CN218628729U - 管式内置天线扭矩传输系统及包含其的扭矩测量设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了管式内置天线扭矩传输系统及包含其的扭矩测量设备，属于石油钻井作业设备技术领域，包括扭矩短节、无线接收器和工控机，所述工控机与无线接收器电连接，所述无线接收器与扭矩短节信号连接，所述扭矩短节的中部套入固定设置有保护壳，所述保护壳的内部两侧各设置有一个无线发射器，所述保护壳的内部中间位置设置有感应体，所述感应体的周围信号连接有扭矩芯片、悬重芯片和圈数芯片，所述扭矩芯片、悬重芯片和圈数芯片均与每个无线发射器信号连接，每个所述无线发射器均与无线接收器信号连接。本实用新型可以进行数据后处理，具备了判断上扣质量的功能，测量的精度高，同时也能避免在使用时遇到磕碰而损坏的问题。

Description

管式内置天线扭矩传输系统及包含其的扭矩测量设备

技术领域

本实用新型属于石油钻井作业设备技术领域，具体涉及管式内置天线扭矩传输系统及包含其的扭矩测量设备。

背景技术

石油钻井设备按功用分为旋转、提升、循环、动力与传动、控制等系统等，其中提升系统中下套管作业是将单根管柱及固井所需附件逐一连接下入井内。在下套管作业时需要对管柱进行上扣，而在上扣时管柱会产生扭矩，扭矩的数据会直接影响到上扣的质量。传统管柱的扭矩测量一般通过在大钳尾绳上串联拉力传感器测量出拉力并间接转换成扭矩，或通过在动力钳主、背间设立压力传感器测量出压力并间接转换成扭矩，虽能测算出扭矩，但伴随着油田作业装备的更新换代，如顶驱下套管等装备的出现，其利用顶驱作为旋扣的动力驱动装置，上述扭矩采集方式就不适用于管柱上扣扭矩的测量。

根据油田作业装备的发展形势，目前管柱的扭矩测量是通过顶驱自带的扭矩测量系统测量，此种测量精度较低，无法进行数据的后处理，缺少对上扣质量的判别，从而限制了新装备应用场景。

现阶段已有通过无线传输系统来预测测量数量，如中国专利授权公告号CN207194883U，公开日2018年04月06日，公开了钻杆参数仪，文中提出“包括转接头、支撑法兰、盖板、振动传感器、转速传感器、悬重传感器、扭矩传感器、电池、无线模块、天线、地面主机。振动传感器、转速传感器、悬重传感器、扭矩传感器、电池固定在转接头或支撑法兰或盖板上，无线模块与振动传感器、转速传感器、悬重传感器、扭矩传感器连接，无线模块与地面主机间进行信号无线传输。”此现有技术是通过各传感器与无线模块相连接，且无线模块采用无线传输方式将信号传给地面主机来预测钻井过程中的异常情况，虽能避免有线传输方式的弊端，但此现有技术的天线是外置的，极易在使用过程中遇到磕碰而损坏，使得无线传输丧失了其功能，且此现有技术是针对钻井过程的异常情况的采集，并不能针对下套管作业过程的上扣扭矩数据的采集和处理。为此，需要一种新的技术方案来解决上述技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供管式内置天线扭矩传输系统及包含其的扭矩测量设备，以解决上述背景技术中提出的现阶段上扣扭矩数据采集方式测量精度低，无法进行数据后处理，且缺少对上扣质量的判别，而采用无线传输的采集方式，外置天线极易在使用过程中遇到磕碰而损坏的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种管式内置天线扭矩传输系统，包括扭矩短节、无线接收器和工控机，所述工控机与无线接收器电连接，所述无线接收器与扭矩短节信号连接，所述扭矩短节的中部套入固定设置有保护壳，其特征在于，所述保护壳的内部两侧各设置有一个无线发射器，所述保护壳的内部中间位置设置有感应体，所述感应体的周围信号连接有扭矩芯片、悬重芯片和圈数芯片，所述扭矩芯片、悬重芯片和圈数芯片均与每个无线发射器信号连接，每个所述无线发射器均与无线接收器信号连接。

进一步的，所述感应体设置为套筒式结构，套筒式所述感应体贯穿保护壳并延伸至保护壳的下部，所述保护壳的外前侧设置有电池仓，所述电池仓的后侧通过凸块与套筒式感应体紧贴式电连接。

