一种抽油杆管侧向力测试装置

1.本实用新型涉及油杆机械采油领域，具体涉及一种抽油杆管侧向力测试装置。


背景技术：

2.在石油行业中，油杆机械采油是当前世界采油行业中应用最广泛的技术。而在实际采油过程中，抽油杆进行上下往复的周期性运动时，抽油杆与油管内管壁之间产生挤压摩擦，经常导致抽油杆与油管之间发生偏磨。这种偏磨问题不仅降低了抽油杆的强度，甚至会导致油杆断裂、油管壁磨穿等故障。随着我国大部分油田进入开发中后期，油井受原油含水量高、腐蚀液增加、井斜等诸多因素的影响，井下管杆偏磨现象越来越严重，导致管漏杆断现象增加、修井率逐步上升、作业成本增加，从而使油田的生产经济效益受到严重影响。目前，国内外针对防偏磨措施的研究大致有杆管结构材质优化、杆管涂防磨层、各类旋转器或扶正器等，但由于对形成偏磨的具体力学参数不清晰，致使这些措施都未能从根本上解决偏磨问题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本实用新型为解决上述技术问题，提供一种可进行抽油杆管侧向力测量的抽油杆管侧向力测试装置。
4.本实用新型的目的通过以下技术方案实现：
5.一种抽油杆管侧向力测试装置，包括密封护套、基体护套、磁环阵列、用于测量抽油杆和油管之间侧向力的侧向力检测部件、紧固部件，侧向力检测部件上设有侧向力传递块，还包括与侧向力检测部件电连接的硬件电路系统，硬件电路系统接收处理侧向力检测部件2发出的检测信号并与上位机实时通讯。
6.基体护套为圆筒结构，包括分别于油管连接的细端和粗端；基体护套可连接与两个油管之间，抽油杆可以从中间穿过；
7.密封护套套在基体护套的细端外，密封护套与基体护套的细端之间设有二级o型密封圈密封，形成一放置硬件电路系统的环形密封空间；
8.侧向力检测部件设于基体护套的粗端内侧，紧固部件安装与基体护套的粗端上并对侧向力检测部件进行固定密封；
9.磁环阵列嵌入安装在基体护套内，磁环内径大于基体护套内腔内径，保证抽油杆与磁环之间留有一定空隙；
10.侧向力检测部件外壁中间区域均匀分布有上下两周互相平行的多个圆柱体侧向力传递模块，侧向力传递块的顶部安装有压阻式压力传感器，构成应力检测点；当侧向力传递块受到油井杆传递来的力发生形变时，检测块内部的柱塞也随之上下运动，经过液压油将侧向力传递到压力传感器；硬件电路系统与压力传感器连接，将测得的侧向力经过a/d转换传送到单片机。
11.进一步的，硬件电路系统包括整流稳压电路、储能电路、信号检测电路、信号调理
电路、主控电路、数据存储电路、串行通信电路以及电源电路；所述整流稳压电路包括整流电路及稳压电路，整流电路与感应线圈串行连接，将感应线圈产生的交流电转化为直流电，一部分供给储能电路进行储能，另一部分供给稳压电路，给整个硬件电路系统提供稳定的电能供应；所述储能电路采用超级电容进行储能，超级电容储能容量大并且效率较高，能够满足井下电能的供应；所述信号检测电路通过信号调理电路与主控电路连接，所述数据存储电路与串行通信电路分别与主控电路连接。
12.进一步的，侧向力检测部件外壁中间区域内均匀分布有上下两周互相平行的4个圆柱体侧向力传递模块，相邻两个侧向力传递块的夹角为90
°
。
13.进一步的，所述磁环阵列采用halbach阵列，在井下复杂的环境下，保证在径向方向产生足够大的磁场，并且采用两组方向相反的阵列最为一个磁组。
14.进一步的，所述侧向力检测模块由一个圆柱体构成，圆柱体内部从下到上分别设有滑动柱塞、液压传动油、传感器安装底座，所述检测模块顶部预留有传感器电源以及信号线接口，所述柱塞与圆柱体之间采用二级o型圈进行密封，所述圆柱体内腔粗糙度精度要求n2等级，保证柱塞与所述检测块内腔之间的密封，所述液压油充满柱塞与传感器构成的密封空间。
15.进一步的，所述侧向力检测块的外壁一周贴有应变片组，每隔1度贴放一个应变片，每个应变片设计角度为2度，共贴放120组应变片，所述应变片的贴放方向一致，每个应变片通过惠斯登电桥将测得的电阻值转化为电压值，然后将储据传送到单片机进行处理，具体的，将测得的120组数据进行处理，求出电压值变化率最大的一组，即可求出抽油杆的偏磨方向。
