連接抽油杆，使抽油杆受力完全傳遞到短節上，測量短節內部為空腔，沿空腔壁軸向貼應變片陣列，根據應變片陣列相應單元貼片方式及位置的不同進行組合，組成由組測量橋路構成的應變解耦方式，精確測量抽油杆工作時所承受的6個力學分量大小，腔內放置微電控制系統，負責測量過程的調控。裝置組成簡單、體積小，測力範圍為5N～500KN，能在低於130℃、振動頻率小於1000HZ及大振幅條件下持續穩定工作。
【專利說明】一種抽油杆井下受力測量裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於計量測試【技術領域】，涉及一種井下抽油杆受力測量裝置，本裝置也可作為其他井下杆狀件受力狀況測量。
【背景技術】
[0002]在當今採油工程中，有杆採油井在機械採油中所佔比例高達90%以上，雖然近些年來出現了無杆採油等新技術，但是依然難以撼動有杆採油的主導地位。在有杆採油系統中，柔性、細長的抽油杆，它連接著遊梁驅動系統和深在近千米到數千米的抽油泵，擔負著運動和能量的傳遞，是該系統中的關鍵部件。然而由於多種特殊因素的影響，如抽油杆所在的複雜井眼軌跡、油管與抽油杆之間的滑動摩擦、抽油杆在受載時的變形和井下複雜的油液化學環境等，使得抽油杆的可靠性與使用壽命偏離設計指標，常常在有效壽命期就出現杆斷、杆脫、杆偏磨和管偏磨等故障。特別是近些年來，隨著淺源油田資源的萎縮，採油向著地層條件差、自然產能低的地層深處掘進，出現了深達六千多米的定向深井，而這種油井的抽油杆運動、受力遠比淺層直井更加複雜，直接導致抽油杆與油管的擠壓摩擦更加劇烈、彎矩增大、承受的拉壓平均應力不斷增加。
[0003]我國現有的油井在生產過程中，幾乎沒有對抽油杆受力參數進行監測，通常是根據視功圖來判斷井下抽油杆工作狀況，情況複雜時只能通過抽出所有井下抽油杆來查探情況，但該方法容易導致判斷錯誤或投入不必要的測試作業費，因此生產現場迫切需要一種能夠深入井下測量抽油杆受力狀況的裝置。關於井下杆狀物壓力的測量裝置，已有一些專利技術，但都存在著不同程度的局限性。例如「井下存儲式杆管參數檢測器」(專利號:ZL200420024926.6)，設計了一種能檢測抽油杆軸向力和扭矩等參數的測量裝置，但是該裝置測量的參數並不包含引起抽油杆偏磨、斷裂等主要故障的徑向力。「一種管柱狀態檢測裝置」(專利號:ZL200820219679.3)提出了一種由井下和地面兩部分組成的檢測裝置，實現了井柱溫度、軸向力與管柱滑動位移的一體化測量，但是無法檢測抽油杆徑向壓力的具體數值，而且無法測出易引起抽油杆疲勞斷裂的彎矩。「一種井下抽油杆徑向壓力測量裝置」(申請號:ZL201110236526.6)可以實現測量抽油杆徑向力，該裝置通過短節受力，將變形傳遞給環形襯套，環形襯套的安裝精度對測量裝置的精度起著重要作用，但是該裝置的短節決定了環形襯套的安裝非常困難，並且襯套難以長期保持要求姿態，進而難以長期保持較高測量精度，力學參數的變化是導致抽油杆故障的主要因素，該專利僅僅測量徑向力，測量參數單一，無法實現對抽油杆全面力學監測。「工程模型杆件測試裝置」(申請號:CN201120526070.2)提出了一種基於機械解耦方式測量杆件受力狀況的裝置，該測量裝置體積大、組件多，測量時需將裝置卡在杆上，而本發明要解決的抽油杆力學測量問題其抽油杆位於油管內部且油管內徑最大為52mm，抽油杆直徑為40mm，並且抽油杆在工作時與油管內壁存在摩擦，這種摩擦嚴重時足以將油管磨穿或是將抽油杆磨斷，另外油管與抽油杆之間充滿著腐蝕性的油液混合物，顯然如果該裝置用於抽油杆力學測量，第一、體積問題導致測量裝置無法裝入，第二、強摩擦必然導致測量裝置無法卡於抽油杆，第三，該裝置沒有考慮防滲密封問題，能否在腐蝕性液體中可靠工作是一個問題。
