УСТАНОВОЧНЫЙ КРОНШТЕЙН ДЛЯ ТЕНЗОДАТЧИКА
INSTALLATION BRACKETS FOR STRAIN GAUGE TRANSDUCER

Заявление приоритета
[0001] Эта заявка является международной заявкой на национальной фазе США № PCT/US 2013/077990, поданной 27 декабря 2013 г.
Область техники
[0002] Настоящее изобретение относится к устройству для установки датчиков на участки трубы.
Уровень техники
[0003] При бурении скважин для извлечения из земли жидких нефтепродуктов обычно используется любой из множества различных способов работы и видов оборудования. Согласно одному общеизвестному способу буровое долото вращают в соприкосновении с подземной формацией для бурения скважины. Буровое долото могут вращать в буровой скважине путем передачи ему вращательного движения бурильной колонны, присоединенной к буровому долоту, и/или с помощью вращательного усилия, прикладываемого к буровому долоту от подземного двигателя буровой установки, получающего энергию от потока бурового раствора, подаваемого вниз по бурильной колонне и через скважинный двигатель.
[0004] Поток бурового раствора может проявлять изменения в давлении. Эти изменения в давлении могут приводить к изменениям размера неразъемных конструкций, таких как трубопровод, по которому буровой раствор проходит к бурильной колонне и от нее. Измерители деформаций используют для определения и измерения абсолютных изменений размера неразъемных конструкций, таких как трубопровод для бурового раствора, однако такие изменения происходят в целом очень медленно и являются сложными для наблюдения посредством известного оборудования и способов измерения.
Краткое описание чертежей
[0005] На фиг. 1 представлен перспективный вид приведенной в качестве примера установочного приспособления оптического датчика.
[0006] На фиг. 2 и 3 представлены разобранный и перспективный виды еще одного приведенного в качестве примера установочного приспособления оптического датчика.
[0007] На фиг. 4 представлена концептуальная модель приведенного в качестве примера установочного приспособления оптического датчика в напряженном состоянии.
[0008] На фиг. 5 представлена концептуальная модель приведенного в качестве примера установочного приспособления оптического датчика в напряженном состоянии.
[0009] На фиг. 6 представлена еще одна концептуальная модель приведенного в качестве примера установочного приспособления оптического датчика в напряженном состоянии.
Осуществление изобретения
[0010] Этот документ описывает системы и способы для установки креплений датчика на трубопровод бурового раствора (также именуемого в данной области промышленности как буровой шлам) на буровых установках. Устройства, описанные в этом документе, могут быть использованы для установки нескольких различных типов оптических датчиков, содержащих датчики температуры, давления и/или тензодатчики. Некоторые из этих датчиков могут быть оптическими датчиками и измерителями, основанными на принципах действия волоконной решетки Брэгга и/или интерферометра Фабри-Перо.
[0011] В целом, установочные приспособления оптического датчика зажимают, прикрепляют или другим способом присоединяют к наружной поверхности одной или более труб в системе трубопровода бурового раствора. Текучая среда (например, буровой раствор), протекающая через трубу, прикладывает направленную наружу силу давления к трубе, обуславливая незначительные изменения в диаметре трубы, который изменяется в зависимости от давления находящейся внутри текучей среды. Установочные приспособления оптического датчика механически передают, а в некоторых вариантах реализации увеличивают или уменьшают изменения в диаметре трубы одному или более датчикам. Выходные сигналы таких датчиков могут быть обработаны для наблюдения за изменениями диаметра трубы. Изменения в диаметре трубы могут быть обработаны с использованием известных физических характеристик труб высокого давления, как описано, например, в книге “Pressure Vessel Design Manual”, Dennis Moss. Обнаружение указанных изменений может позволять обнаружение импульсов скважинного давления, причем указанные импульсы давления могут передавать определенную информацию или данные, примеры которой описаны в патентах США 7480207B2 и США 7404456B2, заявитель Halliburton.
