基于任意應(yīng)力合成的油井桿管側(cè)向力測試儀

劉 寶, 馮巨龍,2, 李 哲, 王 磊

(1.中國石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國汽車技術(shù)研究中心,天津 300300;3.中國石油冀東油田分公司鉆采設(shè)計院,河北唐山 063000)

在有桿機械采油過程中,抽油桿進(jìn)行上下往復(fù)的周期性運動時抽油桿與油管內(nèi)管壁之間產(chǎn)生擠壓摩擦,經(jīng)常導(dǎo)致抽油桿與油管之間發(fā)生偏磨[1]。這種偏磨問題不僅降低了抽油桿的強度,甚至?xí)?dǎo)致油桿斷裂、油管壁磨穿等故障,從而使油田的生產(chǎn)經(jīng)濟效益受到嚴(yán)重影響[2-3]。研究發(fā)現(xiàn)抽油桿上下往復(fù)周期運動時與油管內(nèi)壁接觸擠壓會產(chǎn)生一種徑向作用力即側(cè)向力,當(dāng)發(fā)生偏磨現(xiàn)象時該側(cè)向力的大小是影響抽油桿或油管磨損速率的關(guān)鍵因素[4-5]。如果能夠準(zhǔn)確檢測該側(cè)向力值,則可以研究管桿之間的摩擦規(guī)律,為偏磨防治提供直接分析依據(jù)。目前已有一些關(guān)于井下桿狀物力學(xué)測量裝置的研究報道,如曲占慶等[6-7]研制的井下抽油桿力學(xué)檢測裝置,其結(jié)構(gòu)與抽油桿接箍類似,可連接于井下抽油桿柱某一待檢測部位,可以測得井下的抽油桿載荷、溫度、位移等參數(shù),但該檢測裝置無法檢測出發(fā)生偏磨時抽油桿所受到的側(cè)向力數(shù)值;鄧旭等[8]提出的一種管柱狀態(tài)檢測裝置,能夠?qū)崿F(xiàn)井柱溫度、軸向力以及滑動位移等參數(shù)的一體化測量,但是無法檢測抽油桿所受的側(cè)向力;王中宇等[9]率先展開對桿管偏磨側(cè)向力的測量研究,研制的一種井下抽油桿徑向壓力測量裝置,可以實現(xiàn)抽油桿徑向力的測量,但受到的軸向拉、壓力或扭力對徑向壓力的測量產(chǎn)生較大影響?？傊?目前國內(nèi)外井下力學(xué)測量裝置主要是針對抽油桿軸向力、彎矩、扭矩及井柱溫度等參數(shù)進(jìn)行測量,而對桿管偏磨起決定性因素之一的側(cè)向力測量技術(shù)研究較少,仍需進(jìn)一步研究。筆者提出一種任意應(yīng)力合成測量方法,并基于該測量方法設(shè)計一套井下側(cè)向力測試儀,具體包括機械部件、硬件電路和軟件程序等3部分,可以測量井下安裝處的桿管偏磨側(cè)向力值,為桿管偏磨的防治研究提供直接依據(jù),以助于工藝人員對桿管摩擦規(guī)律以及各種防偏磨措施進(jìn)行研究。

1 工藝背景及測量要求

在油田有桿采油過程中,抽油桿上下往復(fù)周期運動時,經(jīng)常會與油管內(nèi)壁產(chǎn)生擠壓摩擦,造成桿管偏磨現(xiàn)象,尤其是在側(cè)鉆井及定向斜井等特殊結(jié)構(gòu)油井中,偏磨問題更加嚴(yán)重[10-11]。抽油桿與油管內(nèi)壁接觸擠壓處產(chǎn)生的側(cè)向力是決定桿管磨損速率或程度的關(guān)鍵。

