CN112360391A - 全自动无线远程控制固井水泥头及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气井固井作业工具技术领域，是一种全自动无线远程控制固井水泥头及使用方法，前者包括水泥头本体、压帽、电源箱、遥控单元、井口控制单元；水泥头本体的内部有注浆通道，水泥头本体的上端密封固定安装有能够将注浆通道封堵的压帽。本发明本发明结构合理而紧凑，使用方便，通过遥控单元发送信号至井口控制单元，通过井口控制单元输出信号至第一电动执行单元、第二电动执行单元、第三电动执行单元和第四电动执行单元，控制相对应的第一旋塞阀、第二旋塞阀、第三旋塞阀或档销打开和关闭，进行固井作业，从而避免了工作人员手动完成固井作业，提高了固井作业的效率，降低了固井作业的时间。

Description

全自动无线远程控制固井水泥头及使用方法

技术领域

本发明涉及油气井固井作业工具技术领域，是一种全自动无线远程控制固井水泥头及使用方法。

背景技术

石油钻井平台的固井工作随着钻井工艺技术的发展，作业环境也变得越来越复杂，深井、超深井的钻井工艺应用比重开始逐步大于浅井、中深井技术的应用，固井水泥头的工作压力与操作难度也都随之而相应提高，再加上越来越长的固井管串长度，使得固井工作人员的工作危险性提高，现有的固井水泥头在高压工作环境中、复杂井况下只能依靠工作人员手动来完成固井作业，不仅固井效率低而且作业时间长、执行操作不便，使固井作业的风险提高。

发明内容

本发明提供了一种全自动无线远程控制固井水泥头及使用方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有固井水泥头通过工作人员手动完成固井作业存在的固井效率低、作业时间长以及执行操作不便的问题。

本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种全自动无线远程控制固井水泥头，包括水泥头本体、压帽、电源箱、遥控单元、井口控制单元、第一电动执行单元、第二电动执行单元、第三电动执行单元、第四电动执行单元；水泥头本体的内部有注浆通道，水泥头本体的上端密封固定安装有能够将注浆通道封堵的压帽；水泥头本体的上部外侧设有与注浆通道相连通的主替浆通道，水泥头本体的下部外侧设有与注浆通道相连通的注灰通道；主替浆通道上设有第一旋塞阀，第一旋塞阀与第一电动执行单元连接在一起；注灰通道上固定连通有排污通道，对应排污通道与水泥头本体之间位置的注灰通道上设有第二旋塞阀，第二旋塞阀与第二电动执行单元连接在一起；排污通道上设有第三旋塞阀，第三旋塞阀与第三电动执行单元连接在一起；主替浆通道与注灰通道之间位置的注浆通道内设有胶塞，胶塞下方位置的注浆通道内安装有能够挡住胶塞下行的档销，档销与第四电动执行单元固定连接在一起；电源箱外接多个过流保护模块，电源箱通过过流保护模块分别与井口控制单元、第一电动执行单元、第二电动执行单元、第三电动执行单元和第四电动执行单元连接，井口控制单元分别与遥控单元、第一电动执行单元、第二电动执行单元、第三电动执行单元和第四电动执行单元连接。

下面是对上述发明技术方案之一的进一步优化或/和改进：

上述遥控单元可包括处理模块一、供电模块、人机交互面板、通信单元一和数据存储模块，供电模块、人机交互面板、通信单元一和数据存储模块均与处理模块一连接，人机交互面板上设有按键、显示屏和多个LED。

上述井口控制单元可包括通信单元二、处理模块二、压力感应模块、电源开关和通信模块一，通信单元二、压力感应模块、电源开关和通信模块一均与处理模块二连接。

上述第一电动执行单元、第二电动执行单元、第三电动执行单元和第四电动执行单元均可包括通信模块二、处理模块三、电机驱动模块、角度传感模块和保护单元，通信模块二、电机驱动模块和角度传感模块均与处理模块三连接，保护单元与电机驱动模块连接，通信模块二与通信模块一连接；保护单元包括机械保护、过载保护、过热保护和限位保护，机械保护、过载保护、过热保护和限位保护均与电机驱动模块连接。

