Пристрій для вимірювання навантаження підвіски колони штанг

Корисна модель відноситься до нафтовидобувної галузі, зокрема до пристроїв для визначення навантажень, що діють у штанговій підвісці штангової свердловинної насосної установки. Відомий пристрій для вимірювання зусиль, що діють на полірований шток штангової свердловинної насосної установки (ШСНУ) [RU №2164669, МПК G01L1/22, опубл. 27.03.2001], який містить два паралельні, з’єднані перетинкою пружних елементи. На кожному пружному елементі між Г-подібними пазами розміщено тензорезистори тензометричного напівмоста. З зовнішнього і внутрішнього боків кожного пружного елемента розміщено кришки з ущільненням, з’єднані попарно дистанційними втулками. За рахунок вибору розмірів спряжених деталей кришки мають можливість самовстановлюватись на пружних елементах. Зусилля притискання в парі кришок направлені назустріч одне-одному, що зменшує деформації пружних елементів в зоні наклеювання тензорезисторів. Вимірювання зусиль, що діють на полірований шток, відбувається під час деформації пружних елементів за рахунок вимірювання величини струму в тензометричному мості, яка є наслідком зміни поперечного перерізу провідників, що складають основу метричного напівмосту тензодатчика пристрою для вимірювання зусиль. Конструкція відомого пристрою дозволяє вимірювати зусилля, що діють на полірований шток ШСНУ, однак існують певні недоліки в конструкції, які можуть впливати на похибку вимірювання навантажень. Вони пов’язані з тим, що тензодатчик з’єднується з пружним елементом через шар клею і якість такого з’єднання суттєво впливає на результати вимірювання. На результати вимірювання також впливає велика база тензодатчика, і як наслідок, вимірювання деформації пружного елементу на певній його площі, що забезпечує отримання не конкретних значень деформацій, а їх середніх величин. Відомий пристрій, що використовується в контрольно-вимірювальній техніці для діагностування технічного стану і контролю за роботою підземного обладнання верстата-качалки [RU №2176032, МГІК7 F04В51/00, F04В47/00, опубл 20.11.2001p.], який містить репер і датчик переміщення полірованого штока в вигляді випромінювача та приймача, підключеного до реєструючого пристрою. Репер закріплений на деталях підвіски полірованого штока. Датчик переміщення полірованого штока розміщений нерухомо відносно планшайби. Репером є елементи канатної підвіски. Для динамометрування використовують датчик переміщення, виконаний у вигляді випромінювача і приймача або ультразвукових хвиль, або надвисокочастотного випромінювання чи лазерного випромінювання. Вивід інформації здійснюється на екран осцилографа чи монітор комп’ютера, які представляють собою пристрій реєстрації та відображення результатів вимірювань. Перевагою відомої конструкції вимірювального пристрою є безконтактне вимірювання зусиль, що діють у точці підвішування штанг. Під час роботи даного пристрою можуть виникати ускладнення, пов’язані з налаштуванням місця розміщення приймача ультразвукових хвиль, або надвисокочастотного випромінювання, чи лазерного випромінювання. Це пов’язано з тим, що репер знаходиться на елементах канатної підвіски, яка може повертатись на певний кут в процесі видобутку нафти, що спричиняється силами, які діють на штангову колону у свердловині. Відстань від репера до приймача за однин робочий цикл верстата-качалки змінюється від кількох сотень до кількох тисяч міліметрів, а вимірюються деформації, величина яких сягає кількох десятків або сотень мікрон, що ускладнює будову реєстр уючого пристрою. Найближчим за технічною суттю до пристрою, що заявляється, є пристрій для вимірювання навантажень, що діють в штанговій підвісці - гідравлічний динамограф [В.М. Івасів, В.Р. Харун, П.В. Пушкар, В.І. Артим, І.С. Атаманчук Удосконалення експериментального дослідження навантаження колони насосних штанг. //На уковий вісник Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу. -Івано-Франківськ. -2005. Вип.3(12). -С.31-35], що містить силовимірювальний вузол, який складається з верхньої і нижньої планок, з’єднаних з одного боку через роз’ємний циліндричний шарнір, а з іншого за допомогою мездози з пружною діафрагмою та вузол реєстрації і відображення результатів вимірювання, оснащений індуктивним датчиком малих переміщень та комп’ютерною інформаційно-вимірювальною системою. Недоліком пристрою є те, що в процесі вимірювання навантажень не відмічається початок та кінець робочого циклу штангової глибинонасосної установки, що ускладнює побудову динамограми. В процесі вимірювання не фіксується значення температури навколишнього середовища, що приводить до температурної похибки вимірювання. Зміна діапазону вимірювання навантажень підвіски штанг відбувається внаслідок переміщення ролика -основного елементу циліндричного роз’ємного шарніра, з розташуванням його в пазах нижньої планки силовимірювального вузла, що призводить до ступінчатої зміни характеристики вимірювального пристрою. В основу створення корисної моделі поставлено завдання вдосконалення пристрою для вимірювання навантажень підвіски. колони штанг за рахунок введення конструктивних елементів, які дозволяють підвищити якість вимірювання навантаження; проводити запис результатів вимірювань у вигляді, зручному для обробки інформаційно-вимірювальною технікою за рахунок доповнення конструкції силовимірювального вузла датчиками: кута повороту, температури та нижнього положення підвіски ШСНУ, виконання нероз’ємним циліндричного шарніра планок силовимірювального вузла. Суть корисної моделі полягає в тому, що у пристрої