為了測量桿管偏磨時接觸處的側(cè)向力,需要設(shè)計如圖1所示的井下高溫高壓環(huán)境下工作的側(cè)向力測量儀器。該側(cè)向力測試儀作為一測量短節(jié),通過管螺紋固定連接在井下兩段油管之間,可以準(zhǔn)確測量偏磨時抽油桿與油管之間產(chǎn)生的側(cè)向力值。一般來講,井下壓力和溫度隨著油井深度的增加而增加。目前,大部分油井的深度在1 800～4 000 m,假設(shè)在井下3 000 m,此時壓力通常可高達(dá)約30 MPa,溫度最高達(dá)約120 ℃。測試儀在滿足耐高溫、耐高壓的要求下,為保證安全生產(chǎn)其機械強度要求至少承受50 t的拉伸或壓縮載荷,以及彎曲、扭矩、腐蝕、疲勞載荷等[12]。同時,為保證側(cè)向力測試儀內(nèi)部電路等正常工作,必須保證測試儀在高壓環(huán)境下密封性良好。最終確定筆者所設(shè)計的側(cè)向力測試儀的性能指標(biāo)為:耐溫120 ℃、耐壓30 MPa、抗拉50 t、側(cè)向力測量范圍為100～3 000 N和引用誤差不大于3%。

圖1 井下側(cè)向力作用示意圖Fig.1 Schematic diagram of underground lateral force

2 基于任意應(yīng)力合成的側(cè)向力測試儀設(shè)計

2.1 任意應(yīng)力合成測量方法原理

應(yīng)力檢測方法是側(cè)向力測試儀設(shè)計的關(guān)鍵核心,直接影響側(cè)向力測試儀的測量精度。筆者根據(jù)力的分解與合成原理提出一種任意應(yīng)力測量方法。假設(shè)在接受側(cè)向力作用的測量部件表面一周均勻分布有m個應(yīng)力測量點,當(dāng)側(cè)向力恰好作用在某單個測量點時,側(cè)向力等于該測量點的檢測力;當(dāng)側(cè)向力作用在相鄰兩測量點之間時,側(cè)向力等于兩個測量點檢測力的合力。如果測量部件表面一周均勻分布有A、B、C、D、E、F、G、H共 8個測量點(圖2(a)),各測量點的受力分別記為FA、FB、FC、FD、FE、FF、FG、FH。如圖2(a)所示,當(dāng)側(cè)向力F單獨作用在A點時,A測量點單獨受力F=FA;當(dāng)側(cè)向力F單獨作用在H點時,H測量點單獨受力F=FH;當(dāng)側(cè)向力F作用在A、H兩點之間時,根據(jù)力的分解與合成法則(平行四邊形法則)將F在OA、OH兩個方向上進(jìn)行分解,兩個分力分別為FA、FH,由余弦定理可得

(1)

式中,α為兩個相鄰兩測量點間夾角β的補角。由式(1)可得作用力F為

(2)

如果當(dāng)測量部件表面一周均勻分布8個測量點時,β=45°,則α=135°,代入式(2)得作用力F為

(3)

其中,分力FA、FH可分別由測量點A、H分別測量得到,代入式(3)便可計算得出作用在A、H兩點之間的側(cè)向力F。

圖2 任意應(yīng)力合成測量法原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of arbitrarily stress composition measurement method

當(dāng)側(cè)向力作用在其他兩相鄰點之間時,其作用力F的計算方法與上述作用在A、H兩點之間的計算方法類似。總之,當(dāng)側(cè)向力單獨作用在某測量點時,該測量點可以直接檢測到側(cè)向力;當(dāng)側(cè)向力作用在兩個測量點之間時,兩測量點檢測到的力是側(cè)向力的兩個分力,再根據(jù)力的分解與合成原理計算得出側(cè)向力,從而測得作用在任意方向上的側(cè)向力。

如圖2(b)所示,當(dāng)α=90°,即測量部件表面一周均勻分布有4個凸起測量點時,其為上述方法的一種特殊情況,此時相鄰兩測量點間夾角β=90°。當(dāng)側(cè)向力作用在相鄰兩測量點之間時(以A、D兩點為例),側(cè)向力F正交分解在OA、OD兩個方向上,則A、D兩點同時受力,測試儀檢測得到A、D兩點的單點作用力,分別記為FA、FD,則作用力F的計算公式為

(4)

