专利名称：一种油井套管钳扭矩监测自动控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及油田钻井机械监测设备，特别涉及油井套管钳扭矩监测自动控制系统。
背景技术：
在钻井作业过程中下套管作业是一个非常重要的环节，它的作业质量好坏直接影响套管螺纹连接质量、采油产量及油井寿命等。目前，国内使用的套管比较混杂且因密封方式、密封脂、管径规格、钢级型号、臂厚不同，控制旋合扭矩值也不同，旋合扭矩值过大会涨裂丝扣、或产生过大应力；过小会造成螺纹连接强度不够，导致密封不良等。现有的油井套管钳扭矩仪的结构通常为1.指针式扭力表显示依靠人工监测、记录旋合扭矩值的误差大，由人工准确控制旋合扭矩，操作人员必须要有一定的经验和熟练过程才能胜任。2.单片机数显结构只显示和记录扭力值和上扣圈数，由人工控制旋合扭矩，操作人员必须要有一定的经验和熟练过程才能胜任，自动化程度底。3.上下位机构成多路电源供电结构复杂体积大，扭力圈数曲线对应关系不直观、故障率高。因此，提高监测、记录和控制下井套管螺纹旋合扭矩程的自动化水平是一项需要迫切解决的问题。而目前国内尚未有一种能达到实时监控、实时显示对应双曲线及微机管理为一体的油井套管钳扭矩监测自动控制系统出现，也未见文献有此方面技术文章的报道。
发明内容
本发明的目的就是为克服现有技术的不足，针对监测、记录、控制下井套管螺纹旋合扭矩这一项需要迫切解决的问题，提供一种油井套管钳扭矩监测自动控制系统的设计方案，使油井套管钳扭矩监测自动控制系统集现场数据采集显示、数据处理、数据管理、下套管作业管理于一身，使下套管作业过程成为专业化管理系统，使之规范化、标准化。本发明是通过这样的技术方案实现的一种油井套管钳扭矩监测自动控制系统， 包括油井套管钳扭矩仪主机、传感器和结构件，其特征在于，所述油井套管钳扭矩仪主机由工控机和从机构成，工控机作为上位机，通过RS232通信接口或RS232/485转换电路接口与作为下位机的从机通信连接；
从机电路模块由C8051单片机分别连接A/D转换电路、光电耦合电路和继电器构成；通过A/D转换电路的输入端连接压力变送器，通过光电耦合电路连接光电编码器，通过继电器连接和控制泄流阀；
在油井套管钳的液压油缸的扭力表接口上安装三通，三通的另外两个接口分别连接压力变送器和扭力表；
光电编码器安装在油井套管钳上，光电编码器中心轴通过软轴与油井套管钳的预留测试用的传动齿轮轴的中心孔连接；
由压力变送器采集液压油缸压力，以4-20mA电流信号传送给A/D转换电路，4-20mA电流信号经A/D转换为数字信号并传送给C8051单片机，经单片机程序换算为扭力值；上位工控机软件预先对扭力进行设定；当从机检测到的扭力值达到上位机设定值时， 上位机则发出指令，单片机根据指令控制继电器动作，进而控制泄流阀工作；
由光电编码器采集油井套管钳的传动齿轮轴转数，光电编码器输出脉冲信号经光电耦合电路整形为连续方波信号传输给C8051单片机，C8051单片机记录套管上扣圈数，此时扭力和圈数由上位机实时显示相关曲线。本发明的有益效果PC机与仪器一体化电源，携带方便，操作灵活；现场数据实时采集和显示、数据处理、报表打印于一体、自动存储上扣参数；在同一坐标上同时显示扭力、 圈数的时间变化曲线，使施工工况更加直观；使旋合扭矩值恰到好处；根据输入工作参数自动显示井型，提示套管下深位置；设计有手动、自动切换装置提高系统可靠性并适应工人操作习惯；使用一体化箱式车为平台解决现场安装拆卸烦琐搬运不便等问题；系统选用了较高的硬件配置，确保了系统检测控制功能的实现，并为将来功能的拓展预留了空间。
图1、油井套管钳扭矩测试系统结构框图； 图2、油井套管钳扭矩仪电路结构图3、程序流程图； 图4、光电编码器连接装置结构图。
