用於鑽修井的保護器的製作方法
2023-12-01 04:34:16 4
專利名稱：用於鑽修井的保護器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於油田鑽修井的保護器。
背景技術：
在油田的生產過程中，安全管理是非常重要的一個環節。為了確保安全生產，油田各相關管理部門就安全問題做出了一系列行之有效的管理辦法，但由於在執行和運作中存在各種不可預見的問題，因此經常會有事故發生，如在修井作業過程中出現修井設備的遊動滑車頂撞天車，抽吸抽子撞防噴盒等，這些故障小則損壞設備，大則造成人員傷亡。在現有技術的修井作業過程中，掌握遊動滑車的提升高度和下降的位置是通過肉眼觀測或在滾筒上方安裝一個檢測裝置來操作實現的。然而，在採用肉眼觀察的方法中，如果在全天候作業的情況下，操作人員在夜間、雷雨天、井間噴的施工過程中，會因為看不清遊動滑車的位置而發生誤操作，從而導致天車碰撞，這不僅使設備遭受破壞，而且還威脅人身安全。而採用檢測裝置進行保護的原理是通過檢測鋼絲繩在滾筒上捲動提升的高度是否達到檢測點來實現的，這種方法有時候會因為防碰閥動作失效，或由於鋼絲繩走偏而沒有接觸到防碰閥從而出現失效的現象。因此，在修鑽井過程中，如果出現遊動滑車鋼絲繩斷裂、井下油管脫落，造成遊動滑車快速下降，就容易出現遊動滑車與作業平臺碰撞，破壞設備，威脅人身安全，同時也耽誤工期，造成的損失巨大。如果操作人員在工作過程中疲勞操作造成誤操作，也會導致類似事故的發生。此外，在現有技術中，不能進行數據保存，因此無法為管理人員提供了解整個工作過程的有效數據。
發明內容
鑑於現有技術的上述缺陷，本實用新型的目的在於提供一種用於鑽、修井設備的保護器，所述保護器可提高油田在施工過程中的安全性和自動化程度。
一種用於鑽修井的保護器，包括保護執行機構，其特徵在於，還包括檢測裝置和中央處理單元，所述中央處理單元接收所述檢測裝置檢測到的數據，所述保護執行機構包括第一保護執行機構和第二保護執行機構，所述第一保護執行機構與所述中央處理單元的控制信號輸出端連接，所述第二保護執行機構與所述中央處理單元的另一控制信號輸出端連接。
根據本實用新型的實施方案，所述檢測裝置包括防碰傳感器和抽吸傳感器至少之一。還可優選包括懸重傳感器。這些傳感器優選通過信號放大裝置與所述中央處理單元連接，以將所檢測的信號傳送至所述中央處理單元。所述中央處理單元可包括顯示單元和與所述顯示單元連接的控制單元，並可進一步包括與所述控制單元連接的報警單元和存儲單元。
根據本實用新型的實施方案，所述檢測裝置包括設置於滾筒端壁上的多個磁體，以及與所述滾筒端壁相對的A、B相傳感器。其中，所述A、B相傳感器分別設置在滾筒端面徑向線的兩側。
根據本實用新型的實施方案，所述第一保護執行機構包括與所述中央處理單元的所述控制信號輸出端連接的電磁閥，以及與所述電磁閥連接的執行閥和與執行閥連接的氣動卡瓦；所述第二保護執行機構包括與所述中央處理單元的所述另一控制信號輸出端連接的電磁閥，以及與所述電磁閥連接的執行閥和防碰閥。
由於本實用新型的控制器中採用了防碰傳感器、抽吸傳感器和懸重傳感器等檢測裝置，配合中央處理單元的數據處理和自動控制功能，所以能夠檢測在鑽、修井操作過程當中的實時數據，並根據實時檢測的數據執行相應的顯示、報警和控制功能，因此可以有效地避免在現有技術中通過肉眼觀測進行操作的不足，切實有效地實現遊動滑車的防碰、防墩和防止抽子掉落油井中的功能，達到保護油田生產、維修作業安全的目的。
