游梁式抽油机井工况监测仪及监测方法

技术领域

本发明涉及工况监测设备，具体涉及一种游梁式抽油机井工况监测仪及监测方法。

背景技术

在油田中大量使用游梁式抽油机，运行中的抽油机需要随时了解其工况才能做出合理的工况调整或修井作业，而工况最直接的反映方式是由一种叫做“示功图”的曲线测量，该曲线可以表达抽油机井下供液情况及机杆泵的工作状况。传统的示功图测量方式是将测力传感器安装在抽油机炉头端的悬绳器上，以测量力的变化及悬点位移参数，然后合成示功图。由于悬点位置有数以顿计的力，因此安装、拆卸及井况的异常变化对测力传感器冲击非常大，因此极易损坏，再者抽油机的维护周期都比较短，在维修时也容易产生人为损坏，因此需要一种能够直接观测游梁式抽油机井工况，又可规避重力冲击及修井作业干扰引起损坏的工况监测仪。

发明内容

本发明的目的在于提供一种游梁式抽油机井工况监测仪及监测方法，该仪器安装在游梁上，能够有效回避悬点载荷冲击及施工作业干扰的问题，提高仪器的使用寿命和可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种游梁式抽油机井工况监测仪，包括：应变模块，包括应变测量单元和角位移测量单元，所述应变测量单元包括应变感测端；所述应变模块磁吸式地安装在游梁式抽油机的游梁的下端；力臂支架，包括力臂、第一连接部和第二连接部，所述力臂上间隔设有多个凹槽，所述第一连接部固连在所述力臂的一端，所述第二连接部固连在所述力臂的另一端，所述第一连接部磁吸式地安装在所述游梁的下端，所述第二连接部上可拆卸地安装有配重砝码；测力杆，包括杆部和球头端，所述杆部上具有螺纹并螺接有双滚花螺母，所述杆部通过所述双滚花螺母固定在所述力臂的凹槽上；所述球头端连接在所述杆部的一端，所述球头端与应变感测端是磁耦合连接；其中，所述应变感测端是面向所述力臂支架，所述应变模块比力臂支架更靠近所述游梁式抽油机的驴头，所述第二连接部是向远离所述驴头方向延伸。

在一实施例中，所述应变模块磁吸式地安装在所述游梁的下端中线位置，所述力臂支架磁吸式地安装在所述游梁的下端中线位置。

在一实施例中，所述应变模块的顶部设有磁钢，所述应变模块通过该磁钢吸附在所述游梁的下端。

在一实施例中，所述第二连接部的顶部设有磁钢，所述第二连接部通过该磁钢吸附在所述游梁的下端。

在一实施例中，所述力臂支架整体呈“Z”型。

在一实施例中，所述应变测量单元和角位移测量单元安装于一模块盒内，并使所述应变感测端位于该模块盒的外侧。

在一实施例中，还包括与应变模块电性连接的无线通讯模块，用于传输所述应变模块测量测得的数据。

一种游梁式抽油机井工况监测方法，包括：安装步骤：在游梁式抽油机停止运行时，安装如上述的游梁式抽油机井工况监测仪；调试步骤：调整所述双滚花螺母在所述杆部的位置，进而使所述应变测量单元在初始测量值处于预设范围；运行所述游梁式抽油机，并基于所述应变模块测量的数据合成示功图，并获取该示功图的失真情况；根据所述示功图的失真情况选择性地调整所述配重砝码的位置或重量或者调整双滚花螺母在力臂上的位置；运行步骤：基于调试完成的游梁式抽油机井工况监测仪，监测抽油机井的工况。

在一实施例中，所述“根据所述示功图的失真情况选择性地调整所述配重砝码的位置或重量或者调整双滚花螺母在力臂上的位置”的步骤包括：通过调整所述配重砝码的重量，以补充示功图的倾斜失真；通过调整所述配重砝码的位置，以补偿示功图的上下端跨度失真；通过调整所述双滚花螺母在所述力臂上的上下位置，以补偿示功图的倾斜失真。

在一实施例中，所述“预设范围”为所述应变测量单元的最大量程的三分之一。

本发明的优点在于：

本发明提供的游梁式抽油机井工况监测仪及监测方法，采用间接测量油井负荷变化，回避了仪器安装在悬点的高危位置，减少安装、运行过程中的重力冲击引起仪器的损坏，提高抽油机井工况监测的长期可靠性。

