用于感测危险评级环境中的接合的系统和方法与流程

相关申请案的交叉引用

此非临时专利申请案主张2015年5月22日提交的标题为“感测危险评级环境中的接合的电学方法(electricmethodofsensingengagementinhazardousratedenvironments)”的美国临时申请案第62/165,600号的优先权，所述申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。

实例实施例大体上涉及感测危险环境中的接合，且更确切地说，涉及油气行业中用于感测钻井设备中的立管工具与立管联轴器的适当接合的系统和方法。

背景技术：

在钻井或海上井开采中，立管可延伸于船舶或平台与井口之间。立管可长至数千英尺，且可由连续立管区段组成。在立管降入适当位置时，具有邻近末端的立管区段可连接到船舶或平台上。例如扼流器、压井和/或增压管线的辅助管线可沿着立管的侧延伸以与井口连接，从而使得流体可朝下流通到井口中以用于各种目的。以端对端关系连接立管区段包括轴向且成角度地对准两个立管区段，所述立管区段包括辅助管线，从而使上部立管区段的管状部件降入下部立管区段的管状部件中，并将所述两个管状部件彼此锁定来以端对端关系固持所述管状部件。

立管区段连接过程可要求大量操作员参与所述过程，这可能会使操作员遭受损伤并感到疲劳。举例来说，所述过程随时间推移的重复本质可能产生重复运动损伤的风险并增加潜在人为差错。因此，油田行业中的操作员通常希望能自动化其钻井设备，尤其是感测两个组件之间的适当接合的设备。

技术实现要素：

一个实例实施例为一种用于感测立管工具与立管联轴器的接合的立管传感器单元。所述立管传感器单元包括：附接到所述立管工具的接头的第一传感器，所述第一传感器被配置成在检测到接触所述立管联轴器之后生成第一信号；以及固有安全阻挡层，其被配置成将所述第一信号传输到控制系统。

另一实例实施例为一种用于感测立管联轴器中的接合的系统，所述系统包括：被配置成与所述立管联轴器接合的立管工具；以及立管传感器单元，其包括用于将交流电转换成直流电的电力供应单元、可操作地连接到所述电力供应单元的固有安全阻挡层，以及由所述电力供应单元供电且被配置成将信号传输到控制系统的多个传感器。

另一实例实施例为一种用于感测立管工具与立管联轴器的接合的方法。所述方法包括：将第一传感器附接到所述立管工具，所述第一传感器被配置成在感测到接触所述立管联轴器之后生成第一信号；将所述第一传感器连接到固有安全阻挡层；以及由所述固有安全阻挡层将所述第一信号传输到控制系统。

附图说明

为了达到且可以更加详细地理解使本发明的特征、优势和目标以及其它特征、优势和目标变得显而易见的方式，上文简单概括的本发明的更特定描述可参考附图中所说明的本发明的实施例，所述附图形成本说明书的部分。然而，应注意，图式仅说明本发明的实例实施例，且因此不应被视为限制本发明的范围，这是因为本发明可准许其它同等有效的实施例。

图1a说明根据本发明的一个或多个实例实施例的立管联轴器中的立管传感器单元的横截面图。

图1b说明根据本发明的一个或多个实例实施例的立管联轴器中的立管传感器单元的截面透视图。

图2a到2b说明根据本发明的一个或多个实例实施例的立管联轴器中的立管传感器单元的截面透视图。

图3a到3c说明根据本发明的一个或多个实例实施例的立管联轴器中的立管传感器单元的截面透视图。

图4为根据本发明的一个或多个实例实施例的系统的说明性示意图。

图5为根据本发明的一个或多个实例实施例的系统的说明性示意图。

具体实施方式

现将参考其中示出实施例的附图在下文中更全面地描述本发明的系统和方法。本发明的系统和方法可呈许多不同形式，且不应被理解为限于本文中阐述的所说明实施例；实际上，提供这些实施例是为了使本发明将是透彻且完整的，并且这些实施例将把本发明的范围完整地传达给所属领域的技术人员。相同数字始终指代相同元件。

应进一步理解，本发明的范围不限于所示出和描述的构造、操作、确切材料或实施例的确切细节，这是因为所属领域的技术人员将显而易见众多修改和等效物。在图式和说明书中已公开了说明性实施例，且尽管利用了特定术语，但所述术语仅用于一般和描述性意义而非出于限制性目的。另外，在以下描述中，应理解如“内部”、“外部”、“上部”、“下部”、“顶部”、“底部”、“第一”、“第二”等的此类术语为便利性词语且不应理解为限制性术语。

