ИЗМЕРЕНИЕ НАГРУЗКИ НА ПОЛИРОВАННЫЙ ШТОК

В настоящее время известны различные устройства контроля работы глубинных штанговых насосов.

Наиболее распространен контроль с помощью динамограмм [1]. Известны также способы ваттметрографирования и контроля с помощью моментограмм.

Широкое распространение на практике получил гидравли­ческий "карманный" динамограф типа ГДМ-3 (ИКГН-1), раз­работанный Г.М. Минизоном в начале 50-х годов и предназна­ченный для оперативного контроля работы глубинных насосов.

Принцип действия динамографа ГДМ-3 заключается в том, что запись изменения усилий в верхней штанге насосной установки в функции ее перемещения осуществляется с помощью гидравли­ческого силоизмерительного устройства на подвижном столике с картограммой. Допустимая погрешность прибора составляет ±2% от предела измерения.

Основной недостаток гидравлического "карманного" динамо­графа ГДМ-3 как прибора для оперативного контроля глубинных штанговых насосов - необходимость остановки станка-качалки для монтажа ГДМ-3 в канатной подвеске полированного штока.

Существенное влияние на точность измерений оказывают нецентричность установки динамографа в подвеске, а также перекосы подвески, непараллельность траверс.

Для монтажа динамографа переносного типа необходимо останавливать станок-качалку на 5-10 мин. За это время из­меняются условия работы глубинного насоса (поднимается уровень в затрубном пространстве, дегазируется жидкость и др.). Поэтому первые динамограммы не отражают действительных условий работы насоса, и заключение по ним может быть грубо ошибочным.

Остановка станка-качалки перед включением ГДМ-3 приводит к тому, что контролируется переходный режим работы глубиннонасосной установки, зачастую существенно отличающийся от рабочего режима. Известно, что даже после кратковременной

остановки насоса необходимо долгое время (от получаса до суток), чтобы установился рабочий режим.

Особенно опасна, как известно, остановка насоса при проявлении в скважине парафина и песка. При этом есть опас­ность заклинивания насосных штанг.

Кроме того, изменения в уровне, которые зависят от при­тока, можно определить по динамограмме только в случае текущего контроля без остановки станка-качалки.

Недостатком ГДМ-3 является ограниченная емкость ведущего ролика, в связи с чем на одной скважине можно записать всего 8-J-10 динамограмм.

При обслуживании динамографа ГДМ-3 периодически произ­водят довольно сложную операцию заполнения гидравлической системы жидкостью (водой или смесью воды со спиртом зимой).

Конструкция динамографа ГДМ-3 требует внимательного обращения и тщательного ухода.

Создание электрических преобразователей для регистрации усилий в полированном штоке позволило разработать устройства дистанционного динамометрирования.

Рассмотренные системы телединамометрирования имеют сле­дующую структурную схему: датчики усилий и хода устанав­ливают непосредственно на каждом станке-качалке для выбора контролируемой скважины и подготовки цепей телеизмерения. Телеячейка связана с диспетчерским пунктом проводным каналом связи. Датчики усилий полированного штока располагают либо в канатной подвеске, либо на полке балансира. Недостатком первого способа установки является необходимость частого демонтажа датчиков усилий (при каждом ремонте скважины), что вызывает быстрый выход их из строя. Установка датчиков усилий на полке балансира устраняет рассмотренный не­достаток.

При таком методе измерения усилия чувствительность индук­тивного преобразователя ограничена, так как деформация ба­лансира невелика (≈ 500 мкм), при нормальной нагрузке.

Исходя из реальных возможностей построения датчиков усилий для применения на станках-качалках удалось выде­лить следующие: тензометрический, магнитоупругий, пьезо­электрический.

Тензодатчики усилий требуют применения громоздких вто­ричных преобразователей.

Магнитоупругие датчики имеют ограниченный диапазон из­меряемых усилий, в частности, на интересующих нагрузках характеристики известных магнитоупругих материалов находятся в области насыщения, это приводит к большим погрешностям преобразования.

В ПермНИПИнефти разработано устройство тензодинамографирования, позволяющее обеспечить работу датчика усилия - мессдозы с наклеенными по мостовой схеме тензорезисторами в зоне упругих деформаций [8].

Рис. 36. Силоизмерительный элемент пьезокварцевого динамографа

Особый интерес вызвали пьезоэлектрические, в частности, пьезокварцевые датчики. Применение этих датчиков ранее сдерживалось сложностью измерительных цепей, а именно -электрометрических усилителей заряда. Такие усилители на электровакуумных лампах получались громоздкими и ненадеж­ными, требовали мощных источников питания и не были помехозащищенными. В настоящее время стало возможным создавать усилители заряда на базе интегральных микросхем и полу­проводниковых приборов. Надежность усилителей резко воз­росла, габариты и потребляемая мощность стали незначитель­ными. Это привело к значительному расширению области при­менения пьезоэлектрических датчиков.

Пьезокварцевые датчики обладают целым рядом достоинств. К их числу следует отнести высокую стабильность характерис­тики преобразования датчиков и малый температурный коэф­фициент в широком диапазоне температур. Так, ведущие запад­ные фирмы, такие как "Кистлер", "Брюль и Къер" широко при­меняют пьезокварцевые датчики с усилителями заряда для из­мерения усилий от нескольких килограммов до десятков и сотен тонн. У нас в стране подобные работы не проводились, не считая отдельных исследований в Ленинградском политехни­ческом институте. Проведенный анализ показал возможность и целесообразность применения пьезокварцевого датчика усилия для динамометрирования (181.