[0012] На фиг. 1 представлен перспективный вид приведенном в качестве примера установочном приспособлении 100 оптического датчика. Установочное приспособление 100 в целом является круглым механическим зажимом, имеющим внутренний диаметр 102, выполненный с таким размером, чтобы вмещать наружный диаметр трубы (не показано), на которую требуется установить установочное приспособление 100. Установочное приспособление 100 содержит три основных участка, включая нижний гибкий участок 120, первый верхний гибкий участок 140 и второй верхний гибкий участок 160.
[0013] Нижний гибкий участок 120 является в целом полукруглым дугообразным участком, имеющим крайний конец 122a в крепежной лапке 124a и крайний конец 122b в крепежной лапке 124b. Крепежная лапка 124a образована в целом перпендикулярно крайнему концу 122a, а крепежная лапка 124b образована в целом перпендикулярно крайнему концу 122b. Крепежная лапка 122a содержит отверстие 126a, а крепежная лапка 122b содержит отверстие 126b, отверстия 126a-126b для приема съемного соединителя (не показано), такого как болт или другой подходящий крепежный элемент.
[0014] Нижний гибкий участок 120 имеет толщину 128. Нижний гибкий участок 120 содержит подучасток 130, имеющий толщину 132, которая меньше толщины 128. В некоторых вариантах реализации при деформации нижнего гибкого участка 120 относительно меньшая толщина 132 подучастка 130 может обуславливать по меньшей мере частичную концентрацию деформации нижнего гибкого участка 120 вдоль подучастка 130.
[0015] Верхний гибкий участок 140 содержит дугообразный участок 142, в целом выполненный в форме четверти круга, завершающийся в крайнем конце 143 в крепежной лапке 144 и крайнем конце 146 в крепежной лапке 148. Крепежная лапка 144 образована в целом перпендикулярно крайнему концу 143 и содержит отверстие 150 для приема съемного соединителя (не показано), такого как болт или другой подходящий крепежный элемент, при выравнивании отверстия 150 с отверстием 126a для соединения верхнего гибкого участка 140 с нижним гибким участком 120 с возможностью отсоединения.
[0016] Крепежная лапка 148 образована в целом по касательной относительно крайнего конца 146 и содержит узел 152 шарнирного пальца, содержащий отверстие 153, образованное параллельно центральной продольной оси 103 установочного приспособления 100. Отверстие 153 образовано для приема съемного соединителя (не показано), такого как болт или другой подходящий крепежный элемент.
[0017] Рычаг 154 крепления датчика отходит в целом перпендикулярно от верхнего гибкого участка 140. Рычаг 154 крепления датчика содержит по меньшей мере одно приемное углубление 156, выполненное с таким размером, чтобы принимать и удерживать конец 192a датчика 190, такого как измеритель деформаций, оптический датчик, волоконная решетка Брэгга, интерферометр Фабри-Перо или любой другой подходящий датчик.
[0018] Верхний гибкий участок 160 содержит дугообразный участок 162, в целом выполненный в форме четверти круга, завершающийся в крайнем конце 163 в крепежной лапке 164 и крайнем конце 166 в крепежной лапке 168. Крепежная лапка 164 образована в целом перпендикулярно крайнему концу 163 и содержит отверстие 170 для приема съемного соединителя (не показано), такого как болт или другой подходящий крепежный элемент, при выравнивании отверстия 170 с отверстием 126b для соединения верхнего гибкого участка 160 с нижним гибким участком 120 с возможностью отсоединения.
[0019] Крепежная лапка 168 образована в целом по касательной относительно крайнего конца 166 и содержит узел 172 шарнирного пальца, содержащий отверстие 174, образованное параллельно центральной продольной оси 103 установочного приспособления 100. Отверстие 174 образовано для приема съемного соединителя (не показано), такого как болт или другой подходящий крепежный элемент, при выравнивании с отверстием 153.
[0020] Рычаг 175 крепления датчика отходит в целом перпендикулярно от верхнего гибкого участка 160. Рычаг 175 крепления датчика содержит по меньшей мере одно приемное углубление 176, выполненное с таким размером, чтобы принимать и удерживать конец 192b датчика 190.
