CN103277087A - 石油井下地层压裂管柱工具串张力检测仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石油井下地层压裂管柱工具串张力检测仪器，包括张力计芯轴，沿张力计芯轴外壁套有耐压外管，在耐压外管与张力计芯轴之间依次至上而下设有相互连接的传感器、电路板和锂电池组件和电源开关装置；张力计芯轴的下端套接有下接头。该仪器是用来检测和记录井下地层压裂管柱串的张力。传感器把芯轴材料在轴向张力作用下产生的应变转换成应变片阻抗的变化。耐压外管为隔离密封井下高压井液为张力计提供可靠的工作环境。测量和记录电路将传感器应变片阻抗的变化进行张力变换以及实时数据存储。锂电池为张力计提供工作电源。电源开关用于非工作状态下，断开电池供电，以便节省电源消耗。该仪器设计独特；整体结构简单，维修保养方便。

Description

石油井下地层压裂管柱工具串张力检测仪器

技术领域

本发明涉及一种井下管柱张力检测仪器，特别是涉及一种石油井下地层压裂管柱工具串张力检测仪器。

背景技术

随着海洋和陆地水平油井钻采的发展，水平井井下地层分层压裂技术日臻成熟，然而在压裂过程中，饶性管柱串与井下井壁接触复杂，理论计算的安全压裂压力值并不准确，有时甚至造成管柱串断裂的事故发生，造成很大的经济损失。对压裂管柱串实际张力的检测和安全压裂压力的确定，是压裂工艺的关键。

发明内容

本发明作为一种作业便捷，操作维护简单的井下地层压裂管柱串张力检测仪器，将为压裂施工工艺的制定提供可靠的经验数据，使得压裂施工更加高效，安全。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

一种石油井下地层压裂管柱工具串张力检测仪器，包括张力计芯轴，沿张力计芯轴外壁套有耐压外管，在耐压外管与张力计芯轴之间依次至上而下设有相互连接的传感器、电路板和锂电池组件和电源开关装置；所述张力计芯轴的下端套接有下接头。

进一步地，所述张力计芯轴与耐压外管相套接上端与下端部分别设有上密封圈和下密封圈。

进一步地，所述传感器设置于张力计芯轴与耐压外管套接上密封圈的下方，沿张力计芯轴周向分布有4-8个芯轴槽，各芯轴槽上设有一个传感器。

进一步地，所述传感器靠近耐压外管侧设有薄壁钢管，薄壁钢管通过其下方的卡环定位。

进一步地，所述卡环外周设有镶装橡胶胶圈的环形槽。

进一步地，所述电路板设置于张力计芯轴与耐压外管套接的传感器下方，沿张力计芯轴周向分布有4-8个芯轴槽，沿各芯轴槽槽底面上设有一块电路板，各电路板上填充有硅凝胶。

进一步地，所述电路板与槽底面之间衬垫一层聚四氟乙烯板。

进一步地，所述锂电池组件位于张力计芯轴2与耐压外管套接的电路板下方，沿张力计芯轴周向分布有4-8个芯轴槽，沿各芯轴槽底部各设有一块电池筒，各电池筒两侧分别设有压块。

进一步地，所述电源开关装置设置在张力计芯轴与耐压外管套接的下密封圈的上方，电源开关装置由依次垂直设置在张力计芯轴上的液压缸和行程开关构成，液压缸通过其活塞杆连接控制杠杆与行程开关相接。

进一步地，所述行程开关通过接线柱连接锂电池导线与锂电池组件相连。

本发明是用来检测和记录井下地层压裂管柱串的张力。传感器把芯轴材料在轴向张力作用下产生的应变，转换成应变片阻抗的变化。耐压外管部分为隔离密封井下高压井液，为张力计提供可靠的工作环境。测量和记录电路将传感器部分应变片阻抗的变化，进行张力变换以及实时数据存储。锂电池为张力计提供工作电源。电源开关用于非工作状态下，断开电池供电，以便节省电源消耗。

