一种井下抽油杆多维径向压力测量装置

1.一种井下抽油杆多维径向压力测量装置，它由井下组件和井上附件两部分组成，当该测量装置进行井下测量时，井下组件与井上附件是相互分离、独立的工作，井下组件部分依据径向压力变化的快慢及幅度指标控制，自适性调整数据采样频率，井上附件部分则分析处理抽油杆前一时间段径向力数据；当测量装置位于井上进行数据分析时，井下组件与井上附件经数据通讯接口（605）使用串行线进行连接，从大容量FLASH存储器（604）转移井下测量数据；
所述井上附件包括PC机（606）、通讯设备、分析处理软件和打印设备，待井下组件从井下取出之后，通过数据通讯接口（605）经串行线将FPGA控制器（601）与PC机（606）互联，将长时间段的测量存储数据导至PC机（606）内，结合分析软件，还原径向压力，发掘抽油杆微特征变化；将分析结果整理成测量报告，通过打印设备输出；
其特征在于：所述井下组件包括滤波套筒（4）、测量心体（5）、微电测量控制系统（6）和抽油杆径向力传感器短节，测量心体（5）装于滤波套筒（4）腔内，滤波套筒（4）安装于抽油杆径向力传感器短节中的应力集中构件（3）的传感器舱内，微电测量控制系统（6）安装于微电控制舱内；
该滤波套筒（4）为圆筒形，它的材料与应力集中构件（3）相同，具有高弹性，该构件安装于应力集中构件（3）的内部，其内、外表面有表面精度和配合要求，使外部环境的径向压力能最大程度地传递进来，同时滤除轴向力和扭矩的影响；
该测量心体（5）的结构是轮辐式，它由辐末端触角（502）、轮轱（503）、轮辐条（501）和应变片组成，共有三层，每层之间以铰链连接，滤除各测量层之间的相互干扰，实现测量短节径向力沿轴向分布的层析测量；每个轮辐测量机构有8个轮辐条（501），将圆周方向分为
8份，形成45°间隔，该机构对圆周上所受径向力情况感知高；辐末端触角（502）的曲率与滤波套筒（4）内壁相同，保证测量心体（5）与滤波套筒（4）结合更加紧密，使滤波套筒（4）变形能最大程度传递到轮辐上；轮辐条（501）为方条状结构，其方条状的四个侧面贴应变片，构成桥式电路；
该微电测量控制系统（6）位于微电控制舱内，由FPGA控制器（601）、电源控制电路（602）、大容量高温蓄电池（603）、大容量FLASH存储器（604）、数据通讯接口（605）、信号调理电路（607）、A/D转换（608）和桥式电路（609）组成，其中大容量高温蓄电池（603）经过导线与电源控制电路（602）连接，满足独立环境供电需求；传感器舱的传感器信号通过导线经筋板（303）相应的导线孔（302）连接至信号调理电路（607），信号调理将传感器模拟电压信号转换为控制器要求的范围，转换后的测量信号还需要经过A/D转换（608）将模拟信号变换为数字信号，之后再传输至FPGA控制器（601）以实现精细化分析，FPGA控制器（601）将具有时序的三维径向压力数据输出至大容量FLASH存储器（604）中；
该抽油杆径向力传感器短节是由抽油杆上接头（1）、下接头（7）、O型密封圈（2）和应力集中构件（3）组成，两个O型密封圈（2）分别装于上接头（1）和下接头（7）的密封槽内，应力集中构件（3）的传感器舱一端外螺纹旋入上接头（1）的大直径端的内螺纹内，之后将应力集中构件（3）的微电控制舱一端外螺纹旋入下接头（7）的大直径端的内螺纹内；该上接头（1）两端大小不一，小端凸部为外螺纹，用于连接抽油杆，大端凹部为内螺纹，带有密封槽，用于和应力集中构件（3）密封连接，目的是形成应力集中；该下接头（7）两端大小一致，两端内部均为内螺纹，与应力集中构件（3）连接的内螺纹具有密封槽，与抽油杆连接的内螺纹设有导向槽；该应力集中构件（3）外部形状为圆筒形，内部分为传感器舱和微电控制舱两个舱，其中传感器舱用于放置滤波套筒（4）和测量心体（5），微电控制舱安放FPGA控制器（601）、电源控制电路（602）、大容量高温蓄电池（603）、大容量FLASH存储器（604）、数据通讯接口（605）和信号调理电路（607）、A/D转换（608）和桥式电路（609）；在隔绝两舱的筋板（303）上面有8个导线孔（302），对应每个测量层的8组桥式电路，用于将相应的传感器线路连接至控制系统；构件的材料具有高弹性，以实现应力集中，最大程度地传递应变，同时应力集中构件（3）内表面具有高表面精度，减小对机械滤波的干扰。

