一种抽油杆力学参数测量装置制造方法
【专利摘要】本发明属于计量测试【技术领域】，涉及一种井下抽油杆受力状况测量装置；它由长接头舱、短接头、双环密封件、应力集中滤波件和微电测量控制系统组成，长接头舱密封槽内套双环密封件，其空腔内安放微电测量控制系统，长接头舱外壁导线孔附近圆周方向绕贴应变片，构成测量轴向力和弯矩的桥式电路，应力集中滤波件与长接头舱套接，其鼓型部位内壁贴耐高温应变片，构成径向力桥式测量电路；本发明装置结构简单主要技术指标优良，最大耐压：40MPa，径向压力测量范围为：4N～100KN，轴向力为：35N～1200KN，扭矩为：50N·M～400KN·M，能在低于130℃、振动频率小于1000HZ及大振幅的条件下稳定工作。
【专利说明】一种抽油杆力学参数测量装置
【技术领域】
[0001]本发明属于计量测试【技术领域】，涉及一种井下抽油杆受力状况测量装置。
【背景技术】
[0002]采油行业现主要有两种采油方式:有杆采油和无杆采油，其中有杆采油是应用最为广泛的一种传统机械采油方式，在采油工程中迄今一直占主导地位。据统计表明，有杆采油井在机械采油井中所占的比例在90%以上。柔性、细长的抽油杆是有杆采油系统中的关键部件，它连接着地面游梁驱动系统和深在井下千米到数千米的抽油泵，担负着运动和能量的传递。抽油杆特殊的构成、复杂的井眼轨迹、油管与抽油杆之间的滑动摩擦、复杂的油液运动和油液化学环境等多种因素，决定抽油杆受力状况的变化，影响着抽油杆的可靠性与使用寿命。
[0003]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深井，而且随着定向井钻采技术和工艺的发展，出现了深层定向井的有杆采油系统，这种系统的井下抽油杆的运动和受力比浅层直井更加复杂，导致抽油杆承受的平均应力不断增加，加之受井眼复杂轨迹的影响使抽油杆受力的工况不断变化，导致抽油杆的杆断、杆脱、杆偏磨和管偏磨等故障频繁发生。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。
[0004]目前关于井下杆状物的力学测量装置，已有一些专利技术。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装置，但是不能测量具有较强破坏性的径向力，并且测量的分辨力不高；“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，能够实现井柱温度、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；“一种井下抽油杆径向压力测量装置”(申请号:ZL201110236526.6)仅能实现抽油杆径向力的单一测量，另外该装置的一个主要构件机械滤波套筒，在抽油杆所受振动与冲击载荷影响下，套筒容易发生偏置而被卡死，进而无法实现滤波功能。
[0005]综上所述，现有的抽油杆测量装置主要存在以下问题:①对关键参数的测量不全面，多数不能实时测量抽油杆的径向力测量参数的精度不高，在复杂的工况条件下稳定性差。抽油杆的重要参数包括径向力、轴向力和扭矩等，这些参数在井下特定的部件上进行测量却存在许多问题:首先，传感器必须集中在直径很小(通常只有2?3cm之间)抽油杆的一段空腔内，对体积的要求十分严格；其次，要求测量装置能耐高压(IOOMPa以上)、高温(100 V以上)、高湿(被油井固、液混合物包围)、周期性冲击、高振动、高摩擦和高腐蚀等各种干扰。
【发明内容】
[0006]1、本发明的目的是:针对复杂工况条件下抽油杆上受力工况的不断变化，导致抽油杆发生杆断、杆脱、杆偏磨和管偏磨等问题，提供一种能够测量井下抽油杆力学特性的测量装置，为抽油杆故障预测提供数据支持。
[0007]2、本发明的技术方案是:一种井下抽油杆受力特性测量装置，由长接头舱301、短接头305、密封环302、应力集中滤波件303和微电测量控制系统304组成。它们之间的位置与连接关系是:长接头舱301密封槽内套密封环302，其空腔内安放微电测量控制系统304，长接头舱301外壁导线孔30102附近圆周方向绕贴应变片，构成测量轴向力和弯矩的桥式电路，其应变片引线由导线孔30102连接至微电测量控制系统304 ;应力集中滤波件303鼓型部位内壁贴耐高温应变片，构成径向力桥式测量电路，安装时，从右限位凸台30305方向引出导线，将所有应变片的导线穿入导线孔30102连接至微电测量控制系统304，安装时需将位于导向腔30304内的导线埋于穿线槽30303中，将应力集中滤波件303从右限位凸台30305方向套入长接头舱301，直至右限位凸台30305顶住长接头舱301的端面，这时密封环302被挤压至应力集中滤波件303内，然后将另外一组密封环302套入短接头305密封槽内，将短接头305的外螺纹端套入应力集中滤波件303内，用两个扳手分别卡住长接头舱装卡槽30107和短接头装卡槽30504，然后相对转动直至长接头舱301与短接头305构成稳固连接；测量抽油杆井下受力时，还需通过长接头舱301与短接头305的内螺纹将测量装置与抽油杆连接。测量装置工作时，依据径向力、轴向力和扭矩数据变化快慢及幅度等指标，自适应调整数据的采样频率。另外，测量装置在功能上还有替代节箍的作用，其作业时不影响采油系统的正常工作。