[0021] Установочное приспособление 100 содержит несколько регулировочных стержней 180. Регулировочные стержни проходят через установочное приспособление 100 внутрь радиально по направлению к продольной оси 103 установочного приспособления 100 через несколько регулировочных отверстий 181. Внутренний конец каждого из регулировочных стержней 180 завершается в посадочной прокладке 182. Регулировочные стержни 180 и посадочные прокладки 182 образуют несколько регулировочных узлов 184, образованных для перемещения регулировочных стержней 180 и посадочных прокладок 182 в регулируемый контакт с трубой, на которой требуется установка установочного приспособления 100. В некоторых вариантах реализации регулировочные узлы 184 могут содержать охватывающие резьбы в каждом из регулировочных отверстий, и регулировочные стержни 180 могут содержать по меньшей мере участок с охватываемой резьбой, выполненной с возможностью приема в охватывающей резьбе. В некоторых вариантах реализации прокладки сжатия могут быть прикреплены к посадочным прокладкам 182. В некоторых вариантах реализации прокладки сжатия могут содержать слои поглощающего вибрацию и акустический шум материала.
[0022] В собранном состоянии по существу в ненапряженной, или заданной напряженной, или в деформированной конфигурации рычаги 154 и 175 крепления датчика обращены по существу параллельно друг другу. В такой по существу параллельной конфигурации датчики 190 подвергаются по существу одинаковой нагрузке. Например, два датчика 190 в приведенной в качестве примера параллельной конфигурации могут обеспечивать по существу одинаковые выходные сигналы, которые могут быть использованы для нейтрализации конфигураций дифференциального измерения синфазных помех.
[0023] В некоторых вариантах реализации установочное приспособление 100 может быть с возможностью отсоединения прикреплено к трубе путем расположения крепежного элемента через отверстия 126a и 150 и путем расположения другого крепежного элемента через отверстия 126b и 170, без крепежного элемента от узлов 152, 172 шарнирного пальца. В такой приведенной в качестве примера конфигурации при изменении трубы в диаметре (например, вследствие изменений в давлении текучей среды внутри трубы) незакрепленные узлы 152, 172 шарнирного пальца могут незначительно отделяться, обеспечивая перемещение рычагов 154 и 175 крепления датчика от их по существу параллельной ненапряженной конфигурации. При расхождении рычагов 154 и 175 крепления датчика на датчики 190, установленные на различных радиальных участках на рычагах 154 и 175 крепления датчика, будет воздействовать различная нагрузка. В некоторых вариантах реализации различная нагрузка может обеспечивать образование дифференциального сигнала датчиками 190, который может быть обработан для определения абсолютного давления текучей среды в трубе или его изменения.
[0024] Со ссылкой на фиг. 4 изображен упрощенный вариант установочного приспособления 100 для иллюстрации одного примера эффекта воздействия нагрузки на установочное приспособление 100. В изображенном примере верхние гибкие участки 140, 160 с возможностью отсоединения прикреплены к нижнему гибкому участку 120 посредством пары болтов 410, а ограничительный болт (здесь не показано) введен в отверстия 153, 174. При зажиме установочного приспособления 100 вокруг трубы (не показано), по существу не находящейся под давлением, и, следовательно, по существу неувеличенное установочное приспособление 100 может быть выполнено в конфигурации, изображенной сплошными линиями. При нахождении трубы под давлением будет обеспечено расширение стенок трубы. Это расширение обусловит схождение или сближение другим образом рычагов 154 и 175 крепления датчиков, принимающего форму конфигурации, изображенной прерывистыми линиями.
