CN111076782A - 一种岩屑流量测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩屑流量测量装置及测量方法，包括连接在一起的称重倒砂组件外骨架和控制箱，在称重倒砂组件外骨架的两侧底部各安装一个称重传感器，并且都在称重传感器上安装轴承支架安装板，在轴承支架安装板上安装轴承支架，轴承通过过盈配合的方式安装在轴承支架上的轴承安装孔中，在轴承支架的内侧安装挡块，外侧安装气缸安装架，在气缸安装架内安装旋转气缸。本发明所公开的岩屑流量测量装置，采用无线通信和电池供电方式，极大简化了测量装置的外部连接，只需外接一根动力气管线即可工作，方便现场安装；采用气动驱动倒砂和复位，相比电机驱动，大幅降低了测量装置的重量，方便现场搬运和安装。采用旋转气缸直接驱动接砂盘倒砂和复位，驱动方式简单可靠。

Description

一种岩屑流量测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于石油钻井领域，特别涉及该领域中的一种岩屑流量测量装置及测量方法。

背景技术

在钻井施工作业过程中，特别是大斜度井、水平井钻井施工作业过程中，井眼的清洁情况是影响钻井施工安全和钻井时效的重要因素。在大斜度井段和水平井段中，岩屑的沉降方向是沿重力方向，而环空流速沿重力方向的分量很小，甚至为零，钻井液携带岩屑能力降低，导致岩屑易在下井壁沉积形成岩屑床。岩屑床会对钻井施工作业带来严重影响，容易造成卡钻等钻井事故，极大的制约了钻井施工作业的安全和效率。准确测量上返的岩屑总量，是清除滞留岩屑、防止产生岩屑床的必要条件。同时，实时测量岩屑流量还可预测和防止井壁失稳、井壁坍塌等钻井事故。

现有的分析装置中，岩屑收集完毕后需要靠捞砂槽自身的重力进行翻转，从而将岩屑倒出，受重心位置和摩擦阻力的影响，具有不可控性。捞砂槽靠重力翻转，翻转速度较慢，岩屑可能长时间粘结在捞砂槽上，影响后续的采集和测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种岩屑流量测量装置及测量方法。

本发明采用如下技术方案：

一种岩屑流量测量装置，其改进之处在于：包括连接在一起的称重倒砂组件外骨架和控制箱，在称重倒砂组件外骨架的两侧底部各安装一个称重传感器，并且都在称重传感器上安装轴承支架安装板，在轴承支架安装板上安装轴承支架，轴承通过过盈配合的方式安装在轴承支架上的轴承安装孔中，在轴承支架的内侧安装挡块，外侧安装气缸安装架，在气缸安装架内安装旋转气缸，在V型槽的两侧面各安装一个碰撞块及一个支撑转轴，两个支撑转轴分别插入与其相邻的轴承内并与相应旋转气缸的输出轴通过连轴器相连接，在称重倒砂组件外骨架的顶部和底部分别开设与V型槽位置相对应的方形孔，侧面安装喷水头；在控制箱内安装电池箱和电路箱，电池箱为装置内的各部件供电，电路箱内装有采集控制电路和三个电磁阀，采集控制电路内置单片机和电源，其中单片机与外部监测软件通信，与三个电磁阀电连接并控制其通断，与两个称重传感器电连接并接收其信号，电源为单片机及传感器供电，三个电磁阀分别控制V型槽正转、反转和喷水头开关。

进一步的，称重倒砂组件外骨架和控制箱安装在一个底座上，在底座上留出与V型槽位置相对应的开口，在底座的两侧顶部分别安装把手，两侧底部分别安装空气弹簧减震器。

进一步的，所述的轴承支架包括相对安装在一起的上支架和下支架，上支架和下支架之间通过两个螺栓连接固定，上支架和下支架之间的空隙即为轴承安装孔，下支架通过螺栓安装在轴承支架安装板上。

进一步的，单片机与外部监测软件通过RS485或者无线方式通信，采用无线方式通信时，接线经电路箱侧面的葛兰头引出，与通过底部磁铁吸盘吸附在电路箱外壳上的无线通信天线电连接。