具体实施例方式为了更清楚的理解本发明，结合附图和实施例详细描述本发明
如图1-图4所示，油井套管钳扭矩仪主机由工控机和从机构成，工控机作为上位机，通过RS232通信接口(或RS232/485转换电路接口)与作为下位机的从机通信连接；
从机电路模块由C8051单片机分别连接A/D转换电路、光电耦合电路和继电器构成；通过A/D转换电路的输入端连接压力变送器，通过光电耦合电路连接光电编码器3，通过继电器连接和控制溢流阀；
在油井套管钳的液压油缸的扭力表接口上安装三通，三通的另外两个接口分别连接压力变送器和扭力表；压力变送器用于测量油井套管钳液压油缸的压力，并将压力转变成电信号，进而换算成紧扣扭矩值；
光电编码器3安装在光电编码器连接装置上，光电编码器连接装置安装在油井套管钳上，光电编码器连接装置由支架1、软轴2、和护罩4构成，光电编码器3中心轴一侧有安装盘，安装盘与支架1上端连接，支架1下端固定在油井套管钳的钳体1上，油井套管钳的钳体5上预留Φ30的孔，在孔的下方为传动齿轮轴6，软轴2的上、下两端带有备帽(M8螺母);将带备帽(M8螺母)的软轴2与穿传动齿轮轴6的中心孔连接并用备帽拧紧；软轴2的上端与光电编码器3中心轴连接，并用备帽(螺母)背紧；
光电编码器3中心轴通过软轴2与油井套管钳的传动齿轮轴6的中心孔连接；用于测量油井套管钳的紧扣圈数。由压力变送器采集液压油缸压力，并将压力转变成电信号，以4_20mA电流信号传送给A/D转换电路，4-20mA电流信号经A/D转换为数字信号并传送给C8051单片机，经 C8051单片机程序换算为扭力值；上位工控机软件预先对扭力进行设定；当从机检测到的扭力值达到上位机设定值时， 上位机则发出指令，C8051单片机根据指令控制继电器动作，进而控制泄流阀工作；
由光电编码器3采集油井套管钳的传动齿轮轴6转数，光电编码器3输出脉冲信号经光电耦合电路整形为连续方波信号传输给单片机，单片机记录套管上扣圈数，此时扭力和圈数由上位机实时显示相关曲线。电磁溢流阀的作用仪器在自动控制状态，当紧扣扭矩达到设定值后，自动卸荷， 油井套管钳停止转。连接盒用于连接光电编码器3、内置压力变送器，在手动状态下按按钮后开始记录、存储紧扣相关数据。压力变送器安装例如TQ35套管上，卸下钳上压力表的表座与液压胶管线连接的过渡接头，更换为三通接头。三通接头的左端与油井套管钳钳上压力表的表座连接，右端与液压胶管线连接，上端与压力变送器连接。电磁溢流阀安装将随机配备的电磁溢流阀代替泵站上的手动溢流阀即可。泵站溢流阀的位置在泵站电路的出口处。
油井套管钳扭矩仪集现场数据采集显示、数据处理、数据管理、下套管作业管理于一身，使下套管作业过程成为专业化管理系统，使之规范化、标准化。其主要特点如下
(1)、本系统由上、下位机构成并实现集成化。O)、本系统集现场数据实时采集和显示、数据处理、报表打印、综合评价于一体， 使下套管作业系统化、规范化，为评价下套管作业质量提供了可靠的依据。(3)、实时显示套管旋合扭矩、旋合圈数，动态显示套管旋合扭矩值随圈数变化的曲线、及套管旋合扭矩随时间变化曲线。、测量数据可长期保存，并可由打印机打印成报表及图形输出。(5)、自动控制。为了达到非常精确的最终扭矩值，系统采用压力滞后和旋合扭矩来计算精确的瞬时扭矩，用以打开溢流阀，使最终达到的扭矩非常接近所设定控制扭矩值。(6)、操作简便。在自控状态下，系统不需要任何外界条件即可完成全部采集工作； 在非自控情况下，下套管作业过程中整套系统只需油井套管钳操作者提供一个结束信号即可。(7)、本套系统目前适用于中文Win XP操作系统，并提供中英文介面，公英制转换功能，可用于对外服务。技术参数
