CN112392465B - 一种低冲次油井光杆示功图测试装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低冲次油井光杆示功图测试装置及使用方法，包括第一霍尔传感器、第二霍尔传感器、载荷传感器和井口采集单元，第一霍尔传感器、第二霍尔传感器和载荷传感器均与井口采集单元电信号连接，所述第一霍尔传感器连接在抽油机电机轴输出端的端面上，所述第二霍尔传感器连接在抽油机曲柄轴上。通过测量抽油机电机的转速和转数，得到悬点位移，不需要使用有线传感器和位移线，工作时不易损坏，更适用于低冲次油井，实现油井光杆示功图的远程监控，取代人工测试。

Description

一种低冲次油井光杆示功图测试装置及使用方法

技术领域

本发明属于油田采油技术领域，具体涉及一种低冲次油井光杆示功图测试装置及使用方法。

背景技术

示功图是生产过程中取得的至关重要的第一手资料，是一个冲程周期内悬点载荷和位移组成的封闭曲线，包含油井大量的有用信息，它不仅是抽油机井工作状况的“晴雨表”，通过功图可以判断油井工况，如卡泵、供液不足、断脱、气体影响、脱筒、结蜡等几十种工况，还可以分析计算悬点载荷的大小、冲程损失、抽油机载荷利用率、油井产液量、含水率、动液面等参数。

由于油田的地理环境特殊，分布范围及其广泛，示功图测试采用的一种是便携式示功仪，将示工仪的各个部件安装在抽油机上，该方法需要人工定期去现场一口井一口井测试，周期长，劳动强度大，时效性不强，由于受尼龙线和电位器的使用寿命限制，其不适合于在线测试。第二种是载荷传感器和角位移传感器，自动采集悬点载荷和悬点相对位移，并计算生成光杆示功图，实现油井光杆示功图的远程监控，取代人工测试。但载荷传感器是有线的，存在修井易损坏，不利于标准化建设等问题。第三种是载荷位移一体化传感器，位移测试采用加速度传感器，对于低冲次油井存在测试不准的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种低冲次油井光杆示功图测试装置及使用方法，以解决有线传感器存在的易损坏问题。

本发明的目的是通过以下技术手段实现的，一种低冲次油井光杆示功图测试装置，包括第一霍尔传感器、第二霍尔传感器、载荷传感器和井口采集单元，第一霍尔传感器、第二霍尔传感器和载荷传感器均与井口采集单元电信号连接，所述第一霍尔传感器连接在抽油机电机轴输出端的端面上，所述第二霍尔传感器连接在抽油机曲柄轴上。所述第一霍尔传感器包括第一磁钢、第一接近开关和第一无线传输模块，第一磁钢连接在抽油机电机轴输出端的端面上，第一接近开关感应面正对第一磁钢旋转轨迹，第一接近开关与第一无线传输模块电信号连接，第一无线传输模块与井口采集单元电信号连接。

所述第二霍尔传感器包括第二磁钢、第二接近开关和第二无线传输模块，第二磁钢连接在抽油机曲柄轴，即抽油机悬点位于下死点的位置上，第二接近开关感应面正对第二磁钢旋转轨迹，第二接近开关与第二无线传输模块电信号连接，第二无线传输模块与井口采集单元电信号连接。

所述载荷传感器连接在抽油机的悬绳器和光杆卡子之间。

所述井口采集单元包括RTU和第三无线传输模块，第三无线传输模块与第一霍尔传感器、第二霍尔传感器和载荷传感器电信号连接。

一种低冲次油井光杆示功图测试装置使用方法，

第一步，收集数据，收集抽油机皮带的传动比i_皮带、减速器的传动比i_减速器、抽油机的游梁前臂a，游梁后臂b，曲柄半径r，连杆长l；

第二步，测试装置数据收集，第一霍尔传感器测试电机实时转速和转数，第二霍尔传感器测试从抽油机下死点开始电机的累计转数m，载荷传感器收集载荷与时间的信号，发送上述数据给井口采集单元，

第三步，得到悬点位移，根据第一步和第二步的数据得到悬点位移，并将悬点位移并将悬点位移数据发送给井口采集单元，

第四步，示功图绘制，根据悬点位移和载荷传感器收集的载荷与时间关系信号绘制示功图。

所述第三步中，得到悬点位移的方法为悬点位移

其中

最大位移

i_总——皮带和减速器的总传动比，

ω——曲柄角速度，rad/s，

本发明的有益效果在于：通过测量抽油机电机的转速和转数，得到悬点位移，不需要使用有线传感器和位移线，工作时不易损坏，更适用于低冲次油井，实现油井光杆示功图的远程监控，取代人工测试。

附图说明

图1为曲柄转角与悬点相对位移示意图；

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

具体实施方式

【实施例1】

一种低冲次油井光杆示功图测试装置，包括第一霍尔传感器、第二霍尔传感器、载荷传感器和井口采集单元，第一霍尔传感器、第二霍尔传感器和载荷传感器均与井口采集单元电信号连接，所述第一霍尔传感器连接在抽油机电机轴输出端的端面上，所述第二霍尔传感器连接在抽油机曲柄轴上。