[0008]所述的长接头舱301的外部形状为具有台阶的圆筒形，内部为电气元件安装腔，用于放置FPGA控制器30401、大容量蓄电池30403、大容量FLASH存储器30404和电路板，其结构如图5所示。内螺纹30105连接抽油杆，内螺纹30101同外螺纹30501配合，形成参数测量部分，测量轴向力与扭矩的应变片贴于30103区域，电气元件安装腔30104内壁涂绝缘隔热涂层，内部放置微电测量控制系统304，径向力桥式测量电路和轴向力与扭矩测量桥式电路的引线通过导线孔30102引至微电测量控制系统304，梯形密封槽30105内装密封圈302，每槽一个共两个，用于同应力集中滤波件301配合形成挤压密封。
[0009]所述的短接头305包含内螺纹30503、外螺纹30501、梯形密封槽30502和装卡槽30504，。内螺纹30503位于短接头305的大端，用于连接抽油杆，连接时用扳手卡住装卡槽30504进行旋入；外螺纹30501同内螺纹30101相配合，用于连接长接头舱301，形成参数测量部分的主体；梯形密封槽30502内装密封圈302，每槽一个共两个，用于同应力集中滤波件303的配合形成挤压密封，使油管I内的多组态腐蚀性混合物无法渗入应力集中腔30302中。
[0010]所述的密封环302的材料为HNBR氢化丁腈橡胶，其截面为椭圆形，数量为两组，分别安装于长接头舱301与短接头305的密封槽内。密封环302有两个重要功能，首先使抽油杆产生拉、压时，密封环302与应力集中滤波件303产生相对滑动，使应力集中滤波件303受到来自于抽油杆的拉压力；其次，为微电测量控制系统304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I内部空腔，为测量装置提供与外界隔尚的测量环境。
[0011]所述的应力集中滤波件303为薄壁件，材料为具有高弹性的弹簧钢，局部特征是两端有左限位凸台30301和右限位凸台30305，中部有应力集中腔30302 ;在应力集中腔30302的内壁贴四组耐高温电阻应变片，构成桥式测量电路，感知突出部位形状的变化；应力集中腔30302出贴片部位外，均需涂抹隔热涂层，应力集中滤波件其余内壁的粗糙度Ra≤ 0.16 μ m。
[0012]所述的微电控制系统304包含FPGA控制器30401、大容量蓄电池30403、大容量FLASH存储器30404、信号调理电路30408、电源控制电路30408、A/D转换30407、径向力测量桥式电路30409和轴向力与扭矩测量桥式电路304010等。FPGA控制器30401为测量装置的控制中心，控制系统按照程序逻辑有序运行；大容量FLASH存储器30404用于存储测量出的径向力、轴向力和扭矩等数据；大容量电池30403负责参数测量部分供电；电源控制电路30408负责为不同器件提供所需电压；信号调理电路30408负责将传感器模拟电压信号转换到控制器要求的电压范围；A/D转换器30407将测量信号由模拟信号变换为数字信号；电阻应变片构成桥式测量电路，将材料的受力变化转换为电信号。
[0013]3、本发明的优点:
[0014](I)以“应力集中”为原则，设计了径向应力集中滤波件303，通过优化应力集中滤波件的形状及合理选择材料，使抽油杆的径向压力在局部范围内得到显著提高，增强了测量装置的敏感性，使微小的径向力变化传递到测量装置上；
[0015](2)应力集中滤波件303与承受轴向力和扭矩的机体(短接头305和长接头舱301)之间采用了间隙配合，具有机械滤波的功能。应力集中滤波件只承受径向力，机体与应力集中滤波件303配合部分则只承受轴向力和扭矩，在复杂工况下具有很高的测量性能；
[0016](3)测量装置内部结构简单，在内腔进行隔热涂层处理。发射部分、传感器与微电控制分开布局，结构规整、体积小，满足了井下狭小空间、复杂工况的要求；
