УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА СБОРКИ РЕЗЬБОВОГО СОЕДИНЕНИЯ ТРУБ
DEVICE FOR DETERMINATION OF QUALITY OF ASSEMBLY OF THREADED JOINT OF PIPES

Настоящее изобретение относится к области резьбовых соединений труб, а точнее к приспособлению для определения качества сборки резьбовых соединений труб.
Термин «резьбовое соединение труб» подразумевает под собой два трубчатых компонента, соединенных вместе посредством резьбы, причем «компонент», возможно, представляет собой любой элемент или приспособление, используемый (используемое) для бурения или эксплуатации нефтяной и/или газовой скважины и содержащий (содержащее) по меньшей мере одно соединение или муфту, или же резьбовой конец.
Компонент может представлять собой относительно длинный трубчатый элемент (в частности, длиной приблизительно десять метров), например, трубу или же трубчатую муфту длиной в несколько десятков сантиметров, или же приспособление для этих трубчатых элементов (подвеску, переходник, предохранительный клапан, бурильный замок, переводник или подобное). Эти компоненты обычно изготавливаются из стали. Это устройство особенно подходит для элементов, изготовленных из нержавеющей стали с высоким содержанием хрома, таких марок стали, как 13Cr или CRA; эти марки стали особенно подвержены истиранию.
Компоненты, как правило, объединяют друг с другом для опускания в углеводородную скважину или в скважину схожего типа, а также для образования бурильной трубы, обсадной колонны или обсадной колонны-хвостовика, или же колонны насосно-компрессорных труб (эксплуатационная колонна).
Спецификация API 5СТ, выпущенная Американским институтом нефти (API), соответствующая стандарту ISO 11960: 2004 г. Международной организации по стандартизации (ISO), регламентирует трубы, используемые в качестве обсадных или насосно-компрессорных труб, а спецификация API 5В определяет стандартные виды резьбы для этих труб.
Спецификация API 7 определяет резьбовые соединения с заплечиком для вращающихся элементов бурильной колонны.
Производители компонентов резьбовых соединений труб также разработали резьбовые соединения, известные как соединения премиум-класса, обладающие особыми геометрическими параметрами для резьбовых соединений, а также особые средства, обеспечивающие им лучшую производительность при эксплуатации, в частности в том, что касается механической прочности, герметичности и коррозийной стойкости, в частности, в отношении сульфатов.
Компоненты, упомянутые выше, могут содержать ввертный резьбовой конец для свинчивания с раструбным резьбовым концом другого бурового или рабочего компонента, образуя собранное соединение, которое должно обладать высокой механической целостностью и герметичностью при особо высоких механических нагрузках, а также устойчивостью к коррозии. Таким образом, чрезвычайно важно, чтобы их ввертные и раструбные концы как можно меньше подвергались повреждению, загрязнению или износу между интервалами времени, когда они выходят из своей линии производства и когда они используются, а также между двумя последующими режимами использования. Использование протекторов означает, что не только резьбовые, но также и любые уплотнительные поверхности и упоры, каждый из которых выполняет определенные и дополнительные функции этих элементов, могут быть защищены от коррозии, пыли и ударов (или толчков), в частности, в отношении обеспечения герметичности на этапе обслуживания. Однако может возникнуть ситуация, при которой один конец подвергся износу, при этом обнаружить это перед сборкой не представляется возможным. Также возможно, что во время сборки элементы, подлежащие сборке, расположены неправильно. В этом случае возникает риск истирания во время сборки, что может привести к нежелательным пластическим деформациям, локальному отслаиванию материала на участке резьбы или даже на других функциональных поверхностях, такой как упорная или уплотнительная поверхность. Истирание подобного типа может привести ухудшению механических свойств или герметизирующих свойств соединения.
Таким образом, существует необходимость в обнаружении наличия истирания между функциональными поверхностями во время соединения двух концов трубчатых компонентов.
В известном уровне техники, в частности, в документе JP 6-221475, уже известен способ проверки состояния свинчивания резьбового соединения труб, в котором во время операции свинчивания, амплитуда крутящего момента анализируется в качестве функции количества выполненных вращений свинчивания. Изменение крутящего момента используется для обнаружения появления истирания. Однако такой метод может привести к ошибочным интерпретациям, в частности из-за того, что изменение крутящего момента свинчивания зависит от фактических размеров резьб в пределах их допусков на механическую обработку. Кроме того, этот способ, как правило, основан на достижении порогового значения для крутящего момента в зависимости от степени продвижения свинчивания, при этом установка такого порогового значения является результатом компромиссного решения между возможностью обнаружения всех случаев возникновения истирания во время сборки и частотой обнаружения «ложноположительных» результатов, что означает, что осуществление способа привело к диагностике истирания, когда на самом деле истирание не произошло во время сборки. Также возможно то, что возникновение любого истирания во время сборки приводит к изменению крутящего момента свинчивания, которое подобно необходимому результату, но без возникновения функциональных поверхностей, например, упорной или уплотнительной поверхностей, в начале генерируемого крутящего момента: истирание не обнаружено с помощью способа согласно документу JP 6-221475, а образуемое соединение не является водонепроницаемым.