圖1顯示的是根據本實用新型一個實施方式的鑽修井設備保護器的方框圖；圖2所示為根據本實用新型優選實施方式的顯示單元的顯示界面示意圖；如圖3所示為根據本實用新型的具有懸重傳感器的鑽修井設備防碰自動保護器的方框示意圖；圖4顯示為根據本實用新型的另外一個實施方式的鑽修井設備防碰自動保護器的方框圖；圖5顯示為根據本實用新型的優選實施方案的工作控制示意圖；圖6顯示了根據本實用新型的優選實施方案的AB相傳感器安裝位置的示意圖；圖7是用於在滾筒轉速時使用的旋轉式編碼器或直線式光學尺的輸出波形圖。
具體實施方式
下面參照附圖，對本實用新型的用於鑽修並的保護器進行詳細的描述。
圖1顯示的是根據本實用新型一個實施方式的鑽修井保護器的方框圖。如圖1所示，根據本實用新型的鑽修井保護器包括作為檢測裝置的防碰傳感器10、放大電路20、中央處理單元30和保護執行機構40、41。其中，中央處理單元30一般可包括顯示單元31、控制單元32、報警單元33和存儲單元34。放大電路20採用本領域常規的放大電路，第二保護執行機構41包括公知的儲氣罐、電磁閥、執行閥和防碰閥等。第一保護執行機構40包括公知的氣動卡瓦以及執行閥、電磁閥等。
防碰傳感器10可以採用公知的接近開關，例如，歐姆龍公司生產的E2E-X2D1-N。防碰傳感器10安裝在遊動滑車的主滾筒的輔助支架上(未示出)，以實時檢測主滾筒的轉動，並將採集到的數據通過放大電路20輸入到中央處理單元30。防碰傳感器10的具體技術方案將在後文中說明。在中央處理單元30中通過控制單元32對輸入的數據進行處理，利用後述的遊動滑車鋼絲繩長的確定方法，得到遊動滑車與天車的距離(防碰提示距離)，並將該距離與預設的值進行比較，當比較的結果是超過了預設的值，則通過報警單元33進行報警。與此同時，控制單元32驅動保護執行機構40、41動作以避免事故發生。此外，中央處理單元30處理的數據通過顯示單元31顯示。
顯示單元31優選地包括CRT或液晶屏面板，以下以液晶屏面板為例說明。圖2所示為根據本實用新型優選實施方式的顯示單元31的顯示界面示意圖。如圖2所示，液晶屏面板中顯示有防碰距離參數值31a，同時在液晶屏面板的左方用光柱的方式顯示有遊動滑車相對於天車位置的參數31d。在本實用新型的保護器工作在節電模式下時，該液晶屏面可被關閉。
在具體的實施中，根據本實用新型的保護器可安裝在操作檯面上，因此操作人員可以直接觀察到參數的變化情況和遊動滑車位置的變化。當滑車的實際位移超過預設值時，中央處理單元30通過報警單元33及時地發出報警信號提醒操作人員，同時液晶屏上顯示的防碰距離的距離參數31a的顏色也發生相應變化，以更直觀地提醒操作人員。當防碰距離的距離31a達到預先設置的保護值時，控制單元32輸出保護控制信號驅動第一、第二保護執行機構40、41完成剎車或切斷氣源等保護措施以避免事故發生。顯示單元31的位於液晶屏面板的右側還包括雙色LED燈31f，用於表示遊動滑車與天車之間的不同距離。
在一實施例中，防碰提示報警範圍被設置為0～5米。因此，在具體的操作過程當中，用來表示遊動滑車位置的參數31d的光柱將在0到5的區間段內變化，LED燈31f根據光柱的位置進行變化，如圖2所示。具體地說，當光柱上升到5-4段之間時，LED燈31f為黃色亮，以提示操作人員。當光柱處於4-3段之間時，LED燈31f為黃色閃爍；當光柱處於3-2段之間時，LED燈31f為紅色亮；當光柱處於2-1段之間時，LED燈31f為紅色閃爍。在這裡，光柱所處的位置顯示了防碰傳感器10實時地檢測得到的滑車與工作平臺之間的距離的變化，而LED燈31f則通過不同的狀態來提示操作人員，操作人員通過LED燈31f的不同狀態就可以判斷出遊動滑車的位置。同時在液晶屏關閉的狀態下，可以僅通過LED燈31f的狀態判斷遊動滑車的大概位置。
