套管钳和扭矩仪的改进与应用
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作者: 胡兴平,李士清,刘海波
摘 要： 通过不同生产商的套管钳和扭矩仪的改进和应用，解决了威德福 16-25套管钳与国产TPC-III扭矩仪的配套使用，也解决了TPC-III扭矩仪操作系统中英文相互转换的问题。本文详细介绍了TPC-III国产扭矩仪圈数传感器改造原理，还详细介绍了TPC-III扭矩仪英文操作系统的编程过程。
关键词： 圈数传感器； 磁敏式； 中英文界面； 中英文相互转换
中图分类号： TE927 文献标识码： A 文章编号：1009-8631（2010）06-0071-02
下套管作业是钻井施工的重要环节，下套管的质量直接影响最后的交井质量。以往交井后的油层套管有过试不住压的记录。在后续处理过程中，对套管本身质量问题还是下套管过程的问题判断困难。套管钳扭矩仪的是近几年使用于下套管过程的专用仪器，套管钳扭矩仪记录了下套管过程的扭矩、圈数、时间、数量及套管型号等参数，对每根套管的上扣扭矩变化和圈数有详细的记录。为确保套管作业的规范化施工，每次下套管作业都必须严格使用套管钳和扭矩仪。在使用套管钳和扭矩仪的过程中，发现现有的进口与国产的套管钳和扭矩仪匹配存在问题，国产扭矩仪操作界面单一，制约着其使用效率和资料采集。
一、现有设备的特点
1.国产扭矩仪的特点：现在使用的国产扭矩仪型号为TPC-III型，系统为XP操作系统，操作界面为中文，操作简单易学，实用方便。圈数传感器采用接近开关，每转一圈，系统接受一个信号，它与套管钳配套使用时安装在套管钳上箱盖上。适用于国产TQ-35Y套管钳。该扭矩仪体积小、重量轻，在使用过程中携带方便。
2. 国产套管钳的特点：现使用的国产套管钳为江苏如石机械厂生产的型号为TQ-35Y型，该套管钳未开口型、双颚板摆动式，拆装方便、操作简单、便于维修。它适于与TPC-III扭矩仪配套使用，扭矩以圈数传感器可通过双颚板固定销采集信号。
3. 进口扭矩仪的特点：早期应用的扭矩仪是从美国进口的威德福公司生产的JAMLV-II型，该扭矩仪是美国70年代的产品，扭矩仪自身价格及配件均价格昂贵，该产品现在已经停产，原配的拉力缸现已损坏，买不到相应的配件， 面临淘汰。仪器操作界面为DOS界面而且全部为英文，操作使用非常复杂，该扭矩仪不能自动监测，只能手动操作，延长了施工时间。进口扭矩仪体积大而重，较国产扭矩仪已显笨重。
4. 进口套管钳的特点：现在使用的进口套管钳是从美国威德福公司进口的Mode 16-25型和24-50型两种，该套管钳由三块颚板组成，与套管接触面积大，在上扣过程中对套管本体的损伤小。它体积小、重量轻，操作简单、使用方便，在空间小的钻台灵活好用。但这两种套管钳与扭矩仪连接时，需内置磁敏式圈数传感器，国产扭矩仪不能与之配套使用。
二、问题的提出
（一）国产扭矩仪和进口套管钳匹配的问题
国产扭矩仪与进口套管钳无法匹配的根本原因就是国产圈数传感器无法在进口套管钳上使用，国产圈数传感器采用接近开关，每转一圈，系统接受一个信号，它与套管钳配套使用时安装在套管钳上箱盖上。而进口套管钳需内置磁敏式圈数传感器，通过测量计量圈数从动齿轮的齿数，确定套管钳的转动圈数。
（二）国产扭矩仪和进口套管钳匹配问题的解决
经过我们研究两套扭矩仪之间存在的问题主要是圈数传感器的不同。因此需要对国产扭矩仪圈数传感器进行改造。由于进口扭矩仪的圈数传感器不能打开测量，无法知道其测量原理和其采用的元器件，就根据国产扭矩仪测量圈数的原理来制作圈数传感器。但由于进口套管钳的机械结构与国产标准不一样，因此我们经过测量，查找资料，确定了圈数传感器的结构和外型（图1）。