Настоящее изобретение улучшает обнаружение явления истирания, вместе с тем сводя к минимуму «ложноположительные» обнаружения.
Заявитель выяснил, что пластические деформации и отслаивание материала, возникающие во время истирания, вызывают перегревание. Кроме того, сама операция свинчивания генерирует тепло, особенно из-за трущихся друг о друга поверхностей. Это относится, например, к впадинам резьбы, уплотнительной поверхности, или иным функциональным поверхностям резьбового конца. Эти нагревания локализованы, но из-за теплопередачи внутри материала резьбового конца, эти нагревания вызывают колебание температуры внутри конца до наружной поверхности конца.
Таким образом, существует возможность обнаружения истирания с помощью способа и устройства, которое измеряет изменение температуры во время сборки двух резьбовых концов, и которое способно по этим измерениям определять, вызвано ли изменение температуры появлением истирания.
Заявитель разработал устройство, которое способно измерять колебания температур в нескольких точках на наружной поверхности конца, так что это устройство может использоваться квалифицированным персоналом на платформе нефтяной скважины.
Объектом настоящего изобретения является устройство для определения качества сборки резьбовых трубчатых компонентов, содержащее:
- корпус (2), содержащий цилиндрическое внутреннее пространство (20), имеющее ось (21), и выполненный с возможностью установки на участке наружной поверхности резьбового трубчатого компонента;
- по меньшей мере одно средство (3) измерения между корпусом (2) и внутренним пространством (20), содержащее контактный слой (4), содержащий множество температурных датчиков (5), расположенных для измерения переменных величин, характеризующих значения температуры во множестве позиций E(i,j) наружной поверхности конца трубчатого компонента;
- первое электронное устройство (33) сбора данных, подключенное к множеству датчиков (5) и способное обрабатывать по меньшей мере часть сигналов, генерируемых датчиками (5).
В одном варианте осуществления устройство может содержать множество измерительных полос (31), распределенных вокруг оси (21) устройства.
В одном варианте осуществления устройство может представлять собой направляющую при наращивании трубчатых компонентов для нефтяных операций.
Указанные температурные датчики (5) могут быть выбраны из термопар, термисторов и микроболометров.
Указанные температурные датчики (5) могут быть распределены в матрицах (51) температурных датчиков (5) на гибкой подложке.
В одном варианте осуществления температурные датчики (5) могут представлять собой термисторы, а гибкая подложка образована из полиимида.
Указанный контактный слой (4) может содержать теплопроводный и электроизоляционный слой, расположенный по меньшей мере частично между температурными датчиками (5) и внутренним пространством (20).
Указанный контактный слой (4) может содержать защитный слой (41), расположенный таким образом, чтобы защитить температурные датчики (5).
Указанный защитный слой (41) может представлять собой стальной лист, имеющий закругленный профиль.
В одном варианте осуществления устройство может содержать амортизирующий слой (9) между корпусом (2) и контактным слоем (4).
Амортизирующий слой (9) может содержать упругие средства, выбранные из кольцевых пружин, пружинных колец Clover Dome, гофрированных колец, куполообразной пружины, упругого материала и неопренового или силиконового пеноматериала.
Указанный амортизирующий слой (9) может содержать жесткий профилированный элемент (92).
Корпус (2) может содержать позиционный упор (7).
В одном варианте осуществления первое электронное устройство (33) сбора данных может содержать множество электронных блоков (34) сбора данных, подключенных к электронным устройствам (35) съема данных типа программируемых электронных схем ПЛИС.
В одном варианте осуществления устройство может содержать второе электронное устройство (36) обработки данных, способное определять появление истирания или ухудшения состояния по меньшей мере части элемента соединения труб во время сборки двух резьбовых трубчатых компонентов в соответствии с по меньшей мере одной, основанной на времени, функцией обнаружения.
Указанное первое электронное устройство (33) сбора данных и указанное второе электронное устройство (36) обработки данных могут быть соединены через беспроводной доступ Wi-Fi, через линию связи Bluetooth или же через проводную линию связи типа Ethernet.
Второе электронное устройство обработки данных может содержать программное обеспечение для обработки и хранения измерений.
Настоящее изобретение также представляет собой способ применения устройства в соответствии с настоящим изобретением, включающий этапы:
0
- определения множества величин T(i,j), характеризующих значения температуры во множестве позиций E(i,j) наружной поверхности одного конца (11) трубчатого компонента в начале его сборки с другим соответствующим трубчатым компонентом;
- определения другого множества величин T(i,j), характеризующих значения температуры во множестве позиций E(i,j) наружной поверхности одного конца (11) во время сборки;
0
- вычисления разности между температурой во время сборки T(i,j) и температурой в начале сборки T(i,j) для каждой позиции E(i,j);
0
0
threshold
- выдачи результата диагностики истирания, когда разность T(i,j) - T(i,j) превышает пороговое значение ΔT(i,j), заданное по меньшей мере для одной позиции E(i,j).