进一步的，在电路箱上安装控制V型槽手动或自动倒砂的转换开关，安装控制V型槽倒砂和复位的手动控制开关，在控制箱上安装可切断装置总电源的急停开关。

进一步的，在轴承支架的内侧安装监测V型槽的位置传感器，在采集控制电路上安装气源压力传感器，单片机与上述位置传感器和气源压力传感器电连接。

进一步的，采集控制电路的电源采用3.7V锂电池或者RS485总线的+5V电源。

一种岩屑流量测量方法，使用上述的装置，其改进之处在于，包括如下步骤：

(1)将装置放到振动筛出砂口下方，确保岩屑能够落到V型槽中，记录此时称重传感器测量的重量值a；

(2)装置持续接收振动筛落下的岩屑并测量其重量，当岩屑重量达到预设值或者经过一定的测量时间后，采集控制电路记录当前重量值b，然后打开旋转气缸正转电磁阀驱动气缸带动V型槽翻转将岩屑倒出，本次测量的岩屑重量即为b-a；

(3)V型槽翻转结束时，挡块与碰撞块碰撞震落岩屑，同时采集控制电路打开相应的喷水控制电磁阀，冲洗V型槽上残留的岩屑；

(4)冲洗完毕后，关闭喷水控制电磁阀，打开旋转气缸反转电磁阀驱动气缸反向旋转带动V型槽复位至接砂状态，进入下一个测量周期。

本发明的有益效果是：

本发明所公开的岩屑流量测量装置，采用无线通信和电池供电方式，极大简化了测量装置的外部连接，只需外接一根动力气管线即可工作，方便现场安装；采用气动驱动倒砂和复位，相比电机驱动，大幅降低了测量装置的重量，方便现场搬运和安装。采用旋转气缸直接驱动接砂盘倒砂和复位，驱动方式简单可靠。

附图说明

图1是本发明实施例1所公开岩屑流量测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例1所公开岩屑流量测量装置中称重倒砂组件外骨架及其内各部件的结构示意图；

图3是本发明实施例1所公开岩屑流量测量装置中称重倒砂组件外骨架内各部件的爆炸示意图；

图4是本发明实施例1所公开岩屑流量测量装置中V型槽的结构示意图；

图5是本发明实施例1所公开岩屑流量测量装置中控制箱的俯视示意图；

图6是本发明实施例1所公开岩屑流量测量装置中采集控制电路的连接框图；

图7是本发明实施例1所公开岩屑流量测量装置中底座的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的原理是将岩屑流量测量装置安装于振动筛出砂口下方，测量装置设置有接砂盘，接砂盘下安装有称重传感器。接砂盘接收振动筛落下的岩屑并测量其重量，当接砂盘内的岩屑达到预定重量，或者经过预设的测量周期后，通过旋转气缸驱动接砂盘旋转将岩屑倒出，然后将接砂盘复位进行下一次测量。测量装置将采集的数据实时发送至监测软件，监测软件通过计算单位时间内岩屑增量获得岩屑流量及岩屑总量。

实施例1，如图1-5所示，本实施例公开了一种岩屑流量测量装置，包括连接在一起的称重倒砂组件外骨架和控制箱，在称重倒砂组件外骨架的两侧底部各安装一个称重传感器12，并且都在称重传感器上安装轴承支架安装板11，在轴承支架安装板上安装轴承支架，轴承5通过过盈配合的方式安装在轴承支架上的轴承安装孔中，在轴承支架的内侧安装挡块13，外侧安装气缸安装架9，在气缸安装架内安装旋转气缸8，在V型槽1的两侧面各2安装一个碰撞块3及一个支撑转轴4，两个支撑转轴分别插入与其相邻的轴承内并与相应旋转气缸的输出轴通过连轴器10相连接，在称重倒砂组件外骨架的顶部和底部分别开设与V型槽位置相对应的方形孔，侧面安装三个喷水头14，当V型槽翻转倒砂时，喷水头正对V型槽，可以冲洗粘结在V型槽上的岩屑。喷水头采用虹吸原理，不需要对水进行加压；在控制箱内安装电池箱15和电路箱16，整个测量装置采用低功耗设计，使用电池箱为装置内的各部件供电，电路箱内装有采集控制电路和三个电磁阀，采集控制电路内置单片机和电源，其中单片机与外部监测软件通信，与三个电磁阀电连接并控制其通断，与两个称重传感器电连接并接收其信号，电源为单片机及传感器供电，三个电磁阀分别控制V型槽正转、反转和喷水头开关。采集控制电路按预设的时间间隔和重量门限控制相应电磁阀通断，驱动气缸旋转和喷水冲洗。

