油井杆管侧向力测试仪及测试方法

摘要

本发明提供一种可进行油井杆管侧向力测量的油井杆管侧向力测试仪，包括密封护套、基体护套、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，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发出的检测信号并与上位机通讯。

说明书

技术领域

本发明涉及油杆机械采油领域，具体涉及一种油井杆管侧向力测试仪及测试方法。

背景技术

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。

发明内容

针对上述内容，本发明提供一种可进行油井杆管侧向力测量的油井杆管侧向力测试仪，包括密封护套、基体护套、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，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发出的检测信号并与上位机通讯；

基体护套为圆筒结构，包括分别与油管连接的细端和粗端；基体护套可连接于两个油管之间，抽油杆可从基体护套中间穿过；

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型圈密封，形成一放置硬件电路系统的环形密封空间；

侧向力检测部件设于基体护套的粗端内侧，紧固部件安装于基体护套的粗端上并对侧向力检测部件进行固定密封；

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多个长方体侧向力传递块，侧向力传递块的侧面粘贴电阻应变片，构成应力检测点；当侧向力传递块受到抽油杆传递来的力发生形变时，其上的电阻应变片也随之发生形变，引起电阻应变片阻值的变化；硬件电路系统与电阻应变片电连接，接收电阻应变片的阻值变化并计算出侧向力。

优选的，基体护套的细端设有UPTBG外管螺纹与油管的内管螺纹连接；基体护套的粗端设有UPTBG内管螺纹与油管的外管螺纹连接。

优选的，所述基体护套的细端内径尺寸大于油管尺寸，以保证侧向力检测部件与抽油杆之间的正常摩擦接触。

优选的，侧向力检测部件内部中间位置设有9~10mm宽的环形区域,且侧向力检测部件的内环半径小于两端半径，以保证侧向力检测部件与抽油杆的正常摩擦接触。

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个长方体侧向力传递块，相邻两个侧向力传递块的夹角为90°。

优选的，硬件电路系统包括信号检测桥路、信号调理电路、主控制电路、数据存储电路、串行通信电路以及电源电路；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制电路连接，所述电源电路与信号检测桥路、信号调理电路、主控制电路、数据存储电路、串行通信电路连接供电。

进一步的，所述信号检测桥路采用半桥式连接，每个侧向力传递块的2个侧面各贴1片电阻应变片，同一侧向力传递块上的2片应变片串联连接，侧向力检测部件同方向上下2个侧向力传递块的应变片也串联连接，共计4片电阻应变片串联连接构成半桥式电路的一个桥臂，与相对方向上由另外4个串联连接的电阻应变片组成的另一桥壁实现半桥式连接。

优选的，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。

本发明还提供一种测试油井杆管侧向力的测试方法，包括：通过侧向力检测部件采集各侧向力传递块承受的压力并传输至硬件电路系统，硬件电路系统根据检测到有受力的相邻两个侧向力传递块的位置角度判断侧向力方向，并根据受力的相邻两个侧向力传递块承受的压力和，以及两个相邻侧向力传递块间夹角的补角计算其合力，即为油井杆管侧向力。

进一步的，当相邻两个侧向力传递块的夹角为90°时，油井杆管侧向力。

本发明可以对井下管杆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，将为管杆偏磨的防治研究提供直接依据，有利于工艺人员研究管杆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

图1为侧向力测试仪机械部件机构示意图。

图2为侧向力测试仪基体护套机械结构示意图。

图3为侧向力测试仪检测部件轴向截面图。

图4为侧向力测试仪检测部件径向图。

图5为侧向力测试仪硬件电路系统结构图。

图6为信号调理电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施例对本发明进一步说明。

整个侧向力测试仪包括机械部件、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，侧向力测试仪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，同时也为放置在其内部的硬件电路系统提供安装空间和正常工作环境；硬件电路系统主要把侧向力产生的机械应变转换成微弱的桥路电压输出信号，并对电压信号进行滤波、放大、A/D转换、存储等，并承担与上位机的数据通讯等工作。

