專利名稱：一種井下抽油桿多維徑向壓力測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)量測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種井下抽油桿多維徑向壓力測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
由于有桿采油具有采油成本低廉、管理維修方便和適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在采油行業(yè)中被廣泛采用，據(jù)統(tǒng)計(jì)其所占的比例高達(dá)90%以上[馬衛(wèi)國(guó)，楊新冰等.抽油桿管偏磨成因及解決措施研究綜述[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38 (1):22 26];它也被認(rèn)為是現(xiàn)階段的一種最基本、最可靠和使用最為廣泛的采油方法，而且在今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間仍將占據(jù)非常重要的地位。由于井下工況惡劣，有桿抽油設(shè)備發(fā)生故障的概率較高。據(jù)石油部門統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)階段平均每口有桿采油井年作業(yè)I. 75次[范錫彥.實(shí)心抽油桿無(wú)油管采油技術(shù)研究[D].西南石油大學(xué)，2007]。隨著油田開發(fā)的不斷深入，油田開采的對(duì)象逐漸轉(zhuǎn)向薄層和低滲透層，由于地層條件差、自然產(chǎn)能低，導(dǎo)致抽油泵不斷降級(jí)，抽油桿承受的平均應(yīng)力不斷增加；同時(shí)受井眼軌跡的影響，使抽油桿上受力工況不斷變化，導(dǎo)致抽油桿桿斷、桿脫、桿偏磨和管偏磨現(xiàn)象的頻繁發(fā)生[萬(wàn)仁薄，采油技術(shù)手冊(cè)[M].北京石油工業(yè)出版社，1993|王海斌.抽油桿受力分析及優(yōu)化管理[J].石油天然氣學(xué)，2005，27 (I) :121 123]。這些故障，特別是偏磨增大了油井管漏、斷脫等事故發(fā)生率，直接干擾著油田的正常生產(chǎn)，增加了油井維修次數(shù)和成本，減少了油井有效工作時(shí)間，給油田帶來(lái)了巨大經(jīng)濟(jì)損失。有研究表明，當(dāng)發(fā)生偏磨現(xiàn)象時(shí)，抽油桿所承受徑向壓力的大小是決定磨損程度的關(guān)鍵[楊晶，楊樹人，王春生.聚驅(qū)井抽油桿偏磨原因及預(yù)防[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，29(1):114 128|楊英，王春生.黏彈性流體作用于聚驅(qū)井抽油桿上的徑向力[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2005,29 (I) :104 108]。目前，大多油田針對(duì)抽油桿、套管偏磨采取了減少抽油桿、管偏磨措施，如在防止偏磨技術(shù)的研究方面，開發(fā)了固定式抽油桿扶正器(申請(qǐng)?zhí)?00920246462. 6)、抽油桿加重管(專利號(hào)ZL 200620077193. I)和抽油桿萬(wàn)向防偏磨接箍(申請(qǐng)?zhí)?01020183938. 9)等，形成了一些防止偏磨的手段和工具，但由于對(duì)形成偏磨的具體力學(xué)環(huán)境特別是徑向壓力不清晰，導(dǎo)致所采取的各種方法都不同程度地存有其局限性[馬衛(wèi)國(guó)，楊新冰等.抽油桿管偏磨成因及解決措施研究綜述[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38(I) :22 26]。因此生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)迫切需要一種能夠深入井下測(cè)量抽油桿徑向壓力的裝置。關(guān)于井下桿狀物壓力的測(cè)量裝置，已有一些專利技術(shù)，但都存在著不同程度的局限性。例如“井下存儲(chǔ)式桿管參數(shù)檢測(cè)器”(專利號(hào)ZL 200420024926. 6)，設(shè)計(jì)了一種能檢測(cè)抽油桿軸向力和扭矩等參數(shù)的測(cè)量裝置，但是該裝置測(cè)量的參數(shù)并非是影響抽油桿正常作業(yè)的主要因素，對(duì)解決抽油桿偏磨、斷裂等主要故障作用有限?！耙环N管柱狀態(tài)檢測(cè)裝置”(專利號(hào)ZL200820219679.3)提出了一種由井下和地面兩部分組成的檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了井柱溫度、軸向力與管柱滑動(dòng)位移的一體化測(cè)量，但是無(wú)法檢測(cè)抽油桿徑向壓力的具體數(shù)值。