CN103439036A - 一种抽油杆井下受力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于计量测试技术领域，涉及一种井下抽油杆受力特性测量装置，本装置也可作为其他井下杆状件受力状况测量。它包括应变片阵列、测量短节、环形密封圈和微电控制系统;测量短节两端分别套环形密封圈，然后连接抽油杆，使抽油杆受力完全传递到短节上，测量短节内部为空腔，沿空腔壁轴向贴应变片阵列，根据应变片阵列相应单元贴片方式及位置的不同进行组合，组成由组测量桥路构成的应变解耦方式，精确测量抽油杆工作时所承受的6个力学分量大小，腔内放置微电控制系统，负责测量过程的调控。装置组成简单、体积小，测力范围为5N～500KN，能在低于130℃、振动频率小于1000HZ及大振幅条件下持续稳定工作。

Description

一种抽油杆井下受力测量装置

技术领域

本发明属于计量测试技术领域，涉及一种井下抽油杆受力测量装置，本装置也可作为其他井下杆状件受力状况测量。

背景技术

在当今采油工程中，有杆采油井在机械采油中所占比例高达90%以上，虽然近些年来出现了无杆采油等新技术，但是依然难以撼动有杆采油的主导地位。在有杆采油系统中，柔性、细长的抽油杆，它连接着游梁驱动系统和深在近千米到数千米的抽油泵，担负着运动和能量的传递，是该系统中的关键部件。然而由于多种特殊因素的影响，如抽油杆所在的复杂井眼轨迹、油管与抽油杆之间的滑动摩擦、抽油杆在受载时的变形和井下复杂的油液化学环境等，使得抽油杆的可靠性与使用寿命偏离设计指标，常常在有效寿命期就出现杆断、杆脱、杆偏磨和管偏磨等故障。特别是近些年来，随着浅源油田资源的萎缩，采油向着地层条件差、自然产能低的地层深处掘进，出现了深达六千多米的定向深井，而这种油井的抽油杆运动、受力远比浅层直井更加复杂，直接导致抽油杆与油管的挤压摩擦更加剧烈、弯矩增大、承受的拉压平均应力不断增加。

我国现有的油井在生产过程中，几乎没有对抽油杆受力参数进行监测，通常是根据视功图来判断井下抽油杆工作状况，情况复杂时只能通过抽出所有井下抽油杆来查探情况，但该方法容易导致判断错误或投入不必要的测试作业费，因此生产现场迫切需要一种能够深入井下测量抽油杆受力状况的装置。关于井下杆状物压力的测量装置，已有一些专利技术，但都存在着不同程度的局限性。例如“井下存储式杆管参数检测器”（专利号：ZL200420024926.6），设计了一种能检测抽油杆轴向力和扭矩等参数的测量装置，但是该装置测量的参数并不包含引起抽油杆偏磨、断裂等主要故障的径向力。“一种管柱状态检测装置”（专利号：ZL200820219679.3）提出了一种由井下和地面两部分组成的检测装置，实现了井柱温度、轴向力与管柱滑动位移的一体化测量，但是无法检测抽油杆径向压力的具体数值，而且无法测出易引起抽油杆疲劳断裂的弯矩。“一种井下抽油杆径向压力测量装置”(申请号：ZL201110236526.6)可以实现测量抽油杆径向力，该装置通过短节受力，将变形传递给环形衬套，环形衬套的安装精度对测量装置的精度起着重要作用，但是该装置的短节决定了环形衬套的安装非常困难，并且衬套难以长期保持要求姿态，进而难以长期保持较高测量精度，力学参数的变化是导致抽油杆故障的主要因素，该专利仅仅测量径向力，测量参数单一，无法实现对抽油杆全面力学监测。“工程模型杆件测试装置”(申请号：CN201120526070.2)提出了一种基于机械解耦方式测量杆件受力状况的装置，该测量装置体积大、组件多，测量时需将装置卡在杆上，而本发明要解决的抽油杆力学测量问题其抽油杆位于油管内部且油管内径最大为52mm，抽油杆直径为40mm，并且抽油杆在工作时与油管内壁存在摩擦，这种摩擦严重时足以将油管磨穿或是将抽油杆磨断，另外油管与抽油杆之间充满着腐蚀性的油液混合物，显然如果该装置用于抽油杆力学测量，第一、体积问题导致测量装置无法装入，第二、强摩擦必然导致测量装置无法卡于抽油杆，第三，该装置没有考虑防渗密封问题，能否在腐蚀性液体中可靠工作是一个问题。

