（机械制造及其自动化专业论文）钻井溢流监控系统研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 油田钻井溢流或井漏监测对油田的安全作业具有重要的意义。目前，油田钻井 现场判断是否出现溢流或井漏一般由钻井工人定时进行人工观测、记录和对比。 对于起钻时的灌浆，一般情况也需要钻井工人每起出一定数量的钻杆后，人工启 停钻井泵灌浆，非常烦琐。钻井作业的大部分工作仍主要依靠人工完成，自动化程 度较低。针对上述现状及其存在的问题，设计了一种钻井溢流监控系统。该系统 通过对泥浆池体积、入口流量、出口流量、泵压、大钩负荷、大钩高度和泵冲速 等钻井参数的监测，实现对钻井中溢流井漏异常自动监控和预报警，有效预防事故 的发生。同时，系统可实现起下钻过程中自动灌注洗井液，提高生产效率。 钻井参数在钻井溢流监控系统中具有重要作用，论文对钻井参数的测量原理 和方法进行了较深入的分析和研究。研究了系统的总体解决方案，构建了具有可 扩展性及保障数据安全性的基于r s 4 8 5 总线和智能信号采集模块的监控系统。在组 态软件的基础上，实现了具有多种数据显示方式( 实时标签数字显示、实时动画显 示、实时曲线显示、模拟仪表显示) 的功能。 论文对降低钻井人员的工作量，减少钻井过程中异常事故的发生，提高钻井 时效，具有一定的实际应用价值。 关键词：溢流，井漏，钻井，监控，组态软件 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t o v e r f l o wo rl e a k a g em o n i t o r i n gi nt h ep r o c e s sd r i l l i n gw e l l si so fg r e a ts i g n i f i c a n c e f o rt h es a f e t yo fo i l f i e l do p e r a t i o n s a tp r e s e n t ，t h i sw o r kt h a tt h es i t eo ft h eo i l f i e l d d r i l l i n ga s c e r t a i nw h e t h e rt h e r ei so v e r f l o wo rl e a k a g ei sg e n e r a l l yf i n i s h e dt h o u 曲t h e w a yo fr e g u l a ra r t i f i c i a lo b s e r v a t i o n ，r e c o r d i n ga n dc o m p a r eb yw e l l - d r i l l i n gw o r k e r s t h e f i l l i n gm u di sc o m p l e t e dt h o u g ht h ew a y o fa r t i f i c i a ls t a r t i n ga n ds t o p p i n gp u m pb y w e l l d r i l l i n gw o r k e r sw h e nac e r t a i nn u m b e ro fd r i l lp i p ei sr i s e do u to ft h ew e l l ，a n d v e r yc u m b e r s o m e m o s to ft h ed r i l l i n gw o r ki ss t i l lm a i n l yr e l yo na r t i f i c i a lc o m p l e t i o n , t h e r ei sar e l a t i v e l yl o wd e g r e eo fa u t o m a t i o n t ot h es i t u a t i o na n dt h ep r o b l e m a b o v e ，w ed e s i g nac o n t r o ls y s t e m f o rw e l l - d r i l l i n go v e r f l o w t h es y s t e ma c h i e v e s a u t o m a t i cm o n i t o r i n ga n de a r l yw a r n i n gf o rd r i l l i n gw e l l sa b n o r m a ls t a t es u c ha s o v e r f l o wa n dl e a k a g eb ym o n i t o r i n gd r i l l i n gp a r a m e t e r ss u c h 筋s l u r r yv o l u m e t h e i m p o r tv o l u m e ，e x p o r tv o l u m e ，p u m pp r e s s u r e ，h o o kl o a d ，h o o kh i g h ，s p e e dp u m p s a n d s oo n 。