本发明的主要优点是：提供一种地层压裂管柱串张力测量结构；通过对芯轴的应变变形量的检测来测量张力的大小，并通过电路进行数据处理和存储，在井上进行测量结果的回放，通过一组锂电电池给测量系统提供电能，使用一个液压缸和行程开关，对电源进行通断切换，控制测量系统工作状态。一组应变式张力传感器，与芯轴固定，芯轴的轴向张力的变化，使得应变式传感器的输出正比于张力变化的信号。应变式传感器的输出，经由安装在芯轴上的电路部分进行处理并存储，测量完成后收回仪器，并在井上进行结果回放。，由一组锂电电池供电，并由一个液压缸和行程开关对电源进行通断切换，控制测量系统工作状态。在井上，液压缸活塞杆复位，行程开关触点断开，系统断电停止工作；下井后，液压缸活塞杆顶出，行程开关触点闭合，系统供电开始测量。

该仪器设计独特；整体结构简单，维修保养方便。

附图说明

图1（a）和图1（b）是本发明机械结构图。

图2是本发明机械结构图A—A剖视图。

图3是本发明机械结构图B—B剖视图。

图4是本发明机械结构图C—C剖视图。

图5是本发明机械结构图D—D剖视图。

图6-1和图6-2是本发明电源开关布置图。

图中：1、内油（套）管螺纹；2、张力计芯轴；3、腔体；4、上密封圈；5、密封挡圈a；6、耐压外管；7、芯轴槽；8、传感器；9、薄壁钢管；10、轴向槽；11、卡环；12、橡胶胶圈；13、引出导线；14、环形槽a；15、聚四氟乙烯板；16、电路板；17、硅凝胶；18、环形槽b；19、锂电池组件；20、电池筒；21、锂电池组件接头；22、走线槽a；23、锂电池导线；24、行程开关；25、螺钉a；26、行程开关底座；27、液压缸；28、密封圈；29、密封挡圈b；30、下密封圈；31、下接头；32、螺纹a；33、橡胶密封圈；34、密封挡圈c；35、外油（套）管螺纹；36、芯轴槽7的表面；37、芯轴2槽；38、槽底面；39、走线槽b；40、走线槽c；41、芯轴2的槽；42、压块a；43、压块b；44、螺钉b；45、走线槽d；46、导线；47、螺钉e；48、引压孔；49、电源开关装置；50、活塞杆；51、压缩弹簧；52、螺母；53、控制杠杆；54、螺钉f。

具体实施方式

下面通过附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明是用来完成地层压裂管柱串张力测量的仪器。通过仪器芯轴和下接头，可连接在压裂管柱串任何位置，一个管柱串可以连接多个张力计，来对整个管柱张力情况进行测量和分析，取得具有参考价值的张力数据，用于对类似压裂工艺进行前期评估，和工艺制定。

图1（a）和图1（b）是本发明机械结构图，主要由：张力计芯轴2、传感器8、耐压外管6、测量和记录电路（电路板16）、锂电池（锂电池组件19）、电源开关装置49和下接头31等组成。

如图1（a）和图1（b）所示，本发明的石油井下地层压裂管柱工具串张力检测仪器，包括张力计芯轴2，沿张力计芯轴2外壁套有耐压外管6，在耐压外管6与张力计芯轴2之间依次至上而下设有相互连接的传感器8、电路板16和锂电池组件19和电源开关装置49；张力计芯轴2的下端套接有下接头31。

张力计向上通过张力计芯轴2上的内油（套）管螺纹1，与上段压裂管柱连接，向下通过下接头31上的外油（套）管螺纹35与下段压裂管柱连接。张力计芯轴2与下接头31则用螺纹a32连接，并用橡胶密封圈33和密封挡圈c34实现腔体3与张力计外界的高压密封。张力通过螺纹a32由下接头31传递给张力计芯轴2。耐压外管6套在张力计芯轴2上，张力计芯轴2上端装有上密封圈4和密封挡圈a5，下端装有下密封圈30密封挡圈b29，这些密封圈以及密封挡圈使得耐压外管6与张力计芯轴2之间形成一个环形密闭腔体，传感器8、电路板16以及锂电池组件19等电子元器件就工作在这个环形密封腔体中，使得工作时不受井下压力影响而损坏。