16.进一步的，所述信号调理电路包括仪表放大器及设置于仪表放大器前端的差分rc滤波电路。
17.本实用新型还提供一种测试油井杆管侧向力的测试方法，包括：首先在没有侧向力的情况下，判断所述四个侧向力传递块内活塞的位置，据此计算出在此情况下压力传感器的输出信号，补偿压力传感器带来的零点误差，提高测量精度；在有侧向力的作用下，通过侧向力传递块将侧向力传递到活塞上，带动活塞上下运动，活塞运动带动密封空间体积变化，通过液压油将侧向力传递到压力传感器，进而测得侧向力分力；通过应变片组将抽油杆的偏磨转化为应变片阻值的变化，在单片机中求得阻值变化率最大的一组即可测得抽油杆的偏磨方向，最后利用三角形定则，将测得的分力转化为合力，即可测得抽油杆管之间的侧向力。
18.进一步的，假设所述柱塞表面积，所述接触块表面积，柱塞表面压力为，则侧向力分力为，通过采集压力传感器测得的压力值，即可获得侧向力的径向分量和轴向分量，然后在单片机内进行力的合成即可测的抽油杆管的侧向力，即。
19.本实用新型相较于现有技术的有益效果是：
20.本实用新型的抽油杆管侧向力测试装置，可以对井下杆管偏磨时产生的侧向力进行准确测量，能够满足实际测量需求，将为杆管偏磨的防治研究提供直接依据，有利于工艺
人员研究杆管摩擦规律以及对各种防偏磨措施的实际效果进行评估，对保证油田正常生产和提高经济效益具有重要作用。
附图说明
21.图1为抽油杆管侧向力测试装置机械部件结构示意图。
22.图2为抽油杆管侧向力测试装置基体护套（1）机械结构示意图。
23.图3为抽油杆管侧向力测试装置检测部件轴向截面图。
24.图4为抽油杆管侧向力测试装置检测部件径向图。
25.图5为抽油杆管侧向力测试装置硬件电路系统结构图。
26.图6为抽油杆管侧向力测试装置halbach磁环阵列（13）。
具体实施方式
27.为了便于本领域技术人员理解，下面将结合具体实施例子及附图对本实用新型抽油杆管侧向力测试装置作进一步详细描述。
28.请参考图1-图6，本实用新型实施例。
29.整个抽油杆管侧向力测试装置包括机械部件、电路系统，其中，机械部件参照实际油管接箍连接形式设计，固定于井下两段油管之间，侧向力测试装置接受抽油杆的挤压摩擦并把产生的机械形变传递给侧向力检测部件2，同时抽油杆的上下往复运动，带动线圈切割磁感线产生电压，为放置在密封仓内的硬件电路系统提供电能供应；硬件电路系统主要对产生的电能进行稳压整流储能，将压力传感器测得的电信号进行滤波放大，转化为单片机可以采集的模拟信号，并且承担与上位机的数据通讯工作。
30.本实用新型设计的抽油杆管侧向力测试装置机械部件包括密封护套3、磁环阵列1313、基体护套11、紧固部件44、侧向力检测部件22上设有侧向力传递块55，侧向力传递块54由三部分组成，分别是柱塞7、传动液压油8、压力传感器9，具体如图1所示。
31.具体的，基体护套1作为侧向力测试装置机械部件的主体，采用uptbg管螺纹连接上下两截相同油管，侧向力检测部件2内置在基体护套1中，同时所述基体护套1尾部与外界直接接触，保护内部侧向力检测部件2，其机械结构如图2所示。基体护套1一端为 up tbg外管螺纹10与油管的up tgb内管螺纹连接；另外一端设计为up tgb内管螺纹11与油管的外管螺纹连接；其细端内径尺寸略大于抽油杆尺寸，以保证应力检测部件与抽油杆之间的正常摩擦接触。同时，基体护套1细端法兰处12设计二级o型密封圈，进一步与密封护套组成环形密封空间，用于安装硬件电路系统，保护其不受干扰。
32.侧向力检测部件2放置在基体护套1内，由紧固部件4进行固定密封，侧向力检测部件2外壁中间区域内均匀分布有上下两周互相平行的4个圆柱体侧向力传递块5a、b、c、d，相邻两个侧向力传递块5的夹角为90
°
，其机械结构示意图如图3、4所示。