e f f e c t i v e l yp r e v e n tt h eo c c u r r e n c eo fa c c i d e n t s m e a n w h i l e ，t h es y s t e m 啪 r e a l i z ea u t o m a t i cf i l l i n gm u d i nt h ep r o c e s so fu p - d r i l l i n ga n db o o s tp r o d u c t i o n e f f i c i e n c y d r i l l i n gp a r a m e t e r sp l a y a n i m p o r t a n t r o l ei n d r i l l i n g o v e r f l o wc o n t r o l s y s t e m t h e r ea r es o m ei n - d e p t ha n a l y s i sa n dr e s e a r c h e si np a p e ro nt h em e a s u r i n g p r i n c i p l ea n dm e t h o do fd r i l l i n gp a r a m e t e r s t h e r ea r eg o o d r e s e a r c h e sa b o u ts o l u t i o n p l a no ft h eo v e r a l ls y s t e m ，a n dc o n s t r u c t i o nac o n t r o ls y s t e mt h a ti se x t e n s i b l ea n d s e c u r i t yo fd a t ab a s e do nt h er s 4 8 5b u sa n di n t e l l i g e n ts i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l e b a s e do nt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，af o n c t i o no fm u l t i p l ed a t as h o ws t y l e s ( r e a l - t i m e l a b e lf i g u r e s ，r e a l t i m ea n i m a t i o n ，r e a l t i m ec u r v e ，s i m u l a t e di n s t r u m e n t ) i sc o m p l e t e di n p a p e l p a p e rh a saa p p l i c a b l ev a l u eo nr e d u c i n gt h ew o r k l o a do fd r i l l i n ga n da b n o r m a l i n c i d e n t s ，i m p r o v i n gd r i l l i n ge f f i c i e n c y k e y w o r d s ：o v e r a l l ，i e a k a g e ，w e l 卜d r i l l i n g ，m o n i t o r i n g ，c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e 佩l ；i 亡工繁火港 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：互朋易日期：弦7 年多月；口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 ， 学位论文作者签名： 王鹇指导教师签名膨 日期：幻刁年f 月；口日日期：矽年f 月岁矿日 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 研究目的和意义 第1 章引言 我国的石油蕴含量丰富，石油开采的第一步就需要钻井。而钻井工作是相对 比较危险的工作，油田钻井井深一般都在2 0 0 0 米以上，钻一口井至少需要半个 月，多则数月，钻一口井的费用需要上百万元或更多。在钻井的过程中可能遇到 很多意想不到的问题，如果遇到岩洞可能会使润滑泥浆漏失发生井漏，如果遇到 地压过高会造成泥浆上涌井溢或发生井喷。如果处理不及时会产生严重的后果， 造成资金和时间的巨大浪费，影响工程进度：钻井在钻开油气层的过程中，尤其 是在天然气井井喷过程中如果处理的方法和措施不当，地层流体( 油、气、水) 就会失去控制，极易引起井喷失控着火、井场爆炸及井场下陷等灾难性事故的发 生，造成资源的浪费、环境污染、设备毁坏、人员伤亡，油气井报废。井喷 失控不仅给国家和企业造成巨大的经济损失，而且还会给社会带来巨大的不良影 响。 为了预防井喷，石油作业井控工作中提出了“三早”的预警措施，所谓三早， 即：早发现、早关井、早处理。“早发现”就是早发现溢流显示，这是井控技术 的关键环节。当井底发生溢流时，在地面出口可以观察到溢流的告警显示，识别 和解释这些显示，又是关键之中的关键。