结构是由外壳，铜塞，霍尔器件磁钢，霍尔数字电路，指示灯，电源及信号线组成。工作原理是利用霍尔器件的霍尔磁效应原理来检测齿轮的齿，霍尔器件是一种磁传感器它们可以检测磁场及其变化，可以在于有磁场的场合使用，圈数传感器是利用霍尔器件的开关电路，（霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器，霍尔片，差分放大器，斯密特触发器和输出线组成。）在磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阀时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。之后，磁感应强度再增加，导通阀仍保持导通态。若外加磁场的磁感感应值降低到截至阀值时，输出管截止，输出高电平。我们称通阀值为工作点，截止阀为释放点，两值之差称为回差。回差的存在是开关电路的抗干扰能力增强，霍尔开关电路的功能。
当计量齿轮的齿还没有转到传感器的铜塞时，磁钢产生的磁场是在空气中的磁场强度。当计量齿轮的齿轮的前沿转到传感器的铜塞时，切割磁钢产生的磁力线由于计量齿轮为铁质材料层强导磁材料磁通量增大，磁场强度增加，霍尔器件就前所述开始工作，当计量齿轮的后沿离开铜塞时，磁通量开始降低，磁强度减弱。霍尔器件一个工作周期结束。这样霍尔器件整个周期就产生一个不规则的信号经过霍尔数字电路的处理就形成一个如下的脉冲信号。其频率响应范围0―5000HZ，这个脉冲信号送入TPC-III套管扭矩仪的计数器记录后再输入到CPU中。
TPC-III型套管扭矩仪与国产套管钳的配套使用中，在钳子钳头盖上接一个固定接近开关，钳子在转动过程中钳头固定螺杆和上卸扣转换杆通过接近开关。就有一个脉冲信号被电路接收并送到计算机记录，电路采用单稳态电路，测脉冲的下降沿。但是在威德福钳子上测圈数是测从动齿轮的齿数，由于从动齿轮比主齿轮小很多，所以钳子转一圈小齿轮转很多圈，而且转速很快，用单稳电路就不能满足脉冲的测量，需要有快速记录脉冲的电路，经反复研究和查看资料，决定在电脑上装一个计数器来记录齿轮脉冲数并把记录到的脉冲数送的计算机中。（计数器的技术指标：最大记数为9999个/秒）
随着圈数传感器和电路的改进，原来的软件也不能适应这种测量记录方式。因为圈数传感器测量的是套管钳从动齿轮的齿数，从动齿轮与主动齿轮的转速比，及它们的齿数有多少，没有资料来说明。也就不知道牙盘转一圈，从动齿轮能转多少圈，应记录多少个齿，产生多少脉冲，都无法测量。这就要求软件不仅能显示钳子转一圈记录从动齿轮转动的齿数，同时还必须有圈数校检的功能。仪器改进后，进行了反复试验，当钳子转一周计算机显示传感器的测量值在1124左右，测量了50组，每组10个数用加权平均数法得到测量值为1124，后经计算机转换为圈数传感的系数为0.0008897。然后用此系数进行实际测量，与钳子转动圈数一致，说明改进是成功的通过对圈数传感器的改造，解决了国产扭矩仪与进口套管钳配套使用的问题。由于套管检测圈数是检测套管钳的上扣时转动齿轮的齿数，属于高速测量脉冲的测速范畴，而普通的磁通式测速传感器受钳子钵体的钢性微磁场影响大，造成的误差大。而改造后的圈数传感器克服了这一难题，采用2个磁阻元件，其优点是：不仅补偿了温度的影响，而且还大大地增强了传感器的灵敏度，满足了现场的圈数测量问题。通过现场应用，磁敏式圈数传感器测量圈数的准确性很高。
三、改进的使用情况
扭矩仪改进后的使用情况
扭矩以圈数传感器改进后，在CB11N井组进行现场使用，所有测量参数达到了技术要求，（系统圈数精度：1.0%FS；圈数数字信号输入：数字开关量“1”、“0”；圈数：0-36圈。）
四、结论
（1）利用现有的设备改进，可以解决国产扭矩仪与进口套管钳的匹配应用。
（2）改进后的扭矩仪，2009年至今已经使用了110井次，取得了良好经济效益和社会效益。
参考文献：
[1] 叶挺秀，张伯尧.电工电子学[M].高等教育出版社，2004.7.
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