[发明专利]用于绞车的智能载荷销钉

说明书

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“Intelligent Load Pin for Draw-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。

技术领域

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（strain cell）。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（travelling block）的销钉中的载荷单元（load cell）、安装在天车（crown block）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（mechanical gauge）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。