CN106640052A - 嵌入式井下工况随钻测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种嵌入式井下工况随钻测量装置。包括钻铤、骨架、测量电路、传感器和通信接头，测量电路包括信号采集单元、MCU单元、通信总线、存储单元和电源管理单元；电源管理单元提供传感器和测量电路的工作电源；其中：钻铤外部开设有凹槽，骨架为平底弧形承压壳体，骨架与凹槽扣合并密封连接，传感器、测量电路和通信接头固定安装在骨架内侧与钻铤凹槽的空腔内，传感器感应面由通孔径向贯穿钻铤与外界连通。该装置采用一体化设计，平底弧形承压壳体骨架的内侧固定安装有传感器、测量电路和通信接头，其四周有密封圈，可以实时监测并记录压力、振动、冲击和温度等井下工况信息，结构小巧、功能独立，利用通信总线可以与其他仪器挂接。
Description
技术领域：
本发明涉及井下作业工具领域中的一种嵌入式井下工况随钻测量装置。
背景技术：
在石油钻探过程中，地面钻井技术人员需要实时了解井下压力、振动、冲击、温度等工况信息，以便于及时采取有效措施指导钻井作业顺利进行。目前采取的方法主要有两类：一类是地面间接获取，该方法的缺点是测量的数据不能真实的反应井下的实际工况，对环空压力、振动、冲击、温度等参数更是无法获取；另一类是利用井下工程参数短节，将传感器和测量电路安装在独立测量短节内，仪器长度随着测量参数的增加而增加，在与旋转导向等***配合使用时需占用额外的空间，不利于***的模块化集成，而且安装位置一般距离钻头较远，影响了测量的实时性，同时也提高了成本。因此，有必要将上述测量功能进行集成，形成一个功能独立的模块化的装置，既能提供所需参数的测量功能，又无需增加额外的空间。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题,提供一种结构简单、功能独立、性能可靠稳定的嵌入式井下工况随钻测量装置。它可以根据需要安装在井下仪器的任意位置，适用于任何随钻仪器,既可以作为独立的监测模块使用，也可以与随钻仪器挂接，实时上传测量数据。
发明内容如下：
嵌入式井下工况随钻测量装置，包括钻铤、骨架、测量电路、传感器和通信接头，测量电路包括信号采集单元、MCU单元、通信总线、存储单元和电源管理单元；电源管理单元提供传感器和测量电路的工作电源；其中：钻铤外部开设有凹槽，骨架为平底弧形承压壳体，骨架与凹槽扣合并密封连接，传感器、测量电路和通信接头固定安装在骨架内侧与钻铤凹槽的空腔内，传感器感应面由通孔径向贯穿钻铤与外界连通。
上述方案还包括：
所述传感器有振动传感器、冲击传感器、温度传感器和压力传感器；所述测量电路采用电源载波通讯方式或供电和通信分离的方式，适用接口形式为RS-232、485、CAN、单总线、SPI、I2C。
骨架的四周有密封圈，四边有螺丝孔，骨架通过螺栓固定于钻铤外侧面。
所述的传感器感应面与外界相连的通孔为与骨架外侧相通。
所述的传感器感应面与外界相连的通孔在骨架内侧，并在钻铤相应位置设置通孔，且底部密封圈放置在通孔内侧。
该发明有三种工作模式：自动监测、数据应答和两种方式复用，可以由上位机进行方式设定：自动监测模式是可以将实时测量数据直接存入存储器。该模式下不与外界通信并且可以将多个装置独立安装在不同位置进行分布监控；数据应答模式是根据通信线接收到的具体指令，并往通信总线发送测量指定的数据。无指令时处于待机状态。该工作模式下，装置作为一个独立的测量模块使用并且能耗最低；复用模式为连接器将实时测量数据存入存储器并根据接收到的具体指令往通信总线发送最新的指定数据。三种模式的存储时间间隔和安全阈值可以由上位机设定，安全阈值的响应具有最高优先级。
本发明的益处在于该发明采用一体化的集成设计，充分利用了钻铤空间，无需增加额外空间就可以在位置与井下仪器连接；同时，该装置的功能独立，可以作为井下的实时监测装置单独使用，分布安装在不同对仪器运行情况进行监测。另外，当仪器不需要监测工况信息时可以使用一块不带电路和传感器的空骨架安装在钻铤的开槽处密封。
附图说明：
图1是本发明第一种实施例的结构剖面图；
图2是本发明的安装结构外部示意图；
图3是本发明实施例中的电源载波通信原理示意图；
图4是本发明实施例中的测量电路原理示意图；
图5是本发明实施例中的程序流程图；