一种井下抽油杆多维径向压力测量装置\n技术领域\n[0001] 本发明属于计量测试技术领域，涉及一种井下抽油杆多维径向压力测量装置。\n背景技术\n[0002] 由于有杆采油具有采油成本低廉、管理维修方便和适用性强等优点，在采油行业中被广泛采用，据统计其所占的比例高达90%以上[马卫国，杨新冰等.抽油杆管偏磨成因及解决措施研究综述[J].石油矿场机械，2009，38（1）:22～26]；它也被认为是现阶段的一种最基本、最可靠和使用最为广泛的采油方法，而且在今后相当长一段时间仍将占据非常重要的地位。\n[0003] 由于井下工况恶劣，有杆抽油设备发生故障的概率较高。据石油部门统计，我国现阶段平均每口有杆采油井年作业1.75次[范锡彦.实心抽油杆无油管采油技术研究[D].西南石油大学,2007]。随着油田开发的不断深入，油田开采的对象逐渐转向薄层和低渗透层，由于地层条件差、自然产能低，导致抽油泵不断降级,抽油杆承受的平均应力不断增加；同时受井眼轨迹的影响，使抽油杆上受力工况不断变化，导致抽油杆杆断、杆脱、杆偏磨和管偏磨现象的频繁发生[万仁薄,采油技术手册[M].北京:石油工业出版社,1993|王海斌.抽油杆受力分析及优化管理[J].石油天然气学，2005，27（1）：121～\n123]。这些故障，特别是偏磨增大了油井管漏、断脱等事故发生率，直接干扰着油田的正常生产，增加了油井维修次数和成本，减少了油井有效工作时间，给油田带来了巨大经济损失。有研究表明，当发生偏磨现象时，抽油杆所承受径向压力的大小是决定磨损程度的关键[杨晶，杨树人，王春生.聚驱井抽油杆偏磨原因及预防[J].大庆石油学院学报，2005,29（1）:114～128|杨英,王春生.黏弹性流体作用于聚驱井抽油杆上的径向力[J].大庆石油学院学报，2005,29（1）:104～108]。目前，大多油田针对抽油杆、套管偏磨采取了减少抽油杆、管偏磨措施，如在防止偏磨技术的研究方面，开发了固定式抽油杆扶正器（申请号：\n200920246462.6）、抽油杆加重管（专利号：ZL 200620077193.1）和抽油杆万向防偏磨接箍（申请号：201020183938.9）等，形成了一些防止偏磨的手段和工具，但由于对形成偏磨的具体力学环境特别是径向压力不清晰，导致所采取的各种方法都不同程度地存有其局限性[马卫国，杨新冰等.抽油杆管偏磨成因及解决措施研究综述[J].石油矿场机械，2009，38（1）:22～26]。因此生产现场迫切需要一种能够深入井下测量抽油杆径向压力的装置。\n[0004] 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：ZL 200420024926.6），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非是影响抽油杆正常作业的主要因素，对解决抽油杆偏磨、断裂等主要故障作用有限。“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。