CN117868796A - 一种防喷器活塞位置监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防喷器活塞位置监测系统及方法，系统包括：超声波探头模块用于发射超声波信号，并接收经液压油介质、由活塞物面反射折回的超声波信号，获得活塞行程超声测距信号；温度传感模块用于对活塞腔室温度进行实时检测；信号采集模块用于采集活塞腔室温度和活塞行程超声测距信号；主控制器系统用于对活塞腔室温度与活塞行程超声测距信号进行处理与计算，获得防喷器活塞行程值和活塞腔室温度值；人机界面模块用于对防喷器活塞行程值和活塞腔室温度值提供实时显示以及参数设置。本发明可实时监测活塞位置、兼具温度监测功能、方便安装且具有良好数据人机界面。

Description

一种防喷器活塞位置监测系统及方法

技术领域

本发明涉及油气勘探钻井技术领域，更具体的说是涉及一种防喷器活塞位置监测系统及方法。

背景技术

在石油钻井作业中，防喷器是非常关键的钻井设备，环形防喷器及闸板防喷器在各个油田和钻井现场都有广泛应用。在当今的井场防喷器应用中，很多防喷器并未装有针对监测活塞位置的设备，现场人员无法实时掌握活塞位置的情况，只能利用经验对其进行大致的判断，这样具有一定的风险，容易出现人员对钻井情况产生误判的情况，有可能导致钻井事故的发生。

近些年来，一些井场的防喷器安装了用于监测防喷器活塞位置的磁致伸缩传感器，此种传感器利用磁场等原理来感测防喷器活塞位置，其需要在防喷器上钻孔，并将组件杆等嵌入到防喷器中，此种监测装置整体占用体积较大，不利于装置的安装和防喷器实际作业的布置，也增加了整体防喷器系统的维护成本，缺少一种较为友好的人机界面，同时也缺少了对防喷器内部活塞腔室温度的监测。

因此，如何在现有防喷器上应用一种可实时监测活塞位置、兼具温度监测功能、方便安装且具有良好数据人机界面的装置成为了井控领域的一个有待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种防喷器活塞位置监测系统及方法，可实时监测活塞位置、兼具温度监测功能、方便安装且具有良好数据人机界面。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种防喷器活塞位置监测系统，包括：超声波测距传感装置、主控制器系统和人机界面模块，所述超声波测距传感装置安装在防喷器上，包括超声波探头模块、温度传感模块和信号采集模块；

所述超声波探头模块用于发射超声波信号，并接收经液压油介质、由活塞物面反射折回的超声波信号，获得活塞行程超声测距信号；

所述温度传感模块用于对活塞腔室温度进行实时检测；

所述信号采集模块用于采集活塞腔室温度和活塞行程超声测距信号；

所述主控制器系统用于对活塞腔室温度与活塞行程超声测距信号进行处理与计算，获得防喷器活塞行程值和活塞腔室温度值；

所述人机界面模块用于对防喷器活塞行程值和活塞腔室温度值提供实时显示以及参数设置。

优选地，还包括电源模块，所述电源模块用于为主控制器系统和超声波测距传感装置分别提供220V和24V供电电源。

优选地，所述防喷器包括闸板防喷器或环形防喷器。

优选地，当为闸板防喷器时，所述活塞为第一活塞；

在所述闸板防喷器的缸盖上且沿所述第一活塞所处腔室方向设置有第一孔口，所述第一孔口对向所述第一活塞，所述超声波测距传感装置固定在所述第一孔口内。

优选地，当为环形防喷器时，所述活塞为第二活塞；

在所述环形防喷器的壳体上且沿所述第二活塞所处腔室方向设置有第二孔口，所述第二孔口对向所述第二活塞，所述超声波测距传感装置固定在所述第二孔口内。

优选地，所述主控制器系统还用于判断防喷器开关状态。

一种防喷器活塞位置监测方法，包括：

S1：通过人机界面模块进行参数设置，完成初始化操作；

S2：判断参数是否设置成功，成功则继续运行S3，否则重新跳回S1；

S3：通过超声波探头模块发射超声波信号，并接收经液压油介质、由活塞物面反射折回的超声波信号，获得活塞行程超声测距信号，通过温度传感模块对活塞腔室温度进行实时检测；

S4：主控制器系统对活塞腔室温度与活塞行程超声测距信号进行处理与计算，求得防喷器活塞行程值和活塞腔室温度值；

S5：通过人机界面模块对防喷器活塞行程值和活塞腔室温度值提供实时显示；

循环执行S3-S5。

优选地，还包括：

若闸板防喷器两侧的第一活塞实际行程值分别为H1和H2，并已知两侧闸板在全封状态对应的闸板防喷器两侧第一活塞行程分别为M1和M2，判断H1、H2与M1、M2的大小：

当一侧第一活塞行程值H1=0时，则说明该侧防喷器闸板处于全开状态；

当H1<M1时，且H1持续增大，则说明该侧闸板处于逐渐关闭的状态；

当H1<M1时，且H1持续减小，则说明该侧闸板处于逐渐打开的状态；

当H1=M1时，则说明该侧闸板处于全封状态；

当另一侧第一活塞行程值H2=0时，则说明该侧防喷器闸板处于全开状态；

当H2<M2时，且H2持续增大，则说明该侧闸板处于逐渐关闭的状态；

当H2<M2时，且H2持续减小，则说明该侧闸板处于逐渐打开的状态；

当H2=M2时，则说明该侧闸板处于全封状态；

当H1=H2时，则说明闸板防喷器内部推动两侧闸板的液压油路流通正常；

当H1≠H2时,则说明闸板防喷器内部推动两侧闸板的液压油路流通出现了两侧不均匀的情况，需要排查故障。

优选地，还包括：

若环形防喷器的第二活塞实际行程值为H3，并已知在全封状态对应的环形防喷器第二活塞行程为M3，判断H3与M3的大小：

当H3=0，则说明环形防喷器处于全开状态；

当H3<M3时，且H3持续增大，则说明环形防喷器处于逐渐关闭的状态；

当H3<M3时，且H3持续减小，则说明环形防喷器处于逐渐打开的状态；

当H3=M3时，则说明环形防喷器处于全封状态。

本发明在钻井领域具有以下优点：

（1）本发明系统检测装置的安装占用体积小，降低了防喷器的安装和维护成本；

（2）具有良好的人机界面，可对活塞行程位置进行实时显示，在闸板防喷器上的应用时，可掌握两个闸板的开关状态；

（3）解决了现有防喷器活塞及闸板监测装置诸如磁致伸缩传感器的一些缺点；

（4）有效避免了人工判断活塞位置的误判情况，从而降低了井喷风险。

（5）在闸板防喷器上的应用时，可根据两侧活塞的实时行程，对推动两侧闸板的液压油路是否分配流通均匀进行判断，从而有利于排除故障。

（6）增加了对防喷器活塞腔室温度的监测功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供一种防喷器活塞位置监测系统示意图。

图2为本发明提供一种装有超声波测距传感装置的闸板防喷器示意图。

图3为本发明提供一种装有超声波测距传感装置的环形防喷器示意图。

图4为本发明提供一种防喷器活塞位置监测方法数据处理流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种防喷器活塞位置监测系统，包括超声波探头模块101、温度传感模块102、信号采集模块103、主控制器系统104、人机界面模块105。超声波探头模块101主要由超声波探头组成，首先指向活塞物面发射超声波信号，超声波信号经液压油介质，触及活塞物面折返，由同一超声波探头模块101接收；温度传感模块102主要由温度传感器组成，对活塞腔室温度进行实时检测；信号采集模块103负责将活塞腔室温度信号和测出的活塞行程超声测距信号采集并传送至主控制器系统104；超声波探头模块101、温度传感模块102、信号采集模块103组成了超声波测距传感装置107，超声波测距传感装置107安装在防喷器上；主控制器系统104主要由控制器元件组成，负责对收到的活塞腔室温度与活塞行程超声测距信号进行处理与计算，最终输出信号至人机界面模块105；人机界面模块105主要由电子触摸屏组成，对实际测出的活塞腔室温度值与活塞行程值进行实时显示。

基于上述实施例，本实施例还包括电源模块106，电源模块106主要为主控制器系统104和超声波测距传感装置107分别提供220V和24V供电电源。

本发明防喷器活塞位置监测系统，所应用施加的防喷器包括环形防喷器和闸板防喷器。

人机界面模块105除了可对活塞腔室温度与活塞行程进行实时显示外，还支持参数设置，比如可进行波特率的设置与修改、修改设备地址、修改主动/被动上传模式、恢复出厂设置等。

如图2所示，示出了一种装有超声波测距传感装置107的闸板防喷器，其中闸板防喷器利用的现有结构，并没有作出改进，主要包括：闸板防喷器主体，具有两个腔室，分别为竖直方向的腔室和水平方向的腔室，竖直方向的腔室和水平方向的腔室垂直相交，水平方向腔室又包括了活塞腔室和闸板腔室；在本实施例中活塞为第一活塞，第一活塞202所处腔室，位于水平腔室中，可供第一活塞202来回活动，第一活塞202与闸板轴204为一体结构；一对闸板203，每个闸板203与闸板轴204成T型连接，与第一活塞202通过闸板轴204间接相连；第一活塞202的水平活动，会驱动对应的每个闸板203沿着防喷器水平腔室的方向移动，即水平方向往返穿梭在闸板腔室与竖直腔室之间；当两个闸板203从各自闸板腔室相向移动进入竖直腔室，最终相互贴合时，则处于防喷器闸板203关闭的状态，可切断竖直腔体中的流体活动；当两个闸板203从贴合状态开始向彼此相反方向，逐渐趋向各自闸板腔室移动时，则闸板203处于逐渐打开的状态；缸盖205，作为密封件，位于防喷器主体外壳，通过螺栓与闸板防喷器主体连接。

下面是本发明的改进，分别在防喷器两侧的缸盖205上沿防喷器两端第一活塞202所处腔室方向打孔形成第一孔口，第一孔口对向第一活塞202，第一孔口分别置入超声波测距传感装置107；分别将闸板防喷器两侧的超声波测距传感装置107一端的探头朝向防喷器每端的第一活塞202，并充分接触到第一活塞202活动腔室中的液压油介质，另一端接数据线，用于与图1中的主控制器系统104的数据传输。超声波测距传感装置107通过朝向第一活塞202发射超声波，超声波触及到第一活塞202会折返回超声波测距传感装置中，两侧第一活塞202行程H1、H2的不同，对应的超声波发射至接收时间也不同，从而实现对第一活塞202不同位置的测量。所测的超声信号经图1的主控制器系统104处理并计算后得出第一活塞202实际的行程值H1、H2，因此可判断出闸板的开关状态。

如图3所示，示出了一种装有超声波测距传感装置107的环形防喷器，其中环形防喷器利用的现有结构，并没有作出改进，主要包括：环形防喷器主体，具有一个竖直腔室，腔室可供流体通过；在本实施例中活塞为第二活塞，第二活塞301，可在竖直腔室内沿竖直方向上下移动，第二活塞301所活动的腔室内注有液压油介质；胶芯302，环绕竖直腔室一圈布置，受第二活塞301驱动，在驱动下彼此聚拢贴合时，可切断竖直腔室中的流体通路，此时处于环形防喷器完全封闭的状态；当胶芯302在第二活塞301驱动下逐渐张开分离时，此时处于环形防喷器逐渐打开的状态；壳体303，环形围绕着竖直腔室，为密封外壳。

下面是本发明的改进，在第二活塞301腔室下方的壳体303沿第二活塞301所处腔室方向打孔形成第二孔口，第二孔口对向第二活塞301，置入超声波测距传感装置；将超声波测距传感装置107一端的探头朝向第二活塞301，并充分接触到第二活塞301活动腔室中的液压油介质，另一端接数据线，用于与图1的主控制器系统104的数据传输。超声波测距传感装置通过朝向第二活塞301发射超声波，超声波触及到第二活塞301会折返回超声波测距传感装置中，第二活塞301不同的行程H3，对应的超声波发射至接收时间也不同，从而实现对第二活塞301不同位置的测量。所测的超声信号经图1的主控制器系统104处理并计算后得出第二活塞301实际的行程值H3。

如图4所示，本实施例提供了一种防喷器活塞位置监测方法，防喷器包括环形防喷器和闸板防喷器，流程如下：

S1：通过人机界面模块105进行参数设置，完成初始化操作，设置波特率，设备地址等参数；

S2：判断参数是否设置成功，成功则继续运行S3，否则重新跳回S1；

S3：通过超声波探头模块101发射超声波信号，并接收经液压油介质、由活塞物面反射折回的超声波信号，获得活塞行程超声测距信号，通过温度传感模块102对活塞腔室温度进行实时检测；

S4：主控制器系统104对活塞腔室温度与活塞行程超声测距信号进行处理与计算，求出实际的防喷器活塞行程值和活塞腔室温度值；

S5：通过人机界面模块105对测出的防喷器活塞行程值和活塞腔室温度值进行实时显示；

循环运行S3～S5。

还包括：判断防喷器开关状态：

针对监测系统在闸板防喷器上的应用，两侧闸板在全封状态对应的防喷器两侧第一活塞行程分别为M1和M2，M1和M2的数值是已知的，根据闸板防喷器两侧的第一活塞运动行程H1、H2与M1、M2的大小关系来判断闸板位置状态：

当一侧第一活塞行程值H1=0时，则说明该侧防喷器闸板处于全开状态；

当H1<M1时，且H1持续增大，则说明该侧闸板处于逐渐关闭的状态；

当H1<M1时，且H1持续减小，则说明该侧闸板处于逐渐打开的状态；

当H1=M1时，则说明该侧闸板处于全封状态；

当另一侧第一活塞行程值H2=0时，则说明该侧防喷器闸板处于全开状态；

当H2<M2时，且H2持续增大，则说明该侧闸板处于逐渐关闭的状态；

当H2<M2时，且H2持续减小，则说明该侧闸板处于逐渐打开的状态；

当H2=M2时，则说明该侧闸板处于全封状态；

当H1=H2时，则说明闸板防喷器内部推动两侧闸板的液压油路流通正常；

当H1≠H2时,则说明闸板防喷器内部推动两侧闸板的液压油路流通出现了两侧不均匀的情况，需要排查故障。

针对监测系统在环形防喷器上的应用，环形防喷器在全封状态的第二活塞行程M3是已知的，根据环形防喷器的第二活塞运动行程H3与全封状态第二活塞行程M3的大小关系判断防喷器开关状态：

当H3=0，则说明环形防喷器处于全开状态；

当H3<M3时，且H3持续增大，则说明环形防喷器处于逐渐关闭的状态；

当H3<M3时，且H3持续减小，则说明环形防喷器处于逐渐打开的状态；

当H3=M3时，则说明环形防喷器处于全封状态。

因此，本发明还可以实现闸板防喷器闸板状态的判断，以及环形防喷器状态的判断，避免了人工判断导致误判的情况，从而降低了井喷风险。

本发明方法基于上述系统实现，关于具体结构等介绍参见系统部分即可，在此不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种防喷器活塞位置监测系统，其特征在于，包括：超声波测距传感装置、主控制器系统和人机界面模块，所述超声波测距传感装置安装在防喷器上，包括超声波探头模块、温度传感模块和信号采集模块；

所述超声波探头模块用于发射超声波信号，并接收经液压油介质、由活塞物面反射折回的超声波信号，获得活塞行程超声测距信号；

所述温度传感模块用于对活塞腔室温度进行实时检测；

所述信号采集模块用于采集活塞腔室温度和活塞行程超声测距信号；

所述主控制器系统用于对活塞腔室温度与活塞行程超声测距信号进行处理与计算，获得防喷器活塞行程值和活塞腔室温度值；

所述人机界面模块用于对防喷器活塞行程值和活塞腔室温度值提供实时显示以及参数设置。

2.根据权利要求1所述的一种防喷器活塞位置监测系统，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块用于为主控制器系统和超声波测距传感装置分别提供220V和24V供电电源。

3.根据权利要求1所述的一种防喷器活塞位置监测系统，其特征在于，所述防喷器包括闸板防喷器或环形防喷器。

4.根据权利要求3所述的一种防喷器活塞位置监测系统，其特征在于，当为闸板防喷器时，所述活塞为第一活塞；

在所述闸板防喷器的缸盖上且沿所述第一活塞所处腔室方向设置有第一孔口，所述第一孔口对向所述第一活塞，所述超声波测距传感装置固定在所述第一孔口内。

5.根据权利要求3所述的一种防喷器活塞位置监测系统，其特征在于，当为环形防喷器时，所述活塞为第二活塞；

在所述环形防喷器的壳体上且沿所述第二活塞所处腔室方向设置有第二孔口，所述第二孔口对向所述第二活塞，所述超声波测距传感装置固定在所述第二孔口内。

6.根据权利要求3所述的一种防喷器活塞位置监测系统，其特征在于，所述主控制器系统还用于判断防喷器开关状态。

7.一种防喷器活塞位置监测方法，其特征在于，包括：

S1：通过人机界面模块进行参数设置，完成初始化操作；

S2：判断参数是否设置成功，成功则继续运行S3，否则重新跳回S1；

S3：通过超声波探头模块发射超声波信号，并接收经液压油介质、由活塞物面反射折回的超声波信号，获得活塞行程超声测距信号，通过温度传感模块对活塞腔室温度进行实时检测；

S4：主控制器系统对活塞腔室温度与活塞行程超声测距信号进行处理与计算，求得防喷器活塞行程值和活塞腔室温度值；

S5：通过人机界面模块对防喷器活塞行程值和活塞腔室温度值提供实时显示；

循环执行S3-S5。

8.根据权利要求7所述的一种防喷器活塞位置监测方法，其特征在于，还包括：

若闸板防喷器两侧的第一活塞实际行程值分别为H1和H2，并已知两侧闸板在全封状态对应的闸板防喷器两侧第一活塞行程分别为M1和M2，判断H1、H2与M1、M2的大小：

当一侧第一活塞行程值H1=0时，则说明该侧防喷器闸板处于全开状态；

当H1<M1时，且H1持续增大，则说明该侧闸板处于逐渐关闭的状态；

当H1<M1时，且H1持续减小，则说明该侧闸板处于逐渐打开的状态；

当H1=M1时，则说明该侧闸板处于全封状态；

当另一侧第一活塞行程值H2=0时，则说明该侧防喷器闸板处于全开状态；

当H2<M2时，且H2持续增大，则说明该侧闸板处于逐渐关闭的状态；

当H2<M2时，且H2持续减小，则说明该侧闸板处于逐渐打开的状态；

当H2=M2时，则说明该侧闸板处于全封状态；

当H1=H2时，则说明闸板防喷器内部推动两侧闸板的液压油路流通正常；

当H1≠H2时,则说明闸板防喷器内部推动两侧闸板的液压油路流通出现了两侧不均匀的情况，需要排查故障。

9.根据权利要求7所述的一种防喷器活塞位置监测方法，其特征在于，还包括：

若环形防喷器的第二活塞实际行程值为H3，并已知在全封状态对应的环形防喷器第二活塞行程为M3，判断H3与M3的大小：

当H3=0，则说明环形防喷器处于全开状态；

当H3<M3时，且H3持续增大，则说明环形防喷器处于逐渐关闭的状态；

当H3<M3时，且H3持续减小，则说明环形防喷器处于逐渐打开的状态；

当H3=M3时，则说明环形防喷器处于全封状态。