一种抽油机光杆示功图测试装置、系统及测试方法与流程

本发明属于油田采油技术领域，具体涉及一种抽油机光杆示功图测试装置、系统及测试方法。

背景技术：

示功图是生产过程中取得的至关重要的第一手资料，是一个冲程周期内悬点载荷和位移组成的封闭曲线，包含油井大量的有用信息，它不仅是抽油机井工作状况的“晴雨表”，通过示功图可以判断油井工况，如卡泵、供液不足、断脱、气体影响、脱筒、结蜡等几十种工况，还可以分析计算悬点载荷的大小、冲程损失、抽油机载荷利用率、油井产液量、含水率、动液面等参数。

由于油田的地理环境特殊，分布范围及其广泛，早期示功图测试采用的是便携式示功仪，采用多圈电位器拉线法测位移。便携式示功仪用直径1mm尼龙线在滚轴上多圈缠绕，滚轴连接一个精密多圈电位器，测试时，拉线的一端固定在井口采油树上，多圈电位器随着悬绳器上下运动，拉线带动电位器辊轴转动，电路监测电位器旋转状态，从而测试出悬点与井口位移变化情况。该方法需要人工定期去现场一口井一口井测试，周期长，劳动强度大，时效性不强。由于受尼龙线和电位器的使用寿命限制，其不适合于在线测试。目前，现有的载荷传感器和角位移传感器，自动采集悬点载荷和悬点相对位移，并计算生成光杆示功图，实现油井光杆示功图的远程监控，取代人工测试。但存在以下五个问题，一是载荷、位移传感器存在实时采集不同步，从而不能真实地反映井下的工况。二是安装时需布线、穿管、埋地、施工比较复杂。三是载荷、位移传感器是有线的并且在不同的点安装，又经过信号线接到油井rtu上，存在故障点多，造成系统不稳定因素增多，后期维护工作量增加。四是载荷传感器是有线的，面对大风天气易刮断，修井时易发生损坏。同时井场到处布线，不利于标准化建设。

技术实现要素：

本发明提供了一种一种抽油机光杆示功图测试装置、系统及测试方法，目的在于避免有线造成安装、维护和修井带来的不便，保证采集数据的同步性和准确性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种抽油机光杆示功图测试装置，至少包括驴头、游梁和中央轴承座所述的驴头连接在游梁前端，游梁后端连接在中央轴承座上；还包括井口采集单元、太阳能无线角位移传感器、太阳能无线载荷传感器和加速度计；所述的太阳能无线位移传感器固定在游梁上；太阳能无线载荷传感器设置在抽油机的悬绳器与光杆卡子之间；所述的井口采集单元与太阳能无线角位移传感器和太阳能无线载荷传感器电信号连接；所述的加速度计与中央轴承座对称的设置在游梁上。

还包括电控箱；所述的电控箱分别与太阳能无线角位移传感器、太阳能无线载荷传感器电连接。

所述的井口采集单元包括控制单元rtu、无线通讯模块和rtu供电电源；控制单元rtu与无线通讯模块电信号连接；rtu供电电源与控制单元rtu电连接；无线通讯模与太阳能无线角位移传感器和太阳能无线载荷传感器电信号连接。

所述的太阳能无线角位移传感器至少包括壳体，壳体内设置有12位的a/d转换器、定时器、充电管理电路、锂电池、电源管理电路、低功耗工业单片机和微型无线数传模块，壳体外设置有太阳能电池板，壳体上设置有与低功耗工业单片机连接的usb接口；所述的太阳能电池板通过充电管理电路与锂电池电连接；所述的锂电池通过电源管理电路分别与12位的a/d转换器、定时器、低功耗工业单片机和微型无线数传模块电连接；所述的微型无线数传模块分别与定时器、低功耗工业单片机和井口采集单元电信号连接。

所述的太阳能无线载荷传感器至少包括壳体，壳体内设置有载荷传感器、定时器、充电管理电路、锂电池、电源管理电路、低功耗工业单片机和微型无线数传模块，壳体外设置有太阳能电池板，壳体上设置有与低功耗工业单片机连接的usb接口；所述的太阳能电池板通过充电管理电路与锂电池电连接；所述的锂电池通过电源管理电路分别与定时器、低功耗工业单片机和微型无线数传模块电连接；所述的微型无线数传模块分别与定时器、低功耗工业单片机和井口采集单元电信号连接。

所述的太阳能电池板采用的是6v、100ma、0.6w的太阳能电池板。

一种抽油机光杆示功图测试系统，至少包括一种抽油机光杆示功图测试装置，还包括后台服务器；所述的后台服务器与井口采集单元电信号连接。

一种抽油机光杆示功图测试系统的测试方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤一：井口采集单元接受太阳能无线角位移传感器、太阳能无线载荷传感器传来的载荷和位移随时间的数字信号；