當(dāng)側(cè)向力作用在A與B、B與C、C與D等其他相鄰兩點之間時,其作用力F的計算方法與上述方法類似。即在該特殊情況下,當(dāng)側(cè)向力單獨作用在某測量點時,該測量點可以直接檢測到側(cè)向力;當(dāng)側(cè)向力作用在其他任意位置時,該側(cè)向力均可被正交分解到其相鄰兩個正交方向上的測量點,對這兩個測量點的分力進(jìn)行正交合成即可得到側(cè)向力,從而實現(xiàn)對任意方向上的側(cè)向力的測量。

在實際工程應(yīng)用中,將采用測量部件表面一周均勻分布4個測量點的設(shè)計(機械設(shè)計更加簡單和便于加工)。

2.2 側(cè)向力測試儀整體設(shè)計

整個測試儀由機械部件、硬件電路和軟件程序3部分組成。其中,機械部件參照實際油管接箍連接形式設(shè)計,固定于井下兩段油管之間,接受抽油桿的擠壓摩擦并把產(chǎn)生的機械形變傳遞給應(yīng)變測量電路,同時也為放置在其內(nèi)部的硬件電路提供安裝空間和正常工作環(huán)境;硬件電路主要把側(cè)向力產(chǎn)生的機械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成微弱的橋路電壓輸出信號,并對電壓信號進(jìn)行濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換、存儲等,并承擔(dān)與上位機的數(shù)據(jù)通訊等工作;軟件程序分為下位機和上位機程序兩部分,其中下位機完成整個測試儀的數(shù)據(jù)采集、存儲及通訊等;上位機控制下位機的運行狀態(tài),同時接收下位機發(fā)送的測量數(shù)據(jù),并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、分析處理、數(shù)據(jù)存儲等工作。

側(cè)向力測試儀安裝于井下兩段油管之間,在測量桿管偏磨的側(cè)向力時,還承受液柱、油管柱重量等負(fù)荷作用。當(dāng)抽油桿因井斜、彎曲等諸多因素和抽油管發(fā)生接觸時,就會產(chǎn)生側(cè)向力作用。該測試儀工作原理如圖3所示。當(dāng)側(cè)向力作用在測試儀上時,測試儀檢測部件上的電阻應(yīng)變片會隨之發(fā)生形變并產(chǎn)生阻值變化,應(yīng)變橋路電路將阻值變化轉(zhuǎn)化為微弱電壓信號,信號經(jīng)濾波、放大處理后,在單片機控制下進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并儲存到FLASH存儲器中。當(dāng)檢泵周期到或遇其他維修時,側(cè)向力測試儀隨油管從井下被取出,其內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)可通過串口通訊傳輸?shù)缴衔粰C,經(jīng)軟件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化處理后進(jìn)行數(shù)值和曲線顯示,最后形成管理文檔存儲于上位機以便后期分析應(yīng)用。

圖3 側(cè)向力測試儀工作原理示意圖Fig.3 Working principle diagram of lateral force detector

2.3 側(cè)向力測試儀機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

側(cè)向力測試儀機械部件包括基體護套、檢測部件、側(cè)向力傳遞塊、密封護套和緊固部件5部分,具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 側(cè)向力測試儀機械結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Mechanical structure diagram of lateral force detector

(1)基體護套。基體護套作為側(cè)向力測試儀機械部件的主體,起著連接上下油管和內(nèi)置應(yīng)力檢測部件的功能,同時與外界直接接觸,保護內(nèi)部應(yīng)力檢測部件。基體護套一端為UP TBG外管螺紋與油管的UP TBG內(nèi)管螺紋連接;另一端設(shè)計為UP TBG內(nèi)管螺紋與油管的外管螺紋連接;其細(xì)端內(nèi)徑尺寸略大于抽油管尺寸,以保證應(yīng)力檢測部件與抽油桿之間的正常摩擦接觸。同時,基體護套細(xì)端法蘭處設(shè)計二級O型圈密封,進(jìn)一步與密封護套組成環(huán)形密封空間,用于安裝測試儀硬件電路和高溫電池等,并保護集成電路系統(tǒng)不受外部干擾。