图6是本发明的另一种实施例的结构剖面图。
具体实施方式：
下面结合附图和本实施例对本发明进行详细描述
本发明装置一个实施例的结构剖面图如图1所示，主要由平底弧形承压壳体骨架2、测量电路5、传感器6和通信接头3组成，骨架2四边有螺孔9，通过螺栓固定在钻铤1外侧。其中，传感器6、测量电路5和通信接头3安装在骨架内侧，并由四周的密封圈4实现密封，本实施例的密封圈采用一道密封（也可以采用多道）。传感器包括：振动、冲击、温度和压力四种，图1中仅画出了压力传感器6，其中压力传感器前端的感应面由通孔8与外界相连，本实施例的通孔8在是骨架外侧进行环空压力测量。
图2是本发明的安装结构示意图，骨架2四边有螺孔9，通过螺栓固定在钻铤1外侧。
本实施例的通信接头3使用Micro-D接头，并采用电源载波的通讯方式，如图3所示
图4是图1所示实施例的测量电路原理示意图。四个传感器经过信号放大处理后进入4路同步A/D转换器，将采集的数据交给MCU单元处理；MCU单元负责将处理后的数据存入Flash中；同时，MCU单元还可以根据通信总线接收到的控制字进行通信和工作模式设定。该连接器的供电取自于贯通电源线，并由电源管理单元进行电流监测，当出现异常时进行关断操作以确保该装置的供电稳定可靠；另外，本实施例采用电源载波方式进行通信，通信总线从电源线上获取载波信号后，经过调制解调进入MCU单元图中未标出，工作原理如图3所示。
该装置的工作模式有三种：自动监测模式、数据应答模式和自动监测与数据应答复用模式。其中，自动监测模式可以作为井下工况的实时记录***，在取出仪器后由上位机读取井下各个状态信息以便于工程人员分析使用，也可以作为各自状态预警***，在超出仪器设定的阈值时发送预警指令，其中存储时间间隔和安全阈值可以是固定值也可以由上位机设定；数据应答模式为连接器根据接收到的具体指令后，往通信总线发送指定的数据，无指令时处于待机状态，该模式下***功耗最小；自动监测和数据应答复用模式兼具两种模式的优点，既可以实时测量内部全部传感器的数据并存入电路上的存储器中，也可以根据预先设定的安全阈值进行不同状态的响应，并根据接收到的具体指令往通信总线发送最新的指定数据，其中安全阈值为最高优先级。
图5是本发明在自动监测和数据应答复用模式下的程序流程图。***启动后，MCU单元首先进行各个模块的自检并将返回的状态信息实时存入Flash中，如果存在异常则将异常代码由通信总线发送给上位机。***初始化后进行传感器数据采集，并判断是否超出安全阈值，同时根据接收到的具体指令往通信总线发送最新的指定数据。
图6所示的是立管内压力测试的实施例。本实施例中，通孔8在骨架内侧，并在钻铤对应位置设置通孔，从而实现立柱压力测量，该模式应将底部的密封圈放置在通孔内侧，以确保泥浆不会进入骨架内腔。
上述实施例仅说明集中实施例，其中各部件的结构、连接方式等都是可以所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (5)
1.嵌入式井下工况随钻测量装置，包括钻铤、骨架、测量电路、传感器和通信接头，测量电路包括信号采集单元、MCU单元、通信总线、存储单元和电源管理单元；电源管理单元提供传感器和测量电路的工作电源；其特征在于：钻铤外部开设有凹槽，骨架为平底弧形承压壳体，骨架与凹槽扣合并密封连接，传感器、测量电路和通信接头固定安装在骨架内侧与钻铤凹槽的空腔内，传感器感应面由通孔径向贯穿钻铤与外界连通。
2.如权利1所述的嵌入式井下工况随钻测量装置，其特征在于：所述传感器有振动传感器、冲击传感器、温度传感器和压力传感器；所述测量电路采用电源载波通讯方式或供电和通信分离的方式，适用接口形式为RS-232、485、CAN、单总线、SPI、I2C。
3.如权利1或2所述的嵌入式井下工况随钻测量装置，其特征在于：骨架的四周有密封圈，四边有螺丝孔，骨架通过螺栓固定于钻铤外侧面。
4.如权利2所述的嵌入式井下工况随钻测量装置，其特征在于：所述的压力传感器感应面与外界相连的通孔为与骨架外侧相通。
5.如权利2所述的嵌入式井下工况随钻测量装置，其特征在于：所述的压力传感器感应面与外界相连的通孔在骨架内侧，并在钻铤相应位置设置通孔，且底部密封圈放置在通孔内侧。
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