CN108489839B - 盘根磨损状态监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属石油开采井上工具技术领域，尤其涉及一种盘根磨损状态监测装置，包括填料仓（1）、计量机构（4）及压力匹配缸（5）；填料仓（1）包括外壳（104）、护罩（106）、胶筒（105）及盘根（2）；胶筒（105）及盘根（2）分别置于外壳（104）内；光标（3）位于所述外壳（104）的中轴；盘根（2）与胶筒（105）依次与光标（3）套接；护罩（106）的端部与胶筒（105）的端部固定相接；外壳（104）的内壁与胶筒（105）的外壁形成压力腔E。本发明可延长盘根使用寿命，提供盘根工作磨损状态现场信息及远程信息，对井下突发压力升高进行实时控制，减轻采油工人的工作强度，降低生产风险。

Description

盘根磨损状态监测装置

技术领域

本发明属石油开采井上工具技术领域，尤其涉及一种盘根磨损状态监测装置。

背景技术

石油开采抽油机分布分散，面域广，每口井的光杆密封状态没有准确的动态数据，采油工人日常要不断的跑井观察掌握光杆密封情况，判断密封好坏基本上靠现场观察密封渗漏状态，一次对光杆盘根盒维护后，下一次什么时间再进行维护均无法掌控，只能靠增加巡井频次来监控，工作量及工作强度较大。

为防止跑、冒及井喷，紧固或更换光杆密封盘根成为重点工作，同时，地下开采工艺越来越复杂，地层压力变化无常，目前使用的光杆盘根盒不能随井内突然的压力升高增大密封力，时常发生白天检查完，晚上就发生跑、冒及井喷，污染环境造成生产事故，也给采油工人心里照成了很大的心里和管理压力。

采油过程中光杆会存在抖动、扭动及与抽机驴头位置偏差，造成盘根使用条件恶劣，盘根密封时不能适应光杆的动态，盘根使用寿命变短，更换频繁。

目前，现有的光杆密封器，盘根工作依靠盘根盒上的压帽推动产生的轴向压缩力，盘根在轴向压缩力作用下产生径向扩张抱紧光杆产生密封力，当光杆向下运动时,盘根与光杆的摩擦力和盘根轴向压缩力叠加，盘根下部压力加大，盘根下部与光杆的摩擦力也加大，此时盘根盒密封状态是下紧上松，同理，光杆向上运动时，盘根盒盘根会产生上紧下松状态，重复循环，井内流体物就会从光杆上溢出，传统盘根盒压缩盘根密封的方式，让紧固盘根力度的掌控，成了现场工人操作比较头疼的事，盘根的压缩力过大，盘根盒上下两端盘根摩擦力就越大，从而导致光杆润滑不良，盘根磨损严重，盘根使用寿命缩短，也损害光杆，同时摩擦阻力过大，增加电机功率，造成浪费；盘根紧固力太小会造成盘根渗漏，污染井口和大气环境；现场盘根每次更换多是根据现场密封状况来判定，由现场工人紧固力度决定，当以最大紧固力紧固依然渗漏的，盘根就必须更换了，依靠经验决定盘根的更换虽然为现场工作带来了便利，但却造成盘根利用效率低，寿命短，提高工人的劳动强度，增加生产成本。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种可延长盘根使用寿命，提供盘根工作磨损状态现场信息及远程信息，对井下突发压力升高进行实时控制，减轻采油工人的工作强度，降低生产风险的盘根磨损状态监测装置。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

盘根磨损状态监测装置，包括填料仓、计量机构及压力匹配缸；所述填料仓底部与井口部件固定相接；所述填料仓包括外壳、护罩、胶筒及盘根；所述胶筒及盘根分别置于外壳内；光标位于所述外壳的中轴；所述盘根与胶筒依次与光标套接；所述护罩的端部与胶筒的端部固定相接；所述外壳的内壁与胶筒的外壁形成压力腔E；在所述外壳上固定设有注油阀；所述注油阀与压力腔E相通；

所述计量机构包括缸体、活塞及活塞杆；所述活塞将缸体分隔成计量腔C及计量腔D；所述计量腔D与压力腔E相通；在所述计量腔C内，于活塞杆之上设有弹簧；在所述活塞杆与缸体上设有活塞杆位移量测定机构；

所述压力匹配缸包括壳体及活塞组；所述活塞组将壳体分隔成匹配缸B腔及匹配缸A腔；所述匹配缸B腔与计量腔C相通；所述匹配缸A腔经三通阀与井内流体K腔相通。

作为一种优选方案，本发明所述活塞杆位移量测定机构包括指针及与其相对应的标尺；所述指针垂直固定设于活塞杆的端部；所述标尺横向固定设于缸体之上。

进一步地，本发明所述活塞杆位移量测定机构包括信号采集模块、码条、信号处理模块及信号传输模块；所述信号采集模块固定设于活塞杆的端部；所述码条横向固定于缸体之上；所述信号采集模块的信号传输端口经信号处理模块与信号传输模块的信号传输端口相接。

进一步地，本发明在所述填料仓还设有上端座、下端座、压垫及压帽；所述胶筒的上下两端分别与上端座及下端座固定卡接；所述护罩的上下两端分别与上端座及下端座固定卡接；所述压垫置于盘根之上，且位于上端座与光标之间；所述压帽设于压垫之上，且与外壳（104）螺纹连接。

进一步地，本发明所述压力腔E注油压力0.2≤F≤0.8Mpa。

进一步地，本发明在所述计量腔C上设有丝堵。

进一步地，本发明所述胶筒可采用橡胶、塑料或软金属材料。

本发明安装盘根时，填料仓压帽以15公斤力/米左右的预紧力矩旋紧，通过压垫压缩盘根，完成盘根安装，相比目前的使用的光杆盘根密封装置，安装强度小；正常工作时，计量机构的计量腔D内蓄能的压力通过液体传递到填料仓压力腔E内，胶筒在压力腔E液体压力的作用下径向收缩，对胶筒内腔盘根产生径向收缩压力，在径向收缩压力的作用下，盘根与光杆产生密封作用，由于盘根密封作用力是通过胶筒施加的径向力产生的，改变了传统的轴向压缩的密封方式，因此在光杆往复运动时，没有因为使盘根密封的轴向压缩力的叠加，减小了盘根在往复运动中的摩擦力，改善了光杆的润滑环境，降低了盘根的摩擦损耗，增加了盘根使用寿命；进一步的，当盘根在光杆往复运动作用下，产生磨损时内径将变大，胶筒在储能压力用下产生的径向收缩压力，使盘根径向继续收缩进行自动补偿密封，相比现有轴向压缩盘根的密封形式，在使用相同盘根同样使用周期内，传统盘根盒工作时要维护数次，本发明盘根磨损监测装置能达到相同使用周期内无需紧固与维护，减少采油工人的工作强度；进一步的，填料仓中的胶筒是弹性体，胶筒外部压力腔E充满控制油，光杆自身存在的几何变形及光杆往复运动时产生的抖动，扭动及光杆位置偏差产生的偏移，对盘根动态非正常的挤压，都会通过光杆带动盘根，盘根带动胶筒在压力腔E内的位移运动进行补偿消除，本发明盘根磨损监测装置填料仓对光杆动态适应好，最大限度的消除对盘根偏磨发生渗漏，并延长盘根的使用寿命；进一步的，井内流体K腔中井内流体压力通过三通阀进入匹配缸A腔，作用于压力匹配机构活塞组，在压力匹配机构活塞组匹配缸B腔内得到新的压力，经过控制油传递到计量机构计量腔C并作用在计量机构活塞上，在活塞右部计量腔D得到的压力与计量机构弹簧产生蓄能压力一并经油液传递给填料仓压力腔E，此压力作用在填料仓胶筒外部压缩盘根密封，这样填料仓盘根密封力由两个压力控制，一个是计量机构活塞压缩弹簧形成的储能压力，这个压力为盘根密封提供一个基准密封压力，保证井内无压或压力过低，防止盘根没有密封力产生流体溢出；另一个就是井内流体压力经过匹配机构的转换经计量机构传递到填料仓压力腔E的压力，此压力随井内压力变化而变化，井内流体压力经过匹配机构匹配后，最后作用在填料仓胶筒上的压力为最佳压力，在保证填料仓盘根密封效果的前提下，使光杆往复运动与盘根的摩擦力最小，有效的解决了传统盘根盒盘根紧固力没有依据的问题，更能预防传统盘根盒在井内压力突然升高时，极易发生渗漏甚至失控井喷的难题；进一步的，当填料仓中的盘根磨损时，盘根径向厚度变小，外部的胶筒在压力腔E压力的作用下逐渐收缩，填料仓压力腔E容积变大，计量机构计量腔D的控制油流入填料仓压力腔E进行补充，计量机构活塞在弹簧推力及井内转换压力作用下向右移动，计量机构活塞杆带动指针右移，指针指示标尺上的刻度，标尺上的刻度对应填料仓盘根径向尺寸磨损程度，填料仓盘根磨损越严重，E腔容积变得越大，计量机构活塞407向右移动的距离越大，标尺410上最左刻度表示为新盘根状态，中间刻度表示为预警状态，最下面的刻度为立即停机状态，指针指示标尺状态为现场巡井人员提供直观盘根使用数据，对应标尺下侧的电信号转换器，能将指针所指状态转换成有线或无线控制信号，在不巡井其间实现远程对盘根状态的监控，本发明盘根磨损监测装置为盘根更换提供了有效的参数，使盘根更换的时机更加精准，降低了工人的劳动强度，远程参数监控更能对采油站区内众多油井盘根密封情况进行集中采集、分析，时时掌握井口光杆密封情况，为安全生产提供保障。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明活塞杆位移量测定机构另一种实施方案结构示意图。

图中：1、填料仓；2、盘根；3、光标；4、计量机构；5、压力匹配缸；101、压垫；102、压帽；103、 上端座；104、外壳；105、胶筒；106、护罩；107、下压盖；108、下端座；109、注油阀；401、缸盖；402、第一密封环；403、弹簧；404、缸体；405、丝堵；406、第二密封环；407、活塞；408、指针；409、固定钉；410、标尺；411、电信号转换器；412、活塞杆；413、信号采集模块；414、码条；415、信号处理模块；416、信号传输模块；501、上缸盖；502、壳体；503、第三密封圈；504、第四密封圈；505、活塞组；506、下缸盖；507、三通阀。

具体实施方式

如图1所示，盘根磨损状态监测装置，包括填料仓1、计量机构4及压力匹配缸5；所述填料仓1底部与井口部件固定相接；所述填料仓1包括外壳104、护罩106、胶筒105及盘根2；所述胶筒105及盘根2分别置于外壳104内；光标3位于所述外壳104的中轴；所述盘根2与胶筒105依次与光标3套接；所述护罩106的端部与胶筒105的端部固定相接；所述外壳104的内壁与胶筒105的外壁形成压力腔E；在所述外壳104上固定设有注油阀109；所述注油阀109与压力腔E相通。

所述计量机构4包括缸体404、活塞407及活塞杆412；所述活塞407将缸体404分隔成计量腔C及计量腔D；所述计量腔D与压力腔E相通；在所述计量腔C内，于活塞杆412之上设有弹簧403；在所述活塞杆412与缸体404上设有活塞杆位移量测定机构。

所述压力匹配缸5包括壳体502及活塞组505；所述活塞组505将壳体502分隔成匹配缸B腔及匹配缸A腔；所述匹配缸B腔与计量腔C相通；所述匹配缸A腔经三通阀507与井内流体K腔相通。

本发明所述活塞杆位移量测定机构包括指针408及与其相对应的标尺410；所述指针408垂直固定设于活塞杆412的端部；所述标尺410横向固定设于缸体404之上。

参见图2所示，本发明所述活塞杆位移量测定机构包括信号采集模块413、码条414、信号处理模块415及信号传输模块416；所述信号采集模块固定设于活塞杆412的端部；所述码条414横向固定于缸体404之上；所述信号采集模块413的信号传输端口经信号处理模块415与信号传输模块416的信号传输端口相接。当活塞杆412发生直线运动时，活塞杆412带动信号采集模块413（可以采用反射式光电开关）移动，当明暗相间的码条经过信号采集模块413时，产生相应的脉冲，此脉冲信号送入信号处理模块415进行处理，然后在经信号传输模块416进行远程传输。

本发明在所述填料仓1还设有上端座103、下端座108、压垫101及压帽102；所述胶筒105的上下两端分别与上端座103及下端座108固定卡接；所述护罩106的上下两端分别与上端座103及下端座108固定卡接；所述压垫101置于盘根2之上，且位于上端座103与光标3之间；所述压帽102设于压垫101之上，且与外壳104螺纹连接。

本发明所述压力腔E注油压力0.2≤F≤0.8Mpa。本发明在所述计量腔C上设有丝堵405。本发明所述胶筒105采用橡胶、塑料或软金属材料。

本发明盘根磨损状态监测装置主要核心部件包括填料仓1、计量机构4及压力匹配缸5；所述填料仓1通过下压盖107左端螺纹与井口部件连接，下压盖107与外壳104通过螺纹连接，在外壳104与下压盖107内，安装有下端座108、护罩106、胶筒105及上端座103。下端座108通过上端外凹槽与胶筒105下端内凸台连接，胶筒105通过上端内凸台与上端座103上端外凹槽相连接，护罩106通过两端内凸台分别与下端座108及上端座103外卡槽相连接，形成一个整体后安装在外壳104内，上端通过上端座103的凸台与外壳104进行限位，下端通过下压盖107压装在外壳104内，进一步的，盘根2安装在光标3上，下端是下端座108，上端是压垫101，压垫101上部是压帽102，压帽102与外壳104通过螺纹进行连接，下旋动压帽102，可通过压垫101对盘根2进行压缩，可调整盘根2安装预紧压力，预紧压力控制在15公斤力左右；进一步的，外壳104与胶筒105形成压力腔E，可通过外壳104右侧的单向阀109注入控制油，注油压力在0.2～0.8Mpa,作为系统的基准控制压力；所述的计量机构4位于填料仓1的左侧，通过缸盖401右侧螺纹与填料仓1外壳上的接头相连接，缸盖401左端通过螺纹与缸体404连接，缸体404内装有活塞407，活塞407与缸体404之间装有第一密封圈402；活塞杆412与缸体404之间装有第二密封圈406；弹簧403安装在活塞杆412上，指针408安装在活塞杆412左端，通过固定钉409与活塞杆412固定，标尺410位于指针408下侧，安装在缸体404上面，电信号转换器411安装在标尺下侧，指针408在活塞杆412左右位移带动下，可在标尺410上刻度范围内左右滑动，电信号转换器411能将指针408在标尺上的刻度区间滑动转换成电信进行输出，通过有线或无线手段传输给远程控制端，对盘根使用状态进行远程监控，进行远程管理。

本发明盘根磨损状态监测装置工作过程是：安装盘根2，用15公斤左右的力向下紧固压帽102，压垫101在压帽102推力的作用下压缩盘根，完成安装；通过填料仓1右侧的单向阀109向压力腔E注控制油，控制油经压力腔E向左流动进行计量机构计量腔D，计量机构4内活塞407在控制油的作用下压缩弹簧403向左运动，活塞杆412带动指针408向左运动，指针408指示标尺410最左刻度线时，填料仓1控制油注入结束，最高压力控制在0.8Mpa左右，此压力被计量机构4蓄存；打开计量机构4上的丝堵405，向计量腔C注入控制油，控制油经计量腔C进入压力匹配缸5的匹配缸B腔，推动活塞组505向下运动到匹配缸B腔最下端，计量机构计量腔C注入控制油结束，注满油为基准，紧固丝堵405；工作状态，光杆3往复运动带动井下油泵开始工作时，井内流体压力由井内流体K腔经三通阀507进入匹配缸A腔，流体压力经活塞组505进行压力转换后由匹配缸B腔控制油传递到计量腔C，计量腔D获得计量腔C与弹簧403蓄能的压力合力经控制油传递到压力腔E，作用在胶筒105外部，胶筒105合力的作用下对盘根2产生收缩压力，盘根2在胶筒105收缩力的作下，产生对光杆3的密封力，保证井内的流体不渗漏，由于密封力随井内的压力变化而变化，能防止高压失控，井内低压或无压力时，计量机构蓄能的0.8Mpa左右的压力保证盘根不溢流，盘根密封工作受到全程控制；盘根2在光杆3往复运动摩擦下，会发生正常磨损，当盘根2发生磨损后，造成盘根腔容积变小，胶筒105在控制油作用下，发生径向收缩，压力腔E容积变大，计量腔D控制油流向压力腔E，活塞407在弹簧蓄能压力及井内流体传递来的压力合力作用下向右运动，活塞407杆带动指针408向右运动，这样盘根2的磨损状态直接反应到计量机构4指针408端，并用标尺410刻度进行显示，用电信号转换器进行信号转换，当指针408向右运动指向预警刻度线时，进行盘根2更换，抽油机停机，关闭三通阀507，压力匹配缸5与井内液体通路断开，同时压力匹配缸A腔通过三通阀507与大气相通，对匹配缸A腔进行泄压，拆下压帽102，取出压垫101和盘根2，安装新盘根2、压垫101，向下旋紧压帽102，新盘根2在压垫101的压力作用下，产生径向扩张，向外推动胶筒向外扩张，压力腔E容积变小，控制油被压缩到计量腔D，推动活塞407压缩弹簧403向左运动，当指针408指向标尺410最左端刻度时，盘根2更换完成，打开三通阀507，启动抽油机，盘根2磨损状态监测装置就可以投入正常使用了。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”及“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.盘根磨损状态监测装置，其特征在于，包括填料仓（1）、计量机构（4）及压力匹配缸（5）；所述填料仓（1）底部通过下压盖（107）左端螺纹与井口部件固定相接；所述填料仓（1）包括外壳（104）、护罩（106）、胶筒（105）及盘根（2）；所述胶筒（105）及盘根（2）分别置于外壳（104）内；光标（3）位于所述外壳（104）的中轴；所述盘根（2）与胶筒（105）依次与光标（3）套接；所述护罩（106）的端部与胶筒（105）的端部固定相接；所述外壳（104）的内壁与胶筒（105）的外壁形成压力腔E；在所述外壳（104）上固定设有注油阀（109）；所述注油阀（109）与压力腔E相通；

所述计量机构（4）包括缸体（404）、活塞（407）及活塞杆（412）；所述活塞（407）将缸体（404）分隔成计量腔C及计量腔D；所述计量腔D与压力腔E相通；在所述计量腔C内，于活塞杆（412）之上设有弹簧（403）；在所述活塞杆（412）与缸体（404）上设有活塞杆位移量测定机构；

所述压力匹配缸（5）包括壳体（502）及活塞组（505）；所述活塞组（505）将壳体（502）分隔成匹配缸B腔及匹配缸A腔；所述匹配缸B腔与计量腔C相通；所述匹配缸A腔经三通阀（507）与井内流体K腔相通。

2.根据权利要求1所述的盘根磨损状态监测装置，其特征在于：所述活塞杆位移量测定机构包括指针（408）及与其相对应的标尺（410）；所述指针（408）垂直固定设于活塞杆（412）的端部；所述标尺（410）横向固定设于缸体（404）之上。

3.根据权利要求1所述的盘根磨损状态监测装置，其特征在于：所述活塞杆位移量测定机构包括信号采集模块（413）、码条（414）、信号处理模块（415）及信号传输模块（416）；所述信号采集模块固定设于活塞杆（412）的端部；所述码条（414）横向固定于缸体（404）之上；所述信号采集模块（413）的信号传输端口经信号处理模块（415）与信号传输模块（416）的信号传输端口相接。

4.根据权利要求1～3任一所述的盘根磨损状态监测装置，其特征在于：在所述填料仓（1）还设有上端座（103）、下端座（108）、压垫（101）及压帽（102）；所述胶筒（105）的上下两端分别与上端座（103）及下端座（108）固定卡接；所述护罩（106）的上下两端分别与上端座（103）及下端座（108）固定卡接；所述压垫（101）置于盘根（2）之上，且位于上端座（103）与光标（3）之间；所述压帽（102）设于压垫（101）之上，且与外壳（104）螺纹连接。

5.根据权利要求4所述的盘根磨损状态监测装置，其特征在于：所述压力腔E注油压力0.2Mpa≤F≤0.8Mpa。

6.根据权利要求5所述的盘根磨损状态监测装置，其特征在于：在所述计量腔C上设有丝堵（405）。

7.根据权利要求6所述的盘根磨损状态监测装置，其特征在于：所述胶筒（105）采用橡胶、塑料或软金属材料。