对抽油杆磨损起决定性因素的力学参数为径向力，其大小决定了磨损速度和强度，扭矩、轴向力和弯矩则是导致抽油杆疲劳损坏主要力学要素，但目前还没有一种小巧装置能稳定测量扭矩、轴向力、径向力和弯矩，因此现有仪器或技术尚不能很好的解决井下抽油杆受力的测量问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种抽油杆井下力学参数测量装，其测量参数全面、精度高、结构简单、安装方便、适应性强，可以替代现有抽油杆力学测量装置。

本发明的技术方案为：一种抽油杆井下受力测量装置，由应变片阵列3、测量短节1、环形密封圈2和微电控制系统4组成。各组成部分的位置与连接关系为：测量短节1两端分别套环形密封圈2，然后连接抽油杆，使抽油杆受力完全传递到短节上，测量短节1内部为空腔，沿空腔壁轴向贴应变片阵列3，根据应变片阵列3相应单元贴片方式及位置的不同进行组合，组成由8组测量桥路构成的应变解耦方式，精确测量抽油杆工作时在各个方向所承受的力，腔内放置微电控制系统4，负责测量过程的调控。

所述的应变片阵列3由40片应变片组成，这些应变片依据贴片方位与位置的不同，组成4组测量桥路，精确测量抽油杆工作时在各个方向所承受的力。短节内部为空腔，空腔壁沿轴向贴应变片阵列3，根据应变片阵列3相应单元贴片方式及位置的不同进行组合。如图1所示，依据贴片方位和组合方式的不同实现应变解耦，其中SG1、SG5、SG9和SG13组合成桥式电路，用于测量抽油杆弯矩；SG2、SG6、SG10和SG14组合，用于测量所受径向力；SG4、SG8、SG12和SG16组合，用于测量所受轴向力；SG3、SG7、SG11和SG15组合，用于测量沿轴向扭矩。采用应变片阵列3组合的方式，不仅可以同时测量关系抽油杆寿命力学参数，监测受力变化，进而减少抽油杆突发性故障，又同时大大减小装置的轴向尺寸。

所述的测量短节1为空腔型构件，两端有螺纹及密封槽，用于与抽油杆连接并形成密封测量环境。短节与抽油杆形成可靠连接后，其所受的扭矩、轴向力、径向力和弯矩直接传递给测量短节1，这样测量短节1完全复制了与它临近的抽油杆受力状况，同时在其内部又提供了适合存放小型测量部件的空腔，腔内贴应变片和放置微电控制系统4，解决了抽油杆力学测量装置的存放与防护问题。测量短节1内壁轴向中部位置使用120目的砂纸沿与短节轴向呈45°交叉形方向打磨，磨出轴向长度约1cm的环形粗糙带用于贴应变片阵列3，其余部位涂隔热涂层材料，给微电控制系统4提供稳恒温、恒湿的测量环境；为了使应变片能敏感感受短节受力得变形，短节的材料选取高弹性弹簧钢。

所述的密封圈2截面为椭圆形，材料为HNBR氢化丁腈橡胶，安装于测量短节1的密封槽内，为抽油杆与测量短节1的连接提供可靠密封，阻止在高温、高压和连续性振动条件油井油液混合物进入测量短节1内部空腔，为测量装置提供与外界隔离的测量环境。

所述的微电控制系统4位于测量短节1的空腔内，即微电控制舱内，由FPGA控制器401、电源控制电路402、大容量高温蓄电池403、大容量FLASH存储器404、数据通讯接口405和信号调理电路408等组成。微电控制系统4为测量装置的中枢神经，其依据井下抽油杆数据变化情况，调节测量装置的数据采集频率，协调数据存储、负责系统供电以及与外界的数据交换等。FPGA控制器401为微电控制系统4的核心组件，存储控制程序，发出控制指令，其能够满足同时8路输入要求，指挥系统各部分工作；大容量高温蓄电池403为系统的唯一电力供应源，其为容量大、体积小的锂电池，电压为4.5V，通过导线与电源控制电路接，能满足测量装置3个月用电需求；大容量FLASH404存储器依照FPGA控制器401的指令，以时间序列为序存储采集的力学数据，存储容量不小于50GB，满足测量系统3个月的数据存储需求；数据信号调理电路408将应变片输出的模拟电压信号转换为控制器要求的范围，之后经过A/D407转换将模拟信号变换为数字信号，再传输至FPGA控制器401存储、分析，FPGA控制器401将具有时序的抽油杆径向力、轴向力和弯矩数据输出至大容量FLASH存储器404中；数据通讯接口405为RS232串行接口，用实现测量装置与PC数据交换，如导出存储于大容量FLASH存储器404内力学测量数据和更新位于FPGA控制器401的控制程序等。

本发明与现有技术相比的优点是：

1、组成简单，只需短节与应变片，依据应变片贴法和组合，实现对抽油杆扭矩、轴向力、径向力和弯矩的测量；

2、由于采用应变片阵列3作为敏感元件，其所占空间小，因而可以大大减小测量装置的轴向尺寸，进而减小装置的体积，满足井下狭小空间测量需求。

3、测量装置的主要技术指标高、环境适应性强，力测量范围为5N～500KN，最大耐压40MPa，能在低于130℃、振动频率小于1000HZ及大振幅条件下持续稳定工作。

附图说明

图1为测量短节及测量装置各组成部分布局图；

图2为测量短节内壁应变片阵列3径向分布图；

图3为测量短节内壁应变片阵列3径向展开图；

图4为测量装置微电控制系统4的原理框图；

图5为本发明的FPGA控制器控制流程图。

图中符号说明如下：

1—测量短节；2—环形密封圈2；3—贴于短节内壁的应变片阵；4—微电控制系统

401—FPGA控制器；402—电源控制电路；403—大容量高温蓄电池；404—大容量FLASH存储器；405—数据通讯接口；406—PC机；407—A/D转换；408—信号调理电路；409—桥式电路

具体实施方式

下面结合附图对于本发明的技术方案进行详细说明：

本发明利用特殊应变片阵列3贴于测量短节1内壁，配以微电控制系统4组成一种抽油杆井下受力测量装置，解决抽油杆井下受力测量问题。参见图1，本发明测量装置主要有应变片阵列3、测量短节1、环形密封圈2和微电控制系统4等组成。测量短节两端内螺纹，用于与抽油杆连接并形成密封测量环境。短节与抽油杆形成可靠连接后，其所受的轴向力、径向力和弯矩直接传递给测量短节1，这样测量短节1完全复制了与它临近的抽油杆受力状况，同时在其内部又提供了适合存放小型测量部件的空腔，腔内贴应变片和放置微电控制系统4，解决了抽油杆力学测量装置的存放与防护问题。测量短节1内壁轴向中部位置使用120目的砂纸沿与短节轴向呈45°交叉形方向打磨，磨出轴向长度约1cm的环形粗糙带用于贴应变片阵列3，其余部位涂隔热涂层材料，给微电控制系统4提供稳恒温、恒湿的测量环境。综合考虑材料变形与应用场合的抗拉抗压强度要求，测量短节1材料选用高弹性弹簧钢。

本发明中的应变片阵列3由40片丝绕式应变片组成，其材料要求为镍铬合金，组成阵列的应变片贴片方位与组合方式如图2、3所示。应变片阵列3位于测量短节轴向中间部位，在径向圆周分布如2所示，16个应变片组在短节径向截均匀分布，依此命名为，SG1、SG2、SG3、….、SG15、SG16。16个应变片组相互组合方式如图3所示，其中SG1、SG5、SG9和SG13组合成桥式电路，用于测量抽油杆弯矩；SG2、SG6、SG10和SG14组合，用于测量所受径向力；SG4、SG8、SG12和SG16组合，用于测量所受轴向力；SG3、SG7、SG11和SG15组合，用于测量沿轴向扭矩。依照该法，16个应变片组依据贴片方位和组合方式的不同组成4组测量桥路，实现应变解耦，精确测量抽油杆工作时所承受的扭矩、轴向力、径向力和弯矩数据。另外在粘贴应变片粘贴前，应将测量短节1的打磨部位用氟氯烷TF擦拭，去除油污，粘合剂选用氰基丙烯酸脂；为了测量装置获得较好的蠕变性能，要求贴片时涂在测量短节1打磨部位胶底厚度为2.5～5μm，涂抹后表面平滑无光泽，粗糙度约为Ra6.3；贴片后，要求在室温条件下对粘合应变片加压30～60s，以防抽油杆规律性振动影响粘贴牢固性。

上述本发明的密封圈2截面为椭圆形，材料为HNBR氢化丁腈橡胶，安装于测量短节1的密封槽内，为抽油杆与测量短节1的连接提供可靠密封，阻止在高温、高压和连续性振动条件油井油液混合物进入测量短节1内部空腔，为测量装置提供与外界隔离的测量环境。

上述发明中的微电控制系统4安装于测量短节1的空腔内，由FPGA控制器401、电源控制电路402、大容量高温蓄电池403、大容量FLASH存储器404、数据通讯接口405、信号调理电路408和桥式电路409等组成，如原理框图4所示。FPGA控制器401存储控制程序，发出控制指令，其能够满足同时8路输入要求，指挥系统各部分工作；大容量高温蓄电池403负责为系统提供电力，其为电压为4.5V的锂电池，通过屏蔽导线与电源控制电路402连接，所提供电量要求满足测量装置3个月的用电需求；大容量FLASH404存储器依照来自FPGA控制器401的指令，以时间序列为序存储采集的力学数据，要求存储容量不小于50GB，满足测量系统3个月的数据存储需求；信号调理电路408将应变片输出的模拟电压信号转换为控制器要求的范围，之后经过A/D407转换将模拟信号变换为数字信号，再传输至FPGA控制器401存储、分析，FPGA控制器401将具有时序的抽油杆径向力、轴向力和弯矩数据输出至大容量FLASH存储器404中；数据通讯接口405为RS232串行接口，用实现测量装置与PC数据交换，如导出存储于大容量FLASH存储器404内力学测量数据和更新位于FPGA控制器401的控制程序等。