В одном из вариантов способ также включает этап:
T
- вычисления скорости изменения температуры V(i,j) по меньшей мере для одного множества позиций ΣE(i,j);
T
T
- выдачи результата диагностики истирания, когда изменение температуры V(i,j) превышает заданное пороговое значение изменения ΔV(i,j).
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из изучения подробного описания, представленного ниже, и прилагаемых чертежей, на которых:
- на фиг. 1 показано схематическое изображение части резьбового трубчатого компонента и одного из его концов;
- на фиг. 2 показан частичный схематический вид в перспективе одного варианта осуществления устройства в соответствии с настоящим изобретением, расположенного вокруг раструбного конца резьбового трубчатого компонента в открытом положении;
- на фиг. 3 показан вид в перспективе одного варианта осуществления настоящего изобретения в закрытом положении;
- на фиг. 4 показан вид в перспективе множества средств измерения в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;
- на фиг. 5 показан усеченный вид в перспективе измерительной полосы в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;
- на фиг. 6а и 6b показаны виды в разрезе вариантов осуществления измерительных полос в соответствии с настоящим изобретением;
- на фиг. 7 показан вид в перспективе измерительной полосы и электронное устройство сбора данных, не установленные на корпусе, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Прилагаемые графические материалы могут не только помогать завершению настоящего изобретения, но также способствовать его определению, если это необходимо. Они не ограничивают объем настоящего изобретения.
Целью настоящего изобретения является определение качества сборки двух резьбовых компонентов посредством обнаружения появления повреждения в резьбовой части и/или уплотнительной поверхности, и/или упоре во время сборки двух резьбовых концов трубчатых компонентов с образованием резьбового соединения.
Термин «раструбный конец» означает часть компонента, снабженную механически обработанной и/или точно отшлифованной поверхностями для образования соединения с соответствующей ввертной частью, а термин «корпус» означает часть компонента, расположенную за пределами и снабженную поверхностями, которые, как правило, обеспечиваются с помощью накатки. Раструбный конец, как правило, имеет одну или более резьб, расположенных на внутренней боковой стенке, и выполненный с возможностью соединения с соответствующим «ввертным концом» с одной или более соответствующими резьбами на наружной боковой стенке компонента.
На фиг. 1 показан трубчатый компонент (10) и раструбный конец или соединение (11). Конец снабжен резьбой (12) и может также содержать уплотнительную поверхность (17) и упор (18). Некоторые соединения могут содержать несколько резьбовых или уплотнительных поверхностей, или упоров. Показанный трубчатый компонент относится к типу компонентов «с резьбой и муфтой». Фактически он содержит трубу (10), снабженную первой наружной резьбой (14а), и муфту (15), снабженную второй внутренней резьбой (14b), выполненную с возможностью навинчивания на первую наружную резьбу (14а) трубы (10).
Муфта (15) содержит резьбу (12), предназначенную для навинчивания на один конец другого трубчатого компонента. На фиг. 1. муфта содержит раструбный конец трубчатого компонента (10) и предназначена для навинчивания на ввертный конец другого трубчатого компонента. Резьба (12) может отличаться от второй внутренней резьбы (14b); другими словами, муфта не обязательно является симметричной. Муфта (15) также содержит направляющую торцевую поверхность, которую принято называть «резьбовым концом» (16).
Альтернативно существуют так называемые «интегральные» трубчатые компоненты, не включающие муфту, на которых непосредственно выполнены два конца, ввертный и/или раструбный.
Резьба (12) может содержать по меньшей мере одну так называемую часть, которая имеет полные витки резьбы, а также резьба может содержать одну или более частей, которые имеют неполные или исчезающие витки резьбы. Неполные витки резьбы уменьшают размер резьбового соединения и/или обеспечивают лучшее движение любой смазки, наносимой на соединения до сборки.
Явление истирания имеет ряд аспектов. Во-первых, оно может повлиять на различные функциональные части соединения: резьбу при полных и неполных витках резьбы, уплотнительную поверхность или упор. Во-вторых, истирание может отличаться своей степенью: оно может коснуться поверхности части витка резьбы, например, из-за материала, отслаивающегося более чем на несколько сантиметров от острого края полного витка резьбы, однако в более серьезных случаях это также может нанести повреждения нескольким последовательным виткам резьбы над угловым сектором резьбы; например, истирание может быть обусловлено износом 5 последовательных витков резьбы над угловым сектором в 15°.
Истирание также может также отличаться интенсивностью. Весьма незначительное истирание может привести к необходимости повторной непосредственной сборки компонентов; незначительное истирание допускает возможный ручной ремонт на месте поврежденной поверхности и вторую попытку сборки; среднее истирание, при котором происходит отслаивание материала, приведет к бракованию соответствующего трубчатого компонента; серьезное истирание, при котором происходит отслаивание материала с ухудшением геометрических параметров функциональной поверхности, приведет к бракованию соответствующего трубчатого компонента.