[0025] Также со ссылкой на фиг. 1, в некоторых вариантах реализации, соединительная пластина 195 может быть с возможностью отсоединения прикреплена к дальним в радиальном направлении концам рычагов 154 и 175 крепления датчика относительно друг друга, обеспечивая механическое соединение рычагов 154 и 175 крепления датчика друг к другу. Путем соединения рычагов 154 и 175 крепления датчика друг с другом посредством соединительной пластины 195, перемещение рычагов 154 и 175 крепления датчика может быть изменено при расширении и сужении трубы. В некоторых вариантах реализации соединительная пластина 195 может быть использована для способствования установке установочного приспособления 100 вокруг трубы. Например, соединительная пластина 195 может быть использована для временного закрепления верхних гибких участков 140, 160 во время сборки и может быть убрана после прикрепления верхних гибких участков 140, 160 к нижнему гибкому участку 120.
[0026] Со ссылкой на фиг. 5 и 6 изображены упрощенные варианты установочного приспособления 100 для иллюстрации эффекта соединительной пластины 195 на гибкость установочного приспособления 100. На фиг. 5 представлена концептуальная приведенная в качестве примера конфигурация 500 установочного приспособления 100 без соединительной пластины 195 и без ограничительного болта. В приведенной в качестве примера конфигурации 500 при расширении трубы (не показано) внутри установочного приспособления 100 обеспечивается перемещение рычагов 154 и 175 крепления датчика от их по существу ненапряженной или предварительно напряженной конфигурации, как изображено прерывистыми линиями, относительно в стороны в напряженную конфигурацию, изображенную сплошными линиями. В целом, без наличия соединительной пластины 195 на своем месте дальние в радиальном направлении концы 510 рычагов 154 и 175 датчика будут перемещаться относительно дальше друг от друга, чем расположенные ближе в радиальном направлении участки 520 рычагов 154 и 175 датчика.
[0027] В некоторых вариантах реализации при увеличении диаметра D трубы, находящейся под давлением, на X напряжение может быть выражено соотношением X/D. Такое же смещение X, приложенное на более коротком расстоянии L между рычагами расширения может приводить к увеличению напряжения, вследствие X/L>>X/D.
[0028] На фиг. 6 представлена концептуальная приведенная в качестве примера конфигурация 600 установочного приспособления 100 с соединительной пластиной 195, прикрепленной к рычагам 154 и 175 крепления датчика, без ограничительного болта. В приведенной в качестве примера конфигурации 600, так как труба (не показано) расширяется внутри установочного приспособления 100, соединительная пластина 195 частично ограничивает перемещение дальних в радиальном направлении концов 510, обеспечивая перемещение ближних в радиальном направлении участков 520 рычагов 154 и 175 крепления датчика от их по существу ненапряженной или предварительно напряженной конфигурации, как изображено прерывистыми линиями, относительно в стороны в напряженную конфигурацию, изображенную сплошными линиями. В целом, при наличии соединительной пластины 195 на своем месте ближний в радиальном направлении участок 520 рычагов 154 и 175 крепления датчика будут перемещаться относительно дальше друг от друга, чем расположенные дальше в радиальном направлении концы 510 рычагов 154 и 175 датчика. При использовании соединительной пластины 195 расширение диаметра трубы, которое может быть выражено как dD=X, может приводить к минимальному увеличению Xmin верхнего зазора на концах рычагов 154 и 175 крепления датчика рядом с соединительной пластиной, причем значение Xmin близко нулю, с дополнительным и относительно большим значением увеличения Xmax в расстоянии между рычагами на участке ближе к трубе, причем Xmax может быть приблизительно выражено как Xmax=~PI⋅X.
[0029] Также со ссылкой на фиг. 1, в некоторых вариантах реализации шарнирный палец (не показано) может быть введен через отверстия 148, 168 рычагов 154 и 175 крепления датчика. Путем размещения шарнирного пальца в отверстиях 148, 168 при расширении и сокращении трубы поворот расхождения рычагов 154 и 175 крепления датчика будет происходить вокруг шарнирного пальца. Например, при расширении трубы рычаги 154 и 175 крепления датчика могут расходиться от их по существу параллельной ненапряженной конфигурации, а рычаги будут перемещены внутрь под углом по направлению друг к другу.