33.检测部件是整个侧向力测试装置的核心，起着接受应力作用并检测应力大小的作用。为保证应力检测部件的耐磨性，选择其材质耐磨性要高于油管材质。在侧向力检测部件2两端设计二级o型圈密封，保证内部电路正常工作。侧向力检测部件2内部中间位置设计有大约10mm宽度的环形区域且其内环半径小于两端半径，以保证检测部件与抽油杆的正常摩擦接触，有利于检测部件高效接受侧向力作用，从而提高测试仪的灵敏度。
34.侧向力传递块5采用一端密封的空心圆柱体结构，当侧向力传递块5受力时，其内部柱塞由于受力放生运动，通过液压传动油将压力传递到压力传感器，通过压力传感器将侧向力转化为压力，传递到后续处理电路，所述柱塞与圆柱体内壁之间设有两道o型密封圈，确保液压油所在空间的密闭性。
35.使用侧向力测试装置进行测试的方法为：侧向力测试装置被连接在井下两段抽油管之间，抽油杆在测试仪内部往复运动且当抽油杆与侧向力检测部件2内壁在某一径向方向上发生偏磨挤压时，侧向力检测部件2上的侧向力传递块5随即在同方向上与测试仪基体护套1产生挤压，抽油杆与侧向力检测部件2偏磨挤压产生的径向侧向力随即被传递到侧向力传递块5上,侧向力传递块5将测得的侧向力转化为压力通过压力传感器将电信号送到单片机进行处理，即压力值即为侧向力的径向和轴向分量。利用应变片组将抽油杆的偏磨转化为应变片阻值的变化，通过惠斯登电桥将测得的电阻值转化为电压值送到单片机中进行处理，具体的将测得的120组数据存储，求出每组数据的变化率，变化率最大的一组数据即为抽油杆的偏磨方向。最后，通过三角形定则，将径向分量和轴向分量合成，即可求出抽油杆管之间的侧向力。
36.硬件电路系统被安装在密封护套与基体护套1细端组成的环形密闭空间内，其主要包括信号检测电路11、信号调理电路12、主控电路13、数据存储电路14、串行通信电路15、电源电路16、整流稳压电路17、储能电路18，如图5所示，其各部分电路设计如下。
37.1信号检测与处理电路将传感器测得的电信号进行滤波放大转化为单片机可以采集的电压信号，信号调理电路放大电路采用adi公司仪表放大器ad8231，对噪声环境中传感器输出的微弱信号进行放大。但仪表放大器在应用时会出现较强的射频信号，因此放大器前端设计一个差分rc滤波电路，以对射频信号进行衰减，从而抑制放大电路中的射频干扰误差。
38.2主控电路选择ti公司单片机msp430f5438作为主控芯片，该单片机在8mhz时钟频率下耗电仅290ua，符合井下特殊环境下的工作需求，所述主控芯片负责整个电路系统的协调控制与信号a/d转换，可完成应力参数的a/d转换以及检测井下仪器的工作温度参数。
39.3数据存储电路将经过单片机运算和补偿处理之后的数据存储在flash存储器中，存储芯片选用numonyx公司n25q128芯片。
40.4电源电路采用ams公司的ams1117稳压芯片，将输出电压稳定到3.3v为后续电路供电；整流电路采用全波整流电路将线圈产生的交流电转化为直流电供给后续电路。
41.5储能电路采用两组并联的超级电容组储能，每一组超级电容组串联两个超级电容，每个电容器串联一个均压电阻，保证分压均匀防止某个超级电容的电压值过高而损坏。
42.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语诸如
ꢀ“
上”、“下”、“前”、“后”、
ꢀ“
左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
43.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个
以上， 除非另有明确具体的限定。
44.虽然对本实用新型的描述是结合以上具体实施例进行的，但是，熟悉本技术领域的人员能够根据上述的内容进行许多替换、修改和变化、是显而易见的。因此，所有这样的替代、改进和变化都包括在附后的权利要求的精神和范围内。

技术特征：