(2)檢測部件。檢測部件是整個側(cè)向力測試儀的核心,起著接受應(yīng)力作用并檢測應(yīng)力的作用。檢測部件放置在基體護套內(nèi),由緊固部件進(jìn)行固定密封,檢測部件上的機械測量凸起(側(cè)向力傳遞塊)側(cè)面粘貼專用的電阻應(yīng)變片。為保證應(yīng)力檢測部件的耐磨性,選擇其材質(zhì)耐磨性要高于油管材質(zhì)。在檢測部件兩端設(shè)計二級O型圈密封,保證內(nèi)部電路正常工作。檢測部件內(nèi)部中間位置設(shè)計有大約10 mm寬度的環(huán)形區(qū)域且其內(nèi)環(huán)半徑小于兩端半徑,以保證檢測部件與抽油桿的正常摩擦接觸,有利于檢測部件高效接受側(cè)向力作用,從而提高測試儀的靈敏度。

(3)側(cè)向力傳遞塊。檢測部件外壁中間區(qū)域內(nèi)均勻分布有上下兩周互相平行的4個長方體側(cè)向力傳遞塊,相鄰兩個側(cè)向力傳遞塊的夾角為90°,其側(cè)面粘貼專用的電阻應(yīng)變片,構(gòu)成應(yīng)力檢測點。當(dāng)側(cè)向力傳遞塊受力發(fā)生形變時,其上的電阻應(yīng)變片也隨之發(fā)生形變,引起應(yīng)變片阻值的變化。由于側(cè)向力傳遞塊是通過與側(cè)向力測試儀基體護套的擠壓來產(chǎn)生形變,因此為保證測量的精確度,要求側(cè)向力傳遞塊處的檢測部件外徑與基體護套過盈配合,從而實現(xiàn)檢測部件與基體護套的硬接觸,使得應(yīng)變片在近零點附近具有較好的線性度。

該側(cè)向力測試儀機械部分的整體檢測機制為:測試儀被連接在井下兩段抽油管之間,抽油桿在測試儀內(nèi)部往復(fù)運動且當(dāng)抽油桿與測試儀檢測部件內(nèi)壁在某一徑向方向上發(fā)生偏磨擠壓時,檢測部件上的側(cè)向力傳遞塊隨即在同方向上與測試儀基體護套產(chǎn)生擠壓,抽油桿與測試儀檢測部件偏磨擠壓產(chǎn)生的徑向側(cè)向力隨即被傳遞到側(cè)向力傳遞塊上。

2.4 側(cè)向力測試儀硬件電路系統(tǒng)設(shè)計

硬件電路系統(tǒng)被安裝在密封護套與基體護套細(xì)端組成的環(huán)形空艙內(nèi),其主要包括信號檢測橋路、信號調(diào)理電路、主控制電路、數(shù)據(jù)存儲電路、串行通信電路和電源電路等。測試儀硬件電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示,其各部分電路設(shè)計說明如下。

圖5 側(cè)向力測試儀硬件電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of hardware circuit system

(1)信號檢測橋路。信號檢測橋路把電阻應(yīng)變片的應(yīng)變阻值轉(zhuǎn)換為微弱的毫伏級電壓信號,其橋路連接方式采用半橋式連接。具體實現(xiàn)方式為:每個側(cè)向力傳遞塊的2個側(cè)面各貼1片電阻應(yīng)變片,同一側(cè)向力傳遞塊上的2片應(yīng)變片串聯(lián)連接,檢測部件同方向上下2個側(cè)向力傳遞塊的應(yīng)變片也串聯(lián)連接,則共計4片電阻應(yīng)變片串聯(lián)連接構(gòu)成半橋式電路的一個橋臂RA;RA與其相對方向上由另外4個串聯(lián)連接的電阻應(yīng)變片組成的另一橋臂RC共同實現(xiàn)半橋式連接。RB和RD作為另一組橋路,其連接方式與上述方法相同。電阻應(yīng)變片采用日本共和公司的單軸型應(yīng)變片,阻值為350 Ω,靈敏系數(shù)K=2.03。圖6是以RA、RC組成的橋路為例構(gòu)成的半橋式信號檢測橋路連接圖,其中RS為標(biāo)準(zhǔn)電阻,用來輸出基準(zhǔn)電壓VREF。