[0030] В некоторых вариантах реализации шарнирный палец может быть выполнен с возможностью сжатия или другой деформации или может содержать выполненную с возможностью сжатия или другой деформации оболочку вокруг по существу несжимаемого центрального стержня. В некоторых вариантах реализации использование выбранных выполненных с возможностью сжатия или деформации компонентов для шарнирного пальца может обеспечивать выбираемую модификацию сближения или расхождения рычагов 154 и 175 крепления датчика. Например, путем включения сжимаемого шарнирного пальца в узлах 152, 172 шарнирного пальца может обеспечиваться уменьшенное отделение узлов 152, 172 шарнирного пальца относительно перемещения, которое может возникать с использованием шарнирного пальца, выполненного без возможности деформации, или без его использования.
[0031] В некоторых вариантах реализации изобретения соединительная пластина 195 может быть выполнена с выбранным пружинным коэффициентом. Например, жесткость соединительной пластины 195 может быть выбрана для избирательного изменения расхождения рычагов 154 и 175 крепления датчика в условиях различных конфигураций нагрузки. В некоторых вариантах осуществления один или более датчиков могут быть установлены на соединительную пластину 195. Например, датчики могут быть выполнены с возможностью образования сигналов, указывающих на напряжение при растяжении, напряжение сжатия или напряжение при изгибе на соединительной пластине 195. В некоторых вариантах реализации один или более датчиков могут быть установлены между внутренними поверхностями рычагов 154 и 175 крепления датчика и/или в любом другом подходящем участке 120, 140 и/или 160. Например, датчик нагрузки может быть установлен между рычагами 154 и 175 крепления датчика для образования сигнала в ответ на относительные перемещения по направлению внутрь или наружу рычагов 154 и 175 крепления датчика.
[0032] Несмотря на то, что настоящий пример изображен и описан как содержащий четыре набора регулировочных узлов 184, различные варианты реализации могут содержать любое подходящее количество регулировочных узлов 184, установленных через соответствующие регулировочные отверстия 181. Например, один из регулировочных узлов 184 может быть установлен на верхний гибкий участок 140, а еще один из регулировочных узлов 184 может быть установлен в регулировочном отверстии 181, расположенном в нижнем гибком участке 120 приблизительно на 180 градусов далее. В другом примере один из регулировочных узлов 184 может быть установлен в каждом из верхних гибких участков 140, 160, а третий из регулировочных узлов 184 может быть установлен в регулировочном отверстии 181, расположенном в центральном участке подучастка 130.
[0033] На фиг. 2 и 3 представлены разобранный и перспективный виды еще одного приведенного в качестве примера установочного приспособления 200 оптического датчика. В целом, установочное приспособление 200 с возможностью отсоединения или постоянно присоединено к трубе 201 для механической передачи изменений в диаметре трубы 201 нескольким датчикам 202, таким как измерители деформаций, оптические датчики, волоконные решетки Брэгга, интерферометры Фабри-Перо или любые другие подходящие датчики.
[0034] Установочное приспособление 200 содержит пару установочных блоков 210, каждый из которых имеет ближнюю поверхность 212 и дальнюю поверхность 214. Ближние поверхности 212 выполнены с возможностью примыкания к наружной поверхности 203 стенки 204 трубы 201 и на расстоянии приблизительно 180 градусов друг от друга.
[0035] Установочное приспособление 200 содержит пару рычагов 220 крепления датчика. Один из рычагов 220 крепления датчика с возможностью отсоединения присоединен к каждому из дальних поверхностей 214 посредством нескольких крепежных элементов 222, таких как болты, винты или другие подходящие соединители. Каждый рычаг 220 крепления датчика содержит приемное углубление 224, выполненное с возможностью приема и удержания конца 232 стержня 230 штока. Концы 232 дополнительно удерживаются крепежными элементами 231, такими как гайки, установочный штифт или другие подходящие соединители. В некоторых вариантах реализации изобретения концы 232 и крепежные элементы 231 могут образовывать механизм регулировки натяжения для стержня 230 штока. Например, регулировочный механизм может содержать охватываемую резьбу по меньшей мере на одном из концов 232 стержня 230 штока, а крепежные элементы 231 могут содержать охватывающую резьбу, выполненную с возможностью взаимодействия с охватываемой резьбой стержня 230 штока. В таких примерах крепежные элементы 231 могут быть ввинчены вдоль концов 232 для регулирования натяжения вдоль стержня 230 штока.
