CN103256037A - 石油钻井螺杆钻具工作参数测量装置 - Google Patents

Abstract

一种石油钻井螺杆钻具工作参数测量装置，涉及石油钻井随钻测井技术领域，主要由永磁体、霍尔开关传感器、微机械陀螺仪、温度传感器、信号调理电路、单片机电路以及高压密封盖板组成，本发明装置设置在螺杆上，构成整体结构，其中永磁铁安装在螺杆转子或防掉的不导磁部分，霍尔开关传感器、微机械陀螺仪、信号调理电路和单片机电路安装在螺杆壳体加工的条形槽内。本发明实现了螺杆转速、钻铤转速、工作温度、运行时间的测量，结构简单，易于更换，适合批量、系列化生产。

Description

石油钻井螺杆钻具工作参数测量装置

技术领域

本发明涉及石油钻井随钻测井技术领域，尤其涉及一种应用于石油钻井工程中螺杆钻具转速温度时间随钻测量的装置。

背景技术

钻井过程中，及时了解钻具的工作状态对安全、高效地钻井是非常重要的，这就需要准确地检测钻具近钻头处的各种钻井工程参数，包括运行时间、温度、钻具的转速等。随着钻井深度的增加，特别是多种分支井、水平井、鱼骨井的开发，给钻井生产的安全与效率带来很大影响，各种卡钻、掉牙轮、钻具断落等钻井事故时有发生，实时测量近钻头处的螺杆和钻铤的转速、钻具井下工作温度等钻井工程参数的变化可以有效地防止此类事故的发生。通过对井下近钻头处工程参数的实时准确测量，可以对实际钻井过程进行分析、处理和对比，进而指导钻井过程。此外，这些参数的实时测量对钻头的失效分析、钻头的优化设计等方面也是一个不可或缺的信息。

在不同的钻井过程及不同的工作状态中，钻具的转速、工作温度不同，比如钻具堵转时转速会明显降低甚至为零，温度会急剧升高，这样，根据实时测量的转速与温度值可及时了解钻具的工作状态，便于工作人员对井下钻具进行实时监控，并根据需要做出及时调整和处理。转速温度这些参数的准确测量可以大大提高螺杆钻具的可靠性，可操作性，提高螺杆钻具的工作效率，使其满足更多的钻井技术需求。时间模块可以记录每一个状态对应的准确时间，测量系统的存储功能，使其可以方便的查阅历史时刻的工作状态。

多年来国内外井下测量仪器的开发重点一直是与油气地质储量直接相关的地层电阻率、孔隙率、伽马射线等地质参数的测量；与几何导向相关的井斜、方位、工具面角等井眼轨迹参数的测量与控制；而与钻井安全、钻井效率相关的钻具转速、温度及运行时间等参数测量技术研究较少。由于井下空间小，而且环境恶劣，存在高温、高压、强震动、腐蚀性和强冲蚀等问题，地面上现有的转速表和传感器无法直接在井下使用。目前尚无螺杆钻具转速温度等井下参数测量功能的专用设备，这影响了螺杆钻具在井下的使用效果与钻具性能的进一步提高。经检索发现仅有少量的与此相关的专利技术，包括CN101182767A、CN201254984Y等，下面分别予以分析比较：

中国石油集团钻井工程技术研究院对井下旋转设备的转速的测量方法进行了研究，该研究在原钻具上安装了一个测量短节，短节有两种方式：1、短接的内轴由永磁材料制作而成，并在轴上设置多个凹槽；2、短接的内轴由非导磁材料构成，并在轴上安装若干个永磁铁。钻铤上安装磁敏传感器，用于感应短接内轴与钻铤之间磁场的变化，产生脉冲信号，对脉冲信号进行计数，并进行进一步处理便可得到转速的大小。

西安石油大学也对井下转速测量方法进行了研究，在测量短节上安装磁通门组件，利用大地南北极性的特点，将磁通门上测得的圆周变化磁场变为圆周变化次数，即转速。

上述两专利都是在钻具上另外安装测量短接，虽然也较好地实现了转速的测量，但安装较为不方便，且只能单一的测量钻杆的转速。

发明内容

本发明的目的是提供一种石油钻井螺杆钻具工作参数测量装置，本发明装置无需另加测量短接，直接在钻具上安装测量系统即可实现螺杆转速、钻铤转速、工作温度、运行时间等几个参数的测量，方便实用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种石油钻井螺杆钻具工作参数测量装置，主要由永磁体、霍尔开关传感器、微机械陀螺仪、温度传感器、信号调理电路、单片机电路以及高压密封盖板组成，本发明装置设置在螺杆上，构成整体结构，其中永磁铁安装在螺杆转子或防掉的不导磁部分，霍尔开关传感器、微机械陀螺仪、信号调理电路和单片机电路安装在螺杆壳体上加工的条形槽内。

上述高压密封盖板设置在条形槽外部。

上述霍尔开关传感器安装高度和永磁铁安装高度相同。

上述信号调理电路、单片机电路、霍尔开关传感器和温度传感器通过钻铤短接内部加工的导线孔进行供电。

上述单片机具有实时时钟单元。

上述霍尔开关传感器产生的脉冲信号经信号调理电路转换为可被单片机采集的信号。

本发明装置的有益效果是：

可实现了螺杆转速、钻铤转速、工作温度、运行时间的测量；转速测量中采用灵敏度高的霍尔开关传感器，参数测量更准确，实时性更强；用微机械陀螺仪测量钻铤转速，精度高；对永磁铁和条形槽的设计采用良好地密封方法，能很好地承受泥浆的冲刷，保证了装置的长期稳定运行；整个装置结构简单，易于更换，适合批量、系列化生产。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明装置的工作原理图。

图中1永磁铁、2单片机电路、3信号调理电路、4微机械陀螺仪、5霍尔开关传感器、6高压密封盖板、7密封圈、8条形槽、9温度传感器、10导线孔、11螺杆转子或防掉、12螺杆壳体、13螺杆短接、14实时时钟单元。

具体实施方式：

如图1、图2所示，一种石油钻井螺杆钻具工作参数测量装置，主要由永磁体1、霍尔开关传感器5、微机械陀螺仪4、温度传感器9、信号调理电路3、单片机电路2以及高压密封盖板6组成，本发明装置设置在螺杆转子或防掉11和螺杆壳体12上，构成整体结构，其中永磁铁1安装在螺杆转子或防掉11上的不导磁部分，霍尔开关传感器5、微机械陀螺仪4、信号调理电路3和单片机电路2安装在螺杆壳体12上加工的条形槽8内，高压密封盖板6设置在条形槽8外部，条形槽8用高压密封盖板6密封，保证了测量装置正常平稳工作，且能防止泥浆侵入和渗漏现象，霍尔开关传感器5安装高度和永磁铁1安装高度相同，信号调理电路3、单片机电路2、霍尔开关传感器5和温度传感器9通过螺杆壳体12的螺杆短接13内部加工的导线孔10进行供电，单片机电路2具有实时时钟单元14。

本发明装置的工作原理具体说明如下：螺杆转子或防掉11相对螺杆壳体12转动引起霍尔开关传感器5周围磁场的周期性变化，霍尔开关传感器5输出脉冲信号，对脉冲信号进行计数处理可计算出螺杆转子或防掉11相对于螺杆壳体12的相对转速，工作温度和螺杆壳体12的转速分别通过温度传感器9和微机械陀螺仪4实现。

钻井过程中，霍尔开关传感器5在磁场的变化下产生脉冲信号，经信号调理电路3转换为可被单片机采集的信号，微机械陀螺仪4直接测得钻铤转速，将信号传给单片机。单片机工作方式有两种，一种是采集记录的数字信号存储于转换电路的非易失性存储器芯片中，钻井过程结束、起钻后进行数据回放，利用地面的计算机系统分析已经完成的钻井过程中工程参数的变化规律。另一种是采集记录的数字信号经过测量系统进行通讯，通讯方式可以是RS232、RS485或者其他的无线传输方式，传输到地面监控系统，实时监控钻井过程中工程参数的变化规律。

Claims (6)

1.一种石油钻井螺杆钻具工作参数测量装置，其特征是主要由永磁体、霍尔开关传感器、微机械陀螺仪、温度传感器、信号调理电路、单片机电路以及高压密封盖板组成，本发明装置设置在螺杆上，构成整体结构，其中永磁铁安装在螺杆转子或防掉的不导磁部分，霍尔开关传感器、微机械陀螺仪、信号调理电路和单片机电路安装在螺杆壳体加工的条形槽内。

2.根据权利要求1所述的石油钻井螺杆钻具工作参数测量装置，其特征是高压密封盖板设置在条形槽外部。

3.根据权利要求1所述的石油钻井螺杆钻具工作参数测量装置，其特征是霍尔开关传感器安装高度和永磁铁安装高度相同。

4.根据权利要求1所述的石油钻井螺杆钻具工作参数测量装置，其特征是信号调理电路、单片机电路、霍尔开关传感器和温度传感器通过螺杆壳体短接内部加工的导线孔进行供电。

5.根据权利要求1所述的石油钻井螺杆钻具工作参数测量装置，其特征是单片机具有实时时钟单元。

6.根据权利要求1所述的石油钻井螺杆钻具工作参数测量装置，其特征是霍尔开关传感器产生的脉冲信号经信号调理电路转换为可被单片机采集的信号。

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