CN204627582U - 存储式油管柱轴向拉力、扭矩记录仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于油、气井技术领域，涉及一种石油井下存储式油管柱轴向拉力、扭矩记录仪。该记录仪包括上接头、与上接头螺纹连接的下接头、电路***、应变片组、电路***外护筒以及应变片外护筒；通过使用该记录仪可同时测量并存储记录压裂及修井过程中油管柱轴向拉力、扭矩记录仪，同时记录了井下任意时刻及位置的温度压力变化，为压裂及修井施工工艺的制定提供可靠的经验数据。

Description

存储式油管柱轴向拉力、扭矩记录仪

技术领域

本实用新型属于油、气井技术领域，涉及一种井下管柱串张力扭矩记录仪器，特别是涉及一种石油井下存储式油管柱轴向拉力、扭矩记录仪。

背景技术

在压裂施工过程中，对管柱张力进行存储记录，分析管柱受力变化，为压裂施工设计提供参考。同时，在修井过程中，有时需要下钻头操作，比如说套管内侧钻、钻头机械除垢等，其中井底动力钻具又称井下马达，包括涡轮钻具、螺杆钻具和电动钻具等；钻柱在钻进、下钻、起钻等不同的工作状态下，钻柱受到轴向拉力或压力、扭矩等。

在压裂及修井作业过程中，施工管串的力学设计多来源于理论计算，由于井下作业管串复杂，井眼轨迹不一，现场由于管串力学性能不足，常发生井下事故。因此需要研发设计一种能够存储记录张力、扭矩的仪器，对管串力学性能进行存储记录，分析管柱受力变化，记录起下钻、压裂、钻磨、修井等作业的管串力学状态，为压裂等施工设计提供参考，将会极大地提高井下管串力学行为认识水平，提高工具设计水平，为分析管柱的脱断原因提供重要的实测依据。

实用新型内容

本实用新型提供了一种可用于同时测量并存储记录压裂及修井过程中油管柱轴向拉力、扭矩记录仪，同时记录了井下任意时刻及位置的温度压力变化，为压裂及修井施工工艺的制定提供可靠的经验数据。

本实用新型的技术解决方案是：

一种存储式油管柱轴向拉力、扭矩记录仪，其特征在于：包括上接头、与上接头螺纹连接的下接头、电路***、应变片组、电路***外护筒以及应变片外护筒；

电路***包括电路板以及与电路板连接的电池组件；上接头的外表面开设 有第一凹槽，电路板和电池组件均安装在第一凹槽内；电路***外护筒套装在上接头外部用于保护电路***；

下接头的外表面开设有第二凹槽，应变片组安装第二凹槽内；上接头的外壁上开设有电路通道；电路板通过电路通道与应变片连接，应变片外护筒套装子下接头的外部用于保护应变片组。

上述第一凹槽内还安装有分别与电路***连接的温度传感器以及压力传感器。

上述第一凹槽依次分为三个相互独立的空间，分别用于安装电池组件、温度传感器和压力传感器以及电路板。

上述应变片组为两组，一组应变片组测量张力，另一组应变片组测量扭矩；所述应变片组由四个应变片组成，四个应变片分90度，对称贴在下接头上。

上述应变片为铂式应变片。

上述上接头与下接头的连接部分安装有密封圈；所述电路***外护筒和应变片组外护筒材料为钛合金。

本实用新型的优点在于：

1、此仪器可与油管串直接挂接，可置于水平井段，也可置于垂直井段；不仅可用于地层压裂管柱串张力扭矩的测量，还可用于修井时管柱串张力扭矩的测量。

2、此仪器不仅可以同时测量张力扭矩两个参数，还可以测量井下任意时刻温度和压力的变化。

3、机械结构方面，结构新颖、简单，维护方便，外形美观、精致。各个部位设计有勾头扳手口位置，方便拆卸。

4、机械结构便于安全及维护，测量范围广、精度和分辨率高。

附图说明

图1是本实用新型机械结构图。

1-上接头、2-下接头、3-电路***、4-应变片组、5-电路***外护筒、6-应变片组外护筒、7-电路板、8-电池组件、9-第一凹槽、10-第二凹槽、11-电路通道、12-温度传感器、13-压力传感器。 

具体实施方式 

如图1所示，本实用新型提出一种存储式油管柱轴向拉力、扭矩记录仪；该记录仪包括上接头1、与上接头1螺纹连接的下接头2、电路***3、应变片组4、电路***外护筒5以及应变片外护筒6；

其中，电路***3包括电路板7以及与电路板7连接的电池组件8；上接头1的外表面开设有第一凹槽9，电路板7和电池组件8均安装在第一凹槽9内；电路***外护筒5套装在上接头1外部用于保护电路***3；下接头2的外表面开设有第二凹槽10，应变片组4安装第二凹槽10内；上接头1的外壁上开设有电路通道11；电路板7通过电路通道11与应变片组4连接，应变片外护筒6套装子下接头2的外部用于保护应变片组4。