1.一种抽油杆管侧向力测试装置，其特征在于，包括密封护套（3）和基体护套（1）、磁环阵列（13）、用于测量抽油杆和油管之间侧向力的侧向力检测部件（2）、紧固部件（4），侧向力检测部件（2）上设有侧向力传递块（5），还包括与侧向力检测部件（2）电连接的硬件电路系统，硬件电路系统接收处理侧向力检测部件（2）发出的检测信号并与上位机实时通讯；所述基体护套（1）为圆筒结构，包括分别与油管连接的细端和粗端；基体护套（1）连接在两个油管之间，抽油杆可从基体护套（1）中间穿过；密封护套套在基体护套（1）的细端外，密封护套与基体护套（1）的细端之间设有二级o型圈密封，形成密封的环形电路仓存放硬件电路；侧向力检测部件（2）设于基体护套（1）的粗端内侧，紧固部件（4）安装在基体护套（1）的粗端上并对侧向力检测部件（2）进行固定密封；侧向力检测部件（2）外壁中间区域均匀分布有上下两周相互平行的四个圆柱形侧向力传递块（5），所述侧向力传递块（5）采用液压柱塞式，所述侧向力传递块（5）顶部安装压阻式压力传感器，传感器与柱塞之间的环形密闭空间充满液压传动油。2.根据权利要求1所述的抽油杆管侧向力测试装置，其特征在于，所述磁环选用halbach阵列，嵌入在基体护套（1）内，所述磁环内径大于基体护套（1）内径，确保抽油杆与磁环之间留有一定间隙，所述磁环阵列（13）采用十组，每组磁环产生两个大小相等方向相反的磁感线；线圈按轴向以矩形的方式缠绕在抽油杆四周，缠绕多匝线圈，线圈以串联的方式接入整流电路，确保抽油杆上下运动过程中产生足够的电能。3.根据权利要求1所述的抽油杆管侧向力测试装置，其特征在于，基体护套（1）的细端设有uptbg外管螺纹与油管的内管螺纹连接；基体护套（1）的粗端设有uptbg内管螺纹与油管的外管螺纹链接，所述基体护套（1）的细端内径尺寸大于油管尺寸，以保证侧向力检测部件（2）与抽油杆之间的正常摩擦接触。4.根据权利要求1所述的抽油杆管侧向力测试装置，其特征在于，在检测部件的外壁上每隔一度分别设有六十组应变片，每个应变片的角度为五弧度。5.根据权利要求1所述的抽油杆管侧向力测试装置，其特征在于，侧向力检测部件（2）内部中间位置设有9~10mm宽的环形区域，且侧向力检测部件（2）的内环半径小于两端半径，以保证侧向力检测部件（2）与抽油杆的正常摩擦接触。6.根据权利要求1所述的抽油杆管侧向力测试装置，其特征在于，硬件电路系统包括整流稳压电路、储能电路、信号检测桥路、信号调理电路、主控电路、数据存储电路、串行通信电路；所述整流稳压电路将线圈产生的交流电压进行整流稳压,一部分提供给后续电路供电，一部分给储能电路充电，当线圈不产生电压时，储能电路给后续电路供电；所述信号检测桥路通过信号调理电路与主控电路连接，所述数据存储电路与串行通信电路分别与主控电路连接，采用稳压储能电路分别给信号检测桥路、信号调理电路、数据存储电路、主控电路和串行通信电路供电。7.根据权利要求6所述的抽油杆管侧向力测试装置，其特征在于，侧向力检测部件（2）外壁中间区域内均匀分布有上下两周互相平行的4个圆柱体侧向力传递块（5），相邻两个侧向力传递块（5）的夹角为90
°
；每个侧向力传递块（5）的顶部为压阻式压力传感器。8.根据权利要求1所述的抽油杆管侧向力测试装置，其特征在于，所述信号调理电路包括仪表放大器及设置于仪表放大器前断的差分rc滤波电路。

技术总结
本实用新型涉及一种抽油杆管侧向力测试装置，包括密封护套、基体护套、磁环阵列、用于测量抽油杆偏磨角度的应变片组以及测量抽油杆和油管之间侧向力的检测部件、与所述检测部件连接的压力传感器、紧固部件、应变片组，还包括与侧向力检测部件电连接的硬件电路系统，所述硬件电路系统接收处理侧向力检测部件测得的侧向力数据并进行处理，所述硬件电路系统与上位机实时通讯。本实用新型的检测装置可以测得抽油杆与油管内壁接触挤压处的侧向力大小，测量精度高，与上位机实时通讯，对油田杆管偏磨研究和防治具有较好的指导意义。磨研究和防治具有较好的指导意义。磨研究和防治具有较好的指导意义。


技术研发人员：刘宝 尹超 刘书涵 张月
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2021.07.20
技术公布日：2022/5/25