“一種井下抽油桿徑向壓力測(cè)量裝置”(申請(qǐng)?zhí)朲L201110236526.6)可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量抽油桿徑向力，其測(cè)量的最大徑向壓力為500KN，最小徑向壓力為10N，并且最高工作溫度為120°C，該裝置通過(guò)短節(jié)受力，將變形傳遞給環(huán)形襯套，環(huán)形襯套的安裝精度對(duì)測(cè)量裝置的精度起著重要作用，但是該裝置的短節(jié)決定了環(huán)形襯套的安裝非常困難，并且襯套難以長(zhǎng)期保持要求姿態(tài)，進(jìn)而難以長(zhǎng)期保持較高測(cè)量精度，此外該裝置測(cè)量參數(shù)不能說(shuō)明所受徑向壓力的施加方位，特別是當(dāng)桿所受力徑向力不均勻時(shí)(即桿周向變形不均勻)，測(cè)量結(jié)果難以反映真實(shí)受力情況。因此現(xiàn)有儀器或技術(shù)尚不能很好的解決井下抽油桿徑向力的測(cè)量問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
I、本發(fā)明的目的是針對(duì)復(fù)雜工況條件下，引起抽油桿偏磨的徑向力難以確定等問(wèn)題，提供一種井下抽油桿多維徑向壓力測(cè)量裝置，它是一種能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量井下抽油桿多維徑向壓力的檢測(cè)裝置。2、本發(fā)明的技術(shù)方案是一種井下抽油桿多維徑向壓力測(cè)量裝置，由井下組件和井上附件兩部分組成。它們之間的位置連接關(guān)系是當(dāng)該測(cè)量裝置進(jìn)行井下測(cè)量時(shí)，井下組 件與井上附件是相互分離、獨(dú)立的工作，井下組件部分依據(jù)徑向壓力變化的快慢及幅度指標(biāo)控制，自適性調(diào)整數(shù)據(jù)采樣頻率，井上附件部分則分析處理抽油桿前一時(shí)間段徑向力數(shù)據(jù)；當(dāng)測(cè)量裝置位于井上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，井下組件與井上附件經(jīng)數(shù)據(jù)通訊接口 605使用串行線進(jìn)行連接，從大容量FLASH存儲(chǔ)器604轉(zhuǎn)移井下測(cè)量數(shù)據(jù)。所述井下組件包括濾波套筒4、測(cè)量心體5、微電測(cè)量控制系統(tǒng)6和抽油桿徑向力傳感器短節(jié)。它們之間的位置連接關(guān)系是測(cè)量心體5裝于濾波套筒4腔內(nèi)，濾波套筒4安裝于抽油桿徑向力傳感器短節(jié)中的應(yīng)力集中構(gòu)件3的傳感器艙內(nèi)，微電測(cè)量控制系統(tǒng)6安裝于微電控制艙內(nèi)。該濾波套筒4為圓筒形，它的材料與應(yīng)力集中構(gòu)件3相同，具有高彈性，該構(gòu)件安裝于應(yīng)力集中構(gòu)件3的內(nèi)部，其內(nèi)、外表面具有較高的表面精度和配合要求，使外部環(huán)境的徑向壓力能最大程度地傳遞進(jìn)來(lái)，同時(shí)濾除軸向力和扭矩的影響。該測(cè)量心體5的結(jié)構(gòu)是輪輻式，它由輻末端觸角502、輪轱503、輪輻條501和應(yīng)變片組成。共有三層，每層之間以鉸鏈連接，濾除各測(cè)量層之間的相互干擾，實(shí)現(xiàn)測(cè)量短節(jié)徑向力沿軸向分布的層析測(cè)量；每個(gè)輪輻測(cè)量機(jī)構(gòu)有8個(gè)輪輻條501，將圓周方向分為8份，形成45°間隔，該機(jī)構(gòu)對(duì)圓周上所受徑向力情況感知更高；輻末端觸角502的曲率與濾波套筒4內(nèi)壁相同，保證測(cè)量心體5與濾波套筒4結(jié)合更加緊密，使濾波套筒4變形能最大程度傳遞到輻上；輪輻條501為方條狀結(jié)構(gòu)，其方條狀的四個(gè)側(cè)面貼應(yīng)變片，構(gòu)成橋式電路。該微電測(cè)量控制系統(tǒng)6位于微電控制艙內(nèi)，由FPGA控制器601、電源控制電路602、大容量高溫蓄電池603、大容量FLASH存儲(chǔ)器604、數(shù)據(jù)通訊接口 605和信號(hào)調(diào)理電路607、A/D轉(zhuǎn)換608和橋式電路609組成。