圖6 半橋式信號檢測橋路連接圖Fig.6 Signal detection bridge connection of half-bridge

圖2(b)中OA、OC兩個方向為相對方向,所以同一時刻最多只有其中一個方向受力。假設(shè)OC方向應(yīng)變片受力發(fā)生擠壓形變,則RC的阻值將減小,減小的阻值為ΔRC,應(yīng)變片無形變時的阻值為R,取RS=R,則

RC=R-ΔRC.

(5)

根據(jù)橋路原理,可得應(yīng)變橋路的輸出UO為

(6)

若檢測部件OA方向應(yīng)變片受力發(fā)生形變時,同理可得

RA=R-ΔRA,

(7)

(8)

由式(6)和式(8)可得:若檢測部件OC方向受力,則橋路輸出為正電壓信號;若檢測部件OA方向受力,則橋路輸出負(fù)電壓信號。所以可以根據(jù)接收電壓信號的正負(fù)判斷檢測部件受力方向。檢測部件OB和OD方向的受力檢測情況,與OA和OC方向分析方法類似。

(2)信號調(diào)理電路。橋路輸出的電壓信號與信號調(diào)理電路相連,由信號調(diào)理電路對其進(jìn)行放大、濾波,把微弱信號放大調(diào)整到適合AD采集的范圍。信號調(diào)理電路選用ADI公司儀表放大器AD8231對噪聲環(huán)境中傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行放大,其后接一個低通濾波電路,以濾信號中的高頻噪聲干擾。但儀表放大器在應(yīng)用時會出現(xiàn)較強的射頻信號[13],因此放大器前端設(shè)計一個差分RC濾波電路,對射頻信號進(jìn)行衰減,從而抑制放大電路射頻干擾誤差。

(3)主控制電路。系統(tǒng)選用ADI公司單片機ADuC845作為主控芯片,負(fù)責(zé)整個電路系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制與信號A/D轉(zhuǎn)換,同時在外部時鐘電路的配合下產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘。ADuC845處理器本身集成數(shù)據(jù)AD采集和數(shù)據(jù)處理功能,最高工作溫度可達(dá)125 ℃,滿足井下高溫設(shè)計要求。其片內(nèi)集成有2個獨立的24位高分辨率Δ-∑ADC和溫度傳感器[14],可完成應(yīng)力參數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換以及檢測井下儀器的工作溫度參數(shù),減少了系統(tǒng)中所用到的芯片數(shù)量,較大程度地簡化了電路的結(jié)構(gòu)。信號經(jīng)內(nèi)嵌ADC采樣轉(zhuǎn)換后在單片機處理器中進(jìn)行運算與補償,然后被存儲到數(shù)據(jù)存儲芯片中。單片機及其外圍電路原理如圖7所示。

圖7 單片機及其外圍電路原理圖Fig.7 Schematic of CPU and its peripheral circuit

測試儀應(yīng)變橋路輸出的兩路模擬信號以差分模式分別接入P1.0至P1.4接口。32管腳XTAL1和33管腳XTAL2是芯片內(nèi)部高增益反相放大器的輸入和輸出端,與外部晶體相連構(gòu)成振蕩器,為單片機提供最基本的時鐘信號;40管腳PSEN為程序存儲使能引腳,當(dāng)下載程序時短接JUMP1,引腳被拉至低電平時,即進(jìn)入使能下載模式;當(dāng)內(nèi)部程序執(zhí)行時,引腳應(yīng)保持高電平,此時斷開JUMP1。

