專利名稱：一種石油套管磨損自動監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于石油鉆井現(xiàn)場的石油套管磨損狀況監(jiān)測裝置，具體 地說涉及一種通過收集和分析循環(huán)鉆井液中的磁性磨屑來達(dá)到監(jiān)測井下技術(shù) 套管磨損狀況的一種石油套管磨損自動監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)外在鉆井工程中用于套管磨損監(jiān)測的主要方法有兩種 一種 是基于測井儀器的事后套管檢測方法，優(yōu)點是可提供準(zhǔn)確的套管磨損部位和 磨損烈度信息，缺點是不能夠在鉆進(jìn)時實時監(jiān)測，檢測時需占用鉆井工時， 因此分析成本較高。另一種是基于鉆井液出口磨屑分析的實時檢測方法，通 過在井上鉆井液出口處收集井下套管磨屑，跟蹤分析從鉆井液中分離出的金 屬磨屑的數(shù)量、大小和形態(tài)特征，能夠及時確定井下套管及相關(guān)元件的磨損 程度和主要磨損機理，預(yù)測套管磨損的異常變化，可在不停鉆情況下對套管 磨損進(jìn)行動態(tài)跟蹤、易操作、成本低。目前國外開發(fā)出用于鉆井液緩沖罐的 磨屑收集器和在鉆井液緩沖罐中使用的磨屑磁性收集器，利用永磁鐵高效收 集鉆井液中的磨屑，但在操作時需要手動將儀器放入緩沖罐中，收集結(jié)束后 需手動提出儀器，手動分離磁性磨屑，清理完畢后才能將儀器再放入鉆井液 中進(jìn)行收集。因為這些收集裝置有一定重量，加上緩沖罐位置較高，罐口面 積狹小，沒有專用的人行上下通道，操作極其不便，易招致設(shè)備損壞和人身 意外傷害。
名稱為一種用于鉆井液緩沖罐的磨屑收集裝置的歐洲專利，該裝置采用 了永磁場開關(guān)技術(shù)，當(dāng)帶有磁環(huán)組的內(nèi)芯旋緊在不銹鋼外殼上時，同極對置 的磁環(huán)相互擠壓，環(huán)組磁場外放，在外殼上形成強磁場，裝置處于磨屑收集 狀態(tài)；當(dāng)內(nèi)芯旋開時，磁環(huán)排開，環(huán)組磁場內(nèi)斂，在外殼上形成的磁場大幅
4度減弱，吸附在外殼上的磨屑可脫落，以便于清理收集。
另外，Weatherford公司開發(fā)出適合在鉆井液緩沖罐中使用的磨屑磁性收 集器，這種磁性收集器可沉在鉆井液緩沖罐中利用永磁鐵高效收集鉆井液中 的磨屑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種石油套管磨損自動監(jiān)測系統(tǒng)，它是一種簡單 易用的套管磨損實時監(jiān)測設(shè)備，在該領(lǐng)域首次實現(xiàn)無人工干預(yù)條件下的持續(xù) 監(jiān)測，實現(xiàn)自動收集循環(huán)鉆井液中的套管磨屑，自動分離磨屑，自動稱量磨 屑重量，遠(yuǎn)距傳輸測量數(shù)據(jù)和分析處理數(shù)據(jù)等功能，從而為鉆井現(xiàn)場實時的 套管磨損監(jiān)測工作提供易用而有效的技術(shù)手段。
本發(fā)明的技術(shù)方案是石油套管自動監(jiān)測儀系統(tǒng)包括自動收集稱重器、 控制模塊、通訊模塊和計算處理模塊組成，由收集稱重器得到的磨屑重量數(shù)
據(jù)通過有線傳輸?shù)浇潭说娘@示儀表里，經(jīng)過濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換等過程，
在儀表上直接顯示稱重數(shù)據(jù)，另外，稱重數(shù)據(jù)的數(shù)字信號還經(jīng)過變送模塊的 處理，傳送到無線通訊發(fā)送器上，在遠(yuǎn)程端的控制房內(nèi)通過無線接收裝置接
收測試信號，并通過RS232接口輸送給計算機。
所述的自動收集稱重器包括螺紋拉桿、螺桿減速機、磁性收集柵、滑動
刮削器、磨屑收集槽、防爆電機、支架、安裝槽架、稱重傳感器、壓力桿，
該器件總體結(jié)構(gòu)由上、下兩層平臺構(gòu)成，上部平臺上安裝動力驅(qū)動部件防爆
電機和螺桿減速機，磁性收集柵依靠鉸支座安裝在安裝槽架的支架上，磁性
收集柵的下部鉸接磨屑收集槽，磨屑收集槽一側(cè)與的壓力桿連接，支架與安
裝槽架固定連接，稱重傳感器一端固定在磁性收集柵上。
磨屑收集槽的尾部固定連接有壓力桿。
磨屑收集槽和壓力桿通過柱銷鉸鏈?zhǔn)桨惭b在磁性收集柵的下端。
磁性收集柵由多根磁棒并排安裝組成，每根磁棒由不銹鋼外筒和內(nèi)部的 圓形永磁塊組組成，永磁塊采用異極對置的方式緊密排列，在不銹鋼外筒外 圍形成磁場。所述控制模塊由PLC,固態(tài)繼電器(SSR)，啟停按扭和行程開關(guān)組成，
按下啟動按扭后，PLC直流繼電器啟動，導(dǎo)通電機正向旋轉(zhuǎn)，帶動監(jiān)測儀器就
位。儀器到達(dá)預(yù)定位置時行程開關(guān)輸出信號，PLC通過繼電器控制電停止，同
時啟動PLC內(nèi)部的定時器，經(jīng)過約定時間后PLC輸出信號通過固態(tài)繼電器控
制電機反轉(zhuǎn)，儀器開始復(fù)位，儀器運行到復(fù)位位置時，另一個行程開關(guān)啟動，
輸出信號給PLC， PLC輸出信號通過固態(tài)繼電器控制電機停轉(zhuǎn)。
所述通訊模塊包括一無線發(fā)射?？旌鸵粺o線接收模塊組成。 本發(fā)明的特點和優(yōu)點是本儀器一方面可以實現(xiàn)自動收集鉆井液中套管
磨屑，自動稱重收集磨屑重量，無線傳輸稱重數(shù)據(jù)以及分析處理收集數(shù)據(jù)等
功能，從而為套管磨損監(jiān)測提供定量指標(biāo)。另一方面，本儀器收集的磨屑包
含大量的磨損信息，配合使用磨屑分析技術(shù)進(jìn)行深入分析，能夠及時確定井
下套管及相關(guān)元件的磨損程度和主要磨損機理，及時預(yù)知套管磨損的異常變
化，以便及時采取措施，達(dá)到有效控制套管磨損的目的。總之，利用自動控
制技術(shù)開發(fā)的本監(jiān)測儀器為鉆井現(xiàn)場的套管磨損研究提供了有效易行的手
段，大大提升了鉆井現(xiàn)場磨屑收集儀器的自動化水平，為套管磨損監(jiān)測以及
防磨技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用研究提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，必將大大推動套管磨損監(jiān)測技
術(shù)的研究進(jìn)程。


圖1為本發(fā)明套管磨損自動監(jiān)測儀系統(tǒng)總體構(gòu)成圖； 圖2為本發(fā)明石油鉆井套管磨損自動監(jiān)測收集稱重裝置結(jié)構(gòu)圖； 圖3為本發(fā)明的石油鉆井套管磨損自動監(jiān)測系統(tǒng)控制圖；
具體實施例方式
下面配合附圖及具體實施例對本發(fā)明的具體實施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
如附圖1所示， 一套完整的套管自動監(jiān)測儀系統(tǒng)主要由控制模塊、自動 收集稱重器11、通訊模塊和計算處理模塊等四部分組成。其中自動收集稱重器ll是全套系統(tǒng)的核心，它被安裝在鉆井循環(huán)系統(tǒng)的鉆井液緩沖罐上，在控 制模塊的控制下完成從鉆井循環(huán)的鉆井液中提取磁性磨屑、稱重磨屑重量的 功能，并將稱重的數(shù)據(jù)傳送到近端的顯示儀表和通訊模塊上。經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 的數(shù)據(jù)，通過無線通訊裝置傳輸?shù)竭h(yuǎn)程機房內(nèi)的計算機上。本系統(tǒng)核心的自動收集稱重器11的結(jié)構(gòu)如圖2所示，核心部件是由三個磁棒組成的磁性收集柵3，直線排列的磁棒之間有過流間隙讓鉆井液流過，每 根磁棒內(nèi)部安裝高能永磁體，在磁棒外圍形成強磁場，在磁棒的兩端進(jìn)行了 無磁設(shè)計以方便刮削磁性磨屑到兩端時能依靠重力自由落下。磁性收集柵3 依靠鉸支座安裝在安裝槽架8的支架7上，能在滑動刮削器4的推動下繞鉸 支座旋轉(zhuǎn)。在磁性收集柵3的支架上還安裝有磨屑收集槽5，它可以繞著自己 的鉸支座旋轉(zhuǎn)，磨屑收集槽5的尾部固定連接有伸長的壓力桿10，當(dāng)磁性收 集柵3處于水平位置時，如圖2所示，壓力桿10空置端因為有磁性收集柵3 支架體上安裝的稱重傳感器9的支撐而使磨屑收集槽5處于水平位置。實際應(yīng)用時通過安裝槽架8與鉆井液緩沖罐上口支架7可靠連接，在控 制模塊控制下防爆電機6正向旋轉(zhuǎn)，帶動螺桿減速機2驅(qū)動螺紋拉桿1下行。 螺紋拉桿1的下端通過鉸支座與滑動刮削器4連接，當(dāng)螺紋拉桿1下行時滑 動刮削器4沿磁性收集柵3外套下滑并推動其從水平位置翻轉(zhuǎn)到垂直位置， 此時行程開關(guān)發(fā)出信號給PLC控制器，控制模塊控制防爆電機6停止轉(zhuǎn)動， 磁性收集柵3下段浸入到緩沖罐內(nèi)鉆井液中開始收集鉆井液中的磁性磨屑， 這時滑動刮削器4位于磁性收集柵3的下端，稱重傳感器9也隨著磁性收集 柵3支架轉(zhuǎn)動到了垂直位置，壓力桿10空置端失支約束，磨屑收集槽5因為 重力作用下垂，上次收集在槽內(nèi)的磁性磨屑被倒掉。經(jīng)過設(shè)定時間的收集后，PLC的定時機構(gòu)給出信號，控制模塊控制防爆電 機6啟動并反向轉(zhuǎn)動，螺紋拉桿1在螺桿減速機2的驅(qū)動下上行，拉動滑動 刮削器4上行，磁性收集柵3在滑動刮削器4的帶動下從垂直位置轉(zhuǎn)動到水 平位置，滑動刮削器4將磁性收集柵3上收集的磁性磨屑從磁棒的中間段刮削到磁棒的頂端無磁性區(qū)域時，磨屑收集槽5己經(jīng)轉(zhuǎn)動到接近水平方向，磁 屑會從磁棒上脫落掉到磨屑收集槽5中，從而完成磨屑收集的功能。如圖2所示，當(dāng)磁性收集柵3處于水平位置時，磨屑收集槽5、壓力桿 10以及它們的安裝鉸支座構(gòu)成一個杠桿機構(gòu)，根據(jù)桿杠原理，稱重傳感器9 受到壓力桿10頂端壓力的大小與磨屑收集槽5及其收集的磨屑總重量大小成 正比，對稱重傳感器9先進(jìn)行空載標(biāo)定后，根據(jù)力臂關(guān)系，在實際應(yīng)用時可 直接得到收集磨屑的重量，從而實現(xiàn)了本儀器的磨屑稱重功能。如附圖2所示，本收集稱重器11中的磨屑收集槽5和壓力桿10是通過 柱銷鉸鏈?zhǔn)桨惭b在磁性收集柵3的下端，方便必要時從橫梁上摘下以便手工 干預(yù)磨屑分析工作。如圖1所示，由自動收集稱重器11得到的磨屑重量數(shù)據(jù)通過有線傳輸?shù)?近程端的顯示儀表里，經(jīng)過濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換等過程，在儀表上直接顯示 稱重數(shù)據(jù)。另外，稱重數(shù)據(jù)的數(shù)字信號還經(jīng)過變送模塊的處理，傳送到無線 通訊發(fā)送器上，在遠(yuǎn)程端的控制房內(nèi)通過無線接收裝置接收測試信號，并通 過RS232接口輸送給計算機。由計算機軟件完成最后的數(shù)據(jù)接收、處理、記 錄和顯示等工作，并根據(jù)磨損預(yù)測模型判斷套管磨損的狀況，以指導(dǎo)鉆井生 產(chǎn)的套管防磨工作。如圖3所示， 本發(fā)明的石油套管磨損監(jiān)測儀包括一套控制模塊，它 主要由PLC，固態(tài)繼電器(SSR)，啟停按扭和行程開關(guān)組成。按下啟動按扭 后，PLC直流繼電器啟動，導(dǎo)通電機正向旋轉(zhuǎn)，帶動監(jiān)測儀器就位。儀器到達(dá) 預(yù)定位置時行程開關(guān)輸出信號，PLC通過繼電器控制電停止，同時啟動PLC內(nèi) 部的定時器，經(jīng)過約定時間后PLC輸出信號通過固態(tài)繼電器控制電機反轉(zhuǎn)， 儀器開始復(fù)位，儀器運行到復(fù)位位置時，另一個行程開關(guān)啟動，輸出信號給 PLC， PLC輸出信號通過固態(tài)繼電器控制電機停轉(zhuǎn)。通過可編程控制器(PLC)和計算機程序?qū)崿F(xiàn)了鉆井液回返磨屑在線監(jiān)測 裝置的磨屑收集、測量、數(shù)據(jù)采集、無線傳輸及參數(shù)分析的自動控制，達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)如下(1) 回返磨屑在線監(jiān)測裝置控制方式無人值守定時收集測量和手動控制；(2) 磨屑自動稱重數(shù)據(jù)采集頻率5次/秒；(3) 無線數(shù)據(jù)采集通訊接口方式RS232-USB2. 0，通訊頻率433MHz;(4) 無線數(shù)據(jù)采集最大通訊距離200m。如附圖2所示，自動收集稱重器11在防爆電機6的驅(qū)動下，滑動刮削器 4可推動磁性收集柵3擺動到垂直方向，也能把磁性收集柵3從垂直方向收回 到水平方向。在磁性收集柵3的下部鉸接磨屑收集槽5，磨屑收集槽5由不銹 鋼加工，是用于收集磨屑的小鏟， 一側(cè)與伸長用于稱重的壓力桿10連接，中 間是安裝用的鉸支座。選用公知的懸臂梁式稱重傳感器9 一端牢牢固定在磁 性收集柵3上。磁性收集柵3由多根磁棒并排安裝組成，每根磁棒由不銹鋼外筒和內(nèi)部 的圓形永磁塊組組成，永磁塊采用異極對置的方式緊密排列，在不銹鋼外筒 外圍形成磁場。當(dāng)磁性收集柵3位于水平位置時，磨屑收集槽5也處于水平 位置，由滑動刮削器4從磁棒上刮下的磨屑正好落入到磨屑收集槽5的小鏟 內(nèi)，磨屑收集槽5另一側(cè)的壓力桿10正好與稱重傳感器9接觸，磨屑重量通 過小鏟、鉸支座和壓力桿10構(gòu)成的杠桿機構(gòu)傳遞給稱重傳感器9，實出磨屑 稱重功能。當(dāng)磁性收集柵3從水平位置擺動回垂直位置時，磨屑收集槽5也變回垂 直位置，傾倒提小鏟中的收集的磨屑。壓力桿10與稱重傳感器9脫離。采用不銹外筒封裝圓形永磁塊組成磁棒，通過同極對置的方法增大磁場 強度，三根磁棒并排構(gòu)成磁性收集柵，由磁性收集柵收集鉆井液中的磁性磨 屑；設(shè)計的合理的擺桿機構(gòu)使磁棒能水平收起和垂直放置，并在磁棒上安裝 滑塊以刮取磁性收集物；采用電動機為擺桿機構(gòu)提供運行動力；設(shè)計收集槽 安裝到磁性收集柵裝置上，當(dāng)磁棒向水平方向運動時能接收磨屑收集物，磁 棒垂直方向運動時能傾倒掉磨屑收集物；設(shè)計電氣控制方法實現(xiàn)對儀器動作 的合理控制；設(shè)計杠桿稱重裝置能在磁棒水平時稱量收集到的磨屑收集物的 重量；連接稱重傳感器9至數(shù)據(jù)采集器和信號通訊裝置，將稱重數(shù)據(jù)通過無線通訊方式傳送到遠(yuǎn)端的計算機接收部分；設(shè)計軟件處理和分析檢測的數(shù)據(jù)， 根據(jù)理論模型判斷井下套管的磨損嚴(yán)重程度。所述控制模塊主要由PLC，固態(tài)繼電器(SSR)，啟停按扭和行程開關(guān)組 成，采用的公知技術(shù)組裝，其電氣控制構(gòu)成如附圖3所示。編程控制的目的 是實現(xiàn)對防爆電機6的動作和時間控制及稱重裝置的狀態(tài)控制。所述通訊模塊采用公知技術(shù)組裝，包括一無線發(fā)射?？旌鸵粺o線接收模 塊組成，實現(xiàn)把處理好的稱重數(shù)字信號傳輸?shù)竭h(yuǎn)程計算機上的目的。所述計算處理模塊為一程序軟件，包括接收稱重數(shù)據(jù)的串口通訊程序和 數(shù)據(jù)處理程序兩部分。其中串口通訊采用公知技術(shù)實現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理的方法不 包括在此發(fā)明發(fā)時內(nèi)容之內(nèi)，不再贅述。本發(fā)明涉及的所有采購件 和自設(shè)計組件均采用防爆技術(shù)，以滿足井場電氣防爆的要求。
權(quán)利要求
1.一種石油套管磨損自動監(jiān)測系統(tǒng)，包括自動收集稱重器(11)、控制模塊、通訊模塊和計算處理模塊，其特征在于控制模塊與自動收集稱重器(11)連通，由自動收集稱重器(11)得到的磨屑重量數(shù)據(jù)通過有線傳輸?shù)浇潭?，?jīng)過顯示變送模塊的處理，傳送到無線通訊發(fā)送器上，在遠(yuǎn)程端的控制房內(nèi)通過無線接收模塊接收測試信號，并通過RS232接口輸送給計算機。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石油套管磨損自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的自動收集稱重器(11)由螺紋拉桿(1)、螺桿減速機(2)、磁性收集柵(3)、滑動刮削器(4)、磨屑收集槽(5)、防爆電機(6)、支架(7)、安裝槽架(8)、稱重傳感器(9)、壓力桿(10)組成，該器件總體結(jié)構(gòu)由上、下兩層平臺構(gòu)成，上部平臺上安裝防爆電機(6)和螺桿減速機(2)，磁性收集柵(3)安裝在安裝槽架(8)的支架7上，磁性收集柵(3)的下部鉸接磨屑收集槽(5)，磨屑收集槽(5) —側(cè)與的壓力桿(10)連接，支架(7)與安裝槽架(8)固定連接，稱重傳感器(9) 一端固定在磁性收集柵(3)上，磨屑收集槽(5)與壓力桿(10)連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種石油套管磨損自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于磨屑收集槽(5)的尾部固定連接有壓力桿(10)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種石油套管磨損自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于磨屑收集槽(5)和壓力桿(10)通過柱銷鉸鏈?zhǔn)桨惭b在磁性收集柵(3)的下端。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種石油套管磨損自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:磁性收集柵(3)由磁棒并排安裝組成，每根磁棒由外筒和內(nèi)部的圓形永磁塊組組成，永磁塊采用異極對置的方式緊密排列。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石油套管磨損自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述控制模塊由PLC，固態(tài)繼電器(SSR)，啟停按扭和行程開關(guān)組成，按下啟動按扭后，PLC直流繼電器啟動，導(dǎo)通電機正向旋轉(zhuǎn)，帶動監(jiān)測儀器就位，儀器到達(dá)預(yù)定位置時行程開關(guān)輸出信號，PLC通過繼電器控制電停止，同時啟動PLC內(nèi)部的定時器，經(jīng)過約定時間后PLC輸出信號通過固態(tài)繼電器控制電機反轉(zhuǎn)，儀器開始復(fù)位，儀器運行到復(fù)位位置時，另一個行程開關(guān)啟動，輸出信號給PLC, PLC輸出信號通過固態(tài)繼電器控制電機停轉(zhuǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石油套管磨損自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述通訊模塊由無線發(fā)射模快和無線接收模塊組成。
全文摘要
一種石油套管磨損自動監(jiān)測系統(tǒng)，包括自動收集稱重器(11)、控制模塊、通訊模塊和計算處理模塊，其特征在于控制模塊與自動收集稱重器(11)連通，由自動收集稱重器(11)得到的磨屑重量數(shù)據(jù)通過有線傳輸?shù)浇潭耍?jīng)過顯示變送模塊的處理，傳送到無線通訊發(fā)送器上，在遠(yuǎn)程端的控制房內(nèi)通過無線接收模塊接收測試信號，并通過RS232接口輸送給計算機，可以實現(xiàn)自動收集鉆井液中套管磨屑，自動稱重收集磨屑重量，無線傳輸稱重數(shù)據(jù)以及分析處理收集數(shù)據(jù)等功能，從而為套管磨損監(jiān)測提供定量指標(biāo)，收集的磨屑包含大量的磨損信息，配合使用磨屑分析技術(shù)進(jìn)行深入分析，能夠及時確定井下套管及相關(guān)元件的磨損程度和主要磨損機理，及時預(yù)知套管磨損的異常變化，以便及時采取措施，達(dá)到有效控制套管磨損的目的。
文檔編號E21B47/00GK101603418SQ20081011470
公開日2009年12月16日 申請日期2008年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月11日
發(fā)明者樂法國, 儲勝利, 宋周成, 張來斌, 樊建春, 段永賢, 東 溫, 秦宏德, 聶采軍, 鄭文培, 龔建文 申請人:中國石油天然氣股份有限公司