[0017](4)测量装置测量数据全面，包括径向力、轴向力和扭矩的测量数据，涵盖了抽油杆运行的主要参数；另外，测量装置的主要技术指标优良，最大耐压:40MPa，径向压力测量范围为:4N-100KN，轴向力为:35N-1200KN，扭矩为:50Ν.Μ-400KN.Μ，能在低于130°C、振动频率小于1000HZ及大振幅的条件下稳定工作。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为抽油杆力学特性测量装置总体结构图；
[0019]图2为抽油杆工况参数测量装置的外形结构；
[0020]图3为抽油杆工况参数测量装置的A-A剖视结构示意图；
[0021]图4为短接头；
[0022]图5为长接头舱；
[0023]图6为应力集中滤波件；
[0024]图7为本发明微电测量控制系统的原理框图；
[0025]图8为本测量装置的控制流程图。
[0026]图中符号说明如下:
[0027]1—油管；2—抽油杆；3—测量短节；4一节箍；5—抽油机
[0028]301—长接头舱；302—密封环；303—应力集中滤波件；304—微电测量控制系统；305—短接头
[0029]30101—长接头舱内联螺纹；30102—导线孔；30103—应变片粘贴区域；30104—电气元件安装腔；30105—梯形密封槽；30106—连接抽油杆的内螺纹；30107—长接头舱装卡槽；30108—耐高温应变片传感器
[0030]30301—左限位凸台；30302—应力集中腔；30303—穿线槽；30304—导向腔；30305—右限位凸台
[0031]30401—FPGA控制器；30402—电源控制电路；30403—大容量高温蓄电池；30404—大容量FLASH存储器；30405—数据通讯接口 ；30406— PC机；30407— A/D转换；30408—信号调理电路；30409—径向力测量桥式电路；304010—轴向力与扭矩测量桥式电路
[0032]30501—短接头外联螺纹；30502—梯形密封槽；30503—连接抽油杆的内螺纹；30504—短接头装卡槽
【具体实施方式】
[0033]为了使本领域的一般技术人员能够清楚理解本发明的技术方案，现结合附图对本发明的【具体实施方式】做进一步说明:
[0034]本发明以应力集中滤波件303、长接头舱301和短接头305构成特殊的结构，在测量短节3上形成特殊部位，使得应力集中滤波件303突出部位只承受径向力，而长接头舱301的应变片粘贴区域30103则只承受轴向力和扭矩，在这些部位利用耐高温应变片30108传感器分别构建桥式测量电路30409和30410，配以微电测量控制系统304，解决井下抽油杆力学特性的测量问题。测量装置除测量力学参数外，在连接上还有替代节箍的作用，装置作业时不影响采油系统的正常工作，与其它抽油设备间的关系参见图1。测量装置工作时，依据径向力、轴向力和扭矩数据变化的快慢及幅度等指标，自适应调整数据的采样频率，实时测量径向力、轴向力和扭矩参数。参见图3，本发明测量装置主要有长接头舱301、短接头305、密封环302、应力集中滤波件303和微电测量控制系统304组成。长接头舱301密封槽内套密封环302，其空腔内安放微电测量控制系统304，长接头舱301外壁导线孔30102附近圆周方向绕贴应变片，构成测量轴向力和弯矩的桥式电路，应变片引线由导线孔30102连接至微电测量控制系统304 ;应力集中滤波件303鼓型部位内壁贴耐高温应变片30108，构成径向力桥式测量电路，安装时，从右限位凸台30305方向引出导线，将所有应变片的导线穿入导线孔30102连接至微电测量控制系统304，并将位于导向腔30304内的导线埋于穿线槽30303中，将应力集中滤波件303从右限位凸台30305方向套入长接头舱301，直至右限位凸台30305顶住长接头舱301的端面，这时密封环被挤压至应力集中滤波件303内，然后将另外一组密封环302套入短接头305密封槽内，将短接头305的外螺纹端套入应力集中滤波件303内，用两个扳手分别卡住长接头舱装卡槽30107和短接头装卡槽30504，然后相对转动直至长接头舱301与短接头305构成稳固连接，至此测量装置已连接起来；测量抽油杆井下受力时，还需使用长接头舱301与短接头305的内螺纹将测量装置与抽油杆连接起来。
[0035]参见图4，上述本发明的短接头305包含一段内螺纹30503、贯通外螺纹30501、梯形密封槽30502和装卡槽30504。内螺纹30503位于短接头305的大端，用于连接抽油杆，连接时用扳手卡住装卡槽30504进行旋入；外螺纹30501同内螺纹30101相配合，用于连接长接头舱301，形成参数测量部分的主体；梯形密封槽30502内装密封圈302，每槽一个，共两个，用于同应力集中滤波件303的配合形成挤压密封，使油管I内的多组态腐蚀性混合物无法渗入应力集中腔30302中。