“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，其测量的最大径向压力为500KN，最小径向压力为10N，并且最高工作温度为120℃，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，此外该装置测量参数不能说明所受径向压力的施加方位，特别是当杆所受力径向力不均匀时（即杆周向变形不均匀），测量结果难以反映真实受力情况。因此现有仪器或技术尚不能很好的解决井下抽油杆径向力的测量问题。\n发明内容\n[0005] 1、本发明的目的是：针对复杂工况条件下，引起抽油杆偏磨的径向力难以确定等问题，提供一种井下抽油杆多维径向压力测量装置，它是一种能够实时测量井下抽油杆多维径向压力的检测装置。\n[0006] 2、本发明的技术方案是：一种井下抽油杆多维径向压力测量装置，由井下组件和井上附件两部分组成。它们之间的位置连接关系是：当该测量装置进行井下测量时，井下组件与井上附件是相互分离、独立的工作，井下组件部分依据径向压力变化的快慢及幅度指标控制，自适性调整数据采样频率，井上附件部分则分析处理抽油杆前一时间段径向力数据；当测量装置位于井上进行数据分析时，井下组件与井上附件经数据通讯接口605使用串行线进行连接，从大容量FLASH存储器604转移井下测量数据。\n[0007] 所述井下组件包括滤波套筒4、测量心体5、微电测量控制系统6和抽油杆径向力传感器短节。它们之间的位置连接关系是：测量心体5装于滤波套筒4腔内，滤波套筒4安装于抽油杆径向力传感器短节中的应力集中构件3的传感器舱内，微电测量控制系统6安装于微电控制舱内。\n[0008] 该滤波套筒4为圆筒形，它的材料与应力集中构件3相同，具有高弹性，该构件安装于应力集中构件3的内部，其内、外表面具有较高的表面精度和配合要求，使外部环境的径向压力能最大程度地传递进来，同时滤除轴向力和扭矩的影响。\n[0009] 该测量心体5的结构是轮辐式，它由辐末端触角502、轮轱503、轮辐条501和应变片组成。共有三层，每层之间以铰链连接，滤除各测量层之间的相互干扰，实现测量短节径向力沿轴向分布的层析测量；每个轮辐测量机构有8个轮辐条501，将圆周方向分为8份，形成45°间隔，该机构对圆周上所受径向力情况感知更高；辐末端触角502的曲率与滤波套筒4内壁相同，保证测量心体5与滤波套筒4结合更加紧密，使滤波套筒4变形能最大程度传递到辐上；轮辐条501为方条状结构，其方条状的四个侧面贴应变片，构成桥式电路。\n[0010] 该微电测量控制系统6位于微电控制舱内，由FPGA控制器601、电源控制电路\n602、大容量高温蓄电池603、大容量FLASH存储器604、数据通讯接口605和信号调理电路\n607、A/D转换608和桥式电路609组成。其中大容量高温蓄电池603经过导线与电源控制电路602连接，满足独立环境供电需求；传感器舱的传感器信号通过导线经筋板303相应的通孔302连接至信号调理电路607，信号调理将传感器模拟电压信号转换为控制器要求的范围，转换后的测量信号还需要经过A/D转换608将模拟信号变换为数字信号，之后再传输至FPGA控制器601以实现精细化分析，FPGA控制器601将具有时序的三维径向压力数据输出至大容量FLASH存储器604中。\n[0011] 该抽油杆径向力传感器短节是由抽油杆上接头1、下接头7、O型密封圈2和应力集中构件3组成，四者之间的关系是：首先将两个O型密封圈2分别装于上接头1和下接头7的密封槽内，然后将应力集中构件3的传感器舱一端外螺纹旋入上接头1的大直径端的内螺纹内，之后将应力集中构件3的微电控制舱一端外螺纹旋入下接头7的大直径端的内螺纹内。该上接头1两端大小不一，小端凸部为外螺纹，用于连接抽油杆，大端凹部为内螺纹，带有密封槽，用于和应力集中构件3密封连接，目的是形成应力集中；该下接头7两端大小一致，两端内部均为内螺纹,与应力集中构件3连接的内螺纹具有密封槽，与抽油杆连接的内螺纹设有导向槽；该应力集中构件3外部形状为圆筒形，内部分为传感器舱和微电控制舱两个舱，其中传感器舱用于放置滤波套筒4和测量心体5等；微电控制舱安放FPGA控制器601、电源控制电路602、大容量FLASH存储器604等。在隔绝两舱的筋板303上面有8个导线孔302，对应每个测量层的8组桥式电路，用于将相应的传感器线路连接至控制系统；\n构件的材料要求具有高弹性，以实现应力集中，最大程度地传递应变，同时应力集中构件内表面具有较高的表面精度，减小对机械滤波的干扰。\n[0012] 所述井上附件包括PC机606、通讯设备、分析处理软件和打印设备，它们之间的位置连接关系是：待井下组件从井下取出之后，通过数据通讯接口605经串行线将FPGA控制器601与PC机606互联，将长时间段的测量存储数据导至PC机606内，结合分析软件，还原径向压力，发掘抽油杆微特征变化；将分析结果整理成测量报告，通过打印设备输出。\n[0013] 该PC机606、通讯设备及打印设备都是现有通用设备，本发明仅仅是利用这些工具，这里不再详述。\n[0014] 该分析处理软件流程图如图7所示,首先需要使用串行线经数据通讯接口605将井下组件和井上附件两部分物理连接起来，然后初始化，通讯连通之后便可以进行数据的传输，将井下组件大容量FLASH存储器604中数据导入PC机606，分析径向力数据，得出抽油杆在井下长期径向压力场变化规律，同时将检测分析数据以图表的形式形成测量报告，通过打印设备输出。\n[0015] 3、本发明的优点是：\n[0016] 1、设计了径向压力集中构件，充分体现了“应力集中”的原则，通过合理选择径向压力集中构件的材料及优化尺寸机构，使抽油杆在工作环境的径向压力在局部范围显著提高，增强了测量装置的敏感性，使微小的径向力变化也能传递到测量装置上；\n[0017] 2、设计了机械滤波构件，该装置能够极大程度的滤除轴向力、扭矩等对测量结果的影响，从而实现径向压力高精度实时测量；\n[0018] 3、测量装置内部结构简单，且传感器与电控分开布局，结构规整、体积小，能很好地满足狭小空间、复杂工况对测量的要求；\n[0019] 4、测量装置具有连接PC机的接口，将数据传输到PC机上，配合使用上位机软件实现数据保存、编辑、分析以及打印测量报告等功能；\n[0020] 5、测量数据更加全面，能够长时间、高频率、多方位地动态监控测量装置表面径向压力的点云数据，结合分析软件还原井下抽油杆周围径向力场分布变化情况，及时掌握抽油杆径向压力变化趋势，监控更加精细；\n[0021] 6、测量装置的主要技术指标高、环境适应性强，径向压力测量范围为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。\n附图说明\n[0022] 图1为抽油杆多维径向压力测量装置井下组件的结构示意图；\n[0023] 图2为应力集中构件3构件示意图；\n[0024] 图3为测量心体5构件示意图；\n[0025] 图4为滤波套筒4构件示意图；\n[0026] 图5为本发明电控系统的原理框图；\n[0027] 图6为本发明控制器的控制流程图；\n[0028] 图7为本发明后续处理流程图；\n[0029] 图8为本发明结构框图。\n[0030] 图中符号说明如下：\n[0031] 1—上接头；2—O型密封圈；3—应力集中构件；4—滤波套筒；5—测量心体；6—微电测量控制系统；7—下接头\n[0032] 301—应力集中体；302—导线孔；303—筋板\n[0033] 501—轮辐条；502—辐末端触角；503—轮轱\n[0034] 601—FPGA控制器；602—电源控制电路；603—大容量高温蓄电池；604—大容量FLASH存储器；605—数据通讯接口；606—PC机；607—A/D转换；608—信号调理电路；\n609—桥式电路\n具体实施方式\n[0035] 参见图1、图8，一种井下抽油杆多维径向压力测量装置，由井下组件和井上附件两部分组成。它们之间的位置连接关系是：当该测量装置进行井下测量时，井下组件与井上附件是相互分离、独立的工作，井下组件部分依据径向压力变化的快慢及幅度指标控制，自适性调整数据采样频率，井上附件部分则分析处理抽油杆前一时间段径向力数据；当测量装置位于井上进行数据分析时，井下组件与井上附件经数据通讯接口605使用串行线进行连接，从大容量FLASH存储器604转移井下测量数据。\n[0036] 下面对于本发明做进一步详细说明。本发明利用应变片传感器，构建桥式测量电路609，配以专门设计的滤波套筒4，结合测量心体5，配以微电测量控制系统6，解决井下抽油杆径向力学环境的细化测量问题。参见图1，本发明测量装置井下组件主要由上接头1、应力集中构件3、滤波套筒4、测量心体5、下接头7、O型密封圈2和微电控制系统6等组成。\n测量装置上下接头分别和抽油杆连接，应力集中构件3与上下接头通过三角螺纹连接，同时需要在该构件密封槽内加装O型密封圈2，避免油污、水等外界物质渗入测量短节内部，影响测量装置正常工作；滤波套筒4安装于应力集中构件3内部，有安装精度要求；滤波套筒4内部加装测量心体5，应力片贴在心轴测量轮辐辐501的四侧，每一个辐构成一个区域测量单元；应变片的测量信号通过导线，经过应力集中构件3的筋板303的通孔302连接至微电测量控制系统6；测量控制器选用FPGA，该控制器可以同时触发多路信号，满足测量装置同时采集24路信号的要求，结合自适应控制采样技术，测量装置能依据径向压力变化的快慢及幅度指标控制采样频率。本发明的特征在于：\n[0037] （1）抽油杆径向传感器短节，连接功能上类似于抽油杆节箍，由抽油杆上接头1、下接头7和应力集中构件3组成外部壳体，实现连接与集中径向压力的功能，上、下接头1、\n7均为实心体，无需密封措施，直接与抽油杆连接；应力集中构件3通过三角螺纹与上、下两个接头1、7连接，为了保证内部测量环境稳定，需要在应力集中构件3的密封槽内加装O型密封圈2，保持内部环境相对稳定。上述结构形成一个测量装置的外部壳体，该壳体是抽油杆多维径向压力测量装置的关键组件，该组件能保证测量装置在高温度、大负载变化、强腐蚀、小空间和复杂力学环境等工况条件下，实现径向压力的稳定、精确测量。\n[0038] （2）一个应力集中构件3，分为传感器舱和微电控制舱两个舱，其中传感器舱用于放置测量心体5和滤波套筒4等，微电控制舱则放置微电测量控制系统，包括FPGA控制器\n601、电源控制电路602、大容量高温蓄电池603、大容量FLASH存储器604、数据通讯接口\n605和信号调理电路607、A/D转换608和桥式电路609等；隔绝两舱的筋板303上面有8个通孔302，用于将相应的传感器线路连接至控制系统；参见图2，该剖视图显示了应力集中构件3的内部构造，外部壳体301实现应力集中功能，筋板303将应力集中构件3内部空间的功能细化为传感器舱和微电控制舱，最大程度减少各单元间相互干扰，导线通孔302共8个用于将每层8组传感信号经过对应孔连接至微电控制舱；构件的材料要求具有高弹性，以实现应力集中，最大程度的传递应变，同时要求应力集中构件内部具有较高的精度和光洁度，内表面粗糙度Ra≤0.16μm，减小对机械滤波的干扰。应力集中构件3的作用是利用形状与材料的特性，形成人为的应力集中区域，将短节所受径向力最大程度的传递到内部构件上；该构件的材料选择基于机械性能、化学稳定性和热处理性能等多方面考虑，选用\n40CrNiMoA合金钢较为合适，能很好解决强度与测量的难题。\n[0039] （3）一个滤波套筒4为圆筒形，参见图4，安装于应力集中构件3的传感器舱，同时要求滤波套筒4的材料与应力集中构件3相同，使在受力相同条件下，变形量趋于一致，避免材料不同，滤波套筒4与应力集中构件3形变量相差较大，产生卡死，影响机械滤波效果；\n另外滤波套筒4安装于应力集中构件3内部要求其外表面具有的配合公差要求及较高表面精度，外表面粗糙度Ra≤0.16μm，内表面粗糙度Ra≤0.2μm，使外部环境的径向力能最大程度的传递过来，同时有效滤除轴向力和扭矩影响；应力集中构件3与滤波套筒4为基孔制配合，公差等级为IT5。\n[0040] （4）一个测量心体5，类似于轮辐，共有三层，每层之间以铰链连接，滤除各测量层之间相互干扰，实现测量短节径向力沿轴向分布的层析测量；参见图3，每个轮辐测量机构有8个501，将圆周方向分为8份，形成45°间隔，使对圆周上所受径向力情况感知更细化；\n测量心体5选用材料要求具有高弹性；辐末端触角502的曲率与机械滤波构件内壁相同，保证结合更加紧密，使滤波构件变形能最大程度传递到辐上；辐501为方条状结构，方条状四侧贴应变片，构成桥式电路；测量心体5与滤波套筒4有配合精度要求，公差等级为IT6。\n[0041] （5）一套微电测量控制系统6，置于微电控制舱内，参见图5，由FPGA控制器601、电源控制电路602、大容量高温蓄电池603、大容量FLASH存储器604、数据通讯接口605和信号调理电路607、A/D转换608和桥式电路609等组成；大容量高温蓄电池603经过导线与电源控制电路602连接，满足独立环境供电需求；传感器舱传感器信号通过导线经筋板相应通孔连接至信号调理板607，信号调理将传感器模拟电压信号转换为控制器要求的范围，转换后的测量信号还需要经过A/D转换608将模拟信号变换为数字信号，之后测量信号传输至FPGA控制器601以实现精细化分析，最后控制器将具有时序的三维径向力数据输出至大容量FLASH存储器604中。\n[0042] （6）一套井上附件即井上后续处理装置，包括PC机606、分析处理软件和打印机等，待测量短节从井下取出之后，通过串行线使FPGA与PC机互联，将长时间段的测量数据导入PC机606，结合分析软件，还原径向力，发掘抽油杆微特征变化；将分析结果整理成测量报告，通过打印设备输出。\n[0043] 本发明装置井下组件的工作步骤是：参见流程图6，首先，FPGA控制器601实现初始化后，加载控制逻辑、分析处理算法；然后整个测量系统进行初始化，配置采集径向力的参数（如采集频率等），设置完成后同时采集三层共24组传感器径向力数据，将传感器短节表面径向力数据传回FPGA控制器601，对数据进行分析、压缩，建立径向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，进而决定是否存储改组数据，若是坏数据，则控制器会抛弃改组数据，转而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FLASH 604中，供日后在PC机606上运用专门软件分析抽油杆井下长期径向力变化规律；存储完成之后，根据前序测量的径向力变化的快慢及幅度指标决定后续采样频率，当径向力变化较快并且波动范围超过一定范围时，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；在测量短节上有一个人为控制开关，用于发出是否停止测量的信号，当抽油杆取出时，按下该开关，则测量装置停止工作，所以在每个测量循环中，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。\n[0044] 当抽油杆取出地面后，扭动上下接头，取出测量短节，扭动应力集中构件3与上、下接头1、7就可以打开测量装置的内部了，使用串行线将FPGA控制器601通讯口与PC机\n606连接，就可以将长时间段测量的径向力数据取出来，具体操作参见图7。