抽油机的电机通过皮带连接减速机构，从而将电机的旋转运动变为光杆的往复运动，抽油机结构属于现有技术，此处不再详细说明。

所述第一霍尔传感器包括第一磁钢、第一接近开关和第一无线传输模块，第一磁钢连接在抽油机电机轴输出端的端面上，第一接近开关感应面正对第一磁钢旋转轨迹，第一接近开关与第一无线传输模块电信号连接，第一无线传输模块与井口采集单元电信号连接。

第一磁钢随着抽油机电机轴输出端转动而转动，第一接近开关连接在第一磁钢的对面即可，使得第一接近开关感应面正对第一磁钢的旋转轨迹，第一接近开关从而测试电机的实时转速和转数，转速和转数信号由第一无线传输模块发送给12位的A/D转换器，将转速和转数模拟信号转换为数字信号后，再发送给井口采集单元。

所述第二霍尔传感器包括第二磁钢、第二接近开关和第二无线传输模块，第二磁钢连接在抽油机曲柄轴，即抽油机悬点位于下死点的位置上，第二接近开关感应面正对第二磁钢旋转轨迹，第二接近开关与第二无线传输模块电信号连接，第二无线传输模块与井口采集单元电信号连接。

第二磁钢连接在抽油机曲柄轴合适位置上粘贴磁钢，第二接近开关感应面面对第二磁钢的旋转轨迹，用来测试抽油机下死点，当检测到抽油机悬点到达下死点后，将下死点位置信号由第二无线传输模块发送给12位的A/D转换器，将下死点位置的模拟信号转换为数字信号，并发送给井口采集单元。

当抽油机悬点位于下死点时，抽油机曲柄轴也会运动到特定位置，但是在实际使用中，因为误差等，各个抽油机曲柄轴所处的角度也会稍有误差，所以在安装第二霍尔传感器时，先让抽油机悬点位于下死点，然后在这时的曲柄轴上选点安装第二磁钢，在此时第二磁钢的对面安装第二接近开关，使得第二磁钢与第二接近开关处在同一直线上即可，这样当抽油机悬点再次运动到下死点时，第二磁钢会再次到达第二接近开关处，被第二接近开关检测到，从而认为抽油机又达到了下死点。

所述载荷传感器连接在抽油机的悬绳器和光杆卡子之间。

载荷传感器包括负载传感器、定时器、太阳能电池板、充电管理电路、锂电池、电源管理电路、低功耗工业单片机、微型无线数传模块、USB接口。载荷传感器安装在抽油机的悬绳器与光杆卡子之间，载荷传感器为一个桥式应变片，安装要求载荷传感器弹性体要均匀受力。测试前，首先设置低功耗工业单片机在压力作用下，弹性体(贴有应变片)发生形变，导致应变片形变，导致桥电路的各臂电阻变化，得到一个与形变线性的输出，通过放大器放大和变送器电路得到4～20mA信号，从而得到抽油机荷载随时间变化的信号，模拟信号通过微型无线数传模块无线传输到12位的A/D转换器，将载荷与时间的模拟信号转换为数字信号，发送给井口采集单元。

所述井口采集单元包括RTU和第三无线传输模块，第三无线传输模块与第一霍尔传感器、第二霍尔传感器和载荷传感器电信号连接。

井口采集单元包括RTU和第三无线传输模块，低功耗单片机通过第三无线传输模块获得悬点速度数据(即荷载传感器取得的荷载随时间变化的数据)及悬点位移数据(第一霍尔传感器和第二霍尔传感器取得的数据)，最终将载荷数据和位移数据合成光杆示功图，光杆示功图数据通过第三无线数传模块发送至上位机，第三无线数传模块发射功率为毫瓦级。通过无线方式可实现传输距离在500m范围内的所有油井数据传输。RTU配有USB接口和RS232通讯口，满足现场数据本地传输，模块标准配置提供8个信道，满足井组多种通信组合方式的需求。提供多种通信波特率，并且无线传输速率与接口波特率成正比，以满足设备对多种波特率的需要。

【实施例2】

如图1所示，在实施例1的基础上，一种低冲次油井光杆示功图测试装置使用方法，

第一步，收集数据，收集抽油机皮带的传动比i_皮带、减速器的传动比i_减速器、抽油机的游梁前臂a，游梁后臂b，曲柄半径r，连杆长l；

第二步，测试装置数据收集，第一霍尔传感器测试电机实时转速和转数，第二霍尔传感器测试从抽油机下死点开始电机的累计转数m，载荷传感器收集载荷与时间的信号，发送上述数据给井口采集单元，