[0036]参见图5，本发明中的长接头舱301的外部形状为具有台阶的圆筒形，包含内螺纹30101、导线孔30102、电气元件安装腔30104、梯形密封槽30105、内螺纹30106和装卡槽30107。其内部为电气元件安装腔30104，用于放置FPGA控制器30401、大容量蓄电池30403、大容量FLASH存储器30404和电路板；内螺纹30105连接抽油杆，内螺纹30101同外螺纹30501配合，形成参数测量机体；耐高温应变片30108贴于30103区域，该区域没有径向力的干扰，应变片构成测量轴向力与扭矩的测量桥路，桥路组数取决于长接头舱301外径大小；电气元件安装腔30104内壁涂绝缘隔热涂层，内部放置微电测量控制系统304，径向力桥式测量电路和轴向力与扭矩测量桥式电路的引线通过导线孔30102引至微电测量控制系统304，梯形密封槽30105内装密封圈302，每槽一个，共两个，用于同应力集中滤波件301配合形成挤压密封，使油管I内的多组态腐蚀性混合物无法渗入应力集中腔30302中，保持内部测量环境的相对稳定。
[0037]上述本发明的密封环302的材料为HNBR氢化丁腈橡胶，其截面为椭圆形，数量为两组，分别安装于长接头舱301与短接头305的密封槽内。密封环302有两个重要功能，首先使抽油杆产生拉、压时，密封环302与应力集中滤波件303产生相对滑动，使应力集中滤波件303受到来自于抽油杆的拉压力；其次，为微电测量控制系统304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I内部空腔，为测量装置提供与外界隔离的测量环境。
[0038]参见图6，上述本发明的应力集中滤波件303为薄壁件，材料为具有高弹性的弹簧钢，局部特征是两端有左限位凸台30301和右限位凸台30305，中部有应力集中腔30302，应力集中腔30302与右限位凸台30304之间的圆形空腔为导向腔30304，其内壁有穿线槽30303 ;应力集中腔30302中间部位为凸起状，目的是使该区域外表面更易于与油管I的内壁接触，使压力尽量集中在该部位，形成局部应力集中区域；应力集中滤波件303套于上、长接头舱的外部，形成间隙配合，应力集中滤波件303有两个自由度一轴向移动和轴向回转，实现了机械滤除轴向力和扭矩而只承受径向力的滤波功能，使抽油杆所受轴向力和扭矩无法传递至应力集中滤波件303 ;通过在上、长接头舱密封槽内安装环形密封件302，使应力集中滤波件303在突出部位的内部形成密闭空腔302，该空腔302与应力集中滤波件303之间的壁为径向力敏感区域，在此贴应变片最易于径向力的测量，空腔302与长接头舱301之间的壁只承受轴向力和扭矩，没有径向力的干扰，在该部位贴应变片，最易获取数据；在应力集中腔30302的内壁贴四组耐高温电阻应变片，构成桥式测量电路，感知突出部位形状的变化，桥路组数取决于应力集中滤波件303突出部位最大内径大小；应力集中腔30302除贴片部位外，均需涂抹隔热层，应力集中滤波件其余内壁的粗糙度Ra ( 0.16 μ m0
[0039]参见图7，上述本发明的微电控制系统304包含FPGA控制器30401、大容量蓄电池30403、大容量FLASH存储器30404、信号调理电路30408、电源控制电路30408、A/D转换30407、径向力测量桥式电路30409和轴向力与扭矩测量桥式电路304010等。FPGA控制器30401为测量装置的控制中心，按照图8的流程控制系统有序地运行；大容量FLASH存储器30404用于存储测量出的径向力、轴向力和扭矩等数据；大容量电池30403负责参数测量部分的供电；电源控制电路30408负责为不同器件提供所需电压；信号调理电路30408负责将传感器模拟电压信号转换到控制器要求的电压范围；A/D转换器30407将测量信号由模拟信号变换为数字信号；电阻应变片构成桥式测量电路，将材料的受力变化转换为电信号。
[0040]上述发明中微电控制系统304的核心组件FPGA控制器30401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8运行。