[0004]對抽油杆磨損起決定性因素的力學參數為徑向力，其大小決定了磨損速度和強度，扭矩、軸向力和彎矩則是導致抽油杆疲勞損壞主要力學要素，但目前還沒有一種小巧裝置能穩定測量扭矩、軸向力、徑向力和彎矩，因此現有儀器或技術尚不能很好的解決井下抽油杆受力的測量問題。
【發明內容】
[0005]本發明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提供一種抽油杆井下力學參數測量裝，其測量參數全面、精度高、結構簡單、安裝方便、適應性強，可以替代現有抽油杆力學測量裝置。
[0006]本發明的技術方案為:一種抽油杆井下受力測量裝置，由應變片陣列3、測量短節
1、環形密封圈2和微電控制系統4組成。各組成部分的位置與連接關係為:測量短節I兩端分別套環形密封圈2，然後連接抽油杆，使抽油杆受力完全傳遞到短節上，測量短節I內部為空腔，沿空腔壁軸向貼應變片陣列3，根據應變片陣列3相應單元貼片方式及位置的不同進行組合，組成由8組測量橋路構成的應變解耦方式，精確測量抽油杆工作時在各個方向所承受的力，腔內放置微電控制系統4，負責測量過程的調控。
[0007]所述的應變片陣列3由40片應變片組成，這些應變片依據貼片方位與位置的不同，組成4組測量橋路，精確測量抽油杆工作時在各個方向所承受的力。短節內部為空腔，空腔壁沿軸向貼應變片陣列3，根據應變片陣列3相應單元貼片方式及位置的不同進行組合。如圖1所示，依據貼片方位和組合方式的不同實現應變解耦，其中SG1、SG5、SG9和SG13組合成橋式電路，用於測量抽油杆彎矩；SG2、SG6、SG10和SG14組合，用於測量所受徑向力；SG4、SG8、SG12和SG16組合，用於測量所受軸向力；SG3、SG7、SGll和SG15組合，用於測量沿軸向扭矩。採用應變片陣列3組合的方式，不僅可以同時測量關係抽油杆壽命力學參數，監測受力變化，進而減少抽油杆突發性故障，又同時大大減小裝置的軸向尺寸。
[0008]所述的測量短節I為空腔型構件，兩端有螺紋及密封槽，用於與抽油杆連接並形成密封測量環境。短節與抽油杆形成可靠連接後，其所受的扭矩、軸向力、徑向力和彎矩直接傳遞給測量短節1，這樣測量短節I完全複製了與它臨近的抽油杆受力狀況，同時在其內部又提供了適合存放小型測量部件的空腔，腔內貼應變片和放置微電控制系統4，解決了抽油杆力學測量裝置的存放與防護問題。測量短節I內壁軸向中部位置使用120目的砂紙沿與短節軸向呈45°交叉形方向打磨，磨出軸向長度約Icm的環形粗糙帶用於貼應變片陣列3，其餘部位塗隔熱塗層材料，給微電控制系統4提供穩恆溫、恆溼的測量環境；為了使應變片能敏感感受短節受力得變形，短節的材料選取高彈性彈簧鋼。
[0009]所述的密封圈2截面為橢圓形，材料為HNBR氫化丁腈橡膠，安裝於測量短節I的密封槽內，為抽油杆與測量短節I的連接提供可靠密封，阻止在高溫、高壓和連續性振動條件油井油液混合物進入測量短節I內部空腔，為測量裝置提供與外界隔離的測量環境。