(1)、测量范围及允许误差
扭矩0 35kN. m 误差彡洲(测量范围可选定)； 圈数0 99.99误差彡0. 1圈；
O)、使用条件
环境温度相对湿度电源
10 +70 ；
(85% ；
单相交流220V 50Hz ； 彡 100r/min
钳头转速电源允许波动范围185 MOV 49 51Hz; (3)、适用范围
适用于TQ-35、TQ-20、TQ-16、艾克尔13-3/8、威德福W16-25型套管钳。油井套管钳扭矩仪操作步骤包括
1、在断电的情况下用信号电缆线分别连接上位机、连接线盒、光电编码器3、电磁溢流阀等。注意信号线要架空走线，调整信号线长度，既不要过松也不要过紧，避免在作业过程中拉断信号电缆。2、检测压力、扭矩、圈数三值，方法为首先开机，选定项目，然后在程序中启动标定窗口 ；将手压泵与扭矩表注油口相连接，将油注入扭矩表的管路，使扭矩值上升在2 kNm以上，稳定一个值，再检查圈数值转动油井套管钳，观察圈数值是否在变化，如果标定窗口中的圈数值在变化，说明工作正常；否则应检查光电编码器3、传动轴、锁紧螺母是否良好，电缆及插头有无短路处，如有短路和断路，检查出部位，直到把故障处理好。以上三个数值检测完闭后，可以正常工作，参照软件说明中的内容，进行参数设置。根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。
权利要求
1. 一种油井套管钳扭矩监测自动控制系统，包括油井套管钳扭矩仪主机、传感器和结构件，其特征在于，所述油井套管钳扭矩仪主机由工控机和从机构成，工控机作为上位机， 通过RS232通信接口或RS232/485转换电路接口与作为下位机的从机通信连接；从机电路模块由C8051单片机分别连接A/D转换电路、光电耦合电路和继电器构成；通过A/D转换电路的输入端连接压力变送器，通过光电耦合电路连接光电编码器，通过继电器连接和控制泄流阀；在油井套管钳的液压油缸的扭力表接口上安装三通，三通的另外两个接口分别连接压力变送器和扭力表；光电编码器安装在油井套管钳上，光电编码器中心轴通过软轴与油井套管钳的预留测试用的传动齿轮轴的中心孔连接；由压力变送器采集液压油缸压力， 以4-20mA电流信号传送给A/D转换电路，4-20mA电流信号经A/D转换为数字信号并传送给 C8051单片机，经单片机程序换算为扭力值；上位工控机软件预先对扭力进行设定；当从机检测到的扭力值达到上位机设定值时，上位机则发出指令，单片机根据指令控制继电器动作，进而控制泄流阀工作；由光电编码器采集油井套管钳的传动齿轮轴转数，光电编码器输出脉冲信号经光电耦合电路整形为连续方波信号传输给C8051单片机，C8051单片机记录套管上扣圈数，此时扭力和圈数由上位机实时显示相关曲线。
全文摘要
本发明涉及一种油井套管钳扭矩监测自动控制系统，包括油井套管钳扭矩仪主机、传感器和结构件，所述油井套管钳扭矩仪主机由工控机和从机构成，工控机作为上位机与作为下位机的从机通信连接；现场数据实时采集和显示、数据处理、报表打印于一体、自动存储上扣参数；在同一坐标上同时显示扭力、圈数的时间变化曲线，使施工工况更加直观；使旋合扭矩值恰到好处；根据输入工作参数自动显示井型，提示套管下深位置；设计有手动、自动切换装置提高系统可靠性并适应工人操作习惯；使用一体化箱式车为平台解决现场安装拆卸烦琐搬运不便等问题；系统选用了较高的硬件配置，确保了系统检测控制功能的实现，并为将来功能的拓展预留了空间，携带方便，操作灵活。
文档编号E21B19/16GK102305038SQ20111026573
公开日2012年1月4日 申请日期2011年9月8日 优先权日2011年9月8日
发明者刘德全, 曹杰, 杨建 申请人:天津弗兰克科贸有限公司