在密封腔体上端，芯轴2的槽7中安装有应变式张力传感器8，传感器8设置于张力计芯轴2与耐压外管6套接上密封圈4的下方，沿张力计芯轴2周向分布有六个芯轴槽7，各芯轴槽7上设有一个传感器8。传感器8由多组应变片组成的桥式测量电路组成，分布在均布的芯轴槽7中，薄壁钢管9套在芯轴2外园上，来保护芯轴槽7中的传感器8。剖分卡环11卡在张力计芯轴2外圆面的槽中，卡环11外面的环形槽装有橡胶胶圈12，防止卡环11脱落，卡环11起到固定薄壁钢管9，防止轴向移动的作用。见图2，传感器8与芯轴槽7的表面36用高温胶粘接在一起，这样张力计芯轴2在轴向力作用下的变形通过芯轴槽7的表面36和粘接剂，传递给传感器8。传感器8输出电压信号的变化，正比张力计芯轴2的轴向变形量，所以检测出传感器8输出电压信号变化量，就可以得到张力计芯轴2轴向张力的大小和方向。

与传感器部分相邻的是测量和记录电路。传感器8的引出导线13，从张力计芯轴2的轴向槽10中引出，并经过环形槽a14连接到测量电路板16上。如图3所示，电路板16设置于张力计芯轴2与耐压外管6套接的传感器8下方，沿张力计芯轴2周向分布有六个芯轴槽7，沿各芯轴槽7槽底面38上设有一块电路板16，各电路板16上填充有硅凝胶17。

在张力计芯轴2上均布有芯轴2槽37，槽内安装有电路板16，在电路板16与槽底面38之间，衬垫一层聚四氟乙烯板15，用来实现电路板16与槽底面38之间的电绝缘。透明硅凝胶17将电路板16固定在芯轴2槽37中。相邻芯轴2槽37的筋梁上布置有走线槽b39和走线槽c40，用来完成电路板之间的连线，以及与锂电池组件19之间的连线。

如图4所示，锂电池组件19位于张力计芯轴2与耐压外管6套接的电路板16下方，沿张力计芯轴2周向分布有六个芯轴槽7，沿各芯轴槽7底部各设有一块电池筒20，各电池筒20两侧分别设有压块。锂电电池组件19安装在张力计芯轴2的槽41中，上端与电路板16相邻，中间隔有环形槽b18用来布置连接导线。张力计芯轴2的槽41沿张力计芯轴2周向均布，使得张力计芯轴2轴向受力均匀。锂电池组件19由装在两端的锂电池组件接头21、多节锂电池和电池筒20组成。

如图4所示，压块42和压块43卡在锂电池组件19两端的锂电池组件接头上21，并使用螺钉b44与张力计芯轴2连接并拧紧，完成对锂电池组件19的固定。每组电池之间设置有均布的走线槽d45，用来布置电池串联的导线46。

图5、图6-1和图6-2所示，电源开关装置49设置在张力计芯轴2与耐压外管6套接的下密封圈30的上方，电源开关装置49由至下而上依次垂直设置在张力计芯轴2上的液压缸27和行程开关24构成，液压缸27通过其活塞杆50连接控制杠杆53与行程开关24相接。行程开关24通过接线柱连接锂电池导线23与锂电池组件19电池筒20相连。

紧邻锂电电池组件19下端，安装有电源开关装置49，用来开启或切断锂电池的供电线路。电源开关装置49由行程开关24和液压缸27组成。连接锂电池的导线23从芯轴上的走线槽a22引出到行程开关24的常开接线柱上，行程开关24使用螺钉a25拧在行程开关底座26上，行程开关底座26用螺钉e47拧在张力计芯轴2上。液压缸27与张力计芯轴2之间用密封圈28密封，来阻断腔体3和引压孔48到仪器内腔的通道。见图5，四个螺钉f54将液压缸27连接并压紧在张力计芯轴2上。

腔体3中的液体压力通过引压孔48，在密封圈28作用下被引入液压缸27的活塞杆50的活塞端，见图6-2。在液体压力作用下，活塞杆50压缩弹簧51后伸出，伸出量大小可以通过调整螺母52来控制。伸出的活塞杆50触动行程开关24的控制杠杆53，从而接通行程开关24的常闭触点，使仪器进入工作状态。当仪器从井下提出后，腔体3中压力消失，活塞杆50在压缩弹簧51作用下复位，行程开关24的常开触点断开，从而切断锂电池的供电线路，仪器停止工作。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.石油井下地层压裂管柱工具串张力检测仪器，包括张力计芯轴（2），其特征在于，沿张力计芯轴（2）外壁套有耐压外管（6），在耐压外管（6）与张力计芯轴（2）之间依次至上而下设有相互连接的传感器（8）、电路板（16）和锂电池组件（19）和电源开关装置（49）；所述张力计芯轴（2）的下端套接有下接头（31）。

2.根据权利要求1所述的石油井下地层压裂管柱工具串张力检测仪器，其特征在于，所述张力计芯轴（2）与耐压外管（6）相套接上端与下端部分别设有上密封圈（4）和下密封圈（30）。

3.根据权利要求1所述的石油井下地层压裂管柱工具串张力检测仪器，其特征在于，所述传感器（8）设置于张力计芯轴（2）与耐压外管（6）套接上密封圈（4）的下方，沿张力计芯轴（2）周向分布有4-8个芯轴槽（7），各芯轴槽（7）上设有一个传感器（8）。

4.根据权利要求3所述的石油井下地层压裂管柱工具串张力检测仪器，其特征在于，所述传感器（8）靠近耐压外管（6）侧设有薄壁钢管（9），薄壁钢管（9）通过其下方的卡环（11）定位。

5.根据权利要求4所述的石油井下地层压裂管柱工具串张力检测仪器，其特征在于，所述卡环（11）外周设有镶装橡胶胶圈（12）的环形槽。

6.根据权利要求1所述的石油井下地层压裂管柱工具串张力检测仪器，其特征在于，所述电路板（16）设置于张力计芯轴（2）与耐压外管（6）套接的传感器（8）下方，沿张力计芯轴（2）周向分布有4-8个芯轴槽（7），沿各芯轴槽（7）槽底面（38）上设有一块电路板（16），各电路板（16）上填充有硅凝胶（17）。

7.根据权利要求6所述的石油井下地层压裂管柱工具串张力检测仪器，其特征在于，所述电路板（16）与槽底面（38）之间衬垫一层聚四氟乙烯板（15）。

8.根据权利要求1所述的石油井下地层压裂管柱工具串张力检测仪器，其特征在于，所述锂电池组件（19）位于张力计芯轴（2）与耐压外管（6）套接的电路板（16）下方，沿张力计芯轴（2）周向分布有4-8个芯轴槽（7），沿各芯轴槽（7）底部各设有一块电池筒（20），各电池筒（20）两侧分别设有压块。

9.根据权利要求1所述的石油井下地层压裂管柱工具串张力检测仪器，其特征在于，所述电源开关装置（49）设置在张力计芯轴（2）与耐压外管（6）套接的下密封圈（28）的上方，电源开关装置（49）由至下而上依次垂直设置在张力计芯轴（2）上的液压缸（27）和行程开关（24）构成，液压缸（27）通过其活塞杆（50）连接控制杠杆（53）与行程开关（24）相接。

10.根据权利要求1所述的石油井下地层压裂管柱工具串张力检测仪器，其特征在于，所述行程开关（24）通过接线柱连接锂电池导线（23）与锂电池组件（19）相连。

Images