图1a示出可使用本发明的技术自动化的工具的一个实例。具体来说，图1a说明系统100，其包括被配置成与下部立管区段16接合的上部立管区段或立管工具112。此接合可使用立管联轴器114实现，所述联轴器的外径上可具有环圈20。立管工具112可使用例如锁簧18的若干构件与立管联轴器114接合，所述锁簧可安装在工具112的外径上，且可与形成于立管联轴器114的内部上的对应齿廓接合。另一锁定机构可包括机械封锁系统，其可包括可用于与拉杆15接合的板或封锁部件(未示出)。多个拉杆15可沿着下部区段16的周界安装并穿过环圈20，以将立管工具112与立管联轴器114适当地接合。

尽管本文中所公开的实例实施例中说明和描述立管工具，但本发明不限于此类布置。举例来说，所公开的实例实施例可实施于任何油田设备中，包括但不限于：立管处理工具、立管送入工具、水下送入或处理工具、套管送入或处理工具，和常平架或三脚架。

图1b说明根据本发明的一个或多个实例实施例的立管工具112中的立管传感器单元22的截面透视图。立管传感器单元22可安装在立管工具112的接头24上，以用于感测立管工具112与立管联轴器114的接合。立管传感器单元22可包括接近度传感器，例如电感式传感器，其可安装在立管工具112的接头24的主体中，使得传感器中的换能器朝下面向接头24的底部表面。接近度传感器可被配置成在检测到接触立管联轴器114之后，生成正或负相信号。接近度传感器可连接到固有安全阻挡层(未示出)，其可被配置成将所述信号从接近度传感器传输到例如分布式控制系统(dcs)或主控式控制系统(mcs)的控制系统，以致使在从接近度传感器接收到所述信号之后延伸液压系统10。液压系统10可用以在接近度传感器感测到与立管联轴器114的适当接合后即刻将工具112锁定到适当位置。

图2a到2b说明根据本发明的一个或多个实例实施例的立管联轴器中的立管传感器单元200的截面透视图。单元200可包括接近度传感器122，例如电感式传感器，其可安装在例如封锁板的封锁部件124上，所述封锁部件可用作次级锁定件以将立管工具112与立管联轴器114接合。接近度传感器122可被配置成当封锁部件124接触工具112时生成正或负相信号。替代地或另外，接近度传感器122可在传感器处于离立管工具112的导杆预定距离内时生成正或负相信号。替代地或另外，传感器122可检测形成于立管工具112的导杆的外径上的标记区或凹陷125，其可指示次级锁定件未接合，且如果未检测到标记区或凹陷125，则传感器122可感测到次级锁定件处于接合位置或反过来。

图3a到3c说明根据本发明的一个或多个实例实施例的立管联轴器114中的立管传感器单元300的截面透视图。立管传感器单元300可包括沿着立管工具112的导杆的外径安装的第三组传感器106、108，例如如图3a中所说明。传感器106可被配置成在检测到导杆的外径上的标记区或凹陷102，并确定立管导杆处于例如如图3b中所说明的提升和锁定位置之后，生成正或负相信号。标记区或凹陷102可包括可形成于导杆112的外径上的有色条带或竖直或水平槽。第三组传感器106、108可安装在安装托架120上，且可连接到固有安全阻挡层(未示出)，使得固有安全阻挡层将所述信号从这些传感器106、108传输到例如dcs或mcs的控制系统。控制系统可致使在确定立管导杆处于提升和锁定位置之后，提升立管工具112或立管联轴器114。

在另一实例实施例中，立管传感器单元300可包括沿着立管工具112的导杆的外径安装的第四组传感器110、116。传感器110可被配置成在检测到导杆的外径上的非标记区，并确定立管工具处于例如图3c中所说明的解锁位置之后，生成正或负相信号。第四组传感器110、116可安装在安装托架118上，且可连接到固有安全阻挡层，使得固有安全阻挡层将所述信号从这些传感器传输到控制系统，以致使当确定立管工具112处于解锁位置时从立管联轴器114收回立管工具112。在一些实施例中，第四组传感器可是冗余的，从而增加系统300的安全性和可靠性。第一、第二、第三和第四组传感器中的任一个可包括例如电感式传感器或电容式传感器的接近度传感器。

图4为根据本发明的一个或多个实例实施例的系统的说明性示意图。所述系统可包括如上文实例实施例中的任一个中所论述的被配置成与立管联轴器接合的立管工具，和如图4中所说明的立管传感器单元400。立管传感器单元400可包括电力供应单元406，其被配置成从第一分区1评级插脚连接器404接收230伏特的交流电(vac)电力。电力供应单元406被配置成将230vac电力转换成24伏特的直流电(vdc)电力，并将24vdc电力供应到固有安全(is)阻挡层408。is阻挡层408被配置成将24vdc电力供应到多个传感器410，所述传感器可包括来自上文实例实施例的传感器22、122、106、108、110、116，并将信号从多个传感器传输到第二分区1评级插脚连接器402。第二分区1评级插脚连接器402可连接到可包括客户接口的分布式或主控式控制系统。

图5为根据本发明的一个或多个实例实施例的系统的又一说明性示意图。所述系统可包括如上文实例实施例中的任一个中所论述的被配置成与立管联轴器接合的立管工具，和如图5中所说明的立管传感器单元500。立管传感器单元500可包括电力供应单元506，其被配置成从第一分区1评级插脚连接器502接收230vac电力。电力供应单元506被配置成将230vac电力转换成24vdc电力，并将24vdc电力供应到两个或两个以上is阻挡层512。断路器518可任选地用于在230vac到24vdc电力供应器的输入侧上提供保护。is阻挡层512可被配置成经由第二分区1评级插脚连接器504将24vdc电力供应到多个传感器510。传感器510可包括来自上文实例实施例的传感器22、122、106、108、110、116中的任一个。is阻挡层512可被配置成将信号从多个传感器510传输到分区1评级插脚连接器502。分区1评级插脚连接器502可连接到分布式或主控式控制系统，所述控制系统可包括客户接口以用于进一步操作。

本发明的一个实例实施例为一种感测立管工具与立管联轴器的接合的方法。所述方法可包括将第一组传感器安装在立管联轴器的接头中。第一组传感器可被配置成在感测到由所述工具接触之后，生成正或负相信号，所述信号指示立管工具由立管联轴器适当接合。第一组传感器可连接到is阻挡层，其可从传感器接收信号并将信号传输到控制系统。控制系统可致使在接收到所述信号之后延伸液压系统。

所述方法还可包括将一个或多个传感器安装在封锁部件上，以感测与立管工具的次级锁定接合。一个或多个传感器可被配置成在检测到封锁部件接触所述工具之后，生成正或负相信号，借此指示立管工具与立管联轴器适当地接合。

所述方法还可包括沿着立管工具的导杆的外径安装第三组传感器。第三组传感器可被配置成在检测到导杆的外径上的标记区或凹陷，并确定立管导杆处于提升和锁定位置之后，生成正或负相信号。标记区可包括立管工具的导杆的外径上的有色条带或凹陷，或形成于立管工具的导杆的外径上的例如竖直或水平槽的其它构件。第三组传感器可连接到is阻挡层以用于将信号传输到控制系统。控制系统可致使在接收到信号，并确定立管导杆处于提升和锁定位置之后，提升立管工具或立管联轴器。

所述方法还可包括沿着立管工具的导杆的外径安装第四组传感器。第四组传感器可被配置成在检测到导杆的外径上的非标记区之后，生成正或负相信号，借此确定立管工具处于解锁位置。举例来说，这些传感器可在未感测到立管工具的导杆的外径上的有色条带或槽时生成正或负相信号。第四组传感器也可连接到is阻挡层以便将信号从这些传感器传输到控制系统，以致使在确定立管工具处于解锁位置时从立管联轴器收回立管工具。

在某些实施例中，本发明可包括针对exd罩壳中的危险环境进行分区评级的电气组件。罩壳内部的区域可是极小的，且用可编程逻辑控制器(plc)进行感测的传统方法将不适于此罩壳。如图4和5中所示出，本发明技术可允许230vac信号行进较长距离、转换成24vdc电流以用于传感器，且接着is阻挡层能够将正相(或负相)信号发送回到操作员，而无需在罩壳内部使用plc。相比传统方法，这允许在较小区域中进行感测。另外，因为所述信号可是基于电信号的，所以所述自动感测速度可比液压或机械传感器快得多。接近度传感器也可放置成使得可以最小干预实现安装、维护和替换。应理解，本文中所使用和图式中所示出的特定数量仅是出于说明性目的。

在一个实例实施例中，立管传感器系统可包括可位于接头中的至少八(8)个传感器。可存在用以感测联轴器与立管工具的适当定位的三个传感器，和用以感测导杆处于提升和锁定位置的两个传感器。一个传感器可感测接合的次级锁定件，且两个传感器感测下降到解锁位置的导杆。立管传感器单元可设计成例如以50/60hz频率进行操作。立管传感器单元面板可提供24vdc控制电力以用于传感器和is阻挡层，且电力供应器可以1.25a的输入熔断器提供瞬态浪涌保护。输出电流可最小为例如1.3a。然而，操作温度可在-25℃到+60℃的范围内。立管传感器单元可任选地使用vac断路器以在230vac到24vdc电力供应器的输入侧上提供保护。立管传感器单元还可包括多个冗余传感器，其可用于在立管工具的锁簧接合到联轴器内部的对应齿廓之前，感测联轴器与立管工具之间的正确位置。

所使用传感器可适于工业用途，例如用于机器或设备工程、处理设备、移动设备、材料处理或封装行业。所有上文实例实施例可使用接近度传感器实施，所述接近度传感器包括但不限于：电感式传感器、电容式传感器、多普勒效应传感器、电涡流型传感器、激光测距仪传感器、磁性传感器、无源光学传感器、无源热传感器、光电池传感器、雷达传感器、声纳传感器、超声传感器、光纤传感器、霍耳效应传感器和电动机械式开关。控制系统设计成在任何情形下，都将不会减少bop控制系统的操作可用性。可在无需改动物件或设备的情况下实体地且功能性地更换立管传感器单元。传感器冗余允许在传感器故障的状况下继续自动操作。is阻挡层在一些实施例中可组合齐纳阻挡层的能量限制性特征与电隔离。

上文的实例实施例提供使得立管工具能够将电信号传输到主控式控制系统(mcs)或分布式控制系统(dcs)的锁定机构电气感测。所述系统使用分区评级式严苛环境传感器，和允许安装立管工具并在分区1评级区域中进行操作的罩壳。这些系统设计成用于会经受高振动和冲击的极其受限的安装区域。举例来说，在利用接近度传感器以感测受限区域中的接合时，本发明技术的实施例可适于小到7.7英寸乘7.7英寸乘6.7英寸的防爆危险评级的罩壳。

上文的实例实施例还提供对常用液压致动和感测系统的电气解决方案。这些实例实施例使得能够在处理设备、送入设备或其它油田设备中建立电气感测。所公开的实例系统和方法的一个优势为钻井平台上的停机时间变得更短。另一优势为所述系统可用于自动化通常要求持续人工干预的过程。所述系统还通过检测适当工具接合来增加安全性。

系统100到500可用于钻井立管中，以便支撑来自钻井船或平台的立管柱和防喷器(bop)，直至其可连接到海面上的井口连接器为止。在另一实施例中，系统100到500可用于井接入系统，从而将顶部张紧立管连接到海底井口。此井接入系统可包括液压缸，且可例如由直接竖直接入(dva)系统、完井修井立管(cwor)系统、无立管光井干预(rlwi)系统、三脚架等利用。尽管上文实例实施例中说明且描述立管工具，但本发明不限于此类布置。举例来说，上文实例实施例可实施于任何油田设备中，包括但不限于：立管处理工具、立管送入工具、水下送入或处理工具、套管送入或处理工具，和常平架或三脚架。举例来说，立管处理工具将立管提升或处理到钻台，且接着立管送入工具可固持立管柱的整个负载并通过一次添加一个立管来使所述柱下降。相应地，立管处理工具处理组件，且立管送入工具处理整个柱，从而一次添加一个组件直至所述柱已一直“延行”到底部为止。

在又一实施例中，系统100到500可用于井口连接，例如与接合到井口外壳的上部轮缘中的连接器组合件的应力接头相关联的连接。系统100到500还可用于例如自升式钻井平台、柱体式平台、钻井船、动态定位的浮动钻井系统和停泊的浮动钻井系统。实施系统100到500的送入工具可替代地用于钻柱中，例如工具接头、钻铤、可伸缩接头、立管接头、具有浮性的立管接头、注入阀或终止转轴。

在又一实施例中，系统100到500可用于除了油田工具的应用中，包括但不限于：建构设备、制造机械设备、挖掘机、机器连杆机构和轮式推土机。系统100到500可用于液压致动器应用中，包括但不限于：空中作业平台、吊车、地面移动机器、风车和太阳能跟踪设备中。

因此，本文中所描述的装置和方法较好地适于进行所述目标，并达到所提到的目的和优势以及其中固有的其它目的和优势。虽然已出于本发明的目的给出装置和方法的实例实施例，但能对实现所要结果的程序的细节作出众多改变。所属领域的技术人员将容易地想到这些和其它类似修改，且所述修改意图涵盖在本文中所公开的装置和方法的精神内以及所附权利要求书的范围内。