[0036] Стержень 230 штока содержит по меньшей мере одно продольное приемное углубление 234 в наружной поверхности стержня 230 штока. Каждое из продольных приемных углублений 234 образовано для приема и удержания одного из датчиков 202. Стержень 230 штока имеет первую площадь 236 поперечного сечения на центральном участке одного из продольных приемных углублений 234 и вторую площадь 238 поперечного сечения на центральном участке другого из продольных приемных углублений 234. В соответствии с настоящим описанием площади поперечного сечения могут быть одинаковыми или разными.
[0037] В некоторых вариантах реализации магнит 240 расположен в приемном углублении 242, образованном в каждой из ближних поверхностей 212 установочных блоков 210. Магниты 240 содержат первую поверхность 244, выполненную с возможностью примыкания к наружной поверхности 203 стенки 204 трубы 201, и поверхность 246, выполненную с возможностью примыкания к установочным блокам 210. В некоторых вариантах реализации установочное приспособление 200 может быть установлено на трубу 201 посредством магнитов 240. В некоторых вариантах реализации установочное приспособление 200 может быть установлено на трубу 201 посредством сварки, склеивания или прикрепления другим способом установочных блоков 210 к трубе 201.
[0038] Установочное приспособление 200 собрано в заранее определенном напряженном состоянии, в котором рычаги 200 крепления датчик в целом параллельны друг другу, а стержень 230 штока установлен в целом перпендикулярно продольной оси каждого из рычагов 220 крепления датчика. Давление текучей среды, протекающей через трубу 201, прикладывает давление к стенке 204, обуславливая изменения в диаметре наружной поверхности 203. При изменении диаметра также изменяется расстояние между установочными блоками 210. Так как установочные блоки 210 соединены друг с другом через рычаги 220 крепления датчика и через стержень 230 штока, при расширении и сжатии трубы 201 обеспечивается расширение или сжатие и/или изгиб стержня 230 штока. Датчики 202, установленные в приемных углублениях 234, расширяются, или сжимаются, и/или сгибаются вместе со стержнем 230 штока и обеспечивают сигналы, изменяющиеся как функция гибкости и напряжения сжатия или напряжения при растяжении в стержне.
[0039] В некоторых вариантах реализации первая площадь 236 поперечного сечения может отличаться от второй площади 238 поперечного сечения. В таких вариантах реализации скорость расширения, или сжатия, или изгиба первой площади 236 поперечного сечения отличается от второй площади 238 поперечного сечения относительно расширения и сжатия трубы 201, а различные скорости расширения, или сжатия, или изгиба могут обуславливать различные нагрузки на датчики 202. В некоторых вариантах реализации различная нагрузка в датчиках может обеспечивать образование дифференциального сигнала, который может быть обработан для определения абсолютного давления текучей среды в трубе или его изменений. В некоторых вариантах реализации толщина стержня 230 штока, первая область 236 поперечного сечения и вторая площадь 238 поперечного сечения могут быть образованы для избирательного определения степени сжатия, натяжения или изгиба, образованного вдоль стержня 230 штока и/или между датчиками 202.
[0040] Хотя ранее были подробно описаны несколько вариантов реализации, возможно создание других модификаций. Например, в логических блок-схемах для получения требуемых результатов не требуется соблюдение конкретной показанной очередности выполнения, или последовательного выполнения. Кроме того, могут быть предусмотрены другие этапы, или этапы могут быть исключены из описанных технологических последовательностей, а также другие компоненты могут быть добавлены к описанным системам или удалены из них. Соответственно, другие варианты реализации входят в объем следующей формулы изобретения.