Компоненты, поставляемые в скважину, будут транспортироваться, обрабатываться и храниться в условиях агрессивной среды, а это значит, что сборка компонентов не обеспечивается в условиях, считающихся идеальными, и контролируются как при заводских условиях. Компоненты могут быть неправильно расположены относительно друг друга непосредственно перед их сборкой. Эти внешние факторы могут вызвать появление дефектов сборки; вероятность этого мала, однако последствия весьма серьезны в отношении целостности бурильной колонны и эксплуатации газовой или нефтяной скважины.
В нефтяной скважине, пробуренной или эксплуатируемой, компоненты соединены один за другим, заканчиваясь последним компонентом колонны, который постепенно опускается в скважину. Как правило, компонент помещается в вертикальное положение для сборки, поэтому он имеет верхний конец и нижний конец, который предназначен для соединения с верхним концом последнего компонента, введенного в колонну. Во время этой операции компонент обычно удерживается и подвешивается за верхний конец. Им управляет квалифицированный рабочий, который манипулирует нижним концом компонента.
Для того, чтобы ограничить раскачивание компонента и избежать ударов, в частности, на функциональных частях концов, которые должны быть соединены вместе, как правило, применяются направляющие свинчивания.
Направляющая свинчивания (обычно называемая «направляющей при наращивании» в области техники трубчатых компонентов для газовых и нефтяных скважин), как правило, содержит коническую направляющую часть, которая предназначена для приведения ввертного конца в позицию для сборки с соответствующим раструбным концом. Это устройство также предназначено для защиты резьбы ввертного конца от ударов во время фазы подачи. Патент США 4599778 описывает направляющую при наращивании этого типа.
Заявитель выяснил, что интеграция устройства согласно настоящему изобретению с направляющей при наращивании особенно полезна, поскольку это уменьшает количество единиц оборудования и операций, которые должны будут выполняться при сборке трубчатых компонентов, а также поскольку оно имеет эффект снижения риска неправильного позиционирования устройства в соответствии с изобретением.
Соединительное устройство (1) согласно настоящему изобретению на фиг. 2 содержит корпус (2), который может быть расположен и установлен на одном конце трубчатого компонента (11). Корпус (2) имеет ось (21) и по сути цилиндрическое внутреннее пространство (20), в котором может размещаться часть цилиндрического трубчатого элемента. Корпус (2), как правило, изготавливают из двух частей, чтобы облегчить его манипулирование вокруг трубчатого элемента. Две части могут быть установлены посредством шарнирного соединения относительно друг друга.
Корпус (2) может содержать позиционный упор (7) для надлежащего расположения, в частности осевого, корпуса (2). Если устройство предназначено для использования в соединениях типа «с резьбой и муфтой», то позиционный упор (7) располагают таким образом, чтобы он мог опираться на поверхность резьбового конца (16). Позиционный упор (7) может быть использован для повторяющегося осевого размещения устройства и, исходя из этого, для получения более точного представления об осевом позиционировании температурных датчиков (5) (не видно на фиг. 2) относительно функциональных поверхностей соединения.
Соединительное устройство (1) также содержит средство (3) измерения. Средство (3) измерения имеет по сути цилиндрическую внутреннюю форму, выполненную таким образом, чтобы она была близка к форме наружной поверхности конца трубчатого компонента (11), или таким образом, чтобы иметь возможность соответствовать наружной поверхности конца трубчатого компонента (11). Таким образом, средство (3) измерения расположено между корпусом (2) и внутренним пространством (20).
Средство (3) измерения содержит по меньшей мере одну измерительную полосу (31). На фиг. 2 показано несколько измерительных полос (31). Измерительные полосы (31) обычно распределяются таким образом, чтобы покрывать большую часть наружной боковой поверхности одного конца. Каждая измерительная полоса (31) содержит контактный слой (4), содержащий множество температурных датчиков (5), предназначенных для измерения переменных величин, характеризующих значения температуры во множестве точек на наружной поверхности конца трубчатого компонента (11). Контактный слой (4), встроенный в корпус (2), имеет преимущество, заключающееся в том, что слой предоставляет компактное решение и не занимает места на платформе по сравнению с системой тепловизионных камер. Это предоставляет ряд преимуществ: системе, использующей тепловизионные камеры, потребуется 3 тепловизионные камеры для проведения 360° измерений вокруг трубчатого компонента, она сложна в применении на месте, а сами камеры могут преграждаться инструментами или квалифицированным персоналом. Кроме того, контактный слой (4) защищен корпусом (2) от внешнего теплового излучения, вызванного эксплуатацией квалифицированным персоналом, солнцем или оборудованием вокруг скважины.
Измерительные полосы (31) согласно варианту осуществления на фиг. 2 расположены вертикально и распределены радиально. Альтернативно они могут быть расположены горизонтально и распределены аксиально. Вертикальное расположение имеет преимущество, заключающееся в получении идентичных измерительных полос между ними, для устройств, приспособленных к различным внешним диаметрам труб и концов.