для вимірювання навантаження підвіски колони штанг, що містить силовимірювальний вузол, який складається з верхньої і нижньої планок, з’єднаних з одного боку через циліндричний шарнір, а з іншого через шток з пружною діафрагмою мездози та вузол реєстрації і відображення результатів вимірювань, оснащений індуктивним датчиком малих переміщень та комп’ютерною Інформаційно-вимірювальною системою, силовимірювальний вузол додатково обладнано датчиком кута повороту штангової підвіски, розміщеним на верхній планці силовимірювального вузла і датчиками температури та нижнього положення підвіски колони штанг, розміщеними на нижній планці силовимірювального вузла, а циліндричний шарнір виконано нероз’ємним. Конструкція пристрою завдяки додатковому обладнанню дачником кута повороту підвіски, розміщеним на верхній планці силовимірювального вузла, дозволяє вимірювати кут повороту штангової підвіски, а отже й визначати крутний момент, який діє на колону штанг, що у свого чергу дозволяє визначити тангенційні напруження в штанга х і більш точно оцінити їх напружено-деформований стан. Обладнання пристрою додатковим датчиком температури забезпечує визначення температури навколишнього середовища під час вимірювання навантажень, що дозволяє компенсувати температурну похибку вимірювання. Обладнання пристрою додатковим датчиком нижнього положення підвіски забезпечує фіксацію початку та кінця циклу вимірювання. Виконання циліндричного шарніра нероз’ємним дозволяє уникнути похибки вимірювання, пов’язаної з неточністю розміщення ролика та забезпечити безступінчату характеристику пристрою для вимірювання навантажень підвіски колони штанг. На фігурі креслення зображена схема пристрою для вимірювання навантаження підвіски колони штанг. Пристрій для вимірювання навантаження підвіски колони штанг містить силовимірювальний вузол, який складається з верхньої 1 та нижньої 2 планок, з’єднаних між собою, з одного боку, через нероз’ємний циліндричний шарнір 3. З іншого боку за допомогою штоку 4, який опирається на пружну діафрагму мездози 5, розміщену в корпусі верхньої планки 1. Пристрій також містить вузол реєстрації та відображення результатів вимірювань, який складається з датчика кута повороту штангової підвіски 6, розміщеного на верхній планці 1 силовимірювального вузла, індуктивного датчика малих переміщень 7, положення якого на відстані А від вер хньої планки 1 фіксується гайками 8, датчиків температури 9 та нижнього положення підвіски штанг 10, розміщених на нижній планці силовимірювального вузла, комп’ютерної інформаційно-вимірювальної системи, яка містить аналого-цифровий перетворювач 11 та персональну електронно-обчислювальну машину 12, оснащену програмою обробки результатів вимірювань. Нижня планка 2 силовимірювального вузла розміщується на нижній планці 13 траверси канатної підвіски штанг за допомогою клинової опори 14, верхня планка 1 силовимірювального вузла з’єднується безпосередньо з верхньою планкою 15 траверси канатної підвіски штанг. Навантаження від колони штанг сприймається площиною А вер хньої планки 15 траверси канатної підвіски. Пристрій для вимірювання навантажень підвіски колони штанг працює наступним чином. Після монтажу пристрою на ШСНУ і вмикання її у роботу навантаження, що діє на колону штанг, сприймається площиною А верхньої планки 15 траверси підвіски штанг і передається на верхню планку 1 силовимірювального вузла. Нижня планка 13 траверси штангової підвіски з’єднана з виконавчим механізмом штангової глибинонасосної установки і зусилля з верхньої планки 15 передається на неї через верхню планку 1 і нижню планку 2 силовимірювального вузла, а також клинову опору 14. Пружна діафрагма мездози 5 деформується, тисне на шток 4, а нижня планка 2 здійснює поворот завдяки нероз’ємному циліндричному шарніру 3 на деякий кут, змінюючи зазор А між індуктивним давачем малих переміщень 7, який зафіксовано гайкою 8, та верхньою планкою 1 силовимірювального вузла. Зміна зазору А фіксується індуктивним датчиком малих переміщень 7, вихідний сигнал якого при цьому змінюється, проходить обробку в аналого-цифровому перетворювачі 11 та потрапляє в ПЕОМ 12. Програма обробки результатів вимірювань, враховує результати вимірювання зазору D та коректує його значення з врахуванням температури навколишнього середовища, яка вимірюється за допомогою датчика температури 9, вихідний сигнал якого також проходить обробку в аналогоцифровому перетворювачі 11. При дії в штанговій колоні колових сил, які є наслідком її складного профілю, штангова підвіска здійснює поворот відносно осі штангової колони і кут цього повороту фіксується датчиком 6 кута повороту. Вимірювання навантаження, що діє на штангову підвіску відбувається протягом всього циклу роботи штангової свердловинної глибинонасосної установки, який складається з циклічно повторюваних фаз робочого ходу під час р уху штангової підвіски вгору та холостого ходу - під час р уху підвіски вниз. Датчик нижнього положення 10 подає сигнал на ПЕОМ 12 у момент, коли штангова підвіска знаходиться в нижньому положенні біля гирла свердловини, відзначаючи початок кожної фази робочого циклу і дозволяє аналізувати навантаження як протягом однієї, так і багатьох фаз робочого чи холостого ходу. Технічний результат від застосування пристрою для вимірювання навантаження підвіски колони штанг полягає в підвищенні якості вимірювання навантаження, зменшенні похибки вимірювання зусиль, формуванні вихідних даних, зручних для здійснення контролю та керування режимами роботи ШСНУ під час застосування системи автоматичного керування.