专利名称：一种石油套管磨损自动监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于石油钻井现场的石油套管磨损状况监测装置，具体 地说涉及一种通过收集和分析循环钻井液中的磁性磨屑来达到监测井下技术 套管磨损状况的一种石油套管磨损自动监测系统。
背景技术：
目前，国内外在钻井工程中用于套管磨损监测的主要方法有两种 一种 是基于测井仪器的事后套管检测方法，优点是可提供准确的套管磨损部位和 磨损烈度信息，缺点是不能够在钻进时实时监测，检测时需占用钻井工时， 因此分析成本较高。另一种是基于钻井液出口磨屑分析的实时检测方法，通 过在井上钻井液出口处收集井下套管磨屑，跟踪分析从钻井液中分离出的金 属磨屑的数量、大小和形态特征，能够及时确定井下套管及相关元件的磨损 程度和主要磨损机理，预测套管磨损的异常变化，可在不停钻情况下对套管 磨损进行动态跟踪、易操作、成本低。目前国外开发出用于钻井液缓冲罐的 磨屑收集器和在钻井液缓冲罐中使用的磨屑磁性收集器，利用永磁铁高效收 集钻井液中的磨屑，但在操作时需要手动将仪器放入缓冲罐中，收集结束后 需手动提出仪器，手动分离磁性磨屑，清理完毕后才能将仪器再放入钻井液 中进行收集。因为这些收集装置有一定重量，加上缓冲罐位置较高，罐口面 积狭小，没有专用的人行上下通道，操作极其不便，易招致设备损坏和人身 意外伤害。
名称为一种用于钻井液缓冲罐的磨屑收集装置的欧洲专利，该装置采用 了永磁场开关技术，当带有磁环组的内芯旋紧在不锈钢外壳上时，同极对置 的磁环相互挤压，环组磁场外放，在外壳上形成强磁场，装置处于磨屑收集 状态；当内芯旋开时，磁环排开，环组磁场内敛，在外壳上形成的磁场大幅
4度减弱，吸附在外壳上的磨屑可脱落，以便于清理收集。
另外，Weatherford公司开发出适合在钻井液缓冲罐中使用的磨屑磁性收 集器，这种磁性收集器可沉在钻井液缓冲罐中利用永磁铁高效收集钻井液中 的磨屑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石油套管磨损自动监测系统，它是一种简单 易用的套管磨损实时监测设备，在该领域首次实现无人工干预条件下的持续 监测，实现自动收集循环钻井液中的套管磨屑，自动分离磨屑，自动称量磨 屑重量，远距传输测量数据和分析处理数据等功能，从而为钻井现场实时的 套管磨损监测工作提供易用而有效的技术手段。
本发明的技术方案是石油套管自动监测仪系统包括自动收集称重器、 控制模块、通讯模块和计算处理模块组成，由收集称重器得到的磨屑重量数
据通过有线传输到近程端的显示仪表里，经过滤波、放大、A/D转换等过程，
在仪表上直接显示称重数据，另外，称重数据的数字信号还经过变送模块的 处理，传送到无线通讯发送器上，在远程端的控制房内通过无线接收装置接
收测试信号，并通过RS232接口输送给计算机。
所述的自动收集称重器包括螺纹拉杆、螺杆减速机、磁性收集栅、滑动
刮削器、磨屑收集槽、防爆电机、支架、安装槽架、称重传感器、压力杆，
该器件总体结构由上、下两层平台构成，上部平台上安装动力驱动部件防爆
电机和螺杆减速机，磁性收集栅依靠铰支座安装在安装槽架的支架上，磁性
收集栅的下部铰接磨屑收集槽，磨屑收集槽一侧与的压力杆连接，支架与安
装槽架固定连接，称重传感器一端固定在磁性收集栅上。
磨屑收集槽的尾部固定连接有压力杆。
磨屑收集槽和压力杆通过柱销铰链式安装在磁性收集栅的下端。
磁性收集栅由多根磁棒并排安装组成，每根磁棒由不锈钢外筒和内部的 圆形永磁块组组成，永磁块采用异极对置的方式紧密排列，在不锈钢外筒外 围形成磁场。所述控制模块由PLC,固态继电器(SSR)，启停按扭和行程开关组成，
按下启动按扭后，PLC直流继电器启动，导通电机正向旋转，带动监测仪器就
位。仪器到达预定位置时行程开关输出信号，PLC通过继电器控制电停止，同
时启动PLC内部的定时器，经过约定时间后PLC输出信号通过固态继电器控
制电机反转，仪器开始复位，仪器运行到复位位置时，另一个行程开关启动，
输出信号给PLC， PLC输出信号通过固态继电器控制电机停转。
所述通讯模块包括一无线发射模快和一无线接收模块组成。 本发明的特点和优点是本仪器一方面可以实现自动收集钻井液中套管
磨屑，自动称重收集磨屑重量，无线传输称重数据以及分析处理收集数据等
功能，从而为套管磨损监测提供定量指标。另一方面，本仪器收集的磨屑包
含大量的磨损信息，配合使用磨屑分析技术进行深入分析，能够及时确定井
下套管及相关元件的磨损程度和主要磨损机理，及时预知套管磨损的异常变
化，以便及时采取措施，达到有效控制套管磨损的目的。总之，利用自动控
制技术开发的本监测仪器为钻井现场的套管磨损研究提供了有效易行的手
段，大大提升了钻井现场磨屑收集仪器的自动化水平，为套管磨损监测以及
防磨技术现场应用研究提供了关键技术支撑，必将大大推动套管磨损监测技
术的研究进程。
图1为本发明套管磨损自动监测仪系统总体构成图； 图2为本发明石油钻井套管磨损自动监测收集称重装置结构图； 图3为本发明的石油钻井套管磨损自动监测系统控制图；
具体实施例方式
下面配合附图及具体实施例对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明。
如附图1所示， 一套完整的套管自动监测仪系统主要由控制模块、自动 收集称重器11、通讯模块和计算处理模块等四部分组成。其中自动收集称重器ll是全套系统的核心，它被安装在钻井循环系统的钻井液缓冲罐上，在控 制模块的控制下完成从钻井循环的钻井液中提取磁性磨屑、称重磨屑重量的 功能，并将称重的数据传送到近端的显示仪表和通讯模块上。经过数据转换 的数据，通过无线通讯装置传输到远程机房内的计算机上。本系统核心的自动收集称重器11的结构如图2所示，核心部件是由三个磁棒组成的磁性收集栅3，直线排列的磁棒之间有过流间隙让钻井液流过，每 根磁棒内部安装高能永磁体，在磁棒外围形成强磁场，在磁棒的两端进行了 无磁设计以方便刮削磁性磨屑到两端时能依靠重力自由落下。磁性收集栅3 依靠铰支座安装在安装槽架8的支架7上，能在滑动刮削器4的推动下绕铰 支座旋转。在磁性收集栅3的支架上还安装有磨屑收集槽5，它可以绕着自己 的铰支座旋转，磨屑收集槽5的尾部固定连接有伸长的压力杆10，当磁性收 集栅3处于水平位置时，如图2所示，压力杆10空置端因为有磁性收集栅3 支架体上安装的称重传感器9的支撑而使磨屑收集槽5处于水平位置。实际应用时通过安装槽架8与钻井液缓冲罐上口支架7可靠连接，在控 制模块控制下防爆电机6正向旋转，带动螺杆减速机2驱动螺纹拉杆1下行。 螺纹拉杆1的下端通过铰支座与滑动刮削器4连接，当螺纹拉杆1下行时滑 动刮削器4沿磁性收集栅3外套下滑并推动其从水平位置翻转到垂直位置， 此时行程开关发出信号给PLC控制器，控制模块控制防爆电机6停止转动， 磁性收集栅3下段浸入到缓冲罐内钻井液中开始收集钻井液中的磁性磨屑， 这时滑动刮削器4位于磁性收集栅3的下端，称重传感器9也随着磁性收集 栅3支架转动到了垂直位置，压力杆10空置端失支约束，磨屑收集槽5因为 重力作用下垂，上次收集在槽内的磁性磨屑被倒掉。经过设定时间的收集后，PLC的定时机构给出信号，控制模块控制防爆电 机6启动并反向转动，螺纹拉杆1在螺杆减速机2的驱动下上行，拉动滑动 刮削器4上行，磁性收集栅3在滑动刮削器4的带动下从垂直位置转动到水 平位置，滑动刮削器4将磁性收集栅3上收集的磁性磨屑从磁棒的中间段刮削到磁棒的顶端无磁性区域时，磨屑收集槽5己经转动到接近水平方向，磁 屑会从磁棒上脱落掉到磨屑收集槽5中，从而完成磨屑收集的功能。如图2所示，当磁性收集栅3处于水平位置时，磨屑收集槽5、压力杆 10以及它们的安装铰支座构成一个杠杆机构，根据杆杠原理，称重传感器9 受到压力杆10顶端压力的大小与磨屑收集槽5及其收集的磨屑总重量大小成 正比，对称重传感器9先进行空载标定后，根据力臂关系，在实际应用时可 直接得到收集磨屑的重量，从而实现了本仪器的磨屑称重功能。如附图2所示，本收集称重器11中的磨屑收集槽5和压力杆10是通过 柱销铰链式安装在磁性收集栅3的下端，方便必要时从横梁上摘下以便手工 干预磨屑分析工作。如图1所示，由自动收集称重器11得到的磨屑重量数据通过有线传输到 近程端的显示仪表里，经过滤波、放大、A/D转换等过程，在仪表上直接显示 称重数据。另外，称重数据的数字信号还经过变送模块的处理，传送到无线 通讯发送器上，在远程端的控制房内通过无线接收装置接收测试信号，并通 过RS232接口输送给计算机。由计算机软件完成最后的数据接收、处理、记 录和显示等工作，并根据磨损预测模型判断套管磨损的状况，以指导钻井生 产的套管防磨工作。如图3所示， 本发明的石油套管磨损监测仪包括一套控制模块，它 主要由PLC，固态继电器(SSR)，启停按扭和行程开关组成。按下启动按扭 后，PLC直流继电器启动，导通电机正向旋转，带动监测仪器就位。仪器到达 预定位置时行程开关输出信号，PLC通过继电器控制电停止，同时启动PLC内 部的定时器，经过约定时间后PLC输出信号通过固态继电器控制电机反转， 仪器开始复位，仪器运行到复位位置时，另一个行程开关启动，输出信号给 PLC， PLC输出信号通过固态继电器控制电机停转。通过可编程控制器(PLC)和计算机程序实现了钻井液回返磨屑在线监测 装置的磨屑收集、测量、数据采集、无线传输及参数分析的自动控制，达到的主要技术指标如下(1) 回返磨屑在线监测装置控制方式无人值守定时收集测量和手动控制；(2) 磨屑自动称重数据采集频率5次/秒；(3) 无线数据采集通讯接口方式RS232-USB2. 0，通讯频率433MHz;(4) 无线数据采集最大通讯距离200m。如附图2所示，自动收集称重器11在防爆电机6的驱动下，滑动刮削器 4可推动磁性收集栅3摆动到垂直方向，也能把磁性收集栅3从垂直方向收回 到水平方向。在磁性收集栅3的下部铰接磨屑收集槽5，磨屑收集槽5由不锈 钢加工，是用于收集磨屑的小铲， 一侧与伸长用于称重的压力杆10连接，中 间是安装用的铰支座。选用公知的悬臂梁式称重传感器9 一端牢牢固定在磁 性收集栅3上。磁性收集栅3由多根磁棒并排安装组成，每根磁棒由不锈钢外筒和内部 的圆形永磁块组组成，永磁块采用异极对置的方式紧密排列，在不锈钢外筒 外围形成磁场。当磁性收集栅3位于水平位置时，磨屑收集槽5也处于水平 位置，由滑动刮削器4从磁棒上刮下的磨屑正好落入到磨屑收集槽5的小铲 内，磨屑收集槽5另一侧的压力杆10正好与称重传感器9接触，磨屑重量通 过小铲、铰支座和压力杆10构成的杠杆机构传递给称重传感器9，实出磨屑 称重功能。当磁性收集栅3从水平位置摆动回垂直位置时，磨屑收集槽5也变回垂 直位置，倾倒提小铲中的收集的磨屑。压力杆10与称重传感器9脱离。采用不锈外筒封装圆形永磁块组成磁棒，通过同极对置的方法增大磁场 强度，三根磁棒并排构成磁性收集栅，由磁性收集栅收集钻井液中的磁性磨 屑；设计的合理的摆杆机构使磁棒能水平收起和垂直放置，并在磁棒上安装 滑块以刮取磁性收集物；采用电动机为摆杆机构提供运行动力；设计收集槽 安装到磁性收集栅装置上，当磁棒向水平方向运动时能接收磨屑收集物，磁 棒垂直方向运动时能倾倒掉磨屑收集物；设计电气控制方法实现对仪器动作 的合理控制；设计杠杆称重装置能在磁棒水平时称量收集到的磨屑收集物的 重量；连接称重传感器9至数据采集器和信号通讯装置，将称重数据通过无线通讯方式传送到远端的计算机接收部分；设计软件处理和分析检测的数据， 根据理论模型判断井下套管的磨损严重程度。所述控制模块主要由PLC，固态继电器(SSR)，启停按扭和行程开关组 成，采用的公知技术组装，其电气控制构成如附图3所示。编程控制的目的 是实现对防爆电机6的动作和时间控制及称重装置的状态控制。所述通讯模块采用公知技术组装，包括一无线发射模快和一无线接收模 块组成，实现把处理好的称重数字信号传输到远程计算机上的目的。所述计算处理模块为一程序软件，包括接收称重数据的串口通讯程序和 数据处理程序两部分。其中串口通讯采用公知技术实现。数据处理的方法不 包括在此发明发时内容之内，不再赘述。本发明涉及的所有采购件 和自设计组件均采用防爆技术，以满足井场电气防爆的要求。
权利要求
1.一种石油套管磨损自动监测系统，包括自动收集称重器(11)、控制模块、通讯模块和计算处理模块，其特征在于控制模块与自动收集称重器(11)连通，由自动收集称重器(11)得到的磨屑重量数据通过有线传输到近程端，经过显示变送模块的处理，传送到无线通讯发送器上，在远程端的控制房内通过无线接收模块接收测试信号，并通过RS232接口输送给计算机。
2. 根据权利要求1所述的一种石油套管磨损自动监测系统，其特征在于所述的自动收集称重器(11)由螺纹拉杆(1)、螺杆减速机(2)、磁性收集栅(3)、滑动刮削器(4)、磨屑收集槽(5)、防爆电机(6)、支架(7)、安装槽架(8)、称重传感器(9)、压力杆(10)组成，该器件总体结构由上、下两层平台构成，上部平台上安装防爆电机(6)和螺杆减速机(2)，磁性收集栅(3)安装在安装槽架(8)的支架7上，磁性收集栅(3)的下部铰接磨屑收集槽(5)，磨屑收集槽(5) —侧与的压力杆(10)连接，支架(7)与安装槽架(8)固定连接，称重传感器(9) 一端固定在磁性收集栅(3)上，磨屑收集槽(5)与压力杆(10)连接。
3. 根据权利要求2所述的一种石油套管磨损自动监测系统，其特征在于磨屑收集槽(5)的尾部固定连接有压力杆(10)。
4. 根据权利要求2所述的一种石油套管磨损自动监测系统，其特征在于磨屑收集槽(5)和压力杆(10)通过柱销铰链式安装在磁性收集栅(3)的下端。
5. 根据权利要求2所述的一种石油套管磨损自动监测系统，其特征在于:磁性收集栅(3)由磁棒并排安装组成，每根磁棒由外筒和内部的圆形永磁块组组成，永磁块采用异极对置的方式紧密排列。
6. 根据权利要求1所述的一种石油套管磨损自动监测系统，其特征在于:所述控制模块由PLC，固态继电器(SSR)，启停按扭和行程开关组成，按下启动按扭后，PLC直流继电器启动，导通电机正向旋转，带动监测仪器就位，仪器到达预定位置时行程开关输出信号，PLC通过继电器控制电停止，同时启动PLC内部的定时器，经过约定时间后PLC输出信号通过固态继电器控制电机反转，仪器开始复位，仪器运行到复位位置时，另一个行程开关启动，输出信号给PLC, PLC输出信号通过固态继电器控制电机停转。
7.根据权利要求1所述的一种石油套管磨损自动监测系统，其特征在于:所述通讯模块由无线发射模快和无线接收模块组成。
全文摘要
一种石油套管磨损自动监测系统，包括自动收集称重器(11)、控制模块、通讯模块和计算处理模块，其特征在于控制模块与自动收集称重器(11)连通，由自动收集称重器(11)得到的磨屑重量数据通过有线传输到近程端，经过显示变送模块的处理，传送到无线通讯发送器上，在远程端的控制房内通过无线接收模块接收测试信号，并通过RS232接口输送给计算机，可以实现自动收集钻井液中套管磨屑，自动称重收集磨屑重量，无线传输称重数据以及分析处理收集数据等功能，从而为套管磨损监测提供定量指标，收集的磨屑包含大量的磨损信息，配合使用磨屑分析技术进行深入分析，能够及时确定井下套管及相关元件的磨损程度和主要磨损机理，及时预知套管磨损的异常变化，以便及时采取措施，达到有效控制套管磨损的目的。
文档编号E21B47/00GK101603418SQ20081011470
公开日2009年12月16日 申请日期2008年6月11日 优先权日2008年6月11日
发明者乐法国, 储胜利, 宋周成, 张来斌, 樊建春, 段永贤, 东 温, 秦宏德, 聂采军, 郑文培, 龚建文 申请人:中国石油天然气股份有限公司