管杆接箍检测装置和包括该装置的绞车控制系统、修井机的制作方法

1.本实用新型涉及石油钻井修井机领域，更具体而言，涉及一种用于修井机中的管杆接箍检测装置，包括该装置的绞车控制系统，以及包括该绞车控制系统的修井机。


背景技术：

2.在石油开采过程中，修井作业是其中一个重要的环节，修井作业中涉及到重复的起、下管杆操作。油管(或油杆，下文仅以油管为例进行描述)在井下是通过接箍一节一节地连接在一起进行使用的，接箍的直径大于油管或油杆本身的直径。在起、下管操作中，需要实时判断油管接箍的准确位置，以在油管接箍到达防喷器位置时使修井机绞车配合动作，从而确保油管能够顺利通过。
3.目前，在修井机的起、下管作业中，大多由司钻人员通过目测和根据经验来判断油管接箍位置，并根据油管接箍位置来人工控制绞车的运行速度。由于修井作业的现场环境非常恶劣，劳动重复性高、强度大，因疲劳或违规操作导致的安全事故时有发生；此外，依靠人工完成的接箍位置识别和起、下管作业生产效率较低，作业成本较大。
4.因此，亟待研制一种安全、可靠的自动化接箍检测装置和修井机来提高修井作业的效率和作业舒适性，同时降低修井作业中的人工成本和事故发生率。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种自动化的管杆接箍检测装置，其可使用至少三个传感器分别测量各自到油管或接箍外表面的垂直距离，并通过对各个测量结果进行求和、分析来判断是否出现接箍结构，从而相应地调整绞车上提或下放油管的运行速度。
6.根据本实用新型的第一方面，提出了一种管杆接箍检测装置，包括：固定器，所述固定器构造为中空的圆筒形结构，带有接箍结构的待测管杆能够在该圆筒形结构的内部空间中穿过；至少三个传感器，所述至少三个传感器在距离所述固定器的内壁的预定径向距离处等间隔地布置在所述固定器的同一横截面上，并且朝向所述横截面的中心定向，其中，每个传感器配置为检测其与待测管杆的外表面之间的垂直距离；以及控制器，所述控制器配置为对每个传感器所检测到的垂直距离进行求和计算，并将求和结果与理论值进行比较以判断是否出现接箍结构。
7.根据一可选实施例，所述理论值由所述控制器基于每个传感器在所述固定器上的安装位置、待测管杆的半径以及该待测管杆在所述固定器的内部空间中的活动半径预先计算得出。
8.根据一可选实施例，当待测管杆在所述固定器的内部空间中穿过时，该待测管杆的外表面与所述固定器的所述横截面的交点坐标(x,y)及其圆心坐标(x0,y0)满足以下约束方程：
9.(x-x0)2 (y-y0)2＝r2ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
10.11.其中，r表示待测管杆的半径，r1表示待测管杆在所述固定器的内部空间中的活动半径，并且，每个传感器在固定器上的安装位置满足以下约束方程：
12.y＝kx
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
13.其中，k表示相应的传感器到所述横截面的中心的连线的斜率，
14.其中，所述理论值由所述控制器基于上述约束方程(1)-(3)计算得出。
15.根据一可选实施例，所述预定径向距离根据所述至少三个传感器的探测范围进行限定。
16.根据一可选实施例，所述至少三个传感器为电涡流位移传感器，并且所述预定径向距离被限定为3mm-45mm。
17.根据一可选实施例，所述待测管杆包括油管和油杆。
18.根据本实用新型的第二方面，提出了一种用于修井机中的绞车控制系统，该系统包括如上所述的管杆接箍检测装置，所述控制器配置为在确定出现接箍结构时调整所述绞车发动机的转速，以控制绞车上提或下放待测管杆的速度。
19.根据一可选实施例，该系统还包括用于检测绞车的实际运行速度的速度传感器，该速度传感器配置为将所检测的绞车的实际运行速度实时反馈给所述控制器。
20.根据本实用新型的第二方面，还提出了一种包括如上所述的绞车控制系统的石油修井机。
21.根据本实用新型的管杆接箍检测装置可实现对接箍结构的自动化检测，并且能够避免由于油管或油杆的晃动而导致的对接箍位置的判断失误，确保了接箍检测结果的稳定性和准确性。
附图说明
22.通过纳入本文的附图以及随后与附图一起用于说明本实用新型的某些原理的具体实施方式，本实用新型的装置和系统所具有的其它特征和优点将变得清楚或更为具体地得以说明。
23.图1示出了根据本实用新型一示例性实施例的管杆接箍检测装置的各个传感器在固定器上的布置位置的示意图；
24.图2示出了用于估计根据本实用新型的管杆接箍检测装置的理论值d0的模型图；以及
25.图3示出了包括图1中所示的管杆接箍检测装置的绞车控制系统的结构示意图。
具体实施方式
26.下面将参照附图并通过实施例来描述根据本实用新型的管杆接箍检测装置。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便使所属技术领域的技术人员更全面地了解本实用新型。但是，对于所属技术领域内的技术人员明显的是，本实用新型的实现可不具有这些具体细节中的一些。相反，可以考虑用下面的特征和要素的任意组合来实施本实用新型，而无论它们是否涉及不同的实施例。因此，下面的各个方面、特征、实施例和优点仅作说明之用而不应被看作是权利要求的要素或限定。
27.图1示出了根据本实用新型一示例性实施例的管杆接箍检测装置的各个传感器在
固定器上的布置位置的示意图。在该实施例中，管杆接箍检测装置包括一构造为中空的圆筒形结构的固定器(也可称为“安装腔体”)，带有接箍结构的待测管杆能够在该中空的圆筒形结构的内壁以内(即，在固定器的中空空间中)穿过。在本文中，待测管杆包括油管或油杆，本实施例优选以油管为例。
28.在从固定器的内部穿行的过程中，带有接箍结构的油管可能因晃动或倾斜而偏离固定器的中心轴线。为了准确检测油管上的接箍结构，根据本实施例的管杆接箍检测装置优选包括等间隔地布置在固定器的同一横截面上的至少三个传感器，每个传感器探头朝向所述横截面的中心定向，用以检测其与油管的外表面之间的垂直距离。所述至少三个传感器优选为基于电涡流效应原理设计的电涡流位移传感器，这种电涡流位移传感器具有耐油污、耐振、防爆等特点，即使在油管大幅晃动时也能够确保检测信号的准确性和稳定性。
29.本领域技术人员可以理解的是，根据本实用新型的接箍检测装置也可以选用三个以上的传感器进行探测，各个传感器同样等间隔地布置在固定器的同一横截面上，三个或多于三个的传感器的方案均可实现本实用新型的接箍检测结果。然而，如果传感器数量过多，各个传感器之间的探测信号会彼此干扰，造成不必要的测量误差，因此，出于测量精度和成本的考虑，优选选用三个位移传感器a、b、c(彼此间隔120度安装)。
30.在本实施例中，假设固定器的内径为118mm，电涡流位移传感器的探测范围为3mm-45mm，探测死区为0-3mm。为了避免油管或其接箍在从固定器的空腔内穿过时撞到传感器探头，且为了避开传感器的探测死区，如图1中所示，各个传感器探头优选安装在距离腔体内壁3mm以上的径向距离(即，“安装间隙”)处。
31.在检测到与油管的外表面之间的垂直距离之后，各个传感器可将各自的检测结果d1、d2、d3发送至管杆接箍检测装置的控制器，该控制器可对每个传感器检测到的垂直距离进行求和计算(d＝d1 d2 d3)，并将求和结果d与理论值d0进行比较，以判断接箍结构是否出现。
32.理论值d0可通过试验人为预先设定，例如，在实际测量之前，可在试验阶段利用三个传感器实施多次测量任务，并对每次测量任务的求和结果取平均值，该平均值可作为后续实际测量阶段的理论值d0使用。
33.作为一个示例，该理论值可被限定为在油管的中心轴线与固定器的中心轴线完全重合时每个传感器与油管的外表面之间的垂直距离之和。
34.作为另一示例，理论值d0可基于每个传感器在固定器上的安装位置(即，对应于每个传感器到安装位置所在横截面的中心的连线的斜率k)、油管的半径r以及油管在固定器内的活动半径r1预先计算得出。图2示出了基于该示例计算理论值d0的模型原理图。
35.如图2中所示，接箍检测装置的三个传感器a、b、c等间隔地布置在固定器的同一横截面，在该横截面上建立直角坐标系(x,y)。假设固定器内径为118mm(对应于内圆φ118，也可称为“检测圆”)，带有接箍结构的待测管杆能够在该内圆内自由活动，则包含了传感器探头到固定器内壁的3mm(“安装间隙”)径向距离的外径为124mm(对应于外圆φ124，也可称为“安装分度圆”)。
36.直角坐标系(x,y)的原点设置在内圆φ118和外圆φ124的公共圆心处，在起、下管作业中，带有接箍结构的油管可在内圆φ118中的任意位置摆动，则针对油管或接箍的外表面在该横截面上的投影坐标(x,y)——即，油管或接箍的外表面与固定器的所述横截面的
交点坐标(该交点坐标构成一圆形)——可建立以下方程：
37.(x-x0)2 (y-y0)2＝r2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)，
38.在上式(1)中，(x0,y0)为投影平面上该相交圆的圆心坐标，r为油管或接箍半径。
39.由于带有接箍结构的油管只能在内圆φ118内摆动，因此圆心(x0,y0)的活动范围也被限定在一个圆内，即，该圆心满足以下约束方程：
[0040][0041]
在上式(2)中，r1为油管或接箍圆心的活动半径，针对不同的油管或接箍尺寸，该活动半径也各不相同。
[0042]
传感器探头朝向内圆φ118的圆心(即，朝向直角坐标系的原点)定向，每个传感器的安装位置满足以下约束方程：
[0043]
y＝kx
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)，
[0044]
上式(3)也表示每个传感器的测试路径的直线方程，其中k表示相应的传感器探头的探测面中心到坐标系原点的连线的斜率。
[0045]
基于以上三个约束方程(1)-(3)可确定每个传感器探头的探测路径与油管/接箍外表面的交点坐标，由于每个传感器探头的坐标(典型地为探头探测面中心的坐标)已知，根据两点距离公式可计算得出每个传感器探头到油管或接箍外表面的垂直距离d1、d2、d3，则三个传感器探头到油管或接箍外表面的垂直距离之和为d0＝d1 d2 d3。
[0046]
将上述计算公式转换为matlab代码可得出与不同油管或接箍相对应的理论值d0，而利用三个传感器可测得对应的实测值d。油田中常用的油管、接箍尺寸为：针对外径为73mm的油管，配设外径为89mm的接箍；针对外径为89mm的油管，配设外径为108mm的接箍。针对这两种尺寸的油管和接箍，可获得的理论值d0和实测值d的对比结果如下表所示：
[0047][0048]
从上表可知，针对两种不同类型的油管和接箍，无论是油管的理论值与接箍的理论值之间，还是油管的实测值与接箍的实测值之间，彼此都不重叠，因此可通过实测值与实测值的比较确定是否出现接箍结构。
[0049]
图3示出了包括图1中所示的管杆接箍检测装置的绞车控制系统的结构图。如图3中所示，当绞车上提或下放油管时，带有接箍结构的油管会从固定器中按照指定的速度穿过，此时三个传感器a、b、c可分别从三个方向检测各自到油管或接箍外表面的垂直距离，并向控制器发送相应的电流信号，该控制器例如是plc控制器。
[0050]
该plc控制器可先将所获取的电流信号转化为实际的距离值，并且可对各个距离值进行求和计算以确定对应的实测值d。随后，通过判断该实测值d是落入相应油管的理论值范围内，还是落入相应接箍的理论值范围内，plc控制器可确定是否出现了接箍结构(即，接箍结构是否到达传感器的检测面处)。在确定出现接箍结构时，plc控制器可发送加速或减速信号给绞车发动机，进而控制绞车上提或下放油管的速度，以为下一步动作做准备。
[0051]
可选地，绞车上安装有速度传感器，优选为增量编码器，用于检测绞车的实际运行速度，并将所检测的绞车实际运行速度反馈给plc控制器，从而该plc控制器可基于pid算法实现对绞车运行速度的闭环稳定控制。
[0052]
本实用新型还涉及一种包括该绞车控制系统的石油修井机。
[0053]
根据本实用新型的管杆接箍检测装置可实现对接箍结构的自动化检测，其使用至少三个传感器分别测量各自到油管或接箍外表面的垂直距离，并通过对各个测量结果进行求和、分析来判断是否出现接箍结构，从而相应地调整绞车上提或下放油管的运行速度。该管杆接箍检测装置能够避免由于油管或油杆的晃动而导致的对接箍位置的判断失误，确保了接箍检测结果的稳定性和准确性。
[0054]
虽然本实用新型已以较佳实施例披露如上，但本实用新型并非限于此。在不脱离本实用新型的精神和范围内所作的各种更动与修改，均应纳入本实用新型的保护范围内，因此本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。