(4)數(shù)據(jù)存儲電路。數(shù)據(jù)存儲電路將經(jīng)過單片機運算和補償處理之后的數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的時標(biāo)數(shù)據(jù)存儲在FLASH存儲器中。ADuC845芯片的28-31管腳是MISO、MOSI、SCLOCK、SS四線制的SPI接口,與存儲芯片相連構(gòu)成數(shù)據(jù)存儲電路,其電路原理如圖8所示。存儲芯片選用Numonyx公司N25Q128芯片,其C端(時鐘管腳)連接單片機SCLOCK管腳;DQ0(串行數(shù)據(jù)輸入端)、DQ1(串行數(shù)據(jù)輸出端)分別與單片機MOSI、MISO相連;S#管腳用于芯片功能的選擇,與單片機的SS管腳相連,當(dāng)SS管腳為低電平時,在從模式下接收和發(fā)送數(shù)據(jù);DQ2、DQ3用于附加數(shù)據(jù)的輸入輸出。

圖8 N25Q128存儲電路原理圖Fig.8 Schematic of N25Q128 storage circuit

(5)串行通信電路。串行通信電路是測試儀與上位機交換數(shù)據(jù)的接口電路。由于測試儀主控芯片ADuC845的UART串口與上位機RS-232串口的電平標(biāo)準(zhǔn)不一致,所以采用接口轉(zhuǎn)換芯片ADM3202完成電平轉(zhuǎn)換。ADM3202芯片的T1IN、R1OUT引腳分別與ADuC845芯片的RXD、TXD引腳相連,R1IN、T1OUT引腳分別與上位機串口的發(fā)送、接收端相連,從而實現(xiàn)測試儀與上位機之間的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。

(6)電源電路。電源電路以大容量高溫鋰電池作為主電源,選用供電芯片ADP7102將主電源電壓處理。ADP7102是一款CMOS、低壓差線性調(diào)節(jié)器,采用3.3～20 V電源供電,最大輸出電流為300 mA。利用兩片ADP7102芯片分別產(chǎn)生一路數(shù)字電源VCC和一路模擬電源AVDD,數(shù)字電源與模擬電源結(jié)構(gòu)相同,均采用3.3 V輸出電壓設(shè)計,在數(shù)字地與模擬地之間采用磁珠隔離設(shè)計,以減小數(shù)字電路信號對模擬電路信號的影響。同時,采用高精度、低功耗ADR4525芯片輸出2.5 V電壓為信號檢測橋路供電。

2.5 側(cè)向力測試儀軟件系統(tǒng)設(shè)計

測試儀軟件系統(tǒng)主要分為下位機軟件和上位機軟件兩部分。下位機軟件主要由CPU主控程序、A/D采集程序、濾波去噪程序、數(shù)據(jù)存儲程序和串行通信程序等組成。上位機軟件主要由通信接口程序、控制指令程序、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序、數(shù)據(jù)顯示與存儲程序等組成。上位機、下位機通過串行通信實現(xiàn)通訊連接,完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。其軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

2.5.1 下位機軟件功能及實現(xiàn)

下位機軟件主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理,并將處理后的數(shù)據(jù)存儲到外部大容量FLASH芯片中,然后在需要讀取數(shù)據(jù)時將存儲在FLASH芯片中的數(shù)據(jù)傳輸至上位機。下位機以單片機ADuC845為開發(fā)平臺,程序控制流程如圖10所示。

圖9 側(cè)向力測試儀軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure diagram of software circuit system

圖10 下位機程序控制流程Fig.10 Control flow chart of lower computer program

系統(tǒng)上電之后,首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,對程序的相關(guān)變量和硬件驅(qū)動設(shè)置進(jìn)行初始設(shè)置。然后判斷是否休眠,休眠時程序自動關(guān)閉外圍設(shè)備及中斷,只有單片機時鐘電路處于工作狀態(tài),當(dāng)達(dá)到設(shè)定的休眠時間后,測試儀再開始正常工作。若不休眠則直接開始工作,首先開啟總中斷,然后等待中斷并判斷進(jìn)入A/D采集中斷或通訊中斷。若進(jìn)入A/D采集中斷,便依次執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲兩個子程序,執(zhí)行完畢后程序跳出A/D采集中斷返回主程序,然后再等待下一個中斷周期;若進(jìn)入通訊中斷,則立即配置通訊參數(shù),執(zhí)行數(shù)據(jù)通訊子程序,將存儲在FLASH中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C,數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后跳出通訊中斷程序,返回主程序等待下一個中斷請求。

