专利名称:抽油井数字示功仪的制作方法
本实用新型公开一种确定有杆泵石油抽油系统工作状况的测试仪器，属石油采油工程中测试技术。
我国各大油田普遍应用着有杆泵抽油设备。在采油过程中，及时和准确地了解有杆泵抽油系统的工作状况，对提高抽油效率、降低采油成本和提高油井产量具有非常重大的意义。
目前我国油田的抽油井几乎全部应用动力仪(仿西德SG2型)进行抽油系统工作状况的检测工作。动力仪是一种记录光杆(抽油杆的第一级)载荷与位移关系曲线即示功图的仪器，它的测量精度较低，并且不能计算及绘制井下示功图。
美国发明了有关测定抽油井工作特性的方法(美国专利US3343409)，将抽油杆看作传输导体，井下泵的载荷和位移以应力波的形式传输到地面的光杆，用载荷传感器和位移传感器在地面光杆上接收每一瞬间的载荷和位移信号，并将测得数据连同生产人员取得的油井数据(抽油杆长度、重量和截面积等等)一并提供给计算机进行计算，从而得到抽油杆任一深度的载荷和位移；使用绘图仪，可给出井下任一深度上的示功图；通过对示功图的分析计算，可以准确地获得抽油系统井下设备、地面设备和油井本身的工作状况。
美国Delta－X公司研制了这类仪器，但对操作人员的技术素质要求高，操作不够简便；内部测试系统的计算机分析软件受严格保密，无法进一步开发利用；测量准确度方面还实际存在一些不稳定现象；并且价格极为昂贵。
本实用新型的目的是应用以上美国发明的有关测定抽油井工作特性的方法，但针对上述缺点，提供一种改进的采用现成国产的传感器、按装和操作简便、对操作人员技术素质要求不高、精度高和成本低的抽油井数字示功仪。
本实用新型是这样实现的借助载荷传感器和位移传感器，测量有杆抽油泵在地面的示功图，根据一定的理论推导关系，计算出有杆抽油泵在井下的示功图。推断井下示功图的基本原理(美国专利US3343409)是将抽油杆视为传输导体，井下泵的载荷和位移以应力波的形式传输到地面的光杆。用载荷传感器和位移传感器在地面光杆上接收每个瞬间的载荷和位移信号，并将测试数据等提供给微机进行计算，从而得到抽油杆任一深度的载荷和位移，也即可得出井下任一深度包括泵处的示功图。
抽油杆的力学模型是一根具有粘滞阻尼的作纵向振动的细长园杆，它的运动可用下列偏微分方程来描述
式中U(X，t)是抽油杆离地面X深处在t时刻的位移；a是应力波在抽油杆中的传播速度；C是阻尼系数。
偏微分方程的边界条件是地面光杆动载荷函数D(t)和地面光杆位移函数U(t)，用截断的(有限的)富氏级数展开，近似进行，表示D(t)＝L(t)－W＝ (σ0)/2 ＋Σn=1N]]>(σncosnωt＋Tnsinnωt) (2)
U(t)＝ (V0)/2 ＋
(Vncosnωt＋δnsinnωt) (3)式中L(t)是光杆总载荷函数；W是抽油杆在流体中的重量。
以公式(2)和(3)作为边界条件，用分离变量法介偏微分方程(1)，可得抽油杆任意深度X截面的位移和载荷函数，称为新的位移函数和载荷函数，依据这两个函数就可得出井下任意深度包括泵处的示功图，这两个函数的表示式为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是抽油杆杆材的弹性模量；A是抽油杆的横截面积。
上述公式适用于单级抽油杆，实际上抽油杆通常是不同直径的组合杆，需要将上述解加以推广扩充，采用更一般表达方式。
在直径不同的两级抽油杆接头处，位移和载荷是连续的，可用第一级抽油杆末端的位移和载荷，表示第二级抽油杆的边界条件，由此得到第二级抽油杆X截面的位移和载荷。依此类推，可得到组合杆任意深度X截面的位移和载荷。
设从地面开始计算序号，各杆柱截面积分别为A1，A2，…，Am；各杆柱长度分别为X1，X2，…，Xm；富氏系数为jσn，jTn，jVn，jδn，其左脚标j表示与富氏系数有关的抽油杆各段的级数。类似地还有jOn(Xj)；jPn(Xj)；jO’n(Xj)；jP′n(Xj)。j＝1，2，…m，m代表组合抽油杆的总共节数或级数。
第j级抽油杆下端的位移函数和载荷函数为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)关于上述全部方程的导出和所需要的公式与计算步骤，也请参阅美国专利US3343409。
本实用新型抽油井数字示功仪构成框图请见附图1。动力仪〔1〕由三个主要部分组成油压千斤顶〔2〕、载荷传感器〔3〕和位移传感器〔4〕。动力仪〔1〕在光杆上的安装方法与传统使用的仿西德SG2型动力仪完全一样。动力仪〔1〕将光杆的载荷和位移信号转换成电信号传送给计算机接口板〔5〕，计算机接口板〔5〕将载荷和位移电信号经过变换处理后传送给微机〔6〕，微机〔6〕执行予定的计算程序，在屏幕上显示出示功图，也可由绘图仪〔7〕画出和由打印机〔8〕记录。计算机接口板〔5〕由模数转换器〔9〕、位移计数器〔10〕、位移判向器〔11〕、数据缓冲器〔12〕、中央处理器〔13〕、只读存贮器〔14〕和RS232接口〔15〕组成。
以下结合各附图对本实用新型作进一步详细描述。
图1是本实用新型抽油井数字示功仪全部构成的框图。
图2是载荷传感器的原理图。
图3是光电增量编码器原理图。
图4是求解偏微分方程程序框图。
参照图1，动力仪〔1〕中油压千斤顶〔2〕的结构与国内传统的仿西德SG2型动力仪的油压缸体相似，在光杆上的安装方法和卡具也完全一样，用以承受光杆的载荷，将光杆的载荷转换为油压力，并将此油压力传送给载荷传感器〔3〕。
图2是载荷传感器〔3〕的原理图，采用国产的电阻应变式液压力传感器。它的弹性元件是一根一端封闭的扁园截面的合金钢管〔16〕，内部充满着由油压千斤顶〔2〕提供的被测液压力，合金钢管〔16〕外周表面贴有四片电阻应变片〔17〕、〔18〕、〔19〕和〔20〕。这四片电阻应变片〔17〕、〔18〕、〔19〕、〔20〕组成测量电桥，测量电桥后接一放大器〔21〕，放大器〔21〕的输出电压即与液压力成正比，也即与光杆的载荷成正比。为提高测量精度，在测量电桥的一个桥臂上可并联上一个标定用电阻〔18′〕，当该标定用电阻〔18′〕并联上后，电桥即产生一个相当于2吨载荷的突变输出电压，提供微机〔6〕作载荷计量的标准。载荷传感器〔3〕的非线性、滞迟和重复性误差不超过0.5％，完全满足精确测量的要求。
动力仪〔1〕中的位移传感器〔4〕由光电增量编码器和卷绳轮系组成。图3是国产的光电增量编码器的原理图。光电增量编码器由可转动的光栅码盘〔22〕、固定狭缝板〔23〕、红外发光二极管〔24〕、〔25〕和光敏二极管〔26〕、〔27〕组成。卷绳轮系的一端挂在井口的固定点上，另一端拖动绳轮转动。绳轮的转动带动光栅码盘〔22〕转动，光电增量编码器即输出一串脉冲，脉冲个数与光栅码盘〔22〕的转角成正比，由此完成了将光杆位移变成电脉冲数的转换。
为判别光杆上下位移的方向也即光栅码盘〔22〕的正反转向，在光电增量编码器中，红外发光二极管〔24〕和光敏二极管〔26〕组成一组光路；红外发光二极管〔25〕和光敏二极管〔27〕组成另一组光路，由图3所示，两组光路之间距离是光栅码盘〔22〕上一个明暗区间周长T的 1/4 。一组光路输出的脉冲〔28〕相对另一组光路输出脉冲〔29〕的相位超前还是滞后由光杆位移的上下决定，所以利用两组光路输出脉冲〔28〕、〔29〕的相对相位关系即可确定光杆位移的上下方向。光电增量编码器和卷绳轮系的设计考虑是光栅码盘〔22〕明暗区间周长T相应于光杆的0.16mm位移；光电增量编码器和卷绳轮系总的分辨率为0.2mm。
从上述载荷传感器〔3〕和位移传感器〔4〕所得到的是模拟信号和脉冲信号，必须将其转换成数字信号方可传送给微机〔6〕进行处理。
光杆的载荷信号是这样处理的计算机接口板〔5〕中的模数转换器〔9〕是一个8位(二进制)的模数转换器，把载荷传感器〔3〕输出的模拟信号转换成数字信号，并暂存在数据缓冲器〔12〕中。
光杆的位移信号是这样处理的计算机接口板〔5〕中的位移计数器〔10〕是一个8位(二进制)的计数器，用以记下在一定时间间隔内的脉冲数，即采集到了光杆的位移量。采集的时间间隔是19ms。
光杆的位移信号是周期性信号，位移传感器〔4〕输出的相位相差 1/4 T的两路输出脉冲〔28〕和〔29〕，接向一个位移判向器〔11〕，由此得到位移方向信号。
计算机接口板〔5〕同时采集以上载荷信号，位移信号和位移方向信号并暂存起来，然后分别将这三个信号传送给微机〔6〕，传送完这三个信号后就处于等待状态；经过19ms再进行下一次数据采集和传送，如此循环不已。抽油杆的运动是比较缓慢的，19ms的采样时间间隔已能很好地反应抽油杆的载荷和位移的变化。以上这样安排，微机〔6〕可在任何时间接收数据，而不必考虑发送与接收间的同步问题。计算机接口板〔5〕设计时考虑到凡是与IBM微机兼容的微机都可使用这块计算机接口板〔5〕。
微机〔6〕的计算分析软件的主要工作是求解偏微分方程式。图4是求解偏微分方程的程序框图。自动循环求解出某级直至最末级抽油杆下端的载荷函数和位移函数，经以下各主要步骤自动循环求出(1)把地面光杆的位移函数U(t)和动载荷函数D(t)输入；(2)用FFT(快速富氏变换)求出位移函数U(t)和动载荷函数D(t)的各富氏系数；(3)将求得各富氏系数的位移函数U(t)和动载荷函数D(t)做为边界条件，解出新的位移函数U(x1，t)的各富氏系数和新的载荷函数F(x1，t)的各富氏系数；(4)用反FFT求出新的位移函数U(x1，t)和新的载荷函数F(x1，t)，即第一级抽油杆下端的位移函数和载荷函数；以下(5)、(6)、(7)为重复以上(2)、(3)、(4)步骤，即(5)用FFT求出位移函数U(x1，t)和载荷函数F(x1，t)的各富氏系数；(6)解出新的位移函数U(x2，t)和新的载荷函数F(x2，t)的各富氏系数；(7)用反FFT求出新的位移函数U(x2，t)和新的载荷函数F(x2，t)，即第二级抽油杆下端的位移函数U(x2，t)和载荷函数F(x2，t)；依此类推，循环进行，可得某级直至最末级抽油杆下端的位移函数和载荷函数。
本实用新型总的对光杆载荷和位移测量精度优于2％。载荷量程为7吨和9吨两种，位移量程为6米。
本实用新型的优点是全部采用国产的传感器；总的对光杆载荷和位移的测量精度也高；整个测试系统操作方便简单，现场安装停工时间也短；对操作人员的技术素质要求较低；并且价格相对很便宜。
微机〔6〕接收数据后要进行一系列数据处理工作，在程序设计时考虑了以下因素(1)本系统要在采油现场测取数据，并解算偏微分方程，这些工作要求有较高速度，故解算偏微分方程的程序采用机器语言的程序。
(2)考虑程序能适用于任何与IBM微机兼容的微机。
权利要求
1.一种确定石油抽油井工作状况的数字示功仪，将有杆泵的抽油杆看作传输导体，用载荷传感器[3]和位移传感器[4]在地面光杆上接收每一瞬间的载荷和位移信号；两种传感器产生的信号数字化后，连同一些油井数据(抽油杆长度、重量、截面积等等)提交微机[6]运算处理，得到抽油杆任一深度的瞬间的载荷和位移数据；应用绘图仪[7]得到这些位置的示功图，本实用新型的特征是(1)用油压千斤顶[2]将光杆载荷转换为油压力，再将油压力传递给一个由电阻应变式液压力传感器组成的载荷传感器[3]；(2)采用由光电增量编码器和卷绳轮系组成的位移传感器[4]；(3)采用计算机接口板[5]把两种传感器输出变换成数字信号；(4)由地面光杆动载荷函数D(t)和地面光杆位移函数U(t)输入，靠求解偏微分方程程序，自动循环求解出某级抽油杆下端的载荷函数和位移函数。
2.按权利要求
1所述的数字示功仪，其特征是计算机接口板〔5〕由模数转换器〔9〕、位移计数器〔10〕、位移判向器〔11〕、数据缓冲器〔12〕、中央处理器〔13〕、只读存贮器〔14〕和RS232接口〔15〕组成；同时采集载荷信号、位移信号和位移方向信号，并暂存起来，然后分别传送给微机〔6〕，送完这三个信号后处等待状态，经19ms再进行下一次采集，如此循环不已。
专利摘要
本实用新型公开一种确定石油抽油井工作状况的抽油井数字示功仪，属石油钻采测试技术。使用国产传感器测出有杆抽油泵地面光杆的载荷和位移信号，经计算机接口板处理后，用微机进行计算，得到抽油杆任一深度的载荷和位移，由此绘出井下任一深度的示功图。本测试系统操作方便、简单、精度高和成本低。
文档编号E21B47/12GK87205901SQ87205901
公开日1988年4月20日 申请日期1987年3月31日
发明者陆耀桢, 陈建明, 周鸿康, 李天保 申请人:西安交通大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan