專利名稱:抽油井?dāng)?shù)字示功儀的制作方法
本實(shí)用新型公開一種確定有桿泵石油抽油系統(tǒng)工作狀況的測(cè)試儀器，屬石油采油工程中測(cè)試技術(shù)。
我國(guó)各大油田普遍應(yīng)用著有桿泵抽油設(shè)備。在采油過(guò)程中，及時(shí)和準(zhǔn)確地了解有桿泵抽油系統(tǒng)的工作狀況，對(duì)提高抽油效率、降低采油成本和提高油井產(chǎn)量具有非常重大的意義。
目前我國(guó)油田的抽油井幾乎全部應(yīng)用動(dòng)力儀(仿西德SG2型)進(jìn)行抽油系統(tǒng)工作狀況的檢測(cè)工作。動(dòng)力儀是一種記錄光桿(抽油桿的第一級(jí))載荷與位移關(guān)系曲線即示功圖的儀器，它的測(cè)量精度較低，并且不能計(jì)算及繪制井下示功圖。
美國(guó)發(fā)明了有關(guān)測(cè)定抽油井工作特性的方法(美國(guó)專利US3343409)，將抽油桿看作傳輸導(dǎo)體，井下泵的載荷和位移以應(yīng)力波的形式傳輸?shù)降孛娴墓鈼U，用載荷傳感器和位移傳感器在地面光桿上接收每一瞬間的載荷和位移信號(hào)，并將測(cè)得數(shù)據(jù)連同生產(chǎn)人員取得的油井?dāng)?shù)據(jù)(抽油桿長(zhǎng)度、重量和截面積等等)一并提供給計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，從而得到抽油桿任一深度的載荷和位移；使用繪圖儀，可給出井下任一深度上的示功圖；通過(guò)對(duì)示功圖的分析計(jì)算，可以準(zhǔn)確地獲得抽油系統(tǒng)井下設(shè)備、地面設(shè)備和油井本身的工作狀況。
美國(guó)Delta－X公司研制了這類儀器，但對(duì)操作人員的技術(shù)素質(zhì)要求高，操作不夠簡(jiǎn)便；內(nèi)部測(cè)試系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)分析軟件受嚴(yán)格保密，無(wú)法進(jìn)一步開發(fā)利用；測(cè)量準(zhǔn)確度方面還實(shí)際存在一些不穩(wěn)定現(xiàn)象；并且價(jià)格極為昂貴。
本實(shí)用新型的目的是應(yīng)用以上美國(guó)發(fā)明的有關(guān)測(cè)定抽油井工作特性的方法，但針對(duì)上述缺點(diǎn)，提供一種改進(jìn)的采用現(xiàn)成國(guó)產(chǎn)的傳感器、按裝和操作簡(jiǎn)便、對(duì)操作人員技術(shù)素質(zhì)要求不高、精度高和成本低的抽油井?dāng)?shù)字示功儀。
本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的借助載荷傳感器和位移傳感器，測(cè)量有桿抽油泵在地面的示功圖，根據(jù)一定的理論推導(dǎo)關(guān)系，計(jì)算出有桿抽油泵在井下的示功圖。推斷井下示功圖的基本原理(美國(guó)專利US3343409)是將抽油桿視為傳輸導(dǎo)體，井下泵的載荷和位移以應(yīng)力波的形式傳輸?shù)降孛娴墓鈼U。用載荷傳感器和位移傳感器在地面光桿上接收每個(gè)瞬間的載荷和位移信號(hào)，并將測(cè)試數(shù)據(jù)等提供給微機(jī)進(jìn)行計(jì)算，從而得到抽油桿任一深度的載荷和位移，也即可得出井下任一深度包括泵處的示功圖。
抽油桿的力學(xué)模型是一根具有粘滯阻尼的作縱向振動(dòng)的細(xì)長(zhǎng)園桿，它的運(yùn)動(dòng)可用下列偏微分方程來(lái)描述
式中U(X，t)是抽油桿離地面X深處在t時(shí)刻的位移；a是應(yīng)力波在抽油桿中的傳播速度；C是阻尼系數(shù)。
偏微分方程的邊界條件是地面光桿動(dòng)載荷函數(shù)D(t)和地面光桿位移函數(shù)U(t)，用截?cái)嗟?有限的)富氏級(jí)數(shù)展開，近似進(jìn)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)是光桿總載荷函數(shù)；W是抽油桿在流體中的重量。
以公式(2)和(3)作為邊界條件，用分離變量法介偏微分方程(1)，可得抽油桿任意深度X截面的位移和載荷函數(shù)，稱為新的位移函數(shù)和載荷函數(shù)，依據(jù)這兩個(gè)函數(shù)就可得出井下任意深度包括泵處的示功圖，這兩個(gè)函數(shù)的表示式為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是抽油桿桿材的彈性模量；A是抽油桿的橫截面積。
上述公式適用于單級(jí)抽油桿，實(shí)際上抽油桿通常是不同直徑的組合桿，需要將上述解加以推廣擴(kuò)充，采用更一般表達(dá)方式。
在直徑不同的兩級(jí)抽油桿接頭處，位移和載荷是連續(xù)的，可用第一級(jí)抽油桿末端的位移和載荷，表示第二級(jí)抽油桿的邊界條件，由此得到第二級(jí)抽油桿X截面的位移和載荷。依此類推，可得到組合桿任意深度X截面的位移和載荷。
設(shè)從地面開始計(jì)算序號(hào)，各桿柱截面積分別為A1，A2，…，Am；各桿柱長(zhǎng)度分別為X1，X2，…，Xm；富氏系數(shù)為jσn，jTn，jVn，jδn，其左腳標(biāo)j表示與富氏系數(shù)有關(guān)的抽油桿各段的級(jí)數(shù)。類似地還有jOn(Xj)；jPn(Xj)；jO’n(Xj)；jP′n(Xj)。j＝1，2，…m，m代表組合抽油桿的總共節(jié)數(shù)或級(jí)數(shù)。
第j級(jí)抽油桿下端的位移函數(shù)和載荷函數(shù)為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(luò)－1σ0(15)jVn＝j(luò)－1On(Xj－1) (16)jδn＝j(luò)－1Pn(Xj－1) (17)jσn＝EAj－1 j－1O′n(Xj－1) (18)jTn＝EAj－1 j－1P′n(Xj－1) (19)關(guān)于上述全部方程的導(dǎo)出和所需要的公式與計(jì)算步驟，也請(qǐng)參閱美國(guó)專利US3343409。
本實(shí)用新型抽油井?dāng)?shù)字示功儀構(gòu)成框圖請(qǐng)見附圖1。動(dòng)力儀〔1〕由三個(gè)主要部分組成油壓千斤頂〔2〕、載荷傳感器〔3〕和位移傳感器〔4〕。動(dòng)力儀〔1〕在光桿上的安裝方法與傳統(tǒng)使用的仿西德SG2型動(dòng)力儀完全一樣。動(dòng)力儀〔1〕將光桿的載荷和位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)接口板〔5〕，計(jì)算機(jī)接口板〔5〕將載荷和位移電信號(hào)經(jīng)過(guò)變換處理后傳送給微機(jī)〔6〕，微機(jī)〔6〕執(zhí)行予定的計(jì)算程序，在屏幕上顯示出示功圖，也可由繪圖儀〔7〕畫出和由打印機(jī)〔8〕記錄。計(jì)算機(jī)接口板〔5〕由模數(shù)轉(zhuǎn)換器〔9〕、位移計(jì)數(shù)器〔10〕、位移判向器〔11〕、數(shù)據(jù)緩沖器〔12〕、中央處理器〔13〕、只讀存貯器〔14〕和RS232接口〔15〕組成。
以下結(jié)合各附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
圖1是本實(shí)用新型抽油井?dāng)?shù)字示功儀全部構(gòu)成的框圖。
圖2是載荷傳感器的原理圖。
圖3是光電增量編碼器原理圖。
圖4是求解偏微分方程程序框圖。
參照?qǐng)D1，動(dòng)力儀〔1〕中油壓千斤頂〔2〕的結(jié)構(gòu)與國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的仿西德SG2型動(dòng)力儀的油壓缸體相似，在光桿上的安裝方法和卡具也完全一樣，用以承受光桿的載荷，將光桿的載荷轉(zhuǎn)換為油壓力，并將此油壓力傳送給載荷傳感器〔3〕。
圖2是載荷傳感器〔3〕的原理圖，采用國(guó)產(chǎn)的電阻應(yīng)變式液壓力傳感器。它的彈性元件是一根一端封閉的扁園截面的合金鋼管〔16〕，內(nèi)部充滿著由油壓千斤頂〔2〕提供的被測(cè)液壓力，合金鋼管〔16〕外周表面貼有四片電阻應(yīng)變片〔17〕、〔18〕、〔19〕和〔20〕。這四片電阻應(yīng)變片〔17〕、〔18〕、〔19〕、〔20〕組成測(cè)量電橋，測(cè)量電橋后接一放大器〔21〕，放大器〔21〕的輸出電壓即與液壓力成正比，也即與光桿的載荷成正比。為提高測(cè)量精度，在測(cè)量電橋的一個(gè)橋臂上可并聯(lián)上一個(gè)標(biāo)定用電阻〔18′〕，當(dāng)該標(biāo)定用電阻〔18′〕并聯(lián)上后，電橋即產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)于2噸載荷的突變輸出電壓，提供微機(jī)〔6〕作載荷計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)。載荷傳感器〔3〕的非線性、滯遲和重復(fù)性誤差不超過(guò)0.5％，完全滿足精確測(cè)量的要求。
動(dòng)力儀〔1〕中的位移傳感器〔4〕由光電增量編碼器和卷繩輪系組成。圖3是國(guó)產(chǎn)的光電增量編碼器的原理圖。光電增量編碼器由可轉(zhuǎn)動(dòng)的光柵碼盤〔22〕、固定狹縫板〔23〕、紅外發(fā)光二極管〔24〕、〔25〕和光敏二極管〔26〕、〔27〕組成。卷繩輪系的一端掛在井口的固定點(diǎn)上，另一端拖動(dòng)繩輪轉(zhuǎn)動(dòng)。繩輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)光柵碼盤〔22〕轉(zhuǎn)動(dòng)，光電增量編碼器即輸出一串脈沖，脈沖個(gè)數(shù)與光柵碼盤〔22〕的轉(zhuǎn)角成正比，由此完成了將光桿位移變成電脈沖數(shù)的轉(zhuǎn)換。
為判別光桿上下位移的方向也即光柵碼盤〔22〕的正反轉(zhuǎn)向，在光電增量編碼器中，紅外發(fā)光二極管〔24〕和光敏二極管〔26〕組成一組光路；紅外發(fā)光二極管〔25〕和光敏二極管〔27〕組成另一組光路，由圖3所示，兩組光路之間距離是光柵碼盤〔22〕上一個(gè)明暗區(qū)間周長(zhǎng)T的 1/4 。一組光路輸出的脈沖〔28〕相對(duì)另一組光路輸出脈沖〔29〕的相位超前還是滯后由光桿位移的上下決定，所以利用兩組光路輸出脈沖〔28〕、〔29〕的相對(duì)相位關(guān)系即可確定光桿位移的上下方向。光電增量編碼器和卷繩輪系的設(shè)計(jì)考慮是光柵碼盤〔22〕明暗區(qū)間周長(zhǎng)T相應(yīng)于光桿的0.16mm位移；光電增量編碼器和卷繩輪系總的分辨率為0.2mm。
從上述載荷傳感器〔3〕和位移傳感器〔4〕所得到的是模擬信號(hào)和脈沖信號(hào)，必須將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)方可傳送給微機(jī)〔6〕進(jìn)行處理。
光桿的載荷信號(hào)是這樣處理的計(jì)算機(jī)接口板〔5〕中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器〔9〕是一個(gè)8位(二進(jìn)制)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，把載荷傳感器〔3〕輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并暫存在數(shù)據(jù)緩沖器〔12〕中。
光桿的位移信號(hào)是這樣處理的計(jì)算機(jī)接口板〔5〕中的位移計(jì)數(shù)器〔10〕是一個(gè)8位(二進(jìn)制)的計(jì)數(shù)器，用以記下在一定時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖數(shù)，即采集到了光桿的位移量。采集的時(shí)間間隔是19ms。
光桿的位移信號(hào)是周期性信號(hào)，位移傳感器〔4〕輸出的相位相差 1/4 T的兩路輸出脈沖〔28〕和〔29〕，接向一個(gè)位移判向器〔11〕，由此得到位移方向信號(hào)。
計(jì)算機(jī)接口板〔5〕同時(shí)采集以上載荷信號(hào)，位移信號(hào)和位移方向信號(hào)并暫存起來(lái)，然后分別將這三個(gè)信號(hào)傳送給微機(jī)〔6〕，傳送完這三個(gè)信號(hào)后就處于等待狀態(tài)；經(jīng)過(guò)19ms再進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)采集和傳送，如此循環(huán)不已。抽油桿的運(yùn)動(dòng)是比較緩慢的，19ms的采樣時(shí)間間隔已能很好地反應(yīng)抽油桿的載荷和位移的變化。以上這樣安排，微機(jī)〔6〕可在任何時(shí)間接收數(shù)據(jù)，而不必考慮發(fā)送與接收間的同步問題。計(jì)算機(jī)接口板〔5〕設(shè)計(jì)時(shí)考慮到凡是與IBM微機(jī)兼容的微機(jī)都可使用這塊計(jì)算機(jī)接口板〔5〕。
微機(jī)〔6〕的計(jì)算分析軟件的主要工作是求解偏微分方程式。圖4是求解偏微分方程的程序框圖。自動(dòng)循環(huán)求解出某級(jí)直至最末級(jí)抽油桿下端的載荷函數(shù)和位移函數(shù)，經(jīng)以下各主要步驟自動(dòng)循環(huán)求出(1)把地面光桿的位移函數(shù)U(t)和動(dòng)載荷函數(shù)D(t)輸入；(2)用FFT(快速富氏變換)求出位移函數(shù)U(t)和動(dòng)載荷函數(shù)D(t)的各富氏系數(shù)；(3)將求得各富氏系數(shù)的位移函數(shù)U(t)和動(dòng)載荷函數(shù)D(t)做為邊界條件，解出新的位移函數(shù)U(x1，t)的各富氏系數(shù)和新的載荷函數(shù)F(x1，t)的各富氏系數(shù)；(4)用反FFT求出新的位移函數(shù)U(x1，t)和新的載荷函數(shù)F(x1，t)，即第一級(jí)抽油桿下端的位移函數(shù)和載荷函數(shù)；以下(5)、(6)、(7)為重復(fù)以上(2)、(3)、(4)步驟，即(5)用FFT求出位移函數(shù)U(x1，t)和載荷函數(shù)F(x1，t)的各富氏系數(shù)；(6)解出新的位移函數(shù)U(x2，t)和新的載荷函數(shù)F(x2，t)的各富氏系數(shù)；(7)用反FFT求出新的位移函數(shù)U(x2，t)和新的載荷函數(shù)F(x2，t)，即第二級(jí)抽油桿下端的位移函數(shù)U(x2，t)和載荷函數(shù)F(x2，t)；依此類推，循環(huán)進(jìn)行，可得某級(jí)直至最末級(jí)抽油桿下端的位移函數(shù)和載荷函數(shù)。
本實(shí)用新型總的對(duì)光桿載荷和位移測(cè)量精度優(yōu)于2％。載荷量程為7噸和9噸兩種，位移量程為6米。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是全部采用國(guó)產(chǎn)的傳感器；總的對(duì)光桿載荷和位移的測(cè)量精度也高；整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)操作方便簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)安裝停工時(shí)間也短；對(duì)操作人員的技術(shù)素質(zhì)要求較低；并且價(jià)格相對(duì)很便宜。
微機(jī)〔6〕接收數(shù)據(jù)后要進(jìn)行一系列數(shù)據(jù)處理工作，在程序設(shè)計(jì)時(shí)考慮了以下因素(1)本系統(tǒng)要在采油現(xiàn)場(chǎng)測(cè)取數(shù)據(jù)，并解算偏微分方程，這些工作要求有較高速度，故解算偏微分方程的程序采用機(jī)器語(yǔ)言的程序。
(2)考慮程序能適用于任何與IBM微機(jī)兼容的微機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種確定石油抽油井工作狀況的數(shù)字示功儀，將有桿泵的抽油桿看作傳輸導(dǎo)體，用載荷傳感器[3]和位移傳感器[4]在地面光桿上接收每一瞬間的載荷和位移信號(hào)；兩種傳感器產(chǎn)生的信號(hào)數(shù)字化后，連同一些油井?dāng)?shù)據(jù)(抽油桿長(zhǎng)度、重量、截面積等等)提交微機(jī)[6]運(yùn)算處理，得到抽油桿任一深度的瞬間的載荷和位移數(shù)據(jù)；應(yīng)用繪圖儀[7]得到這些位置的示功圖，本實(shí)用新型的特征是(1)用油壓千斤頂[2]將光桿載荷轉(zhuǎn)換為油壓力，再將油壓力傳遞給一個(gè)由電阻應(yīng)變式液壓力傳感器組成的載荷傳感器[3]；(2)采用由光電增量編碼器和卷繩輪系組成的位移傳感器[4]；(3)采用計(jì)算機(jī)接口板[5]把兩種傳感器輸出變換成數(shù)字信號(hào)；(4)由地面光桿動(dòng)載荷函數(shù)D(t)和地面光桿位移函數(shù)U(t)輸入，靠求解偏微分方程程序，自動(dòng)循環(huán)求解出某級(jí)抽油桿下端的載荷函數(shù)和位移函數(shù)。
2.按權(quán)利要求
1所述的數(shù)字示功儀，其特征是計(jì)算機(jī)接口板〔5〕由模數(shù)轉(zhuǎn)換器〔9〕、位移計(jì)數(shù)器〔10〕、位移判向器〔11〕、數(shù)據(jù)緩沖器〔12〕、中央處理器〔13〕、只讀存貯器〔14〕和RS232接口〔15〕組成；同時(shí)采集載荷信號(hào)、位移信號(hào)和位移方向信號(hào)，并暫存起來(lái)，然后分別傳送給微機(jī)〔6〕，送完這三個(gè)信號(hào)后處等待狀態(tài)，經(jīng)19ms再進(jìn)行下一次采集，如此循環(huán)不已。
專利摘要
本實(shí)用新型公開一種確定石油抽油井工作狀況的抽油井?dāng)?shù)字示功儀，屬石油鉆采測(cè)試技術(shù)。使用國(guó)產(chǎn)傳感器測(cè)出有桿抽油泵地面光桿的載荷和位移信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)接口板處理后，用微機(jī)進(jìn)行計(jì)算，得到抽油桿任一深度的載荷和位移，由此繪出井下任一深度的示功圖。本測(cè)試系統(tǒng)操作方便、簡(jiǎn)單、精度高和成本低。
文檔編號(hào)E21B47/12GK87205901SQ87205901
公開日1988年4月20日 申請(qǐng)日期1987年3月31日
發(fā)明者陸耀楨, 陳建明, 周鴻康, 李天保 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan