用于绞车的智能载荷销钉的制作方法

对相关专利申请的交叉引用

本专利申请要求享有针对martin等人的在2015年2月23日提交并且题为“intelligentloadpinfordraw-works”的美国临时专利申请号62/119,397的优先权的权益，其通过引用并入本文。

本公开涉及用于在石油和天然气井中的钻井操作的装备。更具体地，本公开涉及用于以智能方式测量绞车的吊钩上的载荷的方法。

背景技术：

测量和报告吊钩载荷的常规方法自1926年以来并未显著改变。该领域中的一项显著改变是从使用膜片型重量指示器迁移到与载荷承载销钉（pin）集成的应变单元（straincell）。已经存在随时间的一些增量式改进，但是自该时间以来没有显著改变。关于常规的应变测量的一个问题是在转换到工程单位之前应变测量的长通信路径。路径中的每一个组件创建针对噪声的新的源以及针对误差的新的可能入口点，直到数据以工程单位为止。图1是图示了根据现有技术的用于吊钩载荷信号从测量到控制系统的常规路径和处理步骤的框图。特别地，图1图示了两个处理路径140和150。路径140和150二者包括在销钉110、（一个或多个）井架机柜112和控制机柜114中不同地布置的类似装备（传感器122、转换器124、屏障（barrier）126、屏障128、转换器130、缩放器（scaler）132和控制器134）。装备中的每一个被布置成将所测量到的应变转换成最终的工程单位测量（诸如千磅）。

图1图示了针对从换能器导出的吊钩载荷测量的信号到hmi显示器的不同过程流。销钉中的应变仪输出被接受到本质安全的屏障中的毫伏信号。屏障然后将该毫伏信号转换成毫安信号，然后将信号从现场站（例如接线盒）驱动到控制机柜。在控制机柜内部，控制系统将接受电流信号，或者在一些情况下，向另一本质安全的屏障呈递该信号，所述另一本质安全的屏障将该信号转换成0至10伏信号，终止于控制系统i/o设备上的模拟输入中。该信号现在表示原始应变仪的最小和最大输出。向plc给出指令以放置“真实世界”值以测量通常以吨或千磅表示的载荷。plc中的模拟/数字（a/d）转换器基于公式而指派值以向用户呈现数据，所述公式采取已知的最小和最大值并且基于增量（delta）之间的差异而创建斜率。简而言之，基于施加到应变仪的力的量而向用户显示真实世界值。

常规的吊钩载荷测量当前从几个不同的方法导出，包括：安装在将顶部驱动（topdrive）连接到游动滑车（travellingblock）的销钉中的载荷单元（loadcell）、安装在天车（crownblock）上的销钉中的载荷单元、安装在死线中的载荷单元以及安装在钢丝绳（swr）上的应变测量传感器。前三种方法牵涉钻井承包商的资产，而第四种由第三方泥浆录井服务提供商安装。对第四种类型的安装的吸引力在于它不取决于任何基于钻探设备（rig）的仪表并且可以在没有使块停止服务的情况下容易地安装。缺点是它易受破坏、潮湿影响，并且其准确度是成问题的。

其中载荷测量来自死线的第三种方法已经是常规的方法，其包括直接连接到将转换成电气信号以供显示的机械仪（mechanicalgauge）或压力传感器的降压活塞和液压软管。该方法的长处包括简化性、易于接入并且故障检修是简单的。缺点是固有的潮湿、延迟和测量中的总体准确度关注，因为它位于非常远离测量点。wob和hl中的变化能够直接影响控制过程以及钻井过程。

第二种方法是通过将测量位置放置成与意图被测量的部分接近得多而对第三种的改进，并且通过使用应变仪传感器而去除液压电路和压力换能器的问题。一个或多个应变仪传感器位于将天车锁定到其位置中所必需的每一个载荷承载叉杆销钉中。一种常规的安装包括提供四个载荷测量的四个载荷销钉。为了海洋环境中的准确测量，所有四个传感器需要是操作的，由于跨四个销钉的载荷分布预计不均匀。

在制造过程期间，应变仪载荷单元暴露于液压机上的其意图载荷的完整范围。而且合并到该液压机中的是可追踪回到nist（美国国家标准技术研究所）的校准载荷单元。校准认证将伴随具有两个或更多（典型地，大约十个）校准值对的载荷单元。由于应变仪载荷单元不原生地输出ma（电流回路），因此专门化的信号调节器（例如kfd2-wac-vx1d）是必需的。应变测量通过跨惠斯通桥上的两个点供给激励电压并且然后测量另一侧上的所得电压来完成。在应变单元本地的信号与激励电压和测量区段的电阻变化成比例。作为结果的信号单位是mv/v。以该形式的信号不能直接由控制系统使用。所提到的信号调节器将mv/v测量转换成电流回路信号（4-20ma）。该所得信号可以由控制系统使用，然而为了使用该信号和工厂校准，应变仪单元和信号调节器必须总是连接并且与电路中的特定载荷单元配对。信号调节器具有“零”和“跨距（span）”调节（电位计或数字配置的），如果这些在现场调节或者使用不同的调节器，它使工厂校准无效。

在安装过程期间在工业中有时看到的缺陷在于，一旦载荷单元安装在现场，导出相同系数的另一努力完成但是具有粗略估计的载荷。为了完成该现场校准，现场工程师将请求钻井班向吊钩尽可能施加最大载荷。所施加的载荷是近似的（除非参考单元在板上可用），经常载荷单元的完整范围不能被离岸地完全认识到，除非它在操作期间。关于该方法的问题是：所使用的参考载荷将未被校准到nist或已知标准；所施加的载荷不通过整个范围；当更换载荷单元或屏障时，操作要求绞车的重新校准；并且测量易受现场误差影响。

对以上问题的显而易见的回答是使用原始校准。不清楚为何当前并不总是这样完成。可以推测的是，它曾一度被使用，但是如果所测量的和实际的载荷不匹配，现场中的最简单的解决方案将必须调节测量以与钻探设备板上测试载荷对准。这将然后要求完成现场“重新校准”。如以上提到的，还存在安装在死线处的载荷单元。这些载荷单元将不及它们更远离测量点那样准确。如果安装载荷销钉和死线载荷单元二者，为了确保测量可以确证彼此，需要计及系统中的摩擦损耗。在以下方程中示出我们典型地用于估计这些损耗中的一些的简单模型：

其中et-mech=滑车效率=1.015；nl=线的数目；fhl=观察到的吊钩载荷；ffs=快速线上的载荷，其中

以上计算仅解决滑车效率，将存在将需要计及的其它摩擦损耗。在2012年，吊钩载荷由u.mme利用ntnu定义为“作用于附连到吊钩的钻柱上的力的垂直分量之和”。这被预计是其它摩擦损耗，甚至针对环索销钉样式载荷单元安装。预计到它们相对小，但是应当量化那些损耗。控制系统中的吊钩载荷测量的重要性在于它在各种操作期间基于吊钩载荷的某些偏差而执行配置的响应。如果吊钩载荷值不可靠，这向用户提出挑战，因为系统可能没有以可预测的方式响应。

首先，重要的是认识到一些系统供应商已经将载荷测量的现场重新缩放称为校准，而不管它事实上不是校准。现场重新缩放不是足够的并且作为结果正在向载荷测量中引入不必要的误差。可以争辩的是该误差足够显著，使得它在过去贡献于针对多个安装的重新校准的必要性。在工厂测试期间，这些载荷单元经过一系列测试。使销钉经受其可用范围并且制造商生成将来自销钉的应变测量电路的电气信号映射到真实工作载荷的表格。该映射通过使用nist可追踪载荷单元以一定的准确度完成。

常规地，可以存在针对绞车载荷单元执行的两个或更多“校准”。第一校准发生在工厂处，其中载荷单元暴露于力的范围。这些力的测量利用永久地驻留在工厂处的nist（美国国家标准技术研究所）可追踪载荷单元来完成。对于特定销钉和电气信号，在工厂校准过程期间捕获这些力并且将其提供为具有载荷单元的凭证的表格。一旦载荷单元安装在船舰板上就发生的第二校准是使用现场过程的现场校准。总结该过程，其试图将载荷单元暴露为配合在具有所估计的载荷的绞车中，如与已知载荷（例如nist）相对的。另一缺陷是载荷单元不暴露于其整个范围，而是仅部分。由天车或游动滑车销钉经受的载荷将不是跨所有载荷单元而相同的。这是由于载荷分布而引起的来自机械耦合的绞缆车和不对称摩擦损耗。该不相等性可能具有关于原始设计的原因争论并且它被建立以提起现场校准。

技术实现要素：

测量游动滑车处的载荷可以产生准确的结果。从由传感器产生的毫伏（mv）信号到用于处理的工程单位的转换的方式直接影响该准确度。系统可以被适配用于与载荷销钉一起使用，所述载荷销钉包括常规的载荷销钉，其提供改进的转换过程和增加的准确度。这样的系统可以包括“智能载荷销钉”。

智能载荷销钉可以包括一个或多个特征，包括：智能自诊断，使得控制软件能够检测故障；具有对其操作而必需的更少外部组件；不要求恒定的重新校准，诸如通过在受控条件下执行到已知标准的工厂校准；最小化磁滞凹度误差，这改进吊钩载荷中满量程的至少1%准确度而不引入过量的复杂度；包括集成在销钉中的附加传感器，诸如加速度计和速率陀螺仪以提供关于销钉和顶部驱动自身的更多运动数据；向超过箔式应变仪设计的测量应用温度补偿；通过现场总线协议传送该信息以促进在应用所有补偿的情况下以工程单位报告载荷；在现场总线协议中通过误差校验改进数据的完整性；移除当更换载荷销钉时更新控制系统代码的要求；利用与当前就位的相同的布线（服务回路）；提供可以取代于或附加于也来自载荷单元的鲁棒的无线通信技术而使用的现场总线通信；和/或通过允许将附加的电子器件配合在载荷单元的现有腔体中或者安装在紧靠载荷单元外部并且邻近于载荷单元，使用与在当今使用中的相同的载荷销钉外壳设计。

根据一个实施例，一种用于控制绞车系统的方法可以包括，利用载荷销钉，测量绞车系统的吊钩上的载荷；利用载荷销钉，将所测量的载荷转换成代表所测量的载荷的数字值，其中数字值表示以工程单位的所测量的载荷的值；从载荷销钉向位于井架处的控制系统传递代表所测量的载荷的数字值；和/或利用控制系统，至少部分地基于代表所测量的载荷的所接收的数字值而调节绞车系统的操作。

前文已经相当宽泛地概述了本发明的实施例的某些特征和技术优点，以便可以更好地理解随后的详细描述。以下将描述形成本发明的权利要求的主题的附加特征和优点。本领域普通技术人员应当领会到，所公开的概念和具体实施例可以被容易地用作用于修改或设计用于实施相同或类似目的的其它结构的基础。本领域普通技术人员还应当认识到，这样的等同构造不脱离如在随附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。当结合随附各图考虑时，将从以下描述更好地理解附加的特征。然而，要明确理解的是，每一个图仅出于说明和描述的目的而提供并且不意图限制本发明。

附图说明

为了所公开的系统和方法的更加完整的理解，现在参照结合随附各图理解的以下描述。

图1是图示了根据现有技术的用于从测量到控制系统的吊钩载荷信号的常规路径和处理步骤的框图。

图2是图示了根据本公开的一个实施例的用于从智能载荷销钉传输从测量到控制系统的吊钩载荷信号的处理路径和步骤的框图。

图3a和3b是根据本公开的一个实施例的利用智能仪表的环锁销钉载荷单元的三维渲染，其包括表示示出近似但非限制性位置的应变传感器的方形。

图4是图示了根据本公开的一个实施例的用于牵涉来自载荷销钉的测量的信号处理的电气布局的电路图。

图5是图示了根据本公开的一个实施例的用于使处理器与应变测量设备对接的主要接口的框图。

图6是图示了根据本公开的一个实施例的利用来自智能载荷销钉的输入控制钻井工作（drill-works）系统的方法的流程图。

具体实施方式

智能销钉通过经由数字数据（诸如通过现场总线）发送经预缩放、预校准的载荷信号来使控制系统免除解释吊钩载荷。该信号现在变成“直通”值，并且可以使用标准转换方法来显示吊钩载荷。除了应变测量之外，附加的仪表被安装在载荷销钉中并且在通信协议上与应变测量复用。一个示例是惯性测量单元（imu）的包括。存在块运动的空间测量中的imu的许多应用，但是从应变感测的角度来看，这将进一步帮助对跨载荷销钉对的不对称载荷进行识别和建模。如果所报告的销钉载荷不是合理等同的，这可以归因于销钉上的装备的不对称载荷。这方面的原因之一可以是作为滑动（travelling）装备的误对准的结果。

图2图示了用于钻井应用的内部仪表化的载荷销钉的示例。图2是图示了根据本公开的一个实施例的用于从智能载荷销钉传输从测量到控制系统的吊钩载荷信号的处理路径和步骤的框图。载荷销钉210可以包括应变传感器212、运算放大器214、模拟到数字转换器（adc）216以及缩放和偏移转换块218。在图3a和3b中更加详细地示出载荷销钉210。图3a和3b是根据本公开的一个实施例的具有智能仪表的环索销钉载荷单元的三维渲染，其包括表示示出近似但非限制性的位置的应变传感器的方形。参照回图2，应变可以由传感器212转换成毫伏信号并且在载荷销钉210中处理成对应于工程单位（诸如千磅）的信号。该工程单位信号可以在（一个或多个）井架机柜220的屏障222和控制机柜230的屏障232和控制器234中处理。在其它实施例中，放大器214、adc216以及缩放和偏移转换块218可以实现在用于执行代码的处理器中，所述代码被配置成执行完成与运算放大器214、模拟到数字转换器（adc）216以及缩放和偏移转换块218类似的任务的步骤。

在图4中图示了用于诸如图2的销钉210之类的智能销钉的一个电路设计。电压调节器404可以用于为用于智能销钉板上的集成电路（ic）的源功率提供稳定电压。运放408a-d（仪表运算放大器）可以应用于mv/v信号以用于从惠斯通桥406a-d接收的信号的放大，并且也可以测量参考电压。热耦414可以监视智能载荷销钉的温度并且为处理器（诸如控制器）412提供补偿这些热变化的能力。惯性运动单元（imu）416可以为姿势测量提供多个自由度。现场总线通信接口418可以由处理器412用于向控制系统或直接向仪表设备/网络传递数据。

用于智能载荷销钉的一个位置在具有对我们的信号的最少影响的服务回路内的线缆上。另外，载荷销钉可以基于环境而包括各种屏蔽和绝缘。此外，各种波特率可以使用在传输数据分组中以找到足够的准确度。另外，可以向数据应用前向误差校正或信道编码以控制数据传输中的误差。

在一个实施例中，处理器412可以是mcu。提供给mcu412的许多关键测量可以穿过专用adc，尽管可替换地可以包括用于辅助测量的集成adc。在一个实施例中，用于mcu的板的尺寸可以为近似19mm那样较小并且可以能够操作在-40c→100c的温度范围中。另外，到mcu412的通信可以使用i2c和/或spi协议，并且可以包括诸如jtag之类的调试端口。

图5是图示了根据本公开的一个实施例的用于使处理器与应变测量设备对接的接口的框图。处理器502可以从可以集成在智能载荷销钉中的一个或多个应变仪电路接收数据。处理器502还可以通过i2c接口从imu或其它组件接收数据，包括诸如vx、vy、vz、wx、wy和wz向量值之类的数据。处理器502可以计算值以输出到uart电平漂移的输出串行数据以用于测试或利用另一处理器或控制器的进一步处理并且以输出用于与profichip集成的spi输出。另外，处理器502可以包括用于传输调试信息和接收新的闪存编程的接口，诸如通过usb总线。

图6是图示了根据本公开的一个实施例的利用来自智能载荷销钉的输入控制钻井工作系统的方法的流程图。方法600在块602处开始，其中利用载荷销钉测量绞车系统的吊钩上的载荷。然后，在块604处，方法600继续利用载荷销钉将所测量的载荷转换成代表所测量的载荷的数字值，其中数字值表示以工程单位的所测量的载荷的值。接着，在块606处，方法600继续从载荷销钉向位于井架处的控制系统传递代表所测量的载荷的数字值。然后，在块608处，方法600还可以包括至少部分地基于代表所测量的载荷的所接收的数字值而利用控制系统调节绞车系统的操作。

一般地将图2和图6的示意性流程图图示阐述为逻辑流程图图示。照此，所描绘的次序和所标记的步骤指示所公开的方法的各方面。可以设想到在功能、逻辑或效果方面与所图示的方法的一个或多个步骤或其部分等同的其它步骤和方法。此外，提供所采用的格式和符号来解释方法的逻辑步骤并且将其理解成不限制方法的范围。尽管可以在流程图图示中采用各种箭头类型和线类型，但是它们被理解成不限制对应方法的范围。实际上，一些箭头或其它连接物可以用于仅指示方法的逻辑流。例如，箭头可以指示所描绘的方法的所枚举的步骤之间的未指定的持续时间的等待或监视时段。此外，特定方法以其发生的次序可以或可以不严格地遵循所示出的对应步骤的次序。

如果以固件和/或软件实现，以上描述的功能可以存储为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码。示例包括编码有数据结构的非暂时性计算机可读介质和编码有计算机程序的计算机可读介质。计算机可读介质包括物理计算机存储介质。存储介质可以是可以由计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限制，这样的计算机可读介质可以包括随机存取存储器（ram）、只读存储器（rom）、电可擦除可编程只读存储器（eeprom）、压缩盘只读存储器（cd-rom）或其它光盘存储设备、磁盘存储设备或其它磁性存储设备，或者可以用于以指令或数据结构的形式存储期望的程序代码并且可以由计算机访问的任何其它介质。磁盘和光盘包括压缩盘（cd）、激光盘、光盘、数字多功能盘（dvd）、软盘和蓝光盘。一般地，磁盘磁性地复制数据，并且光盘光学地复制数据。以上的组合也应当包括在计算机可读介质的范围内。

除了存储在计算机可读介质上之外，指令和/或数据可以被提供为包括在通信装置中的传输介质上的信号。例如，通信装置可以包括具有指示指令和数据的信号的收发器。指令和数据被配置成使得一个或多个处理器实现在权利要求中概述的功能。

尽管已经详细描述了本公开和某些代表性优点，但是应当理解的是，可以在不脱离如由随附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下在本文中做出各种改变、置换和更改。而且，本申请的范围不意图限于在说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、部件、方法和步骤的特定实施例。如本领域普通技术人员将容易从本公开领会到的，可以利用目前存在的或稍后开发的与本文所描述的对应实施例执行大体相同的功能或实现大体相同的结果的过程、机器、制造、物质组成、部件、方法或步骤。相应地，随附权利要求意图在其范围内包括这样的过程、机器、制造、物质组成、部件、方法或步骤。