进一步的，套筒式所述感应体的内壁与扭矩短节的中下部套入式接触连接，所述扭矩短节的上部通过内连接螺纹螺纹连接有动力驱动装置，所述扭矩短节的下部通过外连接螺纹螺纹连接有管柱，所述管柱通过外连接螺纹与套筒式感应体接触连接，套筒式所述感应体的外壁周围分别与扭矩芯片、悬重芯片和圈数芯片紧贴式信号连接，所述扭矩芯片、悬重芯片和圈数芯片均设置在保护壳的内部。

进一步的，所述扭矩芯片设置为竖立式长方体结构，竖立式长方体所述扭矩芯片的左侧紧贴设置在套筒式感应体外壁右侧，竖立式长方体所述扭矩芯片的右侧紧贴设置在保护壳的内右侧壁。

进一步的，所述悬重芯片通过套筒式感应体与扭矩芯片的对称设置，所述悬重芯片设置为竖立式长方体结构，竖立式长方体所述悬重芯片的右侧紧贴设置在套筒式感应体外壁左侧，竖立式长方体所述悬重芯片的左侧紧贴设置在保护壳的内左侧壁。

进一步的，所述圈数芯片设置为横向式长方体结构，横向式长方体结构所述圈数芯片的前侧紧贴设置在套筒式感应体外壁后侧，横向式长方体结构所述圈数芯片的后侧紧贴设置在保护壳的内后侧壁。

除以上技术方案外，还有具有该管式内置天线扭矩传输系统的管柱扭矩测量设备。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型利用扭矩短节与无线接收器之间的无线信号传输，使管柱的上扣扭矩测量实现了无线传输的采集方式，从而使上扣扭矩数据的采集更加方便快捷，有效地提升了上扣扭矩测量的精度和效率，通过工控机对无线接收器接收的无线信号进行数据的后处理，使下套管作业具备了判断上扣质量的功能，保证了管柱下套管作业的稳定性和安全性，采用内置的无线发射器，使得无线发射器在使用时更加安全，避免了该扭矩传输系统在使用过程中遇到磕碰而损坏的问题，再通过在保护壳内部两侧各设置一个无线发射器，使无线发射器在使用时更加稳定，减少了管柱在转动时因遮挡而发生无线信号丢失的问题，保证了无线信号的有效传输，使该传输系统能够适用于下套管作业的上扣扭矩数据的采集和处理。

2.本实用新型采用套筒式结构的感应体，使扭矩短节能够精准地感应上扣的扭矩，有效地提升了上扣扭矩数据的采集精准度，采用矩芯片、悬重芯片和圈数芯片与感应体的外壁紧贴式信号连接，使扭矩短节实现了上扣扭矩、实时悬重以及转速的采集，有效地提升了扭矩短节的采集功能，通过无线发射器将扭矩芯片、悬重芯片和圈数芯片从感应体接收的信号传输给无线接收器，使管柱的上扣扭矩测量实现了无线传输的采集方式，从而使上扣扭矩数据的采集更加方便快捷，有效地提升了上扣扭矩测量的精度和效率，保证了管柱下套管作业的稳定性和安全性。

3.本实用新型通过内、外连接螺纹将扭矩短节设置在动力驱动装置和管柱之间，使扭矩短节在动力驱动装置驱动管柱转动下能够精准地感应上扣的扭矩，有效地提升了上扣扭矩数据的采集精准度，通过无线接收器将每个无线发射器从矩芯片、悬重芯片和圈数芯片接收的信号传输给工控机进行分析处理，使下套管作业具备了判断上扣质量的功能，保证了管柱下套管作业的稳定性和安全性，使该传输系统能够适用于下套管作业的上扣扭矩数据的采集和处理。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构装配示意图；

图2为本实用新型的扭矩短节的结构示意图；

图3为本实用新型的扭矩短节的原理示意图；

图4为本实用新型的信号转换的电路原理示意图；

图5为本实用新型的信号传输的原理示意图。

其中：1、扭矩短节；2、无线接收器；3、工控机；4、保护壳；5、无线发射器；6、感应体；7、扭矩芯片；8、悬重芯片；9、圈数芯片；10、电池仓；11、凸块；12、外连接螺纹；13、管柱；14、内连接螺纹；15、动力驱动装置。

具体实施方式

以下实施例用来进一步说明本实用新型的内容，并不限制本实用新型的应用。

实施例1：

请参阅图1-图3，一种管式内置天线扭矩传输系统，包括扭矩短节1、无线接收器2和工控机3，工控机3与无线接收器2电连接，无线接收器2与扭矩短节1信号连接，扭矩短节1的中部套入固定设置有用于避免无线信号损坏的保护壳4，保护壳4的内部两侧各设置有一个用于发出无线信号的无线发射器5，保护壳4的内部中间位置设置有用于感应下套作业过程的感应体6，感应体6的周围信号连接有用于检测上扣扭矩的扭矩芯片7、用于检测实时悬重的悬重芯片8和用于检测转速的圈数芯片9，扭矩芯片7、悬重芯片8和圈数芯片9均与每个无线发射器5信号连接，每个无线发射器5均与无线接收器2信号连接。