如图7所示，在本实施例中，称重倒砂组件外骨架和控制箱安装在一个底座上，在底座上留出与V型槽位置相对应的开口，在底座的两侧顶部分别安装把手22，方便进行搬运，两侧底部分别安装空气弹簧减震器23，降低环境震动对测量的影响。

所述的轴承支架包括相对安装在一起的上支架6和下支架7，上支架和下支架之间通过两个螺栓连接固定，上支架和下支架之间的空隙即为轴承安装孔，下支架通过螺栓安装在轴承支架安装板上。

单片机与外部监测软件通过RS485或者无线方式通信，采用无线方式通信时，接线经电路箱侧面的葛兰头18引出，与通过底部磁铁吸盘吸附在电路箱外壳上的无线通信天线17电连接。

在电路箱上安装控制V型槽手动或自动倒砂的转换开关19，安装控制V型槽倒砂和复位的手动控制开关20，方便使用者进行状态和功能测试。在控制箱上安装可切断装置总电源的急停开关21，可在意外情况时按下。

在轴承支架的内侧安装监测V型槽的位置传感器，在采集控制电路上安装气源压力传感器，单片机与上述位置传感器和气源压力传感器电连接。即单片机共采集2个称重传感器、2个位置传感器、1个气源压力传感器、1个电池电量信号共6个模拟量信号。称重传感器、位置传感器的线缆电源以及动力气管线经过葛兰头引入电路箱，气源压力传感器安装在采集控制电路上。

如图6所示，采集控制电路基于低功耗单片机MSP430F149，包括电源、信号调理、AD转换、电磁阀控制、232/485通信5个主要功能模块。

电源：采用3.7V锂电池或者485总线的+5V电源，使用2片线性稳压器LP2985-3产生的+3V电源作为AVCC、DVCC分别为传感器和单片机供电；1片TLV75530产生+3V电源为电磁阀供电。其中AVCC可通过单片机I/O口控制打开/关闭，AD采样前打开AVCC，转换结束后关闭AVCC，可以大幅降低系统功耗。

信号调理部分主要是称重传感器的信号放大，称重传感器是电阻桥式传感器，通过微功耗仪表放大器AD627进行放大。

AD转换使用MSP430内部的12位AD。通过多次采样平均值滤波的方法降低外界振动对测量的干扰。

电磁阀控制部分：通过MSP430的I/O控制模拟开关ADG812通断，实现电磁阀的开闭，进而实现接砂盘的翻转以及喷水冲洗的开闭。

232/485通信：使用无线通信模式时，MSP430通过232串口与无线模块进行数据通信，使用485通信模式时，通过232/485接口转换芯片将单片机的232信号转换为485信号，再通过485/USB转换模块与采集计算机通信。

一种岩屑流量测量方法，使用上述的装置，包括如下步骤：

(1)将装置放到振动筛出砂口下方，确保岩屑能够落到V型槽中，记录此时称重传感器测量的重量值a；

(2)装置持续接收振动筛落下的岩屑并测量其重量，当岩屑重量达到预设值或者经过一定的测量时间后，采集控制电路记录当前重量值b，然后打开旋转气缸正转电磁阀驱动气缸带动V型槽翻转将岩屑倒出，本次测量的岩屑重量即为b-a；