2.5.2 上位機軟件功能及實現(xiàn)

上位機軟件主要完成兩項功能:①通過串口向下位機發(fā)送不同指令,從而控制下位機的運行模式;②通過串口接收下位機發(fā)送來的原始電壓數(shù)據(jù),并將原始數(shù)據(jù)通過測試儀數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為實際的側(cè)向力值,然后曲線顯示并生成數(shù)據(jù)存儲文檔。上位機軟件以LabVIEW為開發(fā)平臺[15],程序控制流程如圖11所示。

圖11 上位機程序控制流程Fig.11 Control flow chart of upper computer program

程序開始運行時,首先進(jìn)行VISA串口的初始化配置,即設(shè)定串口波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗位等參數(shù);然后操作人員在操作界面上輸入控制指令并通過串口被寫入下位機。若控制指令為數(shù)據(jù)采集指令,則下位機執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務(wù);若控制指令為數(shù)據(jù)通訊指令,則下位機執(zhí)行數(shù)據(jù)通訊任務(wù),通過串口將存儲在FLASH芯片中的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。執(zhí)行數(shù)據(jù)通訊任務(wù)時,上位機首先通過VISA讀取串口中指定字節(jié)的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)返回至讀取緩沖區(qū)。然后對緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗,若數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)錯誤,則放棄該組數(shù)據(jù),繼續(xù)對VISA進(jìn)行讀取;若數(shù)據(jù)正常則進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到對應(yīng)的側(cè)向力值,接著執(zhí)行數(shù)據(jù)顯示與存儲程序,對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線顯示,并按照特定要求生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲文檔。處理完一組數(shù)據(jù)后,則繼續(xù)讀取下一組數(shù)據(jù),當(dāng)下位機數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后會發(fā)送特殊的標(biāo)志位,上位機接收到該標(biāo)志位后停止接收數(shù)據(jù),程序運行結(jié)束。

3 側(cè)向力測試儀實驗

3.1 實驗室內(nèi)精度測試

為檢驗側(cè)向力測試儀的測試精度,設(shè)計加工了一套測試儀精度測試專用實驗臺,具體如圖12所示。實驗臺上固定一條安裝有標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的加力桿,通過施加力螺母的正向或反向旋轉(zhuǎn)來改變加力桿對測試儀的作用力。

圖12 精度測試實驗臺示意圖Fig.12 Schematic diagram of precision test bench

3.1.1 測試儀單點測量校準(zhǔn)

測試儀和加力桿上的標(biāo)準(zhǔn)力傳感器各產(chǎn)生一路測量數(shù)據(jù)并傳輸至計算機,通過不斷改變標(biāo)準(zhǔn)力大小得到一組標(biāo)準(zhǔn)力-測試儀輸出電壓數(shù)據(jù),繼而采用MATLAB曲線擬合工具擬合出標(biāo)準(zhǔn)力和測試儀輸出電壓之間的關(guān)系曲線模型。對于擬合曲線線性度較差的測量點,需要用高次模型進(jìn)行擬合或進(jìn)行相應(yīng)的非線性補償[16]。圖13即為測試儀A測量點的側(cè)向力-電壓擬合曲線,可見其線性度較好,利用一次函數(shù)模型進(jìn)行擬合,擬合后的數(shù)學(xué)模型如下式所示:

FA=1 392.4uA-83.04 .

(9)

同樣,可以得到測試儀的B、C、D測量點的數(shù)學(xué)模型,分別如下式所示:

FB=711.9uB+47.66 ,

(10)

(11)

FD=726.3uD+242.2 .