进一步地，通过角位移测量单元可以宽泛的测量出抽油机的冲次，也可通过角度比例出悬点的冲程。

进一步地，该仪器实现了磁钢吸附的快速安装调试方式，具有更好的可操作性及可维护性，无需电焊等操作。

进一步地，力臂支架采用Z型结构并加装配重砝码可以补偿游梁和驴头非均质引起的示功图的图形失真。

进一步地，该仪器为微功耗设计，可以电池供电方式长期运行。数据传输为无线方式，传输协议可通用或自定义。

附图说明

图1是本发明的一种游梁式抽油机井工况监测仪的主要结构。

图2是典型的游梁示功图。

图3是在力臂支架上增加了配重砝码测得游梁示功图。

图4是通过调整配重砝码的重量得到下倾适中的游梁示功图。

图5是一种偏心配重方式测得的游梁示功图。

图6是另一种偏心配重方式测得的游梁示功图。

图7是调整了测力杆在力臂上的连接位置测得的游梁示功图。

图8是本发明实施例定型后的游梁示功图。

具体实施方式

本发明提供的游梁式抽油机井工况监测仪是应用于游梁式抽油机的工况监测。该仪器是安装在抽油机的游梁上，能够实现回避悬点载荷冲击及施工作业的干扰，从而提高仪器的使用寿命和可靠性。以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

参阅附图1，图1示例性示出了一种游梁式抽油机井工况监测仪的主要结构。如图1所示，本发明提供的游梁式抽油机井工况监测仪包括应变模块2、力臂支架3和测力杆4。

应变模块2包括应变测量单元和角位移测量单元。应变测量单元包括应变感测端6。应变感测端6为一磁钢构件且面向力臂支架3。应变模块2磁吸式地安装在游梁式抽油机的游梁1下端的中线位置。具体地，应变模块2的顶部设有磁钢7，应变模块2通过该磁钢7吸附在游梁1的下端中线位置。应变测量单元可以是应变式测力传感器，用于测量测力杆4的力参数。角位移测量单元用于测量游梁1的角位移。本实施例中，应变测量单元和角位移测量单元安装于一模块盒内，并使应变感测端6位于该模块盒的外侧，以便于携带、安装。

力臂支架3包括力臂31、第一连接部32和第二连接部33。力臂支架3整体呈“Z”型，即力臂31、第一连接部32和第二连接部33呈“Z”型连接。力臂支架3磁吸式地安装在游梁1的下端中线位置。具体地，在力臂31上间隔设有多个凹槽34。第一连接部32固连在力臂31的一端，第二连接部33固连在力臂31的另一端。第一连接部32磁吸式地安装在游梁1的下端，更为具体地，第一连接部32的顶部通过螺栓连接有磁钢7，第一连接部32通过该磁钢7吸附在游梁1的下端，进而使力臂支架3吸附在游梁1下端。第二连接部33上可拆卸地安装有配重砝码5，例如配重砝码5通过螺栓安装在第二连接部33上。其中，应变模块2比力臂支架3更靠近游梁式抽油机的驴头，第二连接部33是向远离驴头方向延伸。需要说明的是，该力臂支架3可以是一体成型的钣金折弯件，即力臂31、第一连接部32和第二连接部33为一体成型。当然，该力臂支架3也可以是由力臂31、第一连接部32和第二连接部33组装连接而成。本发明对于该力臂支架3中各部件的连接形式不作限制。

测力杆4包括杆部41和球头端42。杆部41上具有螺纹并螺接有双滚花螺母43，即双滚花螺母43在杆部41上的位置可调，将双滚花螺母43旋近球头端42则游梁形变值截距变小，双滚花螺母43旋远球头端42游梁形变值截距变大，据此可调节游梁载荷形变值的初始截距。另外杆部41可通过双滚花螺母43固定在力臂31的凹槽34上。球头端42连接在杆部41的一端，球头端42与应变感测端6是磁耦合连接，如此，球头端42和应变感测端6可以任意角度连接，无需完全在同一轴线上。双滚花螺母43与球头端42间的距离越长则测得示功图分辨率越高，即所能测量的形变越大。二者合理的距离可以确定游梁式抽油机井工况监测仪量程范围，本实施例中，测力杆4长250mm，经过现场试验，基本适合3-14型的游梁抽油机。

可选地，游梁式抽油机井工况监测仪还包括与应变模块电性连接的无线通讯模块，用于传输应变模块测量测得的数据。

本发明实施例还提供一种游梁式抽油机井工况监测方法，该方法包括：

1)安装步骤：在游梁式抽油机停止运行时，安装如上述的游梁式抽油机井工况监测仪。具体地，游梁式抽油机停止运行，将应变模块2吸附在游梁1前臂下端的中线位置，再将力臂支架3吸附在与应变模块2对应的中线位置，应变模块2相对靠近游梁式抽油机的驴头(前端)，力臂支架3相对靠近游梁式抽油机尾端(中轴)。两者的距离以测力杆4长度为参考，测力杆4的球头端42吸附在应变测量单元的应变感测端6中心，另一端由双滚花螺母43夹持在力臂31的凹槽34上。

2)调试步骤：调整双滚花螺母43在杆部41的位置，进而使应变测量单元在初始测量值处于预设范围。该范围可以根据应变测量模块最大测量量程设置。例如，可以使应变测量单元的初始测量值为最大量程的三分之一。本实施例中，应变测量单元具有调试插座并且测得的力参数为电压值，通过插上万用表进行电压测量，调整测力杆4的双滚花螺母43位置，双滚花螺母43旋近球头端42则游梁形变值截距小，旋远球头端42则游梁形变值截距大，应变测量单元的量程为2.5V，截距在三分之一处既初始测量值为0.8-1V较为合适，调整好截距后即可让抽油机运行。