请参阅图1-图2，感应体6设置为套筒式结构，套筒式感应体6贯穿保护壳4并延伸至保护壳4的下部，保护壳4的外前侧设置有用于提供电源的电池仓10，电池仓10的后侧通过凸块11与套筒式感应体6紧贴式电连接，电池仓10还与无线发射器5电连接；

套筒式感应体6的内壁与扭矩短节1的中下部套入式接触连接，扭矩短节1的下部通过外连接螺纹12螺纹连接有用于石油钻井的管柱13，管柱13通过外连接螺纹12与套筒式感应体6接触连接，扭矩短节1的上部通过内连接螺纹14螺纹连接有用于转动管柱13的动力驱动装置15（动力驱动装置15可设置为动力钳或套管钳，动力钳或套管钳等常规设备的功能和结构均为本领域所公知，连接设定也为公知常识，所以在此不多做说明）；

套筒式感应体6的外壁周围分别与扭矩芯片7、悬重芯片8和圈数芯片9紧贴式信号连接，扭矩芯片7、悬重芯片8和圈数芯片9均设置在保护壳4的内部；

扭矩芯片7设置为竖立式长方体结构，竖立式长方体扭矩芯片7的左侧紧贴设置在套筒式感应体6外壁右侧，竖立式长方体扭矩芯片7的右侧紧贴设置在保护壳4的内右侧壁；

悬重芯片8通过套筒式感应体6与扭矩芯片7的对称设置，悬重芯片8设置为竖立式长方体结构，竖立式长方体悬重芯片8的右侧紧贴设置在套筒式感应体6外壁左侧，竖立式长方体悬重芯片8的左侧紧贴设置在保护壳4的内左侧壁；

圈数芯片9设置为横向式长方体结构，横向式长方体结构圈数芯片9的前侧紧贴设置在套筒式感应体6外壁后侧，横向式长方体结构圈数芯片9的后侧紧贴设置在保护壳4的内后侧壁。

请参阅图3，图中stm32f103为微控制器，SPI为串行外设接口，nRF24L01P-R为无线收发芯片，RS485串口连接圈数芯9，两个TTL串口分别连接扭矩芯片7和悬重芯片8，由图3可知，电池仓10分成两路进行供电，供电一路通过降压电路给微控制器提供电源，微控制器通过扭矩芯片7、悬重芯片8、圈数芯片9分别读取上扣扭矩数据、实时悬重数据以及转速数据，并同时将上扣扭矩、实时悬重以及转速的数据信号通过串行外设接口上传至无线收发芯片，无线收发芯片的电源使通过稳压电路及降压电路由电池仓10提供，即为供电二路，数据信号再经由无线收发芯片传输给无线接收器2，无线接收器2再将数据信号传输给工控机3进行分析处理并记录。

根据上述原理扭矩芯片7和悬重芯片8均采用电阻应变原理，如图4所示为等臂全桥电路，在被测扭矩短节1上粘贴电阻应变片，工作过程中电阻应变片在转矩和悬重作用下产生应变，导致电阻应变片电阻值发生变化，电阻的变化通过电桥输出与转矩成线性关系的电压信号，测量得到转矩值和悬重值；图4中R1~R4为电阻应变片（BF350-3HA-A(11)），U为输入电压，△U为输出电压变化通过信号放大电路将电压信号放大后再通过数模转换成数字信号。