步骤二：井口采集单元的rtu将步骤一获取的载荷和位移随时间的数字信号合成光杆示功图；

步骤三：井口采集单元的rtu在接收后台服务器的轮询扫描，将光杆功图数据传输到后台服务器；

步骤四：台服务器利用接受到的光杆示功图对油井进行监控。

有益效果：

(1)本发明通过太阳能无线角位移传感器、太阳能无线载荷传感器和加速度计，自动采集悬点载荷和悬点相对位移，并计算生成光杆示功图，取代人工测试，节省了人力。有效避免了有线造成安装、维护和修井带来的不便，并且保证了采集数据的同步性和准确性。

(2)本发明设计合理，结构简单。

(3)本发明实现了油井光杆示功图的远程监控。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例，详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明的游梁转角与悬点相对位移示意图；

图3是本发明角位移传感器计算原理示意图。

图中：1-电控箱；2-井口采集单元；3-太阳能无线角位移传感器；4-太阳能无线载荷传感器；5-驴头；6-加速度计；7-游梁；8-中央轴承座。

l为前臂长度，r为驴头弧面半径，y(t)为竖直方向直线运动的位移。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例，详细说明如后。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

参照图1和图2所示的一种抽油机光杆示功图测试装置，至少包括驴头5、游梁7和中央轴承座8所述的驴头5连接在游梁7前端，游梁7后端连接在中央轴承座8上；还包括井口采集单元2、太阳能无线角位移传感器3、太阳能无线载荷传感器4和加速度计6；所述的太阳能无线位移传感器3固定在游梁7上；太阳能无线载荷传感器4设置在抽油机的悬绳器与光杆卡子之间；所述的井口采集单元2与太阳能无线角位移传感器3和太阳能无线载荷传感器4电信号连接；所述的加速度计6与中央轴承座8对称的设置在游梁7上。

在具体应用时，抽油机启动后，井口采集单元2接受太阳能无线角位移传感器3、太阳能无线载荷传感器4传来的载荷和位移随时间的数字信号；井口采集单元2的rtu将获取的载荷和位移随时间的数字信号计算合成光杆示功图。

本发明结构简单、方便可靠，通过太阳能无线角位移传感器3、太阳能无线载荷传感器4自动采集悬点载荷和悬点相对位移，并计算生成光杆示功图，取代人工测试。

实施例二：

参照图1所示的一种抽油机光杆示功图测试装置，在实施例一的基础上，还包括电控箱1；所述的电控箱1分别与井口采集单元2、太阳能无线角位移传感器3、太阳能无线载荷传感器4电连接。

在实际使用时，正常情况下电控箱1为井口采集单元2、太阳能无线角位移传感器3、太阳能无线载荷传感器4供电，保证抽油机光杆示功图测试装置正常运转。

实施例三：

参照图1所示的一种抽油机光杆示功图测试装置，在实施例一的基础上，所述的井口采集单元2包括控制单元rtu、无线通讯模块和rtu供电电源；控制单元rtu与无线通讯模块电信号连接；rtu供电电源与控制单元rtu电连接；无线通讯模与太阳能无线角位移传感器3和太阳能无线载荷传感器4电信号连接。

在实际使用时，井口采集单元2中的无线通讯模块接收到载荷和位移随时间的数字信号，无线通讯模块将信号传输给控制单元rtu，进行光杆示功图的计算和生成。

rtu供电电源为12/24v。

实施例四：

参照图1所示的一种抽油机光杆示功图测试装置，在实施例一的基础上，所述的太阳能无线角位移传感器3至少包括壳体，壳体内设置有12位的a/d转换器、定时器、充电管理电路、锂电池、电源管理电路、低功耗工业单片机和微型无线数传模块，壳体外设置有太阳能电池板，壳体上设置有与低功耗工业单片机连接的usb接口；所述的太阳能电池板通过充电管理电路与锂电池电连接；所述的锂电池通过电源管理电路分别与12位的a/d转换器、定时器、低功耗工业单片机和微型无线数传模块电连接；所述的微型无线数传模块分别与定时器、低功耗工业单片机和井口采集单元2电信号连接。

进一步的，所述的太阳能电池板采用的是6v、100ma、0.6w的太阳能电池板。

在实际使用时，太阳能无线角位移传感器3通过外设的安装底板安装在抽油机中轴上方的游梁7处，且安装底板、外壳和游梁7长边必须平行。测试原理是应用加速度计6测试游梁7不同角度时的加速度值，通过加速度值反算游梁7变化角度，根据游梁7角度与悬点位移的关系，从而计算出悬点相对位移。通过微型无线数传模块无线传输到12位的a/d转换器，将位移与时间的模拟信号转换为数字信号，发送给井口采集单元2。