具体的说，第一凹槽10内还安装有分别与电路***3连接的温度传感器12以及压力传感器13。

具体的说，第一凹槽10依次分为三个相互独立的空间，分别用于安装电池组件8、温度传感器12和压力传感器13以及电路板7。

具体的说，应变片组4为两组，一组应变片组测量张力，另一组应变片组测量扭矩；所述应变片组由四个应变片组成，四个应变片分90度对称贴在下接头上。

具体的说，所述应变片为铂式应变片。

具体的说，上接头1与下接头2的连接部分安装有密封圈14；电路***外护筒5和应变片组外护筒6材料为钛合金。

以下是对本申请记录仪以及其各个部件的具体说明：

本申请的记录仪外径114mm、内径60mm；工具整体耐压100MPa，耐温-40～150℃，自密封无渗漏；最大拉力测试峰值不低于80t，扭矩测试不小于5KN.M，测试误差<1％；能够测量存储张力、扭矩、温度、压力等参数；

存储式油管柱轴向拉力、扭矩记录仪的电路***由电路板和电池组件组成。电路板的主要部件为单片机，电池组件采用2节3.9V高温高能锂电池。仪器机械部分主要包括：下接头、上接头、应变片电路外护筒和传感器护筒等。下接头与上接头之间靠螺纹连接，并伴有双道密封圈进行密封；

另外，上接头采用偏心结构，上接头的壁厚不同，第一凹槽开设在上接头外比较厚的部位，并且加工凹槽时是以一定角度加工三个部分，依次安装电池组件、温度传感器及电路板和压力传感器；

上接头与电路***外护筒靠螺纹相连接，上端与下端分别设有两道密封圈；同时，电路***外护筒和应变片外护筒采用钛合金制造，防止拆卸护管更换电池时发生咬扣现象；

仪器利用下接头用来测量油管上下之间的张力扭矩，下接头上安装的应变片组为仪器的主要组成部分。应变片组由两组应变片组成，一组应变片测量张力，一组应变片测量扭矩，应变片对称贴在传感器载体上。每组应变片由四个应变片组成，四个应变片分90度对称贴在载体上，各组成一个惠斯通电桥，分别测试张力、扭矩。同时，仪器本身加温度补偿与零漂补偿，使得输出信号更稳定。且由于张力扭矩可能同时存在，消除了扭矩与张力之间的相互影响。应变片采用铂式应变片，载体材料是17-4PH，材料经过特殊处理，使传感器的位移变化随着张力、扭矩的变化而变化。

应变片组输出电压信号的变化，正比于应变片轴向或径向变形量，所以检测出传感器输出电压信号变化量，就可以得到张力扭矩传感器轴向张力或径向扭矩的大小和方向。应变片组的张力量程为-80～80t，精度为0.5％，扭矩量程为0～5KN.M，精度为0.5％，使用温度为-40℃～150℃，传感器安全过载范围120％FS，极限过载范围150％FS。传感器激励电压为5～12V，张力信号输出一个量程为-12～12mv的电压信号，扭矩信号输出一个量程为0～12mV的电压信号，总工作电流为6mA，通过AD进行采集，然后由单片机进行处理，并存储在flash里面，等测井完成后，通过直读仪与PC机通信，由上位机软件进行处理；

应变片组加工和贴片完成后，需要进行标检，标检需要有专业的标检平台，用高精度拉力机进行张力标检，用高精度压力机进行压力标检，高精度扭矩台进行扭矩标检，根据计算每100KN一个台阶进行标定张力、压力，标检后精度达到0.5％，每500N.M一个台阶进行标定扭矩，标检后精度达到0.5％。

仪器还加有温度传感器，以便对井下温度进行测试，并且对张力扭矩参数进行必要的补偿，温度传感器采用PT1000铂电阻测量环境温度，采用恒流源激 励温度传感器，信号输入电路板进行AD转换测量；

油管内部压力对张力、扭矩参数有一定程度的影响，通过加压力传感器的办法消除误差，同时可以监测油管内部压力。补偿后，压力测量范围0～100MPa，压力精度在0.1％以内，张力扭矩补偿精度在1％以内；

下接头外壁套有应变片组传感器护筒，应变片组传感器护筒与上接头靠螺纹连接，且上端与下端分别设有两道密封圈；

鉴于仪器是存储式仪器，仪器使用电池组件供电，电路设计时在满足参数测量性能的同时，需充分考虑到电路功耗和电池放电能力等问题。设计处理电路时采用低工作电压、低功耗芯片采集信号、控制电源输出等措施。为存储测井时的大量数据，需使用高密度大容量FLASH。整个电路板是由电源电路、信号测量电路、单片机电路等组成；

单片机在保证精确转换张力、扭矩、温度、压力的同时，大幅减少了外部电路元件的使用，达到了简化电路结构、减少功耗及增强仪器工作可靠性目的。另外仪器硬件采用电源监视器和“看门狗”技术，软件上采用多级安全保护措施，保证仪器的工作稳定性。