На фиг. 5 показан вид в перспективе в разрезе измерительной полосы (31). Измерительная полоса (31) содержит множество температурных датчиков (5), распределенных на подложке (44). Подложка (44) облегчает сборку контактного слоя (4) и улучшает точность расположения датчиков (5). Предпочтительно подложка (44) представляет собой гибкую подложку. Гибкость опоры (44) облегчает расположение датчиков на наружной поверхности конца (11) трубчатого компонента. Сборка может быть выполнена путем скрепления или сварки. Гибкая подложка (44) может, например, представлять собой полиимидный лист, такой как каптон, продаваемый компанией DuPont.
В первом варианте контактный слой (4) содержит температурные датчики (5) термисторного типа.
Во втором варианте контактный слой (4) содержит температурные датчики (5) термопарного типа. Например, термопары типа ТС2741, продаваемые компанией Minco Products Inc. В этом варианте контактный слой (4) может содержать пленочную термопару.
В третьем варианте контактный слой (4) содержит температурные датчики (5) микроболометрического типа. Примерами являются модели, продаваемые компанией INO. Болометр может быть использован для измерения температуры, получаемой от энергии излучения. Принцип работы болометра заключается в преобразовании энергии излучения, достигающей адсорбирующего материала, связанного, как правило, с термистором, в электрическое свойство, характеризующее излучение. В этом последнем варианте контактный слой (4) может не быть в контакте с наружной поверхностью конца трубчатого компонента и сохраняет приемлемый уровень рабочих характеристик, поскольку болометрам не нужно контактировать с поверхностью, подвергаемой измерению, так как болометры проводят измерения инфракрасных излучений. Таким образом, использование болометра означает то, что проблемы с качеством измерения, связанные с любыми геометрическими дефектами наружной поверхности конца трубчатого компонента (11), устраняются. При использовании болометров невозможно использовать защитный слой на измерительных поверхностях микроболометров. Если защитный слой используется, то он должен быть перфорирован, чтобы не закрывать собой микроболометры. Однако датчики микроболометрического типа имеют недостаток по сравнению с термопарами и термисторами, заключающийся в том, что они очень чувствительны к загрязнению.
В другом варианте контактный слой (4) может содержать комбинацию различных типов датчиков, выбранных из термопар, термисторов и болометров.
Контактный слой (4), показанный на фиг. 5, дополнительно содержит защитный слой (41), защищающий датчики от износа. Защитный слой (41) может быть выполнен в виде металлического листа, который обеспечивает хорошую защиту от ударов, трения и износа. Металлический материал является предпочтительным, поскольку он является тем же материалом, что и применимый в трубчатых компонентах, и, следовательно, функционирует аналогичным образом с точки зрения теплопроводности. Металлический лист может быть тонким, тем самым обладая определенной гибкостью. Металлический лист (4lb) может иметь такую форму, чтобы он имел по сути закругленный профиль, что позволит лучше соответствовать закругленному контуру поверхности трубчатого компонента.
Контактный слой (4) также может содержать теплопроводный и электроизоляционный слой (42), покрывающий воспринимающую поверхность датчиков (5) таким образом, чтобы он располагался между датчиком и наружной поверхностью конца компонента (11) и для лучшего отвода тепла к датчику. Теплопроводный и электроизоляционный слой (42) может быть гибким, чтобы улучшить способность средства (3) измерения соответствовать наружной поверхности трубчатого компонента и обеспечить оптимальное соединение между датчиками (5) и поверхностью, подвергаемой измерению. Примерами подходящих материалов являются РС94 и РС93, производимые компанией t-Global Technology, или же ТРСМ FSF-52, производимые компанией Laird Technology.
Когда имеется защитный слой (41), теплопроводный и электроизоляционный слой (42) располагается между защитным слоем (41) и подложкой (44).
Как видно на фиг. 6b, контактный слой (4) может также содержать изоляционный слой (44) для тепловой изоляции температурных датчиков (5). Этот изоляционный слой расположен таким образом, чтобы обеспечить тепловую изоляцию датчиков, за исключением функциональной измерительной поверхности, и определить направление измерения, обращенное, как правило, к поверхности, температура которой должна измеряться. Изоляционный слой улучшает нацеливание измерения.
В одном варианте осуществления, как видно на фиг. 5, устройство в соответствии с настоящим изобретением может дополнительно содержать амортизирующий слой (9) между корпусом (2) и контактным слоем (4). Этот слой обладает растяжимыми свойствами и определенной эластичностью; фактически, указанный амортизирующий слой (9) действует для поддержания контакта между контактным слоем (4) и наружной поверхностью конца трубчатого компонента (11), компенсируя изменения размеров указанного конца, такие как изменения, связанные с допусками в диаметрах, или несовершенства цилиндрической формы.
В одном варианте амортизирующий слой (9) содержит упругий материал, такой как силиконовый или неопреновый пеноматериал.
В других вариантах амортизирующий слой (9) может содержать пружины, выбранные из пружинных колец Clover Dome, гофрированных колец, куполообразных пружин и кольцевых пружин.