[0010]所述的微電控制系統4位於測量短節I的空腔內，即微電控制艙內，由FPGA控制器401、電源控制電路402、大容量高溫蓄電池403、大容量FLASH存儲器404、數據通訊接口405和信號調理電路408等組成。微電控制系統4為測量裝置的中樞神經，其依據井下抽油杆數據變化情況，調節測量裝置的數據採集頻率，協調數據存儲、負責系統供電以及與外界的數據交換等。FPGA控制器401為微電控制系統4的核心組件，存儲控制程序，發出控制指令，其能夠滿足同時8路輸入要求，指揮系統各部分工作；大容量高溫蓄電池403為系統的唯一電力供應源，其為容量大、體積小的鋰電池，電壓為4.5V，通過導線與電源控制電路接，能滿足測量裝置3個月用電需求；大容量FLASH404存儲器依照FPGA控制器401的指令，以時間序列為序存儲採集的力學數據，存儲容量不小於50GB，滿足測量系統3個月的數據存儲需求；數據信號調理電路408將應變片輸出的模擬電壓信號轉換為控制器要求的範圍，之後經過A/D407轉換將模擬信號變換為數位訊號，再傳輸至FPGA控制器401存儲、分析，FPGA控制器401將具有時序的抽油杆徑向力、軸向力和彎矩數據輸出至大容量FLASH存儲器404中；數據通訊接口 405為RS232串行接口，用實現測量裝置與PC數據交換，如導出存儲於大容量FLASH存儲器404內力學測量數據和更新位於FPGA控制器401的控制程序等。
[0011]本發明與現有技術相比的優點是:
[0012]1、組成簡單，只需短節與應變片，依據應變片貼法和組合，實現對抽油杆扭矩、軸向力、徑向力和彎矩的測量；
[0013]2、由於採用應變片陣列3作為敏感元件，其所佔空間小，因而可以大大減小測量裝置的軸向尺寸，進而減小裝置的體積，滿足井下狹小空間測量需求。
[0014]3、測量裝置的主要技術指標高、環境適應性強，力測量範圍為5N?500KN，最大耐壓40MPa，能在低於130°C、振動頻率小於1000HZ及大振幅條件下持續穩定工作。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為測量短節及測量裝置各組成部分布局圖；
[0016]圖2為測量短節內壁應變片陣列3徑向分布圖；
[0017]圖3為測量短節內壁應變片陣列3徑向展開圖；
[0018]圖4為測量裝置微電控制系統4的原理框圖；
[0019]圖5為本發明的FPGA控制器控制流程圖。
[0020]圖中符號說明如下:
[0021]I一測量短節；2—環形密封圈2 ;3—貼於短節內壁的應變片陣；4一微電控制系統
[0022]401—FPGA控制器；402—電源控制電路；403—大容量高溫蓄電池；404—大容量FLASH存儲器；405—數據通訊接口 ；406— PC機；407— A/D轉換；408—信號調理電路；409一橋式電路
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對於本發明的技術方案進行詳細說明:
[0024]本發明利用特殊應變片陣列3貼於測量短節I內壁，配以微電控制系統4組成一種抽油杆井下受力測量裝置，解決抽油杆井下受力測量問題。參見圖1，本發明測量裝置主要有應變片陣列3、測量短節1、環形密封圈2和微電控制系統4等組成。測量短節兩端內螺紋，用於與抽油杆連接並形成密封測量環境。短節與抽油杆形成可靠連接後，其所受的軸向力、徑向力和彎矩直接傳遞給測量短節1，這樣測量短節I完全複製了與它臨近的抽油杆受力狀況，同時在其內部又提供了適合存放小型測量部件的空腔，腔內貼應變片和放置微電控制系統4，解決了抽油杆力學測量裝置的存放與防護問題。測量短節I內壁軸向中部位置使用120目的砂紙沿與短節軸向呈45°交叉形方向打磨，磨出軸向長度約Icm的環形粗糙帶用於貼應變片陣列3，其餘部位塗隔熱塗層材料，給微電控制系統4提供穩恆溫、恆溼的測量環境。綜合考慮材料變形與應用場合的抗拉抗壓強度要求，測量短節I材料選用高彈性彈黃鋼。