上述发明中微电控制系统4的核心组件FPGA控制器401指挥中心，内部存储控制程序，控制测量装置按照控制流程图5运行。首先，FPGA控制器401实现初始化后，加载控制逻辑和处理算法；然后进行整个测量系统初始化，配置力学采集参数（如采集频率等）；设置完成后装置同时采集8组桥路电压值并进行相应处理，将传感器短节表面力学数据传回FPGA控制器401，对数据进行分析、压缩，建立各个力相对于时间的数据序列等预处理，依据预处理的结果，判断采集数据是否有价值，进而决定是否在大容量FLASH存储器404存储该次采集的数据，若是坏数据，则控制器会抛弃改组数据，转而依照设置采集频率等待进行新数据的采集工作，反之则将预处理之后数据存储至大容量FLASH404中，供日后由PC通过数据通讯接口405导出采集参数，在上运用专门软件分析抽油杆井下长期范围内各个力的变化规律；存储工作完成之后，根据前序测量的力变化快慢及幅度指标决定后续采样频率，当有力变化较快或是其波动值超过一定范围时，控制器就改变数据采集频率，反之则按原有频率继续进行测量工作；每次频率查询完成之后，程序还需要检测是否有终止采样信号，这个信号来自于测量装置上的一个人为控制开关，抽油杆在油井中取出后，需按下该开关，告诉测量装置井下力学参数测量工作已经停止，在每个测量循环中，程序都要查询是否停止信号，若有，则测量装置退出，反之则继续进行下一轮数据采集；程序还通过检测数据通讯接口405的状态判断是否需要与外界通讯，读取存储的力学数据，若是，则立即配置通讯参数，之后读取存储在大容量FLASH404内的数据，用于分析前期内抽油杆受力变化特征，形成测量报告，输出结果，然后终止整个程序。

上述本发明所用应变片选用丝绕式，要求敏感栅材料为镍铬合金，栅长3mm；测量短节1用弹性良好、变形大的圆形弹簧钢柱，使用镗刀一次加工而成；测量短节1内部隔热涂层材料选用在高湿条件下具有良好稳定性的改性树脂。

Claims (1)

1.一种井下抽油杆受力特性测量装置，包含测量短节[1]、环形密封圈[2]、应变片阵列[3]和微电控制系统[4]，其特征在于：

（1）一个测量短节[1]，所述的测量短节[1]为空腔型构件，两端有螺纹及密封槽，槽内装环形密封圈[2],测量短节[1]与抽油杆连接并形成密封测量环境,短节[1]与抽油杆形成可靠连接后，其所受的轴向力、径向力和弯矩直接传递给测量短节[1]，这样测量短节[1]完全感受了附近抽油杆受力的状况，同时在其内部又提供了适合存放小型测量部件的空腔，在空腔内贴应变片和放置微电控制系统[4]，解决了抽油杆力学测量装置的存放与防护问题。在测量短节[1]的内壁轴向中部位置贴有呈45°交叉方向的应变片阵列[3]，其余部位涂有隔热涂层材料，给微电控制系统[4]提供稳恒温、恒湿的测量环境；短节的材料采用高弹性弹簧钢，使应变片敏感地感受短节的受力变形；

（2）一个应变片阵列[3]，由40片应变片组成16组，全部贴于测量短节[1]轴向中间部位的内部空腔，这些应变片依据贴片方位与位置的不同进行组合、实现应变解耦，组成4组应变解耦测量桥路。其中SG1、SG5、SG9和SG13组合成桥式电路，用于测量抽油杆的弯矩；SG2、SG6、SG10和SG14组合成桥式电路，用于测量所受的径向力；SG4、SG8、SG12和SG16组合成桥式电路，用于测量所受的轴向力；SG3、SG7、SG11和SG15组合成桥式电路，用于测量沿轴向的扭矩；

（3）一个微电控制系统[4]，位于测量短节[1]的空腔内，由FPGA控制器[401]、电源控制电路[402]、大容量高温蓄电池[403]、大容量FLASH存储器[404]、数据通讯接口[405]、信号调理电路[408]和桥式电路[409]组成。微电控制系统[4]为测量装置的中枢神经，根据井下抽油杆数据的变化情况，调节测量装置的数据采集频率，协调数据的存储，并且负责系统的供电以及与外界的数据交换。

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