上述电源箱可包括锂电池组和分布式电源系统，锂电池组和分布式电源系统连接，多个过流保护模块分别与分布式电源系统连接。

上述主替浆通道上可固定连通有副替浆通道，副替浆通道的一端与对应档销下方位置的注浆通道固定连通，第一旋塞阀设在副替浆通道与水泥头本体之间位置的主替浆通道上，副替浆通道上设有压力表，对应压力表与主替浆通道之间位置的副替浆通道上设有第四旋塞阀。

本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种全自动无线远程控制固井水泥头的使用方法，包括：

装胶塞至档销上方位置的注浆通道内；

井口控制单元接收遥控单元发出的信号，并发送至信号至对应的电动执行单元，其中遥控单元发出的信号包括：注前置液和水泥浆的信号、替浆信号、冲洗管线信号、替浆结束信号；

第一电动执行单元、第二电动执行单元、第三电动执行单元、第四电动执行单元接收井口控制单元输出的信号，进行控制操作，具体包括：

1、第二电动执行单元接收井口控制单元输出的注前置液和水泥浆的信号，控制第二旋塞阀打开；

2、第二电动执行单元接收井口控制单元输出的替浆信号，控制第二旋塞阀关闭；第一电动执行单元接收井口控制单元输出的替浆信号，控制第一旋塞阀打开；第四电动执行单元接收井口控制单元输出的替浆信号，控制档销打开；

3、第三电动执行单元接收井口控制单元输出的冲洗管线信号，控制第三旋塞阀打开；

4、第一电动执行单元接收井口控制单元输出的替浆结束信号，控制第一旋塞阀关闭；第三电动执行单元接收井口控制单元输出的替浆结束信号，控制第三旋塞阀关闭。

本发明结构合理而紧凑，使用方便，通过遥控单元发送信号至井口控制单元，井口控制单元输出信号至第一电动执行单元、第二电动执行单元、第三电动执行单元、第四电动执行单元，使第一电动执行单元、第二电动执行单元、第三电动执行单元、第四电动执行单元控制相对应的第一旋塞阀、第二旋塞阀、第三旋塞阀、档销打开和关闭，进行固井作业，从而避免了固井水泥头在高压工作环境中、复杂井况下只能依靠工作人员手动完成固井作业，提高了固井作业的效率，降低了固井作业的时间。

附图说明

附图1为本发明的主视结构示意图。

附图2为本发明的电路结构示意图。

附图中的编码分别为：1为水泥头本体，2为压帽，3为第一电动执行单元，4为第二电动执行单元，5为第三电动执行单元，6为第四电动执行单元，7为主替浆通道，8为注灰通道，9为第一旋塞阀，10为排污通道，11为第二旋塞阀，12为第三旋塞阀，13为胶塞，14为档销，15为副替浆通道，16为压力表，17为第四旋塞阀，18为指示装置。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图1的布图方向来确定的。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

实施例一：如附图1、2所示，该全自动无线远程控制固井水泥头包括水泥头本体1、压帽2、电源箱、遥控单元、井口控制单元、第一电动执行单元3、第二电动执行单元4、第三电动执行单元5、第四电动执行单元6；

水泥头本体1的内部有注浆通道，水泥头本体1的上端密封固定安装有能够将注浆通道封堵的压帽2；

水泥头本体1的上部外侧设有与注浆通道相连通的主替浆通道7，水泥头本体1的下部外侧设有与注浆通道相连通的注灰通道8；主替浆通道7上设有第一旋塞阀9，第一旋塞阀9与第一电动执行单元3连接在一起；

注灰通道8上固定连通有排污通道10，对应排污通道10与水泥头本体1之间位置的注灰通道8上设有第二旋塞阀11，第二旋塞阀11与第二电动执行单元4连接在一起；排污通道10上设有第三旋塞阀12，第三旋塞阀12与第三电动执行单元5连接在一起；

主替浆通道7与注灰通道8之间位置的注浆通道内设有胶塞13，胶塞13下方位置的注浆通道内安装有能够挡住胶塞13下行的档销14，档销14与第四电动执行单元6固定连接在一起；