(12)

把上述得到的測試儀測量點數(shù)學(xué)模型并存入計算機,進(jìn)而應(yīng)用任意應(yīng)力合成測量方法對單點的力進(jìn)行合成,即可得到最終所需測量的側(cè)向力。

3.1.2 測試儀精度測試

對測試儀施加不同的標(biāo)準(zhǔn)力,并與測試儀實際測量得到的力進(jìn)行對比。因為所設(shè)計的側(cè)向力測試儀量程為0～3 000 N,所以大約間隔300 N均勻選取10個點,按照上行程和下行程連續(xù)進(jìn)行測試儀精度測試實驗,具體實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

圖13 單測量點應(yīng)力-電壓擬合曲線Fig.13 Fitting curve of stress and voltage of single point

行程序號測量力/N標(biāo)準(zhǔn)力/N絕對誤差/N引用誤差/% 上行程112.6721.448.760.2922299.71332.2932.581.0863542.39580.3137.921.2644821.07869.0147.931.59851215.731175.5340.201.34061433.241461.2227.980.93371804.981764.4040.581.35382189.992121.7668.232.27592545.362520.5424.820.827102958.712983.4824.770.826 下行程12925.492874.2051.291.71022513.922482.0531.871.06232194.402254.4360.032.00141799.861802.382.520.08451358.841318.6940.151.33961013.45955.2058.251.9417803.81730.6473.172.4398498.66491.986.680.2239303.40284.5718.830.6281032.4412.6419.800.660

通過對表中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得,測試儀的平均引用誤差為1.194%,最大引用誤差為2.439%(小于3%),滿足設(shè)計目標(biāo)要求。

3.2 油田現(xiàn)場實驗

2014年9月15日至2014年9月25日,對冀東油田曹妃甸5號島作業(yè)區(qū)高62～37井進(jìn)行了井下側(cè)向力測試。該井為高深南區(qū)一口油井,正常生產(chǎn)時日產(chǎn)液18.6 m3,日產(chǎn)油0.82 t,含水率95.6%,動液面深度為1 510 m。冀東油田鉆采工藝研究院給出的該井在井深1 700 m處的側(cè)向力模型計算結(jié)果為240～333 N。

現(xiàn)場實驗中,側(cè)向力測試儀被安裝在井深1 700 m處,在井下工作10 d后,將側(cè)向力測試儀從井下取出,讀取原始檢測數(shù)據(jù)并存儲數(shù)據(jù)到上位機進(jìn)行分析。選取其中某段數(shù)據(jù)采樣點繪制的側(cè)向力曲線如圖14所示。從圖14可以看出,在這段數(shù)據(jù)采樣點中抽油桿完整地進(jìn)行了8個周期的上下往復(fù)運動,每個周期中各出現(xiàn)一個側(cè)向力峰值,各峰值如表2所示。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,得出測試儀所測的側(cè)向力峰值均大于300 N,其最大峰值為335.43 N,最小峰值為329.56 N,平均峰值為333.56 N,符合鉆采院的模型計算結(jié)果240～333 N。

通過本次現(xiàn)場試驗,可知側(cè)向力測試儀的耐壓、耐溫、抗拉、抗干擾等性能指標(biāo)滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求,并能夠準(zhǔn)確測量抽油機上下往復(fù)運動過程中抽油桿對油管壁的側(cè)向力參數(shù)。

圖14 G62-37井在井深1 700 m處側(cè)向力實測曲線Fig.14 Lateral force curve of G62-37 well at depth of 1 700 m

側(cè)向力峰值數(shù)值/N 第1周期334.85 第2周期340.83 第3周期333.98 第4周期335.43 第5周期333.81 第6周期329.56 第7周期330.11 第8周期329.94

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)力的分解與合成原理提出一種任意應(yīng)力合成測量方法,該方法科學(xué)合理且易于實現(xiàn),為桿管偏磨側(cè)向力參數(shù)的測量提供了理論依據(jù)。

(2)基于任意應(yīng)力測量方法設(shè)計了一套井下桿管側(cè)向力測試儀,其強度、耐壓、耐溫和測量精度等性能指標(biāo)符合設(shè)計要求,滿足實際測量需求,實現(xiàn)了對井下桿管偏磨時產(chǎn)生的側(cè)向力的準(zhǔn)確測量。這將為管桿偏磨的防治研究提供直接依據(jù),對保證油田正常生產(chǎn)和提高經(jīng)濟效益具有重要作用。

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