为了实现信号之间的传输，故扭矩芯片7、悬重芯片8、圈数芯片9以及无线收发芯片之间的信号传输如图5所示，其中MCU为微控制单元，RXD 为接收，TXD 为发送。

本实用新型的工作原理及使用过程：如图1-图5示意，当需要下套作业时，操作人员先将两个无线发射器5、扭矩芯片7、悬重芯片8和圈数芯片9分别安装至保护壳4内，再将套筒式感应体6贯穿至保护壳4中并延伸至保护壳4的外部，同时使保护壳4上的电池仓10为套筒式感应体6提供电源，再将贯穿于保护壳4的套筒式感应体6套装在扭矩短节1的中下部，而后在扭矩短节1的下部通过外连接螺纹12与管柱13螺纹连接，使管柱13能够在外连接螺纹12的支撑下与套筒式感应体6接触连接，再在扭矩短节1上部通过内连接螺纹14与动力驱动装置15（动力驱动装置15可设置为动力钳或套管钳，动力钳或套管钳等常规设备的功能和结构均为本领域所公知，连接设定也为公知常识，所以在此不多做说明）螺纹连接，使扭矩短节1设置在动力驱动装置15和管柱13之间，当启动动力驱动装置15时，此时扭矩短节1和管柱13跟随动力驱动装置15转动而转动，此时套筒式感应体6在管柱13的转动下受力产生微变形，与此同时也产生两个方向的电压变化，而后扭矩芯片7、悬重芯片8和圈数芯片9会分别感应到管柱13的上扣扭矩、实时悬重以及转动的转速变化，并将此变化的模拟电信号通过集成在各PCB板上的AD数模进行压频转换成数字信号，再将数字信号上传至无线发射器5上，而后经由无线发射器5将数字信号以固定排序的数据包发射至无线接收器2，无线接收器2将接收到的数据包传输给工控机3，工控机3通过软件对接收的数据包进行分析处理和显示，并记录保存，此软件同时可对采集的实际数据与用户设置的标准数据进行比对，判断上扣质量，保证了管柱13下套管作业的稳定性和安全性。

实施例2：

请参阅图1-图5，作为本实用新型的另一个目的，提供了一种管柱扭矩测量设备，在管柱扭矩测量设备中设有以上任一的管式内置天线扭矩传输系统，因此，管柱扭矩测量设备可以获得以上所描述的管式内置天线扭矩传输系统所具有的任一有益效果，在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种管式内置天线扭矩传输系统，包括扭矩短节、无线接收器和工控机，所述工控机与无线接收器电连接，所述无线接收器与扭矩短节信号连接，所述扭矩短节的中部套入固定设置有保护壳，其特征在于，所述保护壳的内部两侧各设置有一个无线发射器，所述保护壳的内部中间位置设置有感应体，所述感应体的周围信号连接有扭矩芯片、悬重芯片和圈数芯片，所述扭矩芯片、悬重芯片和圈数芯片均与每个无线发射器信号连接，每个所述无线发射器均与无线接收器信号连接。

2.根据权利要求1所述的一种管式内置天线扭矩传输系统，其特征在于，所述感应体设置为套筒式结构，套筒式所述感应体贯穿保护壳并延伸至保护壳的下部。

3.根据权利要求2所述的一种管式内置天线扭矩传输系统，其特征在于，套筒式所述感应体的内壁与扭矩短节的中下部套入式接触连接，套筒式所述感应体的外壁周围分别与扭矩芯片、悬重芯片和圈数芯片紧贴式信号连接，所述扭矩芯片、悬重芯片和圈数芯片均设置在保护壳的内部。

4.根据权利要求3所述的一种管式内置天线扭矩传输系统，其特征在于，所述扭矩芯片设置为竖立式长方体结构，竖立式长方体所述扭矩芯片的左侧紧贴设置在套筒式感应体外壁右侧，竖立式长方体所述扭矩芯片的右侧紧贴设置在保护壳的内右侧壁。

5.根据权利要求3所述的一种管式内置天线扭矩传输系统，其特征在于，所述悬重芯片设置为竖立式长方体结构，竖立式长方体所述悬重芯片的右侧紧贴设置在套筒式感应体外壁左侧，竖立式长方体所述悬重芯片的左侧紧贴设置在保护壳的内左侧壁。

6.根据权利要求5所述的一种管式内置天线扭矩传输系统，其特征在于，所述悬重芯片通过套筒式感应体与扭矩芯片的对称设置。

7.根据权利要求3所述的一种管式内置天线扭矩传输系统，其特征在于，所述圈数芯片设置为横向式长方体结构，横向式长方体结构所述圈数芯片的前侧紧贴设置在套筒式感应体外壁后侧，横向式长方体结构所述圈数芯片的后侧紧贴设置在保护壳的内后侧壁。

8.根据权利要求7所述的一种管式内置天线扭矩传输系统，其特征在于，所述保护壳的外前侧设置有电池仓，所述电池仓的后侧通过凸块与套筒式感应体紧贴式电连接。

9.根据权利要求1所述的一种管式内置天线扭矩传输系统，其特征在于，所述扭矩短节的上部通过内连接螺纹螺纹连接有动力驱动装置，所述扭矩短节的下部通过外连接螺纹螺纹连接有管柱，所述管柱通过外连接螺纹与套筒式感应体接触连接。

10.一种管柱扭矩测量设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的管式内置天线扭矩传输系统。

Images