电源箱外接多个过流保护模块，电源箱通过过流保护模块分别与井口控制单元、第一电动执行单元3、第二电动执行单元4、第三电动执行单元5和第四电动执行单元6连接，井口控制单元分别与遥控单元、第一电动执行单元3、第二电动执行单元4、第三电动执行单元5和第四电动执行单元6连接。

上述第一旋塞阀9、第二旋塞阀11、第三旋塞阀12均为现有公知的旋塞阀，其中第一旋塞阀9用于主替浆通道7的打开和关闭；第二旋塞阀11用于注灰通道8的打开和关闭；第三旋塞阀12用于排污通道10的打开和关闭；

上述档销14可使用现有公知的公开号为CN104295265B的便捷开启式指示水泥头中公开的旋转档销14，其中第四电动执行单元6与公开号为CN104295265B的便捷开启式指示水泥头中的驱动轴固定连接在一起，通过第四电动执行单元6输出信号使档销14打开和关闭；同时公开号为CN104295265B的便捷开启式指示水泥头中设置的指示装置18中的下落复位指示针，通过下落复位指示针的开关档位变换判断注浆通道内胶塞13的下落状态。

上述过流保护模块为现有公知技术，用于当电流超过设备电流时自动断电，防止电路烧坏。

综上本发明结构合理而紧凑，使用方便，通过遥控单元发送信号至井口控制单元，井口控制单元输出信号至第一电动执行单元3、第二电动执行单元4、第三电动执行单元5、第四电动执行单元6，使第一电动执行单元3、第二电动执行单元4、第三电动执行单元5、第四电动执行单元6控制相对应的第一旋塞阀9、第二旋塞阀11、第三旋塞阀12、档销14打开和关闭，进行固井作业，从而避免了固井水泥头在高压工作环境中、复杂井况下只能依靠工作人员手动完成固井作业，提高了固井作业的效率，降低了固井作业的时间。

可根据实际需要，对上述全自动无线远程控制固井水泥头作进一步优化或/和改进：

如附图2所示，遥控单元包括处理模块一、供电模块、人机交互面板、通信单元一和数据存储模块，供电模块、人机交互面板、通信单元一和数据存储模块均与处理模块一连接，人机交互面板上设有按键、显示屏和多个LED。

上述通信单元一可包括RS485模块、433Mhz模块和WiFi模块，RS485模块、433Mhz模块和WiFi模块均与处理模块一连接，用于遥控单元与井口控制单元之间建立通信，通过设置三种通讯方式便于现场根据情况选择干扰较小的通讯链路；

上述处理模块一可为现有公知的stm32系列单片机，用于接收人机交互面板以及井口控制单元输出的信号，并将信号输出至人机交互面板上显示，同时处理模块一能够发送反馈信号至井口输出单元；显示屏可为现有公知的宽温显示器，能够用于低温环境；按键周边可安装夜光环便于夜间使用；LED设置有多个，分别用于接收处理模块一的信号，并根据信号显示第一旋塞阀9、第二旋塞阀11、第三旋塞阀12和档销14的开关状态；

上述数据存储模块可为现有公知的SD卡，用于保存配置和工作参数等；上述供电模块可为现有公知的锂电池，用于给处理模块一供电。

如附图2所示，井口控制单元包括通信单元二、处理模块二、压力感应模块、电源开关和通信模块一，通信单元二、压力感应模块、电源开关和通信模块一均与处理模块二连接。

上述通信单元二可包括RS485模块、433Mhz模块和WiFi模块，RS485模块、433Mhz模块和WiFi模块均与处理模块二连接，其中通信单元二中的RS485模块与通信单元一种的RS485模块通信，通信单元二中的433Mhz模块与通信单元一种的433Mhz模块通信，通信单元二中的WiFi模块与通信单元一中的WiFi模块通信，用于井口控制单元与遥控单元之间建立通信，通过设置三种通讯方式便于现场根据情况选择干扰较小的通讯链路；

上述处理模块二可为现有公知的stm32系列单片机，用于接收遥控单元输出的信号，并将接收到的信号通过通信模块一输出至第一电动执行单元3、第二电动执行单元4、第三电动执行单元5和第四电动执行单元6；同时用于接收第一电动执行单元3、第二电动执行单元4、第三电动执行单元5和第四电动执行单元6输出的信号，并将接收到的信号输出至处理模块一；

上述压力感应模块可为现有公知的压力传感器，用于井内压力值的测量，并将测量的压力值数据输出至处理模块二；

上述通信模块一可为现有公知的RS485模块，用于井口控制单元与第一电动执行单元3、第二电动执行单元4、第三电动执行单元5和第四电动执行单元6之间建立通信。

如附图2所示，第一电动执行单元3、第二电动执行单元4、第三电动执行单元5和第四电动执行单元6均包括通信模块二、处理模块三、电机驱动模块、角度传感模块和保护单元，通信模块二、电机驱动模块和角度传感模块均与处理模块三连接，保护单元与电机驱动模块连接，通信模块二与通信模块一连接；保护单元包括机械保护、过载保护、过热保护和限位保护，机械保护、过载保护、过热保护和限位保护均与电机驱动模块连接。

上述通信模块二可为现有公知的RS485模块，用于第一电动执行单元3、第二电动执行单元4、第三电动执行单元5和第四电动执行单元6与井口控制单元之间建立通信；

上述电机驱动模块为现有公知技术，用于接收处理模块三输出的信号，并根据信号使对应的旋塞阀或档销14打开和关闭；

上述角度传感模块可为现有公知的角度传感器，通过设置在对应的旋塞阀阀杆或档销14轴外侧，用于对旋塞阀或档销14转动的角度进行检测，并将检测到的转动角度信号输出至处理模块三；

上述处理模块三可为现有公知的stm32系列单片机，通过通信模块二和通信模块一接收处理模块二输出的信号，并根据接收到的信号输出信号至电机驱动模块；同时处理模块三接收角度传感模块输出的信号，并将接收到的信号通过通信模块二和通信模块一输出至处理模块二；

上述保护单元为现有公知技术，用于对电机驱动模块进行保护，其中机械保护用于防止旋塞阀或档销14发生倾倒或者变形；过热保护用于防止旋塞阀或档销14转动时由于力过大发热；限位保护用于防止旋塞阀或档销14旋转角度过大；过载保护用于防止旋塞阀或档销14过载导致电机驱动模块损坏。

如附图2所示，电源箱包括锂电池组和分布式电源系统，锂电池组和分布式电源系统连接，多个过流保护模块分别与分布式电源系统连接。

上述锂电池组可为现有公知的24V锂电池组，24V锂电池组为穿刺无燃爆型电池，功率大，用于供电；上述分布式电源系统为现有公知技术，各个电路分开连接，避免其中一路电路出现故障时影响其他电路的正常使用。

如附图1所示，主替浆通道7上固定连通有副替浆通道15，副替浆通道15的一端与对应档销14下方位置的注浆通道固定连通，第一旋塞阀9设在副替浆通道15与水泥头本体1之间位置的主替浆通道7上，副替浆通道15上设有压力表16，对应压力表16与主替浆通道7之间位置的副替浆通道15上设有第四旋塞阀17。

上述通过设置副替浆通道15以及第四旋塞阀17作为备用，其中工作时第四旋塞阀17一直处于关闭状态，当第二旋塞阀11出故障无法正常工作时，打开第四旋塞阀17工作；压力表16用于对水泥头本体1内侧压力进行监测，便于工作人员查看。

实施例二：一种全自动无线远程控制固井水泥头的使用方法，包括：

S101，装胶塞13至档销14上方位置的注浆通道内；

S102，井口控制单元接收遥控单元发出的信号，并发送至信号至对应的电动执行单元，其中遥控单元发出的信号包括：注前置液和水泥浆的信号、替浆信号、冲洗管线信号、替浆结束信号；

S103，第一电动执行单元3、第二电动执行单元4、第三电动执行单元5、第四电动执行单元6接收井口控制单元输出的信号，进行控制操作，具体包括；

1、第二电动执行单元4接收井口控制单元输出的注前置液和水泥浆的信号，控制第二旋塞阀11打开；

2、第二电动执行单元4接收井口控制单元输出的替浆信号，控制第二旋塞阀11关闭；第一电动执行单元3接收井口控制单元输出的替浆信号，控制第一旋塞阀9打开；第四电动执行单元6接收井口控制单元输出的替浆信号，控制档销14打开；

3、第三电动执行单元5接收井口控制单元输出的冲洗管线信号，控制第三旋塞阀12打开；

4、第一电动执行单元3接收井口控制单元输出的替浆结束信号，控制第一旋塞阀9关闭；第三电动执行单元5接收井口控制单元输出的替浆结束信号，控制第三旋塞阀12关闭。

本发明具体使用过程如下：

工作时，将注灰通道8与水泥浆固井车连接，遥控单元发出注前置液和水泥浆的信号至井口控制单元，第二电动执行单元4接收井口控制单元输出的注前置液和水泥浆的信号，并根据接收到的信号控制第二旋塞阀11打开，通过水泥固井车向注灰通道8内分别注入前置液和水泥浆；

水泥浆注入达到预设量之后，水泥浆注入完成，遥控单元发出替浆信号至井口控制单元，第二电动执行单元4接收井口控制单元输出的替浆信号，并根据接收到的信号控制第二旋塞阀11关闭，同时第一电动执行单元3接收井口控制单元输出的替浆信号，并根据接收到的信号输出信号控制第一旋塞阀9打开，第四电动执行单元6接收井口控制单元输出的替浆信号，并根据接收到的信号控制档销14打开，通过将主替浆通道7与替浆固井车连接，使替浆固井车向主替浆通道7内注入顶替液，顶替液通过主替浆通道7进入到注浆通道内，使胶塞13在顶替液的作用下进入套管内，当顶替液推动胶塞13至碰压位置后，胶塞13运行受阻，此时套管内压力增大，压力感应模块将压力值输出至处理模块二，处理模块二输出至处理模块一，处理模块一将压力值输出至显示屏显示；

遥控单元发出冲洗管线信号至井口控制单元，第三电动执行单元5接收井口控制单元输出的冲洗管线信号，并根据接收到的信号控制第三旋塞阀12打开，通过在注灰通道8内注入清水冲洗注灰通道8，并将废水从排污通道10排出；

遥控单元发出替浆结束信号至井口控制单元，第一电动执行单元3接收井口控制单元输出的替浆结束信号，并根据接收到的信号控制第一旋塞阀9关闭，关闭主替浆通道7；第三电动执行单元5接收井口控制单元输出的替浆结束信号，并根据接收到的信号控制第三旋塞阀12关闭，关闭排污通道10，施工结束。

以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

Claims (10)

1.一种全自动无线远程控制固井水泥头，其特征在于包括水泥头本体、压帽、电源箱、遥控单元、井口控制单元、第一电动执行单元、第二电动执行单元、第三电动执行单元、第四电动执行单元；

水泥头本体的内部有注浆通道，水泥头本体的上端密封固定安装有能够将注浆通道封堵的压帽；

水泥头本体的上部外侧设有与注浆通道相连通的主替浆通道，水泥头本体的下部外侧设有与注浆通道相连通的注灰通道；主替浆通道上设有第一旋塞阀，第一旋塞阀与第一电动执行单元连接在一起；

注灰通道上固定连通有排污通道，对应排污通道与水泥头本体之间位置的注灰通道上设有第二旋塞阀，第二旋塞阀与第二电动执行单元连接在一起；排污通道上设有第三旋塞阀，第三旋塞阀与第三电动执行单元连接在一起；

主替浆通道与注灰通道之间位置的注浆通道内设有胶塞，胶塞下方位置的注浆通道内安装有能够挡住胶塞下行的档销，档销与第四电动执行单元固定连接在一起；

电源箱外接多个过流保护模块，电源箱通过过流保护模块分别与井口控制单元、第一电动执行单元、第二电动执行单元、第三电动执行单元和第四电动执行单元连接，井口控制单元分别与遥控单元、第一电动执行单元、第二电动执行单元、第三电动执行单元和第四电动执行单元连接。

2.根据权利要求1所述的全自动无线远程控制固井水泥头，其特征在于遥控单元包括处理模块一、供电模块、人机交互面板、通信单元一和数据存储模块，供电模块、人机交互面板、通信单元一和数据存储模块均与处理模块一连接，人机交互面板上设有按键、显示屏和多个LED。

3.根据权利要求1或2所述的全自动无线远程控制固井水泥头，其特征在于井口控制单元包括通信单元二、处理模块二、压力感应模块、电源开关和通信模块一，通信单元二、压力感应模块、电源开关和通信模块一均与处理模块二连接。

4.根据权利要求3所述的全自动无线远程控制固井水泥头，其特征在于第一电动执行单元、第二电动执行单元、第三电动执行单元和第四电动执行单元均包括通信模块二、处理模块三、电机驱动模块、角度传感模块和保护单元，通信模块二、电机驱动模块和角度传感模块均与处理模块三连接，保护单元与电机驱动模块连接，通信模块二与通信模块一连接；保护单元包括机械保护、过载保护、过热保护和限位保护，机械保护、过载保护、过热保护和限位保护均与电机驱动模块连接。

5.根据权利要求1或2或4所述的全自动无线远程控制固井水泥头，其特征在于电源箱包括锂电池组和分布式电源系统，锂电池组和分布式电源系统连接，多个过流保护模块分别与分布式电源系统连接。

6.根据权利要求3所述的全自动无线远程控制固井水泥头，其特征在于电源箱包括锂电池组和分布式电源系统，锂电池组和分布式电源系统连接，多个过流保护模块分别与分布式电源系统连接。

7.根据权利要求1或2或4或6所述的全自动无线远程控制固井水泥头，其特征在于主替浆通道上固定连通有副替浆通道，副替浆通道的一端与对应档销下方位置的注浆通道固定连通，第一旋塞阀设在副替浆通道与水泥头本体之间位置的主替浆通道上，副替浆通道上设有压力表，对应压力表与主替浆通道之间位置的副替浆通道上设有第四旋塞阀。

8.根据权利要求5所述的全自动无线远程控制固井水泥头，其特征在于主替浆通道上固定连通有副替浆通道，副替浆通道的一端与对应档销下方位置的注浆通道固定连通，第一旋塞阀设在副替浆通道与水泥头本体之间位置的主替浆通道上，副替浆通道上设有压力表，对应压力表与主替浆通道之间位置的副替浆通道上设有第四旋塞阀。

9.根据权利要求3所述的全自动无线远程控制固井水泥头，其特征在于主替浆通道上固定连通有副替浆通道，副替浆通道的一端与对应档销下方位置的注浆通道固定连通，第一旋塞阀设在副替浆通道与水泥头本体之间位置的主替浆通道上，副替浆通道上设有压力表，对应压力表与主替浆通道之间位置的副替浆通道上设有第四旋塞阀。

10.一种根据权利要求1至7所述的全自动无线远程控制固井水泥头的使用方法，其特征在于包括：

装胶塞至档销上方位置的注浆通道内；

井口控制单元接收遥控单元发出的信号，并发送至信号至对应的电动执行单元，其中遥控单元发出的信号包括：注前置液和水泥浆的信号、替浆信号、冲洗管线信号、替浆结束信号；

第一电动执行单元、第二电动执行单元、第三电动执行单元、第四电动执行单元接收井口控制单元输出的信号，进行控制操作，具体包括：

1、第二电动执行单元接收井口控制单元输出的注前置液和水泥浆的信号，控制第二旋塞阀打开；

2、第二电动执行单元接收井口控制单元输出的替浆信号，控制第二旋塞阀关闭；第一电动执行单元接收井口控制单元输出的替浆信号，控制第一旋塞阀打开；第四电动执行单元接收井口控制单元输出的替浆信号，控制档销打开；

3、第三电动执行单元接收井口控制单元输出的冲洗管线信号，控制第三旋塞阀打开；

4、第一电动执行单元接收井口控制单元输出的替浆结束信号，控制第一旋塞阀关闭；第三电动执行单元接收井口控制单元输出的替浆结束信号，控制第三旋塞阀关闭。

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