运行游梁式抽油机，并基于应变模块2测量的数据合成示功图，并获取该示功图的失真情况。根据示功图的失真情况选择性地调整配重砝码5的位置或重量或者调整双滚花螺母43在力臂31上的凹槽位置。

具体地，在游梁上测得的示功图以下简称游梁示功图，在光杆上测得示功图以下简称光杆示功图。游梁示功图会产生几何失真，其失真的大小与游梁式抽油机的前臂长、驴头重有很大关系，对于较长的前臂较小的驴头失真小，反之则大。只有除去驴头重量的影响，游梁示功图才能非常接近光杆示功图。

游梁示功图的实际测试中，游梁受力形变基本正比于光杆所受的力的大小，由于驴头自重的缘故，影响了游梁的均质性质，致使游梁的形变除了光杆力以外，还有驴头重量的附加值。为了消除驴头重量对游梁形变的附加影响，采用支撑配重的臂长及角度变化，来平衡驴头的附加重。换言之，为了补充游梁示功图的几何失真，可以通过调整配重砝码的重量，以补充示功图的倾斜失真。可以通过调整配重砝码的位置，以补偿示功图的上下端跨度失真。可以通过调整双滚花螺母在力臂上的上下位置，以补偿示功图的倾斜失真。通过调试后可以得到合适的示功图。下面结合附图，说明几种游梁示功图的失真情况。

参阅附图2，图2是典型的游梁示功图。力臂支架上没有安装配重砝码，其显著的几何失真特点之一是示功图整体上翘，特点之二是下死点增益低、上死点增益高，并且图形显示下窄上宽。

参阅附图3，图3是在力臂支架上增加了配重砝码测得游梁示功图。可以看出，游梁示功图的整体形状由上翘变为下倾，只是倾的有些过了，说明配重砝码能够起到补偿功图上翘作用，而且配重太重能够导致过补偿。

参阅附图4，图4是通过调整配重砝码的重量得到下倾适中的游梁示功图。现场试验中，游梁示功图的倾角可以任意补偿，上翘、水平、下倾都可以实现。说明合理的配重可以补偿游梁示功图的上翘失真。但是游梁示功图下窄上宽的问题依然存在。

参阅附图5，图5是一种偏心配重方式测得的游梁示功图。配重砝码是安装第二连接部上，而第二连接部是朝向驴头方向延伸。此时，游梁示功图下窄上宽的失真依然明显，并没有得到校正，说明偏心方向有误。

参阅附图6，图6是另一种偏心配重方式测得的游梁示功图。配重砝码向远离驴头方向移动。此时的游梁示功图的下窄上宽失真得到有效的补偿，说明配重砝码合理的沿第二连接部长度方向水平移动可以校正游梁示功图的倾角失真，适当的配重偏心则可补偿上下死点的增益失真。据此，对于不同的抽油机机型可选择合适的补偿位置。

参阅附图7，图7是调整了测力杆在力臂上的连接位置(凹槽)测得的游梁示功图。测力杆为偏近配重砝码，可以看出游梁示功图有明显的下倾，说明测力杆距离配重砝码越近游梁示功图越向下倾斜，反之则越向上倾斜。这样调整测力杆在力臂上的连接位置就可以校正示功图的倾斜失真。

参阅附图8，图8是本发明实施例定型后的游梁示功图。该游梁示功图的形状非常接近光杆示功图。

3)运行步骤：基于调试完成的游梁式抽油机井工况监测仪，监测抽油机井的工况。

综上，本发明提供的游梁式抽油机井工况监测仪，利用游梁的形变正比于悬点的负荷变化，因此也可通过游梁的形变比例出传统的光杆上悬绳器的负荷变化。游梁的形变可变现为桡度(弯曲)变化或两定点之间的距离变化，当悬点的重力变化时，游梁的桡度或定点距离也会随之比例改变。本发明提供的游梁式抽油机井工况监测仪是由两定点之间的距离微应变而获得力参数。在本实施例中具体表现为力臂支架和应变感测端之间的距离微应变，测力杆对应变式测力传感器所施加的力变化，即两点距离变短会引起挤压，增大力参数，两点距离变长引起拉伸，减小力参数。再角位移测量单元(角位移芯片)同步测量的角位移参数，因此能够合成游梁示功图。并可从图中可以直观的判断该井的泵液的饱满程度、是否抽空、液击、碰泵、出工作筒等工况，另外，该仪器还能得到游梁式抽油机的冲程、冲次、工作时率及震动数据等参数，属于一款多参数的工况监测仪。该仪器还可安装温度测量单元，以同时获取环境温度参数。在使用标准测力传感器现场标定后，本仪器测量效果可等同于悬点测量效果。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“前”、“后”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。