本发明设计的侧向力测试仪机械部件包括基体护套1、侧向力检测部件2、密封护套3和紧固部件4，侧向力检测部件2上设计有侧向力传递块5，具体如图1所示。

其各部分具体结构设计说明如下：

（1）基体护套：基体护套作为侧向力测试仪机械部件的主体，起着连接上下油管和内置侧向力检测部件的功能，同时与外界直接接触，保护内部侧向力检测部件，其机械结构示意图如图2所示。基体护套一端为 UP TBG外管螺纹与油管的UP TBG内管螺纹连接；另一端设计为UP TBG内管螺纹与油管的外管螺纹连接；其细端内径尺寸略大于抽油管尺寸，以保证应力检测部件与抽油杆之间的正常摩擦接触。同时，基体护套细端法兰处设计二级O型圈密封，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，并保护硬件电路系统不受外部干扰。

（2）侧向力检测部件：侧向力检测部件放置在基体护套内，由紧固部件进行固定密封，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个长方体侧向力传递块A、B、C、D，相邻两个侧向力传递块的夹角为90°，其机械结构示意图如图3、4所示。

侧向力检测部件上的侧向力传递块侧面粘贴专用的电阻应变片。检测部件是整个侧向力测试仪的核心，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。

（3）侧向力传递块：侧向力传递块的侧面粘贴专用的电阻应变片，构成应力检测点。当侧向力传递块受力发生形变时，其上的电阻应变片也随之发生形变，引起电阻应变片阻值的变化。由于侧向力传递块是通过与侧向力基体护套的挤压来产生形变，因此为保证测量的精确度，要求侧向力传递块处的侧向力检测部件外径与基体护套过盈配合，从而实现侧向力检测部件与基体护套的硬接触，使得电阻应变片在近零点附近具有较好的线性度。

使用侧向力测试仪进行测试的方法为：侧向力测试仪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内壁在某一径向方向上发生偏磨挤压时，侧向力检测部件上的侧向力传递块随即在同方向上与测试仪基体护套产生挤压，抽油杆与侧向力检测部件偏磨挤压产生的径向侧向力随即被传递到侧向力传递块上，通过侧向力检测部件采集各侧向力传递块承受的压力并传输至硬件电路系统，硬件电路系统根据检测到有受力的相邻两个侧向力传递块的位置角度判断侧向力方向，并根据受力的相邻两个侧向力传递块承受的压力和，并通过两个相邻侧向力传递块间夹角的补角计算其合力，即为油井杆管侧向力，在此实施例中当相邻两个侧向力传递块的夹角为90°，因此油井杆管侧向力为。

硬件电路系统被安装在密封护套与基体护套细端组成的环形空舱内，其主要包括信号检测桥路21、信号调理电路22、主控制电路23、数据存储电路24、串行通信电路25和电源电路26，如图5所示，其各部分电路设计说明如下。

（1）信号检测桥路：信号检测桥路把电阻应变片的应变阻值转换为微弱的毫伏级电压信号，其桥路连接方式采用半桥式连接；每个侧向力传递块的2个侧面各贴1片电阻应变片，同一侧向力传递块上的2片电阻应变片串联连接，侧向力检测部件同方向上下2个侧向力传递块的应变片也串联连接，共计4片电阻应变片串联连接构成半桥式电路的一个桥臂，与相对方向上由另外4个串联连接的电阻应变片组成的另一桥壁实现半桥式连接。电阻应变片采用日本共和公司的单轴型应变片，阻值大小为350Ω，灵敏系数K=2.03。

（2）信号调理电路：信号检测桥路输出的电压信号与信号调理电路相连并对其进行放大、滤波，把微弱信号放大调整到适合AD采集的电压信号范围。如图6所示，信号调理电路放大电路部分选用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滤波电路端，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。

（3）主控制电路：系统选用ADI公司单片机ADuC845作为主控芯片，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，减少了系统中所用到的芯片数量，较大程度地简化了电路的结构。

（4）数据存储电路：数据存储电路将经过单片机运算和补偿处理之后的数据以及相应的时标数据存储在FLASH存储器中。存储芯片选用Numonyx公司N25Q128芯片

（5）串行通信电路：串行通信电路是测试仪与上位机交换数据的接口电路。

（6）电源电路：电源电路以大容量高温锂电池作为主电源，选用供电芯片ADP7102将主电源电压处理。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。