其中大容量高溫蓄電池603經(jīng)過(guò)導(dǎo)線與電源控制電路602連接，滿足獨(dú)立環(huán)境供電需求；傳感器艙的傳感器信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線經(jīng)筋板303相應(yīng)的通孔302連接至信號(hào)調(diào)理電路607，信號(hào)調(diào)理將傳感器模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制器要求的范圍，轉(zhuǎn)換后的測(cè)量信號(hào)還需要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換608將模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)，之后再傳輸至FPGA控制器601以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化分析，F(xiàn)PGA控制器601將具有時(shí)序的三維徑向壓力數(shù)據(jù)輸出至大容量FLASH存儲(chǔ)器604中。該抽油桿徑向力傳感器短節(jié)是由抽油桿上接頭I、下接頭7、0型密封圈2和應(yīng)力集中構(gòu)件3組成，四者之間的關(guān)系是首先將兩個(gè)O型密封圈2分別裝于上接頭I和下接頭7的密封槽內(nèi)，然后將應(yīng)力集中構(gòu)件3的傳感器艙一端外螺紋旋入上接頭I的大直徑端的內(nèi)螺紋內(nèi)，之后將應(yīng)力集中構(gòu)件3的微電控制艙一端外螺紋旋入下接頭7的大直徑端的內(nèi)螺紋內(nèi)。該上接頭I兩端大小不一，小端凸部為外螺紋，用于連接抽油桿，大端凹部為內(nèi)螺紋，帶有密封槽，用于和應(yīng)力集中構(gòu)件3密封連接，目的是形成應(yīng)力集中；該下接頭7兩端大小一致，兩端內(nèi)部均為內(nèi)螺紋，與應(yīng)力集中構(gòu)件3連接的內(nèi)螺紋具有密封槽，與抽油桿連接的內(nèi)螺紋設(shè)有導(dǎo)向槽；該應(yīng)力集中構(gòu)件3外部形狀為圓筒形，內(nèi)部分為傳感器艙和微電控制艙兩個(gè)艙，其中傳感器艙用于放置濾波套筒4和測(cè)量心體5等；微電控制艙安放FPGA控制器601、電源控制電路602、大容量FLASH存儲(chǔ)器604等。在隔絕兩艙的筋板303上面有8個(gè)導(dǎo)線孔302，對(duì)應(yīng)每個(gè)測(cè)量層的8組橋式電路，用于將相應(yīng)的傳感器線路連接至控制系統(tǒng)；構(gòu)件的材料要求具有高彈性，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力集中，最大程度地傳遞應(yīng)變，同時(shí)應(yīng)力集中構(gòu)件內(nèi)表面具有較聞的表面精度，減小對(duì)機(jī)械濾波的干擾。所述井上附件包括PC機(jī)606、通訊設(shè)備、分析處理軟件和打印設(shè)備，它們之間的位置連接關(guān)系是待井下組件從井下取出之后，通過(guò)數(shù)據(jù)通訊接口 605經(jīng)串行線將FPGA控制器601與PC機(jī)606互聯(lián)，將長(zhǎng)時(shí)間段的測(cè)量存儲(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)至PC機(jī)606內(nèi)，結(jié)合分析軟件，還原徑向壓力，發(fā)掘抽油桿微特征變化；將分析結(jié)果整理成測(cè)量報(bào)告，通過(guò)打印設(shè)備輸出。該P(yáng)C機(jī)606、通訊設(shè)備及打印設(shè)備都是現(xiàn)有通用設(shè)備，本發(fā)明僅僅是利用這些工具，這里不再詳述。該分析處理軟件流程圖如圖7所示，首先需要使用串行線經(jīng)數(shù)據(jù)通訊接口 605將井下組件和井上附件兩部分物理連接起來(lái)，然后初始化，通訊連通之后便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，將井下組件大容量FLASH存儲(chǔ)器604中數(shù)據(jù)導(dǎo)入PC機(jī)606，分析徑向力數(shù)據(jù)，得出抽油桿在井下長(zhǎng)期徑向壓力場(chǎng)變化規(guī)律，同時(shí)將檢測(cè)分析數(shù)據(jù)以圖表的形式形成測(cè)量報(bào)告，通過(guò)打印設(shè)備輸出。3、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是I、設(shè)計(jì)了徑向壓力集中構(gòu)件，充分體現(xiàn)了 “應(yīng)力集中”的原則，通過(guò)合理選擇徑向壓力集中構(gòu)件的材料及優(yōu)化尺寸機(jī)構(gòu)，使抽油桿在工作環(huán)境的徑向壓力在局部范圍顯著提高，增強(qiáng)了測(cè)量裝置的敏感性，使微小的徑向力變化也能傳遞到測(cè)量裝置上；2、設(shè)計(jì)了機(jī)械濾波構(gòu)件，該裝置能夠極大程度的濾除軸向力、扭矩等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，從而實(shí)現(xiàn)徑向壓力高精度實(shí)時(shí)測(cè)量；3、測(cè)量裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且傳感器與電控分開布局，結(jié)構(gòu)規(guī)整、體積小，能很好地滿足狹小空間、復(fù)雜工況對(duì)測(cè)量的要求；4、測(cè)量裝置具有連接PC機(jī)的接口，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)上，配合使用上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存、編輯、分析以及打印測(cè)量報(bào)告等功能；5、測(cè)量數(shù)據(jù)更加全面，能夠長(zhǎng)時(shí)間、高頻率、多方位地動(dòng)態(tài)監(jiān)控測(cè)量裝置表面徑向壓力的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合分析軟件還原井下抽油桿周圍徑向力場(chǎng)分布變化情況，及時(shí)掌握抽油桿徑向壓力變化趨勢(shì)，監(jiān)控更加精細(xì)；6、測(cè)量裝置的主要技術(shù)指標(biāo)高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，徑向壓力測(cè)量范圍為5N 500KN，最大耐壓40MPa，能在低于130°C、振動(dòng)頻率小于1000HZ及大振幅條件下持續(xù)穩(wěn)定工作。


圖I為抽油桿多維徑向壓力測(cè)量裝置井下組件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為應(yīng)力集中構(gòu)件3構(gòu)件示意圖；圖3為測(cè)量心體5構(gòu)件示意圖；圖4為濾波套筒4構(gòu)件示意圖；圖5為本發(fā)明電控系統(tǒng)的原理框圖；圖6為本發(fā)明控制器的控制流程圖；圖7為本發(fā)明后續(xù)處理流程圖； 圖8為本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖。圖中符號(hào)說(shuō)明如下I一上接頭；2 — O型密封圈；3—應(yīng)力集中構(gòu)件；4一濾波套筒；5—測(cè)量心體；6—微電測(cè)量控制系統(tǒng)；7—下接頭301—應(yīng)力集中體；302—導(dǎo)線孔；303—筋板501—輪輻條；502—福末端觸角；503—輪轱601—FPGA控制器；602—電源控制電路；603—大容量高溫蓄電池；604—大容量FLASH存儲(chǔ)器；605—數(shù)據(jù)通訊接口 ；606—PC機(jī)；607—A/D轉(zhuǎn)換；608—信號(hào)調(diào)理電路；609一橋式電路
具體實(shí)施例方式參見圖I、圖8，一種井下抽油桿多維徑向壓力測(cè)量裝置，由井下組件和井上附件兩部分組成。它們之間的位置連接關(guān)系是當(dāng)該測(cè)量裝置進(jìn)行井下測(cè)量時(shí)，井下組件與井上附件是相互分離、獨(dú)立的工作，井下組件部分依據(jù)徑向壓力變化的快慢及幅度指標(biāo)控制，自適性調(diào)整數(shù)據(jù)采樣頻率，井上附件部分則分析處理抽油桿前一時(shí)間段徑向力數(shù)據(jù)；當(dāng)測(cè)量裝置位于井上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，井下組件與井上附件經(jīng)數(shù)據(jù)通訊接口 605使用串行線進(jìn)行連接，從大容量FLASH存儲(chǔ)器604轉(zhuǎn)移井下測(cè)量數(shù)據(jù)。下面對(duì)于本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明利用應(yīng)變片傳感器，構(gòu)建橋式測(cè)量電路609，配以專門設(shè)計(jì)的濾波套筒4，結(jié)合測(cè)量心體5，配以微電測(cè)量控制系統(tǒng)6，解決井下抽油桿徑向力學(xué)環(huán)境的細(xì)化測(cè)量問(wèn)題。參見圖1，本發(fā)明測(cè)量裝置井下組件主要由上接頭I、應(yīng)力集中構(gòu)件3、濾波套筒4、測(cè)量心體5、下接頭7、0型密封圈2和微電控制系統(tǒng)6等組成。測(cè)量裝置上下接頭分別和抽油桿連接，應(yīng)力集中構(gòu)件3與上下接頭通過(guò)三角螺紋連接，同時(shí)需要在該構(gòu)件密封槽內(nèi)加裝O型密封圈2，避免油污、水等外界物質(zhì)滲入測(cè)量短節(jié)內(nèi)部，影響測(cè)量裝置正常工作；濾波套筒4安裝于應(yīng)力集中構(gòu)件3內(nèi)部，有安裝精度要求；濾波套筒4內(nèi)部加裝測(cè)量心體5，應(yīng)力片貼在心軸測(cè)量輪輻輻501的四側(cè)，每一個(gè)輻構(gòu)成一個(gè)區(qū)域測(cè)量單元；應(yīng)變片的測(cè)量信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線，經(jīng)過(guò)應(yīng)力集中構(gòu)件3的筋板303的通孔302連接至微電測(cè)量控制系統(tǒng)6 ;測(cè)量控制器選用FPGA，該控制器可以同時(shí)觸發(fā)多路信號(hào)，滿足測(cè)量裝置同時(shí)采集24路信號(hào)的要求，結(jié)合自適應(yīng)控制采樣技術(shù)，測(cè)量裝置能依據(jù)徑向壓力變化的快慢及幅度指標(biāo)控制采樣頻率。本發(fā)明的特征在于(I)抽油桿徑向傳感器短節(jié)，連接功能上類似于抽油桿節(jié)箍，由抽油桿上接頭I、下接頭7和應(yīng)力集中構(gòu)件3組成外部殼體，實(shí)現(xiàn)連接與集中徑向壓力的功能，上、下接頭I、7均為實(shí)心體，無(wú)需密封措施，直接與抽油桿連接；應(yīng)力集中構(gòu)件3通過(guò)三角螺紋與上、下兩個(gè)接頭1、7連接，為了保證內(nèi)部測(cè)量環(huán)境穩(wěn)定，需要在應(yīng)力集中構(gòu)件3的密封槽內(nèi)加裝O型密封圈2，保持內(nèi)部環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定。上述結(jié)構(gòu)形成一個(gè)測(cè)量裝置的外部殼體，該殼體是抽油桿多維徑向壓力測(cè)量裝置的關(guān)鍵組件，該組件能保證測(cè)量裝置在高溫度、大負(fù)載變化、強(qiáng)腐蝕、小空間和復(fù)雜力學(xué)環(huán)境等工況條件下，實(shí)現(xiàn)徑向壓力的穩(wěn)定、精確測(cè)量。(2) 一個(gè)應(yīng)力集中構(gòu)件3，分為傳感器艙和微電控制艙兩個(gè)艙，其中傳感器艙用于放置測(cè)量心體5和濾波套筒4等，微電控制艙則放置微電測(cè)量控制系統(tǒng)，包括FPGA控制器601、電源控制電路602、大容量高溫蓄電池603、大容量FLASH存儲(chǔ)器604、數(shù)據(jù)通訊接口605和信號(hào)調(diào)理電路607、A/D轉(zhuǎn)換608和橋式電路609等；隔絕兩艙的筋板303上面有8個(gè)通孔302，用于將相應(yīng)的傳感器線路連接至控制系統(tǒng)；參見圖2，該剖視圖顯示了應(yīng)力集中構(gòu)件3的內(nèi)部構(gòu)造，外部殼體301實(shí)現(xiàn)應(yīng)力集中功能，筋板303將應(yīng)力集中構(gòu)件3內(nèi)部空間的功能細(xì)化為傳感器艙和微電控制艙，最大程度減少各單元間相互干擾，導(dǎo)線通孔302共8個(gè)用于將每層8組傳感信號(hào)經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)孔連接至微電控制艙；構(gòu)件的材料要求具有高彈性，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力集中，最大程度的傳遞應(yīng)變，同時(shí)要求應(yīng)力集中構(gòu)件內(nèi)部具有較高的精度和 光潔度，內(nèi)表面粗糙度Ra < O. 16 μ m,減小對(duì)機(jī)械濾波的干擾。應(yīng)力集中構(gòu)件3的作用是利用形狀與材料的特性，形成人為的應(yīng)力集中區(qū)域，將短節(jié)所受徑向力最大程度的傳遞到內(nèi)部構(gòu)件上；該構(gòu)件的材料選擇基于機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性和熱處理性能等多方面考慮，選用40CrNiMoA合金鋼較為合適，能很好解決強(qiáng)度與測(cè)量的難題。(3)—個(gè)濾波套筒4為圓筒形，參見圖4，安裝于應(yīng)力集中構(gòu)件3的傳感器艙，同時(shí)要求濾波套筒4的材料與應(yīng)力集中構(gòu)件3相同，使在受力相同條件下，變形量趨于一致，避免材料不同，濾波套筒4與應(yīng)力集中構(gòu)件3形變量相差較大，產(chǎn)生卡死，影響機(jī)械濾波效果；另外濾波套筒4安裝于應(yīng)力集中構(gòu)件3內(nèi)部要求其外表面具有的配合公差要求及較高表面精度，外表面粗糙度Ra ^ O. 16 μ m,內(nèi)表面粗糙度Ra < O. 2 μ m，使外部環(huán)境的徑向力能最大程度的傳遞過(guò)來(lái)，同時(shí)有效濾除軸向力和扭矩影響；應(yīng)力集中構(gòu)件3與濾波套筒4為基孔制配合，公差等級(jí)為IT5。(4) 一個(gè)測(cè)量心體5，類似于輪輻，共有三層，每層之間以鉸鏈連接，濾除各測(cè)量層之間相互干擾，實(shí)現(xiàn)測(cè)量短節(jié)徑向力沿軸向分布的層析測(cè)量；參見圖3，每個(gè)輪輻測(cè)量機(jī)構(gòu)有8個(gè)501，將圓周方向分為8份，形成45 °間隔，使對(duì)圓周上所受徑向力情況感知更細(xì)化；測(cè)量心體5選用材料要求具有高彈性；輻末端觸角502的曲率與機(jī)械濾波構(gòu)件內(nèi)壁相同，保證結(jié)合更加緊密，使濾波構(gòu)件變形能最大程度傳遞到輻上；輻501為方條狀結(jié)構(gòu)，方條狀四側(cè)貼應(yīng)變片，構(gòu)成橋式電路；測(cè)量心體5與濾波套筒4有配合精度要求，公差等級(jí)為IT6。(5) 一套微電測(cè)量控制系統(tǒng)6,置于微電控制艙內(nèi)，參見圖5,由FPGA控制器601、電源控制電路602、大容量高溫蓄電池603、大容量FLASH存儲(chǔ)器604、數(shù)據(jù)通訊接口 605和信號(hào)調(diào)理電路607、A/D轉(zhuǎn)換608和橋式電路609等組成；大容量高溫蓄電池603經(jīng)過(guò)導(dǎo)線與電源控制電路602連接，滿足獨(dú)立環(huán)境供電需求；傳感器艙傳感器信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線經(jīng)筋板相應(yīng)通孔連接至信號(hào)調(diào)理板607，信號(hào)調(diào)理將傳感器模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制器要求的范圍，轉(zhuǎn)換后的測(cè)量信號(hào)還需要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換608將模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)，之后測(cè)量信號(hào)傳輸至FPGA控制器601以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化分析，最后控制器將具有時(shí)序的三維徑向力數(shù)據(jù)輸出至大容量FLASH存儲(chǔ)器604中。
(6) 一套井上附件即井上后續(xù)處理裝置，包括PC機(jī)606、分析處理軟件和打印機(jī)等，待測(cè)量短節(jié)從井下取出之后，通過(guò)串行線使FPGA與PC機(jī)互聯(lián)，將長(zhǎng)時(shí)間段的測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入PC機(jī)606，結(jié)合分析軟件，還原徑向力，發(fā)掘抽油桿微特征變化；將分析結(jié)果整理成測(cè)量報(bào)告，通過(guò)打印設(shè)備輸出。本發(fā)明裝置井下組件的工作步驟是參見流程圖6，首先，F(xiàn)PGA控制器601實(shí)現(xiàn)初始化后，加載控制邏輯、分析處理算法；然后整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行初始化，配置采集徑向力的參數(shù)(如采集頻率等)，設(shè)置完成后同時(shí)采集三層共24組傳感器徑向力數(shù)據(jù)，將傳感器短節(jié)表面徑向力數(shù)據(jù)傳回FPGA控制器601，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、壓縮，建立徑向力相對(duì)于時(shí)間的數(shù)據(jù)序列等預(yù)處理，依據(jù)預(yù)處理的結(jié)果，判斷采集數(shù)據(jù)是否有價(jià)值，進(jìn)而決定是否存儲(chǔ)改組數(shù)據(jù)，若是壞數(shù)據(jù)，則控制器會(huì)拋棄改組數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)而進(jìn)行新數(shù)據(jù)的采集工作，反之則將預(yù)處理之后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至大容量FLASH 604中，供日后在PC機(jī)606上運(yùn)用專門軟件分析抽油桿井下長(zhǎng)期徑向力變化規(guī)律；存儲(chǔ)完成之后，根據(jù)前序測(cè)量的徑向力變化的快慢及幅度指標(biāo)決定后續(xù)采樣頻率，當(dāng)徑向力變化較快并且波動(dòng)范圍超過(guò)一定范圍時(shí)，控制器就改變數(shù)據(jù)采集頻率，反之則按原有頻率繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量工作；在測(cè)量短節(jié)上有一個(gè)人為控制開關(guān)，用于發(fā)出 是否停止測(cè)量的信號(hào)，當(dāng)抽油桿取出時(shí)，按下該開關(guān)，則測(cè)量裝置停止工作，所以在每個(gè)測(cè)量循環(huán)中，程序都要查詢是否停止信號(hào)，若有，則測(cè)量裝置退出，反之則繼續(xù)進(jìn)行下一輪數(shù)據(jù)米集。當(dāng)抽油桿取出地面后，扭動(dòng)上下接頭，取出測(cè)量短節(jié)，扭動(dòng)應(yīng)力集中構(gòu)件3與上、下接頭1、7就可以打開測(cè)量裝置的內(nèi)部了，使用串行線將FPGA控制器601通訊口與PC機(jī)606連接，就可以將長(zhǎng)時(shí)間段測(cè)量的徑向力數(shù)據(jù)取出來(lái)，具體操作參見圖7。
權(quán)利要求
1. 一種井下抽油桿多維徑向壓力測(cè)量裝置，其特征在于它由井下組件和井上附件兩部分組成，當(dāng)該測(cè)量裝置進(jìn)行井下測(cè)量時(shí)，井下組件與井上附件是相互分離、獨(dú)立的工作，井下組件部分依據(jù)徑向壓力變化的快慢及幅度指標(biāo)控制，自適性調(diào)整數(shù)據(jù)采樣頻率，井上附件部分則分析處理抽油桿前一時(shí)間段徑向力數(shù)據(jù)；當(dāng)測(cè)量裝置位于井上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，井下組件與井上附件經(jīng)數(shù)據(jù)通訊接口( 605 )使用串行線進(jìn)行連接，從大容量FLASH存儲(chǔ)器(604)轉(zhuǎn)移井下測(cè)量數(shù)據(jù)； 所述井下組件包括濾波套筒(4)、測(cè)量心體(5)、微電測(cè)量控制系統(tǒng)(6)和抽油桿徑向力傳感器短節(jié)，測(cè)量心體(5)裝于濾波套筒(4)腔內(nèi)，濾波套筒(4)安裝于抽油桿徑向力傳感器短節(jié)中的應(yīng)力集中構(gòu)件(3)的傳感器艙內(nèi)，微電測(cè)量控制系統(tǒng)(6)安裝于微電控制艙內(nèi)； 該濾波套筒(4)為圓筒形，它的材料與應(yīng)力集中構(gòu)件(3)相同，具有高彈性，該構(gòu)件安裝于應(yīng)力集中構(gòu)件(3)的內(nèi)部，其內(nèi)、外表面有表面精度和配合要求，使外部環(huán)境的徑向壓力能最大程度地傳遞進(jìn)來(lái)，同時(shí)濾除軸向力和扭矩的影響； 該測(cè)量心體(5 )的結(jié)構(gòu)是輪輻式，它由輻末端觸角(502 )、輪轱(503 )、輪輻條(501)和應(yīng)變片組成，共有三層，每層之間以鉸鏈連接，濾除各測(cè)量層之間的相互干擾，實(shí)現(xiàn)測(cè)量短節(jié)徑向力沿軸向分布的層析測(cè)量；每個(gè)輪輻測(cè)量機(jī)構(gòu)有8個(gè)輪輻條(501)，將圓周方向分為8份，形成45°間隔，該機(jī)構(gòu)對(duì)圓周上所受徑向力情況感知高；輻末端觸角(502)的曲率與濾波套筒(4)內(nèi)壁相同，保證測(cè)量心體(5)與濾波套筒(4)結(jié)合更加緊密，使濾波套筒(4)變形能最大程度傳遞到輪輻上；輪輻條(501)為方條狀結(jié)構(gòu)，其方條狀的四個(gè)側(cè)面貼應(yīng)變片，構(gòu)成橋式電路； 該微電測(cè)量控制系統(tǒng)(6)位于微電控制艙內(nèi)，由FPGA控制器(601)、電源控制電路(602)、大容量高溫蓄電池(603)、大容量FLASH存儲(chǔ)器(604)、數(shù)據(jù)通訊接口(605)、信號(hào)調(diào)理電路(607 )、A/D轉(zhuǎn)換(608 )和橋式電路(609 )組成，其中大容量高溫蓄電池(603 )經(jīng)過(guò)導(dǎo)線與電源控制電路(602)連接，滿足獨(dú)立環(huán)境供電需求；傳感器艙的傳感器信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線經(jīng)筋板(303)相應(yīng)的通孔(302)連接至信號(hào)調(diào)理電路(607)，信號(hào)調(diào)理將傳感器模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制器要求的范圍，轉(zhuǎn)換后的測(cè)量信號(hào)還需要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換(608)將模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)，之后再傳輸至FPGA控制器(601)以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化分析，F(xiàn)PGA控制器(601)將具有時(shí)序的三維徑向壓力數(shù)據(jù)輸出至大容量FLASH存儲(chǔ)器(604)中； 該抽油桿徑向力傳感器短節(jié)是由抽油桿上接頭(I)、下接頭(7)、0型惡、封圈(2)和應(yīng)力集中構(gòu)件(3)組成，兩個(gè)O型密封圈(2)分別裝于上接頭(I)和下接頭(7)的密封槽內(nèi)，應(yīng)力集中構(gòu)件(3)的傳感器艙一端外螺紋旋入上接頭(I)的大直徑端的內(nèi)螺紋內(nèi)，之后將應(yīng)力集中構(gòu)件(3)的微電控制艙一端外螺紋旋入下接頭(7)的大直徑端的內(nèi)螺紋內(nèi)；該上接頭(I)兩端大小不一，小端凸部為外螺紋，用于連接抽油桿，大端凹部為內(nèi)螺紋，帶有密封槽，用于和應(yīng)力集中構(gòu)件(3)密封連接，目的是形成應(yīng)力集中；該下接頭(7)兩端大小一致，兩端內(nèi)部均為內(nèi)螺紋，與應(yīng)力集中構(gòu)件(3 )連接的內(nèi)螺紋具有密封槽，與抽油桿連接的內(nèi)螺紋設(shè)有導(dǎo)向槽；該應(yīng)力集中構(gòu)件(3)外部形狀為圓筒形，內(nèi)部分為傳感器艙和微電控制艙兩個(gè)艙，其中傳感器艙用于放置濾波套筒(4)和測(cè)量心體(5)，微電控制艙安放FPGA控制器(601)、電源控制電路(602)、大容量高溫蓄電池(603)、大容量FLASH存儲(chǔ)器(604)、數(shù)據(jù)通訊接口( 605 )和信號(hào)調(diào)理電路(607 )、A/D轉(zhuǎn)換(608 )和橋式電路(609 );在隔絕兩艙的筋板(303)上面有8個(gè)導(dǎo)線孔(302)，對(duì)應(yīng)每個(gè)測(cè)量層的8組橋式電路，用于將相應(yīng)的傳感器線路連接至控制系統(tǒng)；構(gòu)件的材料具有高彈性，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力集中，最大程度地傳遞應(yīng)變，同時(shí)應(yīng)力集中構(gòu)件(3)內(nèi) 表面具有高表面精度，減小對(duì)機(jī)械濾波的干擾； 所述井上附件包括PC機(jī)(606)、通訊設(shè)備、分析處理軟件和打印設(shè)備，待井下組件從井下取出之后，通過(guò)數(shù)據(jù)通訊接口(605)經(jīng)串行線將FPGA控制器(601)與PC機(jī)(606)互聯(lián)，將長(zhǎng)時(shí)間段的測(cè)量存儲(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)至PC機(jī)(606)內(nèi)，結(jié)合分析軟件，還原徑向壓力，發(fā)掘抽油桿微特征變化；將分析結(jié)果整理成測(cè)量報(bào)告，通過(guò)打印設(shè)備輸出。
全文摘要
一種井下抽油桿多維徑向壓力測(cè)量裝置，它由井下組件和井上附件兩部分組成，當(dāng)該測(cè)量裝置進(jìn)行井下測(cè)量時(shí)，井下組件與井上附件是相互分離、獨(dú)立的工作，井下組件部分依據(jù)徑向壓力變化的快慢及幅度指標(biāo)控制，自適性調(diào)整數(shù)據(jù)采樣頻率，井上附件部分則分析處理抽油桿前一時(shí)間段徑向力數(shù)據(jù)；當(dāng)測(cè)量裝置位于井上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，井下組件與井上附件經(jīng)數(shù)據(jù)通訊接口(605)使用串行線進(jìn)行連接，從大容量FLASH存儲(chǔ)器(604)轉(zhuǎn)移井下測(cè)量數(shù)據(jù)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)規(guī)整、體積小，它是一種能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量井下抽油桿多維徑向壓力的檢測(cè)裝置，能很好地滿足狹小空間、復(fù)雜工況對(duì)測(cè)量的要求。
文檔編號(hào)G01L1/22GK102778311SQ201210256450
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月23日
發(fā)明者李強(qiáng), 燕虎, 王中宇, 王倩 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)