电池组件采用2节5号(AA型)高温锂电池供电，标称电压3.9V,工作温度-20℃～150℃，电量1.6Ah，额定放电电流20mA，最大连续放电电流150mA。两节电池串联，总电压为7.8V。采用TPS7233电源芯片为处理电路提供3.3V供电，此芯片为LDO线性压降芯片，静态工作电流为180uA，输入电压范围为4.3V～10V，输出电流最大为250mA。其中电池7.8V电压直接给运放与电压基准芯片供电，并受单片机控制，在非采集数据时间内处于关闭状态。单片机休眠电流为20uA，仪器休眠电流为0.2mA，仪器采样时工作电流为12mA。在最大采样频率为1秒的情况下，采样时间为0.5秒，连续工作7天需要耗电：0.2mA×24×7×0.5+12mA×7×24×0.5＝1.025Ah，仪器下井工作时间为7天。

信号采集主要由ADUC845BS62-3单片机完成，晶振为32.768KHz高温晶振，单片机由3.3V供电，工作电流为4.8mA，休眠电流为20uA。采用AT45DB642D存储器存储测量数据，存储容量为64Mbit，供电电压为2.7V～3.6V，静态工作电流为25uA。仪器可存放96万个采样数据及相应采样间隔，采样间隔取值最小为1秒。 仪器的耗电量按最小时间间隔1秒连续工作计算，一天耗电量为：24*(12+0.2)*0.5＝146.4mAh，则仪器可工作1600/146.4＝11天，采样时间间隔越长则仪器工作时间越长。

仪器设计安全可靠，防止脱断情况发生；机械结构新颖、简单、拆卸、维护方便；仪器内部进行模块化结构设计，提高可靠性，仪器具有防腐蚀功能(不含酸化)。

根据存储式油管柱轴向拉力、扭矩记录仪的设计需求，配套设计上位机PC机软件，上位机软件主要包括功能模块：

①串口设置：实现通讯检测的功能，仪器检查包括开始直读、下井参数设置等功能；

②采样间隔设置：采样间隔可以根据实际施工情况多组设置，最小采样间隔为1s；

③仪器检查：显示张力、扭矩、温度、压力数据及曲线，对仪器进行检查；

④数据处理：实现对张力、扭矩、温度、压力的标检功能，可以生成各个参数刻度数据，同时可打印检定报表；回放仪器数据时，分离张力、扭矩、温度、压力数据，依据各参数刻度进行计算，显示张力、扭矩、温度、压力曲线，保存数据文件，正确打印原始数据报表及原始曲线等；

⑤***退出。 

本实用新型是用来测量油管串张力扭矩的仪器。可应用于压裂，也可用于修井。通过上接头上端和张力扭矩传感器下端的加厚油管螺纹，可连接在油管串的任意位置，可置于水平井段，也可置于垂直井段，一个油管串可以连接多个仪器，来对整个管柱受力情况进行测量和分析，同时可取得仪器所处位置的井液压力和温度的变化数据，用于对类似压裂或修井工艺进行前期评估和工艺制定。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式仅限于此，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定 专利保护范围。

Claims (6)

1.一种存储式油管柱轴向拉力、扭矩记录仪，其特征在于：包括上接头、与上接头螺纹连接的下接头、电路***、应变片组、电路***外护筒以及应变片外护筒；

电路***包括电路板以及与电路板连接的电池组件；上接头的外表面开设有第一凹槽，电路板和电池组件均安装在第一凹槽内；电路***外护筒套装在上接头外部用于保护电路***；

下接头的外表面开设有第二凹槽，应变片组安装第二凹槽内；上接头的外壁上开设有电路通道；电路板通过电路通道与应变片连接，应变片外护筒套装子下接头的外部用于保护应变片组。

2.根据权利要求1所述的存储式油管柱轴向拉力、扭矩记录仪，其特征在于：所述第一凹槽内还安装有分别与电路***连接的温度传感器以及压力传感器。

3.根据权利要求2所述的存储式油管柱轴向拉力、扭矩记录仪，其特征在于：所述第一凹槽依次分为三个相互独立的空间，分别用于安装电池组件、温度传感器和压力传感器以及电路板。

4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的存储式油管柱轴向拉力、扭矩记录仪，其特征在于：所述应变片组为两组，一组应变片组测量张力，另一组应变片组测量扭矩；所述应变片组由四个应变片组成，四个应变片分90度，对称贴在下接头上。

5.根据权利要求4所述的存储式油管柱轴向拉力、扭矩记录仪，其特征在于：所述应变片为铂式应变片。

6.根据权利要求5所述的存储式油管柱轴向拉力、扭矩记录仪，其特征在于：所述上接头与下接头的连接部分安装有密封圈；所述电路***外护筒和应变片组外护筒材料为钛合金。