首先，FPGA控制器30401实现进行初始化，加载控制逻辑和分析处理算法；整个测量装置进行初始化，配置采集径向力、轴向力和扭矩的参数(如采集频率等)，设置完成后同时采集传感器的测量数据，进行相应的预处理，并将工况数据传回FPGA控制器30401，对数据进行分析、压缩，建立工况数据相对于时间的数据序列；进一步判断采集数据是否有价值，进而决定是否存储该组数据，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FLASH30404中，供日后由PC机30406通过数据通讯接口 30405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，FPGA控制器30401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，控制器就重新规划采集参数，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 30405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FLASH30404内的数据，进行数据分析处理，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。
[0041]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 ;应力集中滤波件303、长接头舱301和短接头305用弹性良好、变形大的圆形弹簧钢柱，应力集中滤波件303使用镗刀加工，然后用磨床打磨；应力集中滤波件303和长接头舱301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。
【权利要求】
1.一种井下抽油杆受力测量装置，包含长接头舱[301]、短接头[305]、密封环[302]、应力集中滤波件[303]和微电测量控制系统[304]，其特征在于: (1)一个长接头舱[301]，外形类似于连接抽油杆的接箍，外部形状为具有台阶的圆筒形，包含内螺纹[30101]、导线孔[30102]、电气元件安装腔[30104]、梯形密封槽[30105]、内螺纹[30106]和装卡槽[30107]，其内部为微电测量控制系统[304];应变片贴于导线孔附近区域，该区域没有径向力的干扰，只受轴向力与扭矩的作用，四组应变片组成测量桥路，应变片的栅长与长接头舱[301]的外径相适应；电气元件安装腔[30104]的内壁涂有绝缘隔热层，内部放置微电测量控制系统[304];径向力桥式测量电路[30409]和轴向力与扭矩测量桥式电路[304010]的引线通过导线孔引至微电测量控制系统[304];在梯形密封槽[30105]内装有密封环[302]，每槽一个共两个，用于同应力集中滤波件[303]配合形成挤压密封，使油管内的多组态腐蚀性混合物无法渗入腔内，保持内部测量环境的相对稳定； (2)—个短接头[305]，包含一段内螺纹[30503]、贯通外螺纹[30501]、梯形密封槽[30502]和装卡槽[30504]。内螺纹[30503]位于短接头[305]的大端，用于连接抽油杆，连接时用扳手卡住装卡槽[30504]进行旋入；外螺纹[30501]同内螺纹[30503]相配合，用于连接长接头舱[301]，形成测量部分的主体；在梯形密封槽[30502]内装有密封环[302]，每槽一个共两个，用于同应力集中滤波件[303]配合形成挤压密封，使油管I内的多组态腐蚀性混合物无法渗入应力集中腔[30302]内； (3)—个应力集中滤波件[303]为薄壁件，材料弹簧钢，局部特征是两端分别加工有左限位凸台[30301]和右限位凸台[30305]，中部有应力集中腔[30302];应力集中腔[30302]的中间部位为凸起的纺锤状，该区域的外表面更易于与油管的内表面相接触，使压力尽量集中在该部位，形成局部应力集中区域；应力集中滤波件[303]套于长接头舱[301]的外部，形成间隙配合，应力集中滤波件[303]有轴向移动和轴向回转两个自由度，具有机械滤除轴向力和扭矩而只承受径向力的滤波功能，使抽油杆所承受的轴向力和扭矩无法传递至应力集中滤波件；通过在长接头舱[301]密封槽内安装环形密封件[302]，使应力集中滤波件[303]在突出部位的内部形成密闭空腔，密闭空腔内壁为径向力敏感区域，在应力集中腔的内壁贴有多组耐高温电阻应变片，构成桥式测量电路[30409]，感知应力集中滤波件[303]突出部位受力的变化，桥路的组数于应力集中滤波件[303]突出部位最大内径的大小相适应；在应力集中腔[30302]的内表面涂有隔热层； (4)一套微电测量控制系统[304]，包含FPGA控制器[30401]、大容量蓄电池[30403]、大容量FLASH存储器[30404]、信号调理电路[30408]、电源控制电路[30408]、A/D转换[30407]、径向力测量桥式电路[30409]和轴向力与扭矩测量桥式电路[304010]。
【文档编号】G01L5/00GK103454030SQ201310399748
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】王中宇, 李强, 燕虎, 王倩 申请人:北京航空航天大学