(3)V型槽翻转结束时，挡块与碰撞块碰撞震落岩屑，同时采集控制电路打开相应的喷水控制电磁阀，冲洗V型槽上残留的岩屑；

(4)冲洗完毕后，关闭喷水控制电磁阀，打开旋转气缸反转电磁阀驱动气缸反向旋转带动V型槽复位至接砂状态，进入下一个测量周期。

Claims (8)

1.一种岩屑流量测量装置，其特征在于：包括连接在一起的称重倒砂组件外骨架和控制箱，在称重倒砂组件外骨架的两侧底部各安装一个称重传感器，并且都在称重传感器上安装轴承支架安装板，在轴承支架安装板上安装轴承支架，轴承通过过盈配合的方式安装在轴承支架上的轴承安装孔中，在轴承支架的内侧安装挡块，外侧安装气缸安装架，在气缸安装架内安装旋转气缸，在V型槽的两侧面各安装一个碰撞块及一个支撑转轴，两个支撑转轴分别插入与其相邻的轴承内并与相应旋转气缸的输出轴通过连轴器相连接，在称重倒砂组件外骨架的顶部和底部分别开设与V型槽位置相对应的方形孔，侧面安装喷水头；在控制箱内安装电池箱和电路箱，电池箱为装置内的各部件供电，电路箱内装有采集控制电路和三个电磁阀，采集控制电路内置单片机和电源，其中单片机与外部监测软件通信，与三个电磁阀电连接并控制其通断，与两个称重传感器电连接并接收其信号，电源为单片机及传感器供电，三个电磁阀分别控制V型槽正转、反转和喷水头开关。

2.根据权利要求1所述岩屑流量测量装置，其特征在于：称重倒砂组件外骨架和控制箱安装在一个底座上，在底座上留出与V型槽位置相对应的开口，在底座的两侧顶部分别安装把手，两侧底部分别安装空气弹簧减震器。

3.根据权利要求1所述岩屑流量测量装置，其特征在于：所述的轴承支架包括相对安装在一起的上支架和下支架，上支架和下支架之间通过两个螺栓连接固定，上支架和下支架之间的空隙即为轴承安装孔，下支架通过螺栓安装在轴承支架安装板上。

4.根据权利要求1所述岩屑流量测量装置，其特征在于：单片机与外部监测软件通过RS485或者无线方式通信，采用无线方式通信时，接线经电路箱侧面的葛兰头引出，与通过底部磁铁吸盘吸附在电路箱外壳上的无线通信天线电连接。

5.根据权利要求1所述岩屑流量测量装置，其特征在于：在电路箱上安装控制V型槽手动或自动倒砂的转换开关，安装控制V型槽倒砂和复位的手动控制开关，在控制箱上安装可切断装置总电源的急停开关。

6.根据权利要求1所述岩屑流量测量装置，其特征在于：在轴承支架的内侧安装监测V型槽的位置传感器，在采集控制电路上安装气源压力传感器，单片机与上述位置传感器和气源压力传感器电连接。

7.根据权利要求1所述岩屑流量测量装置，其特征在于：采集控制电路的电源采用3.7V锂电池或者RS485总线的+5V电源。

8.一种岩屑流量测量方法，使用权利要求1所述的装置，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将装置放到振动筛出砂口下方，确保岩屑能够落到V型槽中，记录此时称重传感器测量的重量值a；

(2)装置持续接收振动筛落下的岩屑并测量其重量，当岩屑重量达到预设值或者经过一定的测量时间后，采集控制电路记录当前重量值b，然后打开旋转气缸正转电磁阀驱动气缸带动V型槽翻转将岩屑倒出，本次测量的岩屑重量即为b-a；

(3)V型槽翻转结束时，挡块与碰撞块碰撞震落岩屑，同时采集控制电路打开相应的喷水控制电磁阀，冲洗V型槽上残留的岩屑；

(4)冲洗完毕后，关闭喷水控制电磁阀，打开旋转气缸反转电磁阀驱动气缸反向旋转带动V型槽复位至接砂状态，进入下一个测量周期。

Images