報警單元34的報警聲音與上述光柱所處的不同範圍段相應而具有不同的報警頻率。例如，當光柱處於5-4之間時，報警單元34的報警頻率可設置為1次/秒；當光柱處於4-3之間時，報警單元34的報警頻率可設置為2次/秒；當光柱處於3-2之間為3次/秒，報警單元34的報警頻率設置小於2，此時報警單元34連續報警。
此外，根據本實用新型的鑽修井設備防碰自動保護器還可包括懸重傳感器11。圖3所示為根據本實用新型的具有懸重傳感器11的鑽修井設備防碰自動保護器的示意框圖。如圖3所示，設置懸重傳感器11的目的同樣是為了保護設備及人身安全。懸重傳感器11可以採用常規的壓力變送器。相應地，在液晶屏面板中顯示有懸重參數值32b，如圖2所示。中央處理單元30將懸重保護值設置為活動解卡時鑽具的斷裂負荷，例如為55KN(千牛)。根據該設置，當實際的懸重接近55KN時，報警單元34就發出報警信號提醒操作人員注意。當實際的懸重值超過55KN時，控制單元32輸出斷氣、剎車等保護指令到保護執行機構41、42(如圖5所示)，從而避免事故的發生。同時在懸重突然失重的情況下，還可以配合滾筒轉速進行保護，這將在下面進行詳細描述。
圖4顯示為根據本實用新型的另外一個實施方式的鑽修井設備防碰自動保護器的方框圖。根據如圖4所示的優選實施方式，本實用新型的鑽修井設備防碰自動保護器還可包括抽吸傳感器12。和防碰傳感器10一樣，抽吸傳感器12可為一種公知的接近開關，例如，歐姆龍公司生產的E2E-X2D1-N，並安裝在撈沙滾筒的輔助支架上。抽吸傳感器12用於在抽子進行抽吸工作的過程當中，檢測撈沙滾筒的轉動，並將檢測到的數據傳入中央處理單元30。中央處理單元30通過後述的鋼絲繩長確定方法，利用該轉速值確定抽子所在抽吸深度。根據該實施方式的鑽修井設備防碰自動保護器可以工作在兩種模式下，即防碰工作模式和抽吸工作模式。防碰工作模式的具體原理和操作在上面已經進行了描述，因此在這裡不再描述。
在該實施方案中，防碰工作模式和抽吸工作模式可通過在控制器上設置的功能鍵來設置。當根據本實用新型的鑽修井設備防碰自動保護器處於抽吸工作模式下時，與處於防碰工作模式下相似，液晶屏面板中顯示有防碰距離、抽吸次數、抽吸深度、滾筒轉速、懸重參數。操作人員可以直接觀察到參數的變化情況和抽子位置的變化，當抽子接近井口，位移超過預定的設置時，中央控制單元30會通過報警單元32及時發出報警信號提醒操作人員，同時液晶屏上顯示的防碰距離的距離參數顏色也發生相應變化，與此同時，控制單元32輸出保護控制信號以完成剎車或切斷氣源等保護措施，避免事故的發生。與防碰工作模式相似，LED燈31f根據抽子與井口的距離可以以不同的方式顯示。
在抽吸工作模式下時的採集懸重參數同樣是為了保護設備及人身安全。如上所述，當實際的懸重接近預先設置的保護值時，報警單元33就發出報警信號提醒操作人員注意。當實際的懸重超過預先設置的保護值時，控制單元32就輸出指令到保護執行機構，執行斷氣、剎車等保護動作，從而避免抽子掉入井中，出現事故。
根據本實用新型，防碰提示距離與抽吸深度是通過計算遊動滑車的鋼絲繩長度而得到的。由於鋼絲繩是以螺旋的方式纏繞的，因此，在計算繩長時，其每圈的長度計算就不能是簡單的2πr。繩子每增加一層，其圓周長也相應增加，第N層的每圈鋼絲繩長度通過以下公式計算D12+2(D0+2D1+(N-1)3D1)2]]>其中，D0表示滾筒的內徑，D1表示鋼絲繩直徑。其具體的方法是防碰傳感器10和抽吸傳感器12檢測脈衝信號，並將脈衝信號輸入到中央處理單元。其中，滾筒轉動一圈，傳感器將檢測到4個脈衝。由中央處理單元的存儲器儲存傳感器的脈衝數。滾筒正轉時為加，反轉為減。並根據零點設置的繩長計算參數算出現在所在層，然後按照上述公式，計算出每層繩子放出的長度。如果是防碰模式，就將這個長度除以繩子的股數FH1，得到防碰距離。參數FH1是根據現場設備的具體情況設置的，例如通常採用8股繩、6股繩或4股繩的情況下，現場設備採用8股繩，則FH1就等於8。
如果是抽吸方式，就將上述計算出的繩子長度除以繩子的股數FH2，得到抽吸深度。FH2為抽吸時遊動滑車鋼絲繩子的股數，通常為1。零點設置是系統根據原設置的繩子參數和中央處理單元中保存的當前長度，確定計算繩長的零點值。
根據一實施方案，判斷滾筒的正反轉的方式是，將AB相傳感器安裝在滾筒輔助支架上，A相和B相傳感器的位置如圖6所示，分別位於滾筒橫截面的徑向線R的兩側。這樣，當在滾筒端壁上設置的由磁體構成的突出點60，61，62和63通過該AB相傳感器時，A、B相傳感器檢測到磁場並輸出脈衝，可判斷出正轉和反轉。具體方法示例說明如下。
可以使用常規的旋轉式編碼器或直線式光學尺。其輸出的波形如圖7所示。為一AB相增量方式，相位相差90度。可檢測出正反轉。利用軟體程序作判斷並施以計數加減，即可得到絕對位置。編碼器輸入到CPU界面時，最好經由高速的光藕合器進行隔離，因為使用電流傳送，可避免電壓雜訊幹擾，電位差等問題。
正轉移動狀態合成數值表
反轉移動狀態合成數值表
按照上述方法，即可判斷出滾筒的正反轉。
圖5顯示為根據本實用新型的優選實施方案的工作控制示意圖。下面將結合圖2到圖5來詳細描述本實用新型的控制過程。如圖5所示，防碰傳感器10實時採集滑車位置的變化，並將採集到的數據輸入到中央處理單元30。在中央處理單元30中通過控制單元32對輸入的數據與預設的值進行比較，當比較的結果是超過了預定的值，則通過報警單元33進行報警。與此同時，控制單元32輸出控制信號1和控制信號2以驅動保護執行機構40、41動作，從而避免事故發生。
具體地說，如果是在遊動滑車上升的過程當中，控制單元32輸出控制信號1驅動保護執行機構40動作，以驅使驅動保護執行機構40中的氣動卡瓦動作，從而卡住油管，防止油管下滑。如果是在遊動滑車下降的過程當中，控制單元32首先輸出控制信號1、然後延時輸出控制信號2。其中，延時的時間可以根據現場的設備情況預先設定。在控制單元32輸出保護控制信號2後驅使電磁閥動作，從而最終促使執行閥完成剎車，即，使滑車停止移動。這樣，就發揮了防墩的效果。
根據本實用新型的一種優選實施方式，防碰傳感器10和抽吸傳感器12可採用A、B相工作模式的防碰傳感器10，設置於滾筒支架上滾筒一端附近。其中，在如圖2所示的液晶屏面板中顯示有滾筒轉速參數值31c，該參數值用來監測主滾筒轉速以防止遊動滑車與作業平臺發生碰撞。在遊動滑車的下降過程中，如果速度過快，將出現控制失效的情況。防碰傳感器10將實時檢測到的滾筒轉速數據傳輸到中央處理單元30，中央處理單元30通過將實時檢測到的滾筒轉速數據與預先設置的值(如，300圈/分)進行比較。例如設定300圈/分為超速，如果滾筒轉速超過300圈/分，則比較的結果是超速，通過控制單元32輸出保護控制信號2，保護控制信號2驅動第二執行保護機構41的電磁閥動作，從而最終促使執行閥完成剎車，即，使滾筒停止轉動，如圖5所示。
如果遊動滑車的鋼絲繩突然斷裂，懸重必然出現失重，同時遊動滑車的下降速度將快速增加。如果出現這種情況，懸重傳感器11會將實時檢測到的數據傳輸到中央處理單元30，中央處理單元30的控制單元32首先輸出保護控制信號1，保護控制信號1驅動保護執行機構40動作，使得氣動卡瓦卡住油管，但此時遊動滑車還有下滑的慣性。這時，控制器延時輸出用於驅動保護執行機構41的保護控制信號2，以促使執行機構41中的電磁閥動作，從而止住滾筒。這樣就可有效地防止遊動滑車與作業平臺碰撞。在遊動滑車上升的過程中，如果出現油管或鑽杆斷裂，懸重也會出現突然失重的變化，同時由於負荷突然發生變化，遊動滑車的上升速度也會出現突變，此時控制單元32輸出保護控制信號2，控制信號2驅動保護執行機構41操作，因此有效地保護遊動滑車出現的超速和與天車碰撞的可能。
以上描述了防碰傳感器10和懸重傳感器11實時檢測數據的情況，抽吸傳感器12的操作與防碰傳感器10和懸重傳感器11相似，因此省略對其進行的詳細描述。
此外，根據本實用新型的中央控制單元30還可包括存儲單元34，存儲單元34可以保存例如30天數據，保存數據間隔可以設置。通過上述防碰傳感器10、懸重傳感器11和抽吸傳感器12檢測到的參數(例如，時間，工作狀態，深度，抽吸次數，速度等)被保存到存儲單元34。根據本實用新型的一個優選實施方案，存儲控制單元34可從中央控制單元30中取出，並被連接到計算機上，通過軟體可以將存儲控制單元34保存的數據讀出。這樣，通過存儲單元34可以隨時為管理人員提供了解整個工作過程的有效數據。
以上所述僅為本實用新型的優選實施方式，而並非對本實用新型保護範圍的限定。因此所有對本實用新型的說明書和附圖中的內容做等效技術、手段等變化，均包含於本實用新型的保護範圍內。
權利要求1.一種用於鑽修井的保護器，包括保護執行機構，其特徵在於，還包括檢測裝置和中央處理單元，所述中央處理單元接收所述檢測裝置檢測到的數據，所述保護執行機構包括第一保護執行機構和第二保護執行機構，所述第一保護執行機構與所述中央處理單元的控制信號輸出端連接，所述第二保護執行機構與所述中央處理單元的另一控制信號輸出端連接。
2.如權利要求1所述的保護器，其特徵在於，所述檢測裝置包括防碰傳感器和抽吸傳感器至少之一。
3.如權利要求1所述的保護器，其特徵在於，所述檢測裝置包括設置於滾筒端壁上的多個磁體，以及與所述滾筒端壁相對的A、B相傳感器。
4.如權利要求3所述的保護器，其特徵在於，所述A、B相傳感器分別設置在滾筒端面徑向線的兩側。
5.如權利要求1所述的保護器，其特徵在於，所述第一保護執行機構包括與所述中央處理單元的所述控制信號輸出端連接的電磁閥，以及與所述電磁閥連接的執行閥和與執行閥連接的氣動卡瓦；所述第二保護執行機構包括與所述中央處理單元的所述另一控制信號輸出端連接的電磁閥，以及與所述電磁閥連接的執行閥和防碰閥。
6.如權利要求1所述的保護器，其特徵在於，所述中央處理單元包括顯示單元和與所述顯示單元連接的控制單元。
7.如權利要求6所述的保護器，其特徵在於，所述中央處理單元還包括與所述控制單元連接的報警單元。
8.如權利要求7所述的保護器，其特徵在於，所述中央處理單元還包括與所述控制單元連接的存儲單元。
9.如前述任一項權利要求所述的保護器，其特徵在於，所述檢測裝置還包括懸重傳感器，與所述中央處理單元連接。
10.如權利要求9所述的保護器，其特徵在於，所述檢測裝置通過放大電路與所述中央處理單元連接。
專利摘要本實用新型公開了一種用於鑽修井的保護器，包括保護執行機構，其特徵在於，還包括檢測裝置和中央處理單元，所述中央處理單元接收所述檢測裝置檢測到的數據，所述保護執行機構包括第一保護執行機構和第二保護執行機構，所述第一保護執行機構與所述中央處理單元的控制信號輸出端連接，所述第二保護執行機構與所述中央處理單元的另一控制信號輸出端連接。採用本實用新型後，可以有效地避免在現有技術中通過肉眼觀測進行操作的不足，切實有效地實現遊動滑車的防碰、防墩和防止抽子掉落油井中的功能，達到保護油田生產、維修作業安全的目的。
文檔編號E21B44/00GK2837508SQ20052010618
公開日2006年11月15日 申請日期2005年8月22日 優先權日2005年8月22日
發明者何新懷, 薛自影, 左軍 申請人:何新懷, 薛自影, 左軍