[0025]本發明中的應變片陣列3由40片絲繞式應變片組成，其材料要求為鎳鉻合金，組成陣列的應變片貼片方位與組合方式如圖2、3所示。應變片陣列3位於測量短節軸向中間部位，在徑向圓周分布如2所示，16個應變片組在短節徑向截均勻分布，依此命名為，SG1、SG2、SG3、....、SG15、SG16。16個應變片組相互組合方式如圖3所示，其中SGU SG5、SG9和SG13組合成橋式電路，用於測量抽油杆彎矩；SG2、SG6、SG10和SG14組合，用於測量所受徑向力；SG4、SG8、SG12和SG16組合，用於測量所受軸向力；SG3、SG7、SG11和SG15組合，用於測量沿軸向扭矩。依照該法，16個應變片組依據貼片方位和組合方式的不同組成4組測量橋路，實現應變解耦，精確測量抽油杆工作時所承受的扭矩、軸向力、徑向力和彎矩數據。另外在粘貼應變片粘貼前，應將測量短節I的打磨部位用氟氯烷TF擦拭，去除油汙，粘合劑選用氰基丙烯酸脂；為了測量裝置獲得較好的蠕變性能，要求貼片時塗在測量短節I打磨部位膠底厚度為2.5?5 μ m，塗抹後表面平滑無光澤，粗糙度約為Ra6.3 ;貼片後，要求在室溫條件下對粘合應變片加壓30?60s，以防抽油杆規律性振動影響粘貼牢固性。
[0026]上述本發明的密封圈2截面為橢圓形，材料為HNBR氫化丁腈橡膠，安裝於測量短節I的密封槽內，為抽油杆與測量短節I的連接提供可靠密封，阻止在高溫、高壓和連續性振動條件油井油液混合物進入測量短節I內部空腔，為測量裝置提供與外界隔離的測量環境。
[0027]上述發明中的微電控制系統4安裝於測量短節I的空腔內，由FPGA控制器401、電源控制電路402、大容量高溫蓄電池403、大容量FLASH存儲器404、數據通訊接口 405、信號調理電路408和橋式電路409等組成，如原理框圖4所示。FPGA控制器401存儲控制程序，發出控制指令，其能夠滿足同時8路輸入要求，指揮系統各部分工作；大容量高溫蓄電池403負責為系統提供電力，其為電壓為4.5V的鋰電池，通過屏蔽導線與電源控制電路402連接，所提供電量要求滿足測量裝置3個月的用電需求；大容量FLASH404存儲器依照來自FPGA控制器401的指令，以時間序列為序存儲採集的力學數據，要求存儲容量不小於50GB，滿足測量系統3個月的數據存儲需求；信號調理電路408將應變片輸出的模擬電壓信號轉換為控制器要求的範圍，之後經過A/D407轉換將模擬信號變換為數位訊號，再傳輸至FPGA控制器401存儲、分析，FPGA控制器401將具有時序的抽油杆徑向力、軸向力和彎矩數據輸出至大容量FLASH存儲器404中；數據通訊接口 405為RS232串行接口，用實現測量裝置與PC數據交換，如導出存儲於大容量FLASH存儲器404內力學測量數據和更新位於FPGA控制器401的控制程序等。
[0028]上述發明中微電控制系統4的核心組件FPGA控制器401指揮中心，內部存儲控制程序，控制測量裝置按照控制流程圖5運行。首先，FPGA控制器401實現初始化後，加載控制邏輯和處理算法；然後進行整個測量系統初始化，配置力學採集參數(如採集頻率等)；設置完成後裝置同時採集8組橋路電壓值並進行相應處理，將傳感器短節表面力學數據傳回FPGA控制器401，對數據進行分析、壓縮，建立各個力相對於時間的數據序列等預處理，依據預處理的結果，判斷採集數據是否有價值，進而決定是否在大容量FLASH存儲器404存儲該次採集的數據，若是壞數據，則控制器會拋棄改組數據，轉而依照設置採集頻率等待進行新數據的採集工作，反之則將預處理之後數據存儲至大容量FLASH404中，供日後由PC通過數據通訊接口 