Амортизирующий слой (9) может дополнительно содержать, в комбинации с одним из упомянутых выше вариантов, жесткую опору (92) между эластичной опорой, имеющей эластичную структуру, как было описано выше, и контактным слоем (4). Жесткая опора (92) затем располагается между эластичной опорой (91) амортизирующего слоя (9) и контактным слоем (4). Эта жесткая опора может иметь внутреннюю поверхность (93) вогнутой формы, расположенную напротив контактного слоя (4), чтобы придать контактному слою (4) вогнутую форму, что позволяет контактному слою лучше совпадать с выпуклой наружной поверхностью трубчатого компонента.
В варианте осуществления устройства, в котором измерительные полосы изображены на фиг. 4 и 5, устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит множество средств измерения в форме измерительных полос (31), распределенных по окружности, окружающей внутреннее пространство (20).
Как показано на фиг. 7, каждая измерительная полоса (31) средства (3) измерения содержит контактный слой (4), содержащий множество датчиков (5), установленных на опорном слое (44) для измерения переменных величин, характеризующих значения температуры во множестве точек на наружной поверхности конца трубчатого компонента (11). Это множество датчиков упорядочено в матрице внутри каждой измерительной полосы (31) средства (3) измерения. Например, каждая матрица может содержать 8 столбцов по 32 датчика. В каждой измерительной полосе (31) матрица (51) температурных датчиков (5) подключена посредством гибкой соединительной полосы (52) к электронному блоку (34) сбора данных. Гибкая соединительная полоса облегчает компактную интеграцию электронного устройства в измерительное устройство.
Каждый электронный блок (34) сбора данных представляет собой часть первого электронного устройства (33) сбора данных. Каждый электронный блок (34) сбора данных подключен к электронному устройству съема данных. Таким образом, первое электронное устройство сбора данных содержит один или более электронных блоков сбора данных и электронное устройство (35) съема данных, как изображено на фиг. 3.
Каждая измерительная полоса (31) содержит контактный слой (4). Это позволяет улучшить соединение матриц датчиков (5) с наружной поверхностью трубчатого компонента. Это также позволяет термически разъединять матрицы датчиков друг от друга, что может быть целесообразным при низкой разрешающей способности.
Каждая измерительная полоса (31) содержит амортизирующий слой (9). Это частично позволяет механически разделять датчики (5) матриц таким образом, чтобы обеспечить лучшее соединение каждой матрицы датчика с поверхностью трубчатого компонента, подвергаемого измерению, несмотря на геометрические дефекты компонента.
В варианте осуществления на фиг. 5 амортизирующий слой (9) содержит неопреновый пеноматериал. Амортизирующий слой (9) также содержит жесткую опору (92) в форме профилированного металлического листа.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 4 и 5, измерительные полосы (31) выполнены с возможностью распределения по окружности. Альтернативно, измерительные полосы (31) могут быть расположены с распределением вдоль оси. Показанный вариант осуществления является промышленно выгодным, поскольку его можно использовать для изготовления стандартизированных средств измерения. Затем устройство в соответствии с настоящим изобретением подгоняется к диаметру трубчатого компонента, подверженного измерению, по количеству установленных сегментов (31): чем больше диаметр, тем больше унитарно идентичных измерительных полос (31) можно установить.
Устройство в соответствии с настоящим изобретением преимущественно представляет собой направляющую свинчивания (или направляющую при наращивании) и содержит самую верхнюю часть (6), содержащую средства для направления одного конца ввертного компонента. Например, эта часть содержит внутреннюю коническую поверхность (6b), определяющую коническое внутреннее пространство. Эта часть считается «самой верхней», поскольку эта часть является частью, расположенной ближе к вершине во время стандартного использования направляющей свинчивания на месте, причем компонент, как правило, подается сверху для свинчивания с трубчатым компонентом бурильной колонны.
Корпус (2) и по меньшей мере одно средство (3) измерения затем включаются в нижнюю часть направляющей свинчивания и располагаются таким образом, что коническое внутреннее пространство (6b) верхней части переходит в продолжение цилиндрического внутреннего пространства (20). Таким образом, устройство в соответствии с настоящим изобретением интегрируется в инструмент, использование которого известно квалифицированному рабочему на месте. Таким образом, это упрощает использование устройства на месте в соответствии с настоящим изобретением.
Преимущественно соединительное устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит средства для расположения устройства таким образом, чтобы измерительная часть была правильно размещена на наружной поверхности раструбного конца компонента, на уровне по меньшей мере части резьбы устройства. Термин «на уровне» означает осевое положение относительно трубчатого компонента, так что радиус, начинающийся от оси и проходящий через эту функциональную часть, также проходит через измерительную часть «на уровне» функциональной части. Корректное и повторяемое размещение означает то, что влияние такого размещения на выполняемые измерения, характеризующие температуру, может быть сведено к минимуму. Это средство позиционирования может представлять собой позиционный упор (7). Для использования устройства на соединении типа «с резьбой и муфтой», этот позиционный упор (7) может быть расположен таким образом, чтобы опираться на резьбовой конец муфты. Следует понимать, что данный упор может быть расположен по-разному, в зависимости от геометрических параметров соединения. Если подразумевается интегральное соединение, снабженное утолщенной частью, то упор может иметь форму, которая дополняет наружную поверхность указанной утолщенной части или изменения наружного диаметра соединения. Альтернативно, упор может быть заменен визуальным ориентиром, который может быть использован квалифицированным рабочим для осевого выравнивания устройства, например, путем размещения визуального ориентира на высоте конца раструбного соединения.
Устройство в соответствии с настоящим изобретением может быть снабжено закрывающим средством, предназначенным для закрытия и удержания направляющей свинчивания в закрытом состоянии вокруг трубчатого компонента, или же для открытия таким образом, чтобы отсоединять устройство от трубчатого компонента после использования. Закрывающее средство может быть выполнено таким образом, чтобы обеспечить устройство силой зажима, достаточной для того, чтобы устройство могло удерживаться на трубчатом элементе без поддержки извне, а также для того, чтобы обеспечить контакт контактного слоя (4) с трубчатым компонентом, в частности, путем сжатия амортизирующего слоя. Закрывающие средства устройства являются традиционными для направляющих свинчивания, которые уже используется на месте. Закрывающее средство может представлять собой рычажной замок (22), показанный на фиг. 3. Альтернативно замок также может представлять собой замок типа, раскрытого в патенте США 4599778.
В соответствии с одним аспектом, показанным на фиг. 7, соединительное устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит первое электронное устройство (33) сбора данных на каждой измерительной полосе (31), подключенное к множеству датчиков (5), расположенных в контактном слое (4). Предпочтительно датчики (5) расположены в матрице датчиков (33).
Первое электронное устройство (33) сбора данных, подключенное к датчикам (5) измерительной полосы (31), получает сигналы от указанных датчиков (33). Первое электронное устройство (33) сбора данных может содержать на каждой измерительной полосе (31) электронный блок (34) сбора данных, получающий сигналы, характеризующие значение температуры датчиков (5) измерительной полосы (31), на которой установлен этот блок (34); причем первое электронное устройство (33) сбора данных может также содержать электронное устройство (35) съема данных, который получает все данные с различных электронных блоков (34) сбора данных. Таким образом, каждый электронный блок (34) сбора данных способен преобразовывать сигналы, характеризующие значения температуры, полученные от датчиков (33), в поток данных, который затем передается к электронному устройству (35) съема данных посредством асинхронного канала. Например, асинхронный канал представляет собой канал типа RS232, а электронное устройство (35) съема данных представляет собой электронную плату типа ПЛИС. Первое электронное устройство (33) сбора данных содержит средства подачи питания в датчики, модуль преобразования аналогового/цифрового сигнала, средства обработки и средства связи.
Первое электронное устройство (33) сбора данных способно сопоставлять каждый сигнал с соответствующим положением датчика, чтобы обеспечить позиционно-температурную матрицу, в которой значения T(i,j) характеризуют измеренные значения температуры и где символы i и j представляют собой позиционные индексы для различных датчиков контактного слоя (4). Положение также обозначается при помощи позиции E(i,j).
Первое электронное устройство (33) сбора данных подключено ко второму электронному устройству (35) съема данных с помощью средств связи. Эти средства могут быть проводными, например, линия связи Ethernet. В этом случае подачу электроэнергии к датчикам возможно осуществить по каналу связи Ethernet в соответствии с принципом РоЕ. Альтернативно эти средства связи могут быть беспроводными. Например, могут быть использованы протоколы Wi-Fi или Bluetooth. Затем соединительное устройство может быть снабжено батареями для питания датчиков (5) и первого электронного устройства (33) сбора данных.
Таким образом, на практике сбор данных осуществляется одновременно на всех измерительных полосах (31) устройства при определенной скорости. Например, скорость может составлять от 3 до 5 фреймов в секунду. Каждый блок электронного устройства (33) сбора данных представляет собой унитарный фрейм. Каждый унитарный фрейм собирается электронным устройством (35) съема данных, что позволяет восстановить общий фрейм. Каждый фрейм состоит из глобальной матрицы, объединяющей значения T(i,j), предоставляемые каждым датчиком от каждого сегмента. Каждый глобальный фрейм синхронизируется и датируется, а также содержит индикации об ошибках (ошибка в сборе данных, сбой датчика, сбой сегмента и т.д.). Затем глобальный фрейм может быть использован для определения качества сборки трубчатых компонентов.
Это первое электронное устройство сбора данных может быть подключено к системе для демонстрации изображения, отображающего значения температуры в различных позициях E(i,j), например, чтобы квалифицированный работник смог визуализировать нагревание во время сборки.
В качестве альтернативы или в дополнение первое электронное устройство сбора данных может быть подключено ко второму электронному устройству сбора данных.
Основная функция второго электронного устройства сбора данных состоит в том, чтобы выполнять функцию определения появления истирания. Это второе электронное устройство сбора данных может быть экспортировано для того, чтобы было возможным использование более мощных, по сравнению с автономным бортовым электронным устройством, вычислительных средств на корпусе (2). Другим соответствующим преимуществом является возможность использования большего объема памяти, которая может содержать базу данных, составленную из критических значений для нескольких позиций нескольких моделей и диаметров резьбовых соединений. Эти критические значения, как правило, определяются экспериментально для ряда свинчиваний для различных моделей и диаметров соединения, свинчиваний, для которых аномалии свинчивания генерируются искусственно, чтобы вызвать различные степени истирания. Эти критические значения могут представлять собой пороговые значения, которые применимы к временным функциям изменения значений температуры разных позиций E(i,j) или групп позиций ΣE(i,j).
Эти критические значения изменяются в зависимости от используемого материала и геометрических параметров каждого соединения, которые налагают условия в отношении трения, такие как коэффициент трения, состояние поверхности, давление в зоне контакта, и, таким образом, оказывают влияние на генерируемое нагревание. Именно по этой причине необходимо создать базу данных для различных пороговых значений нагревания в зависимости от моделей соединения, чтобы сделать обнаружение дефектов сборки более надежным.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения второе электронное устройство (36) обработки данных может быть снабжено временной функцией для измерения изменения значений температуры T(i,j), которое определяет возможное предупреждение об истирании в виде функции изменения значений температуры T(i,j). Несколько временных функций подробно описаны ниже.
Функция обнаружения также может быть использована не только для каждой позиции E(i,j), но и для смежного ряда позиций ΣE(i,j), чтобы применять функцию к зонам соединения, а не к точным позициям. Это значит, что пороговая функция не только может обнаруживать истирание во время сборки, но также может определять степень истирания, определяя размер зоны с аномальным показателем нагрева.
k
k
k
k
Для достижения этой цели поверхность, подвергаемая измерению, на практике делится на сектора S. Каждый сектор S содержит ряд датчиков C(i,j), соответствующих позициям E(i,j) группы ΣE(i,j). Среднее значение температуры T каждого сектора вычисляется на основе значений T(i,j) ⊂ S.
k
Также возможно разделить многократно поверхность, подлежащую измерению, на сектора S, для того, чтобы создавать сектора разных размеров.
k
k
Первое разделение можно выполнить на прямоугольные сектора S с шириной, соответствующей ширине витка резьбы, и длиной, соответствующей ширине измерительной полосы. Второе разделение можно выполнить на прямоугольные сектора S' с шириной, соответствующей ширине 5 витков резьбы, и длиной, соответствующей ширине измерительной полосы. Эти примеры являются иллюстративными, однако сектора могут быть определены любой формой, подходящей модели соединения, на которой проводятся измерения.
0
0
threshold
В первом варианте второе электронное устройство (36) обработки данных снабжено пороговой функцией. Температура, измеряемая на позиции E(i,j) поверхности посредством средства (3) измерения варьируется между исходной температурой T(i,j)[t] в начале сборки и температурой T(i,j) [t] в ходе проходящего в данный промежуток времени [t] свинчивания. Когда температура T(i,j)[t] достигает или превышает T(i,j) [t]+ΔT(i,j), устройство отправляет пользователю информацию о возникновении истирания.
threshold
При простом подходе, удовлетворительные результаты были получены посредством фиксации данного порогового значения ΔT на показателе 10°С на резьбе. Удовлетворительные результаты были получены посредством фиксации данного порогового значения на показателях 3°С или 6°С на уплотнительной поверхности.
Например, для соединения, относящегося к позиции E(i,j) и обладающего исходной температурой 30°С перед проведением свинчивания на наружной поверхности части компонента, обращенного к резьбе, достижение значения 40°С или более на той же позиции E(i,j) может быть истолковано как обусловленное возникновением истирания на уровне витка резьбы.
Следует также понимать, что пороговое значение зависит от рассматриваемой позиции E(i,j), в том смысле, что оно соответствует поверхности, обращенной к полному витку резьбы, исчезающему витку резьбы, к уплотнительной поверхности или к упору.
T
T
T
T
В другом варианте вычисляется скорость изменения температуры V(i,j) и когда скорость изменения превышает предварительно определенное пороговое значение ΔV(i,j) для минимального числа значений V(i,j) зоны ΣE(i,j), то предоставляется предупреждение об истирании. Пороговое значение ΔV(i,j) определяется в качестве функции соединения, при необходимости, как функция скорости свинчивания. Например, становится понятно, что труба маленького диаметра может быть прикручена быстрее, чем труба большого диаметра.
В другом варианте пороговые функции изменения значения температуры и скорости изменения значения температуры, как те, что были описаны выше, могут быть использованы параллельно или в комбинации для обнаружения возникновения истирания.
В другом варианте осуществления алгоритм обнаружения объединяется с обнаружением крутящего момента за оборот для того, чтобы дополнительно повысить точность обнаружения.