第三步，得到悬点位移，根据第一步和第二步的数据得到悬点位移，并将悬点位移并将悬点位移数据发送给井口采集单元，

第四步，示功图绘制，根据悬点位移和载荷传感器收集的载荷与时间关系信号绘制示功图。

所述第三步中，得到悬点位移的方法为悬点位移

其中

最大位移

i_总——皮带和减速器的总传动比，

ω——曲柄角速度，rad/s，

由于皮带减速器的传动比固定，电机每转一周对应曲柄转角角度为

，曲柄转角：

m——从抽油机下死点开始电机的累计转数；从第二霍尔传感器测得抽油机每次达到下死点的时间，而两次到达下死点之间时间电机所转数，由第一霍尔传感器测的的抽油机转数提供。

i_总——皮带和减速器的总传动比。一台抽油机的皮带和减速器的传动比固定不变，具体值由第一步取得。

游梁式抽油机是以游梁支点和曲柄轴中心的连线做固定杆，以曲柄、连杆、游梁后臂为三个活动杆所构成的四连杆机构，如图1所示，

根据曲柄转角可计算求解悬点位移，以下死点为坐标零点，向上为坐标主方向，则悬点位移为：

悬点位移

其中

最大位移

——曲柄转角，rad

ω——曲柄角速度，rad/s，因为公式(1)已经知道电机转一周时，曲柄转角角度，那么转动一周的角度除以转动一周的时间(即第一霍尔传感器测得的转数)，即得到了曲柄角速度。

a——游梁前臂，m

b——游梁后臂，m

r——曲柄半径，m

l——连杆长，m。

因此，通过测量电机转速和转数，可以得出悬点位移，配合荷载传感器的数据，就可以得到示功图。

与现有技术相比，一、现有技术由于受尼龙线和电位器的使用寿命限制，其不适合于在线测试，而本发明不需要尼龙线，使用更加方便。

第二种是载荷传感器和角位移传感器，自动采集悬点载荷和悬点相对位移，并计算生成光杆示功图，实现油井光杆示功图的远程监控，取代人工测试。但载荷传感器是有线的，存在修井易损坏，不利于标准化建设等问题，而本发明采用无线传感器。

第三种是载荷位移一体化传感器，位移测试采用加速度传感器，对于低冲次油井存在测试不准的问题。而本发明采用霍尔传感器测量电机转动，对低冲次油井测量更加准确。

Claims (5)

1.一种低冲次油井光杆示功图测试装置使用方法，其特征在于：包括第一霍尔传感器、第二霍尔传感器、载荷传感器和井口采集单元，第一霍尔传感器、第二霍尔传感器和载荷传感器均与井口采集单元电信号连接，所述第一霍尔传感器连接在抽油机电机轴输出端的端面上，所述第二霍尔传感器连接在抽油机曲柄轴上；

第一步，收集数据，收集抽油机皮带的传动比i_皮带、减速器的传动比i_减速器、抽油机的游梁前臂a，游梁后臂b，曲柄半径r，连杆长l；

第二步，测试装置数据收集，第一霍尔传感器测试电机实时转速和转数，第二霍尔传感器测试从抽油机下死点开始电机的累计转数m，载荷传感器收集载荷与时间的信号，发送上述数据给井口采集单元，

第三步，得到悬点位移，根据第一步和第二步的数据得到悬点位移，并将悬点位移数据发送给井口采集单元，

第四步，示功图绘制，根据悬点位移和载荷传感器收集的载荷与时间关系信号绘制示功图；

所述第三步中，得到悬点位移的方法为悬点位移

其中

最大位移

i_总——皮带和减速器的总传动比，

ω——曲柄角速度，rad/s，

r——曲柄半径，m；

l——连杆长，m；

m——从抽油机下死点开始电机的累计转数；

a——游梁前臂，m；

b——游梁后臂，m；

t——电机转一周时间，s。

2.根据权利要求1所述的一种低冲次油井光杆示功图测试装置使用方法，其特征在于：所述第一霍尔传感器包括第一磁钢、第一接近开关和第一无线传输模块，第一磁钢连接在抽油机电机轴输出端的端面上，第一接近开关感应面正对第一磁钢旋转轨迹，第一接近开关与第一无线传输模块电信号连接，第一无线传输模块与井口采集单元电信号连接。

3.根据权利要求1所述的一种低冲次油井光杆示功图测试装置使用方法，其特征在于：所述第二霍尔传感器包括第二磁钢、第二接近开关和第二无线传输模块，第二磁钢连接在抽油机曲柄轴，即抽油机悬点位于下死点的位置上，第二接近开关感应面正对第二磁钢旋转轨迹，第二接近开关与第二无线传输模块电信号连接，第二无线传输模块与井口采集单元电信号连接。

4.根据权利要求1所述的一种低冲次油井光杆示功图测试装置使用方法，其特征在于：所述载荷传感器连接在抽油机的悬绳器和光杆卡子之间。

5.根据权利要求1所述的一种低冲次油井光杆示功图测试装置使用方法，其特征在于：所述井口采集单元包括RTU和第三无线传输模块，第三无线传输模块与第一霍尔传感器、第二霍尔传感器和载荷传感器电信号连接。