405導出採集參數，在上運用專門軟體分析抽油杆井下長期範圍內各個力的變化規律；存儲工作完成之後，根據前序測量的力變化快慢及幅度指標決定後續採樣頻率，當有力變化較快或是其波動值超過一定範圍時，控制器就改變數據採集頻率，反之則按原有頻率繼續進行測量工作；每次頻率查詢完成之後，程序還需要檢測是否有終止採樣信號，這個信號來自於測量裝置上的一個人為控制開關，抽油杆在油井中取出後，需按下該開關，告訴測量裝置井下力學參數測量工作已經停止，在每個測量循環中，程序都要查詢是否停止信號，若有，則測量裝置退出，反之則繼續進行下一輪數據採集；程序還通過檢測數據通訊接口 405的狀態判斷是否需要與外界通訊，讀取存儲的力學數據，若是，則立即配置通訊參數，之後讀取存儲在大容量FLASH404內的數據，用於分析前期內抽油杆受力變化特徵，形成測量報告，輸出結果，然後終止整個程序。
[0029]上述本發明所用應變片選用絲繞式，要求敏感柵材料為鎳鉻合金，柵長3mm ;測量短節I用彈性良好、變形大的圓形彈簧鋼柱，使用鏜刀一次加工而成；測量短節I內部隔熱塗層材料選用在高溼條件下具有良好穩定性的改性樹脂。
【權利要求】
1.一種井下抽油杆受力特性測量裝置，包含測量短節[I]、環形密封圈[2]、應變片陣列[3]和微電控制系統[4]，其特徵在於: (1)一個測量短節[1]，所述的測量短節[I]為空腔型構件，兩端有螺紋及密封槽，槽內裝環形密封圈[2]，測量短節[I]與抽油杆連接並形成密封測量環境，短節[I]與抽油杆形成可靠連接後，其所受的軸向力、徑向力和彎矩直接傳遞給測量短節[I]，這樣測量短節[I]完全感受了附近抽油杆受力的狀況，同時在其內部又提供了適合存放小型測量部件的空腔，在空腔內貼應變片和放置微電控制系統[4]，解決了抽油杆力學測量裝置的存放與防護問題。在測量短節[I]的內壁軸向中部位置貼有呈45°交叉方向的應變片陣列[3]，其餘部位塗有隔熱塗層材料，給微電控制系統[4]提供穩恆溫、恆溼的測量環境；短節的材料採用高彈性彈簧鋼，使應變片敏感地感受短節的受力變形； (2)—個應變片陣列[3]，由40片應變片組成16組，全部貼於測量短節[I]軸向中間部位的內部空腔，這些應變片依據貼片方位與位置的不同進行組合、實現應變解耦，組成4組應變解耦測量橋路。其中SG1、SG5、SG9和SG13組合成橋式電路，用於測量抽油杆的彎矩；SG2、SG6、SG10和SG14組合成橋式電路，用於測量所受的徑向力；SG4、SG8、SG12和SG16組合成橋式電路，用於測量所受的軸向力；SG3、SG7、SGll和SG15組合成橋式電路，用於測量沿軸向的扭矩； (3)—個微電控制系統[4]，位於測量短節[I]的空腔內，由FPGA控制器[401]、電源控制電路[402]、大容量高溫蓄電池[403]、大容量FLASH存儲器[404]、數據通訊接口 [405]、信號調理電路[408]和橋式電路[409]組成。微電控制系統[4]為測量裝置的中樞神經，根據井下抽油杆數據的變化情況，調節測量裝置的數據採集頻率，協調數據的存儲，並且負責系統的供電以及與外界的數據交換。
【文檔編號】G01L1/22GK103439036SQ201310399077
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月5日 優先權日:2013年9月5日
【發明者】王中宇, 李強, 燕虎, 王倩 申請人:北京航空航天大學