CN115576254A - 一种小尺寸的钻井参数监控系统 - Google Patents

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杨赟
杨茂红
刘立鹏
吴光
赵文庄
周雄兵
祝敏荣
李婧
仵磊
方丹
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Abstract

本发明公开了一种小尺寸的钻井参数监控系统，包括依次连接的悬挂钻铤、脉冲器、流量开关、电池短节、探管、接收短节和参数测量短节；悬挂钻铤用于连接井下仪器；脉冲器用于产生泥浆脉冲信号并将数据实时发送至地面；流量开关用于判断系统工作状态；电池短节用于给信号上传系统供电；探管将收到的数据进行编码，并控制脉冲器动作，将数据上传至地面；接收短节用于参数测量短节发送的数据，并将数据传递至探管；参数测量短节用于采集转速、钻压、扭矩、冲击振动、温度和内外环空压力。本发明实时采集井下钻井参数数据，并发送至地面，监控钻井状态，从而及时发现和处理井下仪器故障或钻井事故，并提供预警功能，减少井下事故的发生，提高钻井安全。

Description

一种小尺寸的钻井参数监控系统
技术领域
本发明涉及石油、煤矿及地质勘探中的钻井工程技术领域，具体涉及一种小尺寸的钻井参数监控系统。
背景技术
石油钻井时，钻具在井下需要承受高钻压、高扭矩以及井下地层和泥浆压力的作用，会出现破损、断裂等风险，导致钻井事故，同时钻井参数也直接反应钻井的施工状态，可用于判断井漏、气侵等井下异常状态，可降低损失。
目前钻井行业工程参数监控均在地面进行，通过地面监控钻井参数变化，判断井下仪器运行状态，进行故障分析和故障排除。地面参数监控具有以下几个方面的问题：地面参数与井下实际参数存在偏差，无法真实反映井下仪器工作状态；地面参数存在滞后性，无法第一时间响应井下故障事故。
公开号CN110984958A，公开日为2020.04.10的中国专利公开了一种小尺寸钻井工程监控系统，包括钻头、螺杆、定向接头、循环套、主阀头组件、坐键脉冲器、连接钻铤、工程参数测量钻铤、无线接收短节、电池短节A、探管短节、打捞头及无磁钻铤，所述钻头与螺杆一端相连，所述螺杆另一端与连接钻铤相连，所述连接钻铤内部一端设置有定向接头，所述定向接头与循环套一端相连，所述循环套与主阀头组件相连，所述主阀头组件远离循环套一端与坐键脉冲器相连，所述连接钻铤远离螺杆一端与工程参数测量钻铤一端相连，所述工程参数测量钻铤另一端与无磁钻铤相连，所述无磁钻铤内部依次设置有无线接收短节、电池短节A、探管短节及打捞头；所述工程参数测量钻铤包括钻铤本体、控制电路、钻压扭矩弯矩应变片、发射短节、电池短节B、通信接口、振动传感器、内环空压力传感器及外环空压力传感器，所述钻铤本体内部设置有控制电路，所述钻铤本体内部一端呈环形设置有通信接口、振动传感器、内环空压力传感器及外环空压力传感器，所述钻铤本体内部还呈环形设置有若干钻压扭矩弯矩应变片，所述钻铤本体内部中间位置设置有发射短节及电池短节B，所述控制电路内置转速传感器和温度传感器。但是该系统的测量钻铤的直径为120-125mm，地面监控系统无法提供预警功能，无法避免事故的发生。
发明内容
本发明旨在解决参数存在偏差、地面参数存在滞后性和没有预警功能等问题，提供一种小尺寸的钻井参数监控系统，通过在井下钻具上，增加钻井参数监控系统，实时采集井下钻井参数数据，并发送至地面，监控钻井状态，从而及时发现和处理井下仪器故障或钻井事故，并提供预警功能，减少井下事故的发生，提高钻井安全。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种小尺寸的钻井参数监控系统，包括依次连接的悬挂钻铤、脉冲器、流量开关、电池短节、探管、接收短节和参数测量短节；
所述悬挂钻铤用于连接井下仪器；
所述脉冲器用于产生泥浆脉冲信号并将数据实时发送至地面；
所述流量开关用于判断系统工作状态；
所述电池短节用于给信号上传系统供电；
所述探管将收到的数据进行编码，并控制脉冲器动作，将数据上传至地面；
所述接收短节用于参数测量短节发送的数据，并将数据传递至探管；
所述参数测量短节用于采集转速、钻压、扭矩、冲击振动、温度和内外环空压力。
优选的，所述参数测量短节包括测量钻铤，所述测量钻铤内设置有电池、耐磨带、应变片组、控制电路板、无线通信模块、内环空压力测量模块、外环空压力测量模块、振动采集模块和上电插头。
优选的，所述控制电路板与电池、应变片组、无线通信模块、内环空压力测量模块、外环空压力测量模块和振动采集模块相连。
优选的，所述电池与应变片组、控制电路板、无线通信模块、内环空压力测量模块、外环空压力测量模块、振动采集模块和上电插头。
优选的，所述控制电路板具备数据存储功能。
优选的，所述控制电路板和无线通信模块设置在测量钻铤左侧，所述电池设置在测量钻铤右侧。
优选的，所述应变片组、无线通信模块、内环空压力测量模块、外环空压力测量模块、振动采集模块和上电插头设置在测量钻铤中部。
优选的，所述应变片组为4组，4组应变片组对向安装在测量钻铤上。
优选的，所述悬挂钻铤和测量钻铤直径为105mm。
本技术方案的有益效果如下：
本发明提供的一种小尺寸的钻井参数监控系统，能够耐温达到175℃，耐压达到140MPa的钻井参数监控系统，测量转速、钻压、扭矩、冲击振动、温度、内外环空压力等工程参数，该系统由参数测量短节和数据上传系统组成，本发明适用于小尺寸钻具，可监控井下钻井参数变化，并能根据监控数据进行井下仪器故障判断和井下事故预警，同时可以将井下数据实时传输至地面，可有效降低井下仪器故障风险和事故风险，提高钻井安全。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中参数测量短节的结构示意图；
图3为图2的A-A剖视图；
图4为图2的B-B剖视图；
其中：1、悬挂钻铤；2、脉冲器；3、流量开关；4、电池短节；5、探管；6、接收短节；7、参数测量短节；11、测量钻铤；12、电池；13、耐磨带；14、应变片；15、控制电路板；16、无线通信模块；17、内环空压力测量模块；18、外环空压力测量模块；19、振动采集模块；20、上电插头。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
需要说明的是，当部件被称为“装设于”、“固定于”或“设置于”另一个部件上，它可以直接在另一个部件上或者可能同时存在居中部件。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者可能同时存在居中部件。
还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
实施例1
如图1-图4所示，一种小尺寸的钻井参数监控系统，包括依次连接的悬挂钻铤1、脉冲器2、流量开关3、电池短节4、探管5、接收短节6和参数测量短节7；
所述悬挂钻铤1用于连接井下仪器；
所述脉冲器2用于产生泥浆脉冲信号并将数据实时发送至地面；
所述流量开关3用于判断系统工作状态（工作状态包括有振动时，判断为开泵钻井状态，无振动时，判断为停泵不工作状态）在不需要仪器工作时，使仪器停止工作，降低电池短节4消耗；
所述电池短接4用于给信号上传系统供电，信号上传系统是脉冲器2和地面的解码系统；
所述探管5将收到的数据进行编码，并控制脉冲器2动作，将数据上传至地面；
所述接收短节6用于参数测量短节7发送的数据，并将数据传递至探管5；
所述参数测量短节7用于采集转速、钻压、扭矩、冲击振动、温度和内外环空压力。
其中，所述参数测量短节7包括测量钻铤11，所述测量钻铤11内设置有电池12、耐磨带13、应变片14组、控制电路板15、无线通信模块16、内环空压力测量模块17、外环空压力测量模块18、振动采集模块19和上电插头20，所述耐磨带13设置在电池12外侧并通过激光焊接在测量钻铤11上；
所述电池12用于应变片14组、控制电路板15、无线通信模块16、内环空压力测量模块17、外环空压力测量模块18和振动采集模块19供电；
所述应变片14组包括高精剪切双羽应变片14和高精单羽应变片14，高精单羽应变片14用于测量钻压，高精剪切双羽应变片14用于测量扭矩，所述应变片14组用于测量钻铤11弯矩和扭矩，四个传感器数据互相补偿，提高测量精度；
所述控制电路板15用于接收应变片14组、内环空压力测量模块17、外环空压力测量模块18和振动采集模块19的信号，并通过无线通信模块16发送至探管5；
所述无线通信模块16用于探管5和控制电路板15的无线连接；
所述内环空压力测量模块17使用高精度压力传感器且采集测量钻铤11内部压力；
所述外环空压力测量模块18使用高精度压力传感器且采集测量钻铤11外部压力；
所述振动采集模块19使用三轴振动传感器，采集系统工作时轴向和径向振动数据，系统可设置振动门限，当测量数值超过所设置门限时，判断井下仪器、钻具存在故障风险，会向地面发送预警信息，保护仪器。
实施例2
一种小尺寸的钻井参数监控系统，包括依次连接的悬挂钻铤1、脉冲器2、流量开关3、电池短节4、探管5、接收短节6和参数测量短节7；
所述悬挂钻铤1用于连接井下仪器；
所述脉冲器2用于产生泥浆脉冲信号并将数据实时发送至地面；
所述流量开关3用于判断系统工作状态（工作状态包括有振动时，判断为开泵钻井状态，无振动时，判断为停泵不工作状态）在不需要仪器工作时，使仪器停止工作，降低电池短节4消耗；
所述电池短接4用于给信号上传系统供电，信号上传系统是脉冲器2和地面的解码系统；
所述探管5将收到的数据进行编码，并控制脉冲器2动作，将数据上传至地面；
所述接收短节6用于参数测量短节7发送的数据，并将数据传递至探管5；
所述参数测量短节7用于采集转速、钻压、扭矩、冲击振动、温度和内外环空压力。
其中，所述参数测量短节7包括测量钻铤11，所述测量钻铤11内设置有电池12、耐磨带13、应变片14组、控制电路板15、无线通信模块16、内环空压力测量模块17、外环空压力测量模块18、振动采集模块19和上电插头20，所述耐磨带13设置在电池12外侧并通过激光焊接在测量钻铤11上；
所述电池12用于应变片14组、控制电路板15、无线通信模块16、内环空压力测量模块17、外环空压力测量模块18和振动采集模块19供电；
所述应变片14组包括高精剪切双羽应变片14和高精单羽应变片14，高精单羽应变片14用于测量钻压，高精剪切双羽应变片14用于测量扭矩，所述应变片14组用于测量钻铤11弯矩和扭矩，四个传感器数据互相补偿，提高测量精度；
所述控制电路板15用于接收应变片14组、内环空压力测量模块17、外环空压力测量模块18和振动采集模块19的信号，并通过无线通信模块16发送至探管5，所述控制电路板15还包括陀螺传感器和温度传感器，所述陀螺传感器采集转动角度回传至控制电路板15计算转速，所述温度传感器用于采集温度；
所述无线通信模块16用于探管5和控制电路板15的无线连接；
所述内环空压力测量模块17使用高精度压力传感器且采集测量钻铤11内部压力；
所述外环空压力测量模块18使用高精度压力传感器且采集测量钻铤11外部压力；
所述振动采集模块19使用三轴振动传感器，采集系统工作时轴向和径向振动数据，系统可设置振动门限，当测量数值超过所设置门限时，判断井下仪器、钻具存在故障风险，会向地面发送预警信息，保护仪器。
其中，所述控制电路板15通过无线通信模块16与探管5相连。
其中，所述控制电路板15与电池12、应变片14组、无线通信模块16、内环空压力测量模块17、外环空压力测量模块18和振动采集模块19相连。
其中，所述电池12与应变片14组、控制电路板15、无线通信模块16、内环空压力测量模块17、外环空压力测量模块18、振动采集模块19和上电插头20。
其中，所述控制电路板15具备数据存储功能。
其中，所述控制电路板15和无线通信模块16设置在测量钻铤11左侧，所述电池12设置在测量钻铤11右侧。
其中，所述应变片14组、无线通信模块16、内环空压力测量模块17、外环空压力测量模块18、振动采集模块19和上电插头20设置在测量钻铤11中部。
其中，所述应变片14组为4组，4组应变片14组对向安装在测量钻铤11上。
其中，所述悬挂钻铤1和测量钻铤11直径为105mm。本系统能够满足小尺寸（105mm）的钻井使用。
各个传感器根据系统设置要求，采集相关工程参数数据，工程参数控制电路采集各个传感器的数据，进行存储并将数据发送给无线通信模块16，无线通信模块16通过无线信号将数据发送给无线接收模块，无线接收模块收到数据并存储，探管5读取无线接收短节6中的工程参数数据后，进行编码，并控制脉冲器2动作，发送脉冲信号，脉冲信号以泥浆压力为载体，将数据上传至地面。
本发明提供的一种小尺寸的钻井参数监控系统，能够耐温达到175℃，耐压达到140MPa的钻井参数监控系统，测量转速、钻压、扭矩、冲击振动、温度、内外环空压力等工程参数，该系统由参数测量短节7和数据上传系统组成，本发明适用于小尺寸钻具，可监控井下钻井参数变化，并能根据监控数据进行井下仪器故障判断和井下事故预警，同时可以将井下数据实时传输至地面，可有效降低井下仪器故障风险和事故风险，提高钻井安全。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种小尺寸的钻井参数监控系统，其特征在于：包括依次连接的悬挂钻铤（1）、脉冲器（2）、流量开关（3）、电池短节（4）、探管（5）、接收短节（6）和参数测量短节（7）；
所述悬挂钻铤（1）用于连接井下仪器；
所述脉冲器（2）用于产生泥浆脉冲信号并将数据实时发送至地面；
所述流量开关（3）用于判断系统工作状态；
所述电池短节（4）用于给信号上传系统供电；
所述探管（5）将收到的数据进行编码，并控制脉冲器（2）动作，将数据上传至地面；
所述接收短节（6）用于参数测量短节发送的数据，并将数据传递至探管（5）；
所述参数测量短节（7）用于采集转速、钻压、扭矩、冲击振动、温度和内外环空压力。
2.根据权利要求1所述的一种小尺寸的钻井参数监控系统，其特征在于：所述参数测量短节包括测量钻铤（11），所述测量钻铤（11）内设置有电池（12）、耐磨带（13）、应变片（14）组、控制电路板（15）、无线通信模块（16）、内环空压力测量模块（17）、外环空压力测量模块（18）、振动采集模块（19）和上电插头（20）。
3.根据权利要求2所述的一种小尺寸的钻井参数监控系统，其特征在于：所述控制电路板（15）通过无线通信模块（16）与探管（5）相连。
4.根据权利要求3所述的一种小尺寸的钻井参数监控系统，其特征在于：所述控制电路板（15）与电池（12）、应变片（14）组、无线通信模块（16）、内环空压力测量模块（17）、外环空压力测量模块（18）和振动采集模块（19）相连。
5.根据权利要求4所述的一种小尺寸的钻井参数监控系统，其特征在于：所述电池（12）与应变片（14）组、控制电路板（15）、无线通信模块（16）、内环空压力测量模块（17）、外环空压力测量模块（17）、振动采集模块（19）和上电插头（20）。
6.根据权利要求5所述的一种小尺寸的钻井参数监控系统，其特征在于：所述控制电路板（15）具备数据存储功能。
7.根据权利要求6所述的一种小尺寸的钻井参数监控系统，其特征在于：所述控制电路板（15）和无线通信模块（16）设置在测量钻铤（11）左侧，所述电池（12）设置在测量钻铤（11）右侧。
8.根据权利要求7所述的一种小尺寸的钻井参数监控系统，其特征在于：所述应变片（14）组、无线通信模块（16）、内环空压力测量模块（17）、外环空压力测量模块（18）、振动采集模块（19）和上电插头（20）设置在测量钻铤（11）中部。
9.根据权利要求8所述的一种小尺寸的钻井参数监控系统，其特征在于：所述应变片（14）组为4组，4组应变片（14）组对向安装在测量钻铤（11）上。
10.根据权利要求1或9所述的一种小尺寸的钻井参数监控系统，其特征在于：所述悬挂钻铤（1）和测量钻铤（11）直径为105mm。
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