实施例五：

参照图1所示的一种抽油机光杆示功图测试装置，在施例一的基础上：所述的太阳能无线载荷传感器4至少包括壳体，壳体内设置有载荷传感器、定时器、充电管理电路、锂电池、电源管理电路、低功耗工业单片机和微型无线数传模块，壳体外设置有太阳能电池板，壳体上设置有与低功耗工业单片机连接的usb接口；所述的太阳能电池板通过充电管理电路与锂电池电连接；所述的锂电池通过电源管理电路分别与定时器、低功耗工业单片机和微型无线数传模块电连接；所述的微型无线数传模块分别与定时器、低功耗工业单片机和井口采集单元2电信号连接。

进一步的，所述的太阳能电池板采用的是6v、100ma、0.6w的太阳能电池板。

在实际使用时，太阳能无线载荷传感器4安装在抽油机的悬绳器与光杆卡子之间，太阳能无线载荷传感器4为一个桥式应变片，安装要求太阳能无线载荷传感器4的弹性体要均匀受力。在压力作用下，弹性体(贴有应变片)发生形变，导致应变片形变，导致桥电路的各臂电阻变化，得到一个与形变线性的输出，通过放大器放大和变送器电路得到4～20ma信号，模拟信号通过微型无线数传模块无线传输到12位的a/d转换器，将载荷与时间的模拟信号转换为数字信号，发送给井口采集单元2。

实施例六：

参照图1所示的一种抽油机光杆示功图测试系统，至少包括一种抽油机光杆示功图测试装置，还包括后台服务器；所述的后台服务器与井口采集单元2电信号连接。

在实际使用时，井口采集单元2接受到载荷和位移随时间的数字信号。通过井口采集单元2的rtu合成光杆示功图，井口采集单元2的rtu在接收后台服务器的轮询扫描，将光杆功图数据经过以太网传输到后台服务器，井场rtu与无线功图测试仪之前采用modbusrtu工业通讯协议，井口采集单元2的rtu与后台服务器之间采用modbustcp协议传输。

rtu的中文全称为远程终端控制系统。

本实施例中的后台服务器采用的是现有技术。

实施例七：

参照图1-图3所示，一种抽油机光杆示功图测试系统的测试方法，包括如下步骤，

步骤一：井口采集单元2接受太阳能无线角位移传感器3、太阳能无线载荷传感器4传来的载荷和位移随时间的数字信号；

步骤二：井口采集单元2的rtu将步骤一获取的载荷和位移随时间的数字信号计算合成光杆示功图；

步骤三：井口采集单元2的rtu在接收后台服务器的轮询扫描，将光杆功图数据传输到后台服务器；

步骤四：台服务器利用接受到的光杆示功图对油井进行远程监控。

在实际使用时，步骤二利用获取的载荷和位移随时间的数字信号计算合成光杆示功图的方法为：

设直线运动的位移用y(t)表示(如图2所示)，y0为初始位移，α0为驴头弧面半径初始角度(此时游梁7为水平位置，即游梁7倾角为0度)。若t时刻游梁7倾角为α(t)(单位为弧度)，则

y(t)＝r(α(t)+α0)+y0(1)

其中：

设到达下死点时游梁7的倾斜角度为α1,则下死点位移为y1

y1＝r(α1+α0)+y0(2)

那么，相对于下死点的相对位移为

y′(t)＝y(t)-y1＝r(α(t)+α1)(3)

设上死点游梁7角度为α2，则冲程s为

s＝r(α2-α1)(4)

所以

r＝s/(α2-α1)

t时刻的相对位移为

y′(t)＝(α(t)-α1)/(α2-α1)×s(5)

设游梁7角度为α(t)，如图3所示。

设重力加速度为g(m/s²)

当游梁7处于水平位置，则加速度计6输出acc(t)＝0×g(g)

当游梁7垂直时，则acc(t)＝1×g。

在t时刻，有acc(t)＝g×sin(α(t))(6)

则角度α(t)＝arcsin(acc(t)/g)(弧度)(7)

将公式7代入公式5，即可换算出光杆相对位移y′(t)。

在实际使用时，如果r未知时，可以利用l计算r

r＝l/cosα0

本发明在实际使用时，通过太阳能无线角位移传感器、太阳能无线载荷传感器和加速度计，自动采集悬点载荷和悬点相对位移，并计算生成光杆示功图，取代人工测试，节省了人力。有效避免了有线造成安装、维护和修井带来的不便，并且保证了采集数据的同步性和准确性。本发明设计合理，结构简单。本发明实现了油井光杆示功图的远程监控。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。