Рис. 37. Электрическая схема пьезокварцевого динамографа:

а - структурная схема; б - принци­пиальная схема усилителя заряда

Структурная схема преобразователя приведена на рис 36, а. Собственно пьезокварцевый датчик усилия, устанавливаемый на полированном штоке станка-качалки, упрощенно представляет собой пару пластин из кварца. При сжатии пластин силой F на их обкладках возникают (генерируются) связанные статические заряды. Пластины располагаются так, чтобы на внутреннем электроде возникали заряды одного знака. Внешние электроды заземляются, таким образом внутренний электрод оказывается изолированным достаточно высоким объемным сопротивлением кварцевых пластин.

Заряд Q с выхода датчика с помощью экранированного кабеля подключается на вход электрометрического усилителя заряда. Усилитель заряда представляет собой операционный усилитель с высоким входным сопротивлением, охваченный емкостной отрица­тельной обратной связью. Усилитель работает на принципе компенсации входного заряда. Коэффициент передачи такого усилителя обратно пропорционален значению образцовой емкости С₀ и определяет изменение выходного напряжения и от при­ложенного ко входу заряда Q. Выходное напряжение может быть измерено цифровым или аналоговым вольтметром или зарегист­рировано с помощью самописца.

Схема пьезокварцевого датчика приведена на рис. 37. Датчик состоит из двух силовводящих деталей в виде метал­лических пластин 7, скрепленных между собой, и чувстви­тельного узла, расположенного между пластинами. Чувствитель­ный узел содержит три пары кварцевых х -срезов в форме дисков 2 диаметром 30 мм и толщиной 2 мм. Каждая из пар расположена в углу воображаемого равностороннего треугольника, центр тяжести которого совпадает с осью симметрии полированного штока. Для установки датчика в траверсу канатной подвески предназначен V-образный вырез.

Измеряемое усилие распределяется между тремя парами пьезоэлементов. Составляющие этого усилия вызывают появление электростатических зарядов на каждом из элементов. Все заряды интегрируются одним электродом, выполненным в виде стальной пластинки 3. Это позволяет при внецентренном при­ложении усилия получать неизменный суммарный заряд, вслед­ствие чего показания датчика не зависят от точки приложения усилия.

Изоляция внутреннего электрода от заземленных силов-водящих деталей обеспечивается с помощью прокладок из фторопласта 4. Средняя часть боковой поверхности датчика герметизируется для предохранения от попадания влаги и паров вредных веществ, приводящих к коррозии и снижению сопротив­ления изоляции.

Таким образом, конструкция датчика получается монолитной и предельно простой. Не предъявляется никаких специальных требований ни к выполнению деталей, ни к процессу сборки. Высокая стабильность чувствительности датчика обеспечивает­ся точностью ориентации среза кварцевых пьезоэлементов, которая может быть доведена до нескольких угловых минут. При этом разброс чувствительности пьезоэлементов может составлять 10^-3%.

Значение чувствительности измерительных элементов опре­деляется пьезоэлектрическими константами кристалличес­кого кварца и для пластин x-среза составляет 2,3 пКл/Н. Следовательно, при нагрузке 10 кН датчик генерирует заряд 4,6* 10^-8 Кл.

Естественной выходной величиной пьезодатчиков является электрический заряд. Для преобразования заряда в более удобную для измерения и регистрации величину - напряжение постоянного тока служит электрометрический усилитель заряда. Схема такого усилителя приведена на рис. 36, б. Высокое входное сопротивление усилителя (до 10¹³ Ом) достигается включением на входе дифференциального каскада на полевых транзисторах КП 305Е. Выходное дифференциальное напряже­ние каскада подается на вход операционного усилителя типа К140УД7 (можно применить любой стандартный операционный усилитель и включить его по паспортной схеме). С выхода операционного усилителя на вход всей схемы замыкается отрицательная обратная связь через емкость С₀. Потенциометр во втором плече дифференциального каскада служит для установки нуля усилителя.

Коэффициент передачи усилителя заряда обратно про­порционален значению емкости обратной связи и равен S_ус = 1/ С₀. При значении емкости С₀ = 0,047 мкФ, S_yc = 2,13*10 В/Кл. Таким образом, выходное напряжение такого усилителя, подключенного к разработанному датчику, при нагрузке 10 кН будет составлять 0,9 В. При максимальной нагрузке 80 кН напряжение на выходе составит 7,2 В. Для установки соответствия выходного напряжения и измеряемого усилия на выходе усилителя может быть подключен делитель напряжения с потенциометром плавной регулировки чувстви­тельности.

К недостаткам любых схем усилителей заряда относится дрейф выходного напряжения под действием неизбежных утечек измеряемого заряда на входе. Постоянная времени дрейфа может быть вычислена по формуле τ ≈ С₀R_BX, где R_BX = 10 Ом. В

данной схеме она составляет 5*10⁴ с и позволяет производить квазистатические измерения силы и градуировку датчика в статическом режиме.

Разработанный датчик с усилителем заряда был отградуи­рован на силоизмерительной машине УМ-5 на нагрузках от 0 до 50 кН. Нагружение датчика осуществлялось ступенями через 5 кН. По нескольким циклам нагружения с помощью метода наи­меньших квадратов найдено номинальное уравнение преобразо­вания, из которого определены характеристики датчика: чувствительность (с усилием заряда) - 0,691 В/т; разброс чувствительности (случайная погрешность) - 0,04%; по­грешность линейности (максимальная на пределе 50 кН) - 0,7%.