据统计，溢流发生的几率为：钻进过程 中占4 0 ，起下钻过程占5 5 ，其他作业占5 。 井喷的发生都是有预兆的，这些预兆表明地层中的油、气、水已经侵入井内， 即发生了溢流。溢流之后，很快就会发生井喷。只要及时发现溢流，就能采取措 施保持住井内的洗井液柱，平衡大部分地层压力从而减轻井口控制压力，以便排 除溢流，防止井喷。 对洗井液性能变化、钻井参数进行实时动态的监测，准确掌握地层压力变化， 作好异常高压地层的检测、预警工作，便能及时尽早发现溢流，防止并喷的发生。 使钻井公司能安全、高效的完成钻井工作，提高钻探井的可观测性和可控性，实 现钻探井自动化。 目前国内钻井过程监测监控系统不少，大部分只为提供钻井参数信息而设计 且很少涉及自动灌浆和对溢流的监测和处理，功能单一，可靠性差，自动化程度 低，小部分主要从国外引进，价格昂贵i z j 【3 j 。显然，如若设计一种既可以提供 录井参数信息，对溢流异常实时监测预报警，又能实现灌浆自动化的监控系统 6 湖北工业大学硕士学位论文 l ”，使其得以成功推广应用，既可大大减少引进，为国家节约大量外汇，办可 提高我国钻井作业的自动化技术水平，占领国内市场，打入国际市场。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 国内主要有荆鹏软件开发有限公司、上海神开科技工程公司、第三石油仪表 厂、中原油田钻井研究院、徐水物探仪器厂等企业生产钻井参数仪表系统，这些 企业先后推出了z c o j 系列钻井参数电记录仪、z j c 系列钻井参数仪、f l z j i 型 钻井工程监测系统、z j c 系列通用钻井参数仪、s k 一1 2 0 1 综合录井仪、s k i i 综合 录井仪等钻井参数仪表，一些高等院校也在致力于钻井参数监测系统方面的研 究，如中国地质大学，重庆大学，山东科技大学等等p i 6 11 7 1 s l 。从最新资料看， 国内的数据模块的智能化程度仍较低，基于主机o a o 数据源结构的系统还不多： 数据仍然以文件的形式进行共享，其安全性比较差：数据模型的建立还有很多缺 陷，造成数据的准确性较差，工况的判断和实际有些出入：软件的分析功能不是 很强大，没有中英文切换功能，不能适应合资钻井的需要：操作平台主要是 w i n d o w s 9 5 9 8 ，系统的稳定性较差：传感器的安装较为复杂，适应能力不强。总 体上看，国内的这些产品在系统功能、可靠性和用户界面等方面与国外产品相比 还有一定的差距。 1 ，2 2 国外研究现状 在国外，从事钻井参数仪表和钻井参数监测系统研究、开发、生产的专业公 司有很多，其中美国的马丁( m o t o t c o ) 公司、英国的瑞设( r i g s e r v ) 公司和加拿 大的d a t a l o g 公司等在该领域的研究处于国际领先水平1 9 i 。例如：加拿大 d a t a l o g 公司2 0 0 0 年最新研制的钻井监测系统，该系统具有如下特点：能测量 显示2 0 0 多个钻井参数，以w i n d o w s9 5 9 8 或w i n d o w sn t 为操作平台，采用客 户端服务器技术，通过i n t e r n e t 或m o d e m 进行远程实时监控和历史监控，采用 触摸屏，可自制的美观实用的用户界面，所有钻井参数数据可存储到光盘上，系 统易扩展，易安装，稳定性强，可靠性高：美国v a r c o 公司m dt c r r c o 分公司 2 0 0 0 年最新研制的钻井集成控制信息系统，该系统可测量显示基本的钻井参数， 采用液晶触摸显示屏，以w i n d o w sn t 为操作平台，可通过计算机局域网交换信 息，办可通过i n t e r n e t i n t r a n e t 进行钻井信息的远程通信；英国r i g s e r v 公司 ( 该公司是世界上第一个使用触摸屏的石油仪器公司) 2 0 0 0 年最新研制的触摸 湖北工业大学硕士学位论文 屏自动钻井系统，该系统可测量几乎所有与钻井过程有关的参数，采用非接触性 传感器，系统硬件紧凑、密封性好。美国e p o c h 公司开发的r i g w a t c h t m 产品， 是基于w i n d o w s 的钻井参数记录仪，采用c r t 或触摸显示屏，可进行实时曲线和 多窗口显示，可进行自动钻井参数记录和打印，可通过i n t e r n e t 或电话拨号进 行异地访问，采用数据库管理钻井参数数据【1 0 】【“i 。 1 3 论文主要的研究内容 。钻井溢流监控系统”将在跟踪国内外最新发展动态和最新先进技术的基础 上，吸收国内外各类系统的精华，研究开发一种高精度、高可靠性、高安全性、 操作方便、显示直观、功能齐全、可进行监控的自动化系统，使现场技术人员和 工程人员能够及时监测钻井过程，降低事故发生率，节约钻井成本，提高钻井效 率和科学钻井水平。 1 3 1 参数监测及数学模型 钻井参数监测的恰当与否直接关系到系统的测量精度和系统的稳定性、可靠 性，它是整个系统成功的基础。建立正确的数学模型是整个系统的关键，不仅关 系到系统的可靠性、测量精度，而且还有利于减少成本，提高钻井系统的效率。 钻井参数测量分为直测参数和问测参数，根据参数还需要进行工况的辨别【1 2 i 。 具体包括以下内容： 1 ) 对大钩负荷、大钩高度、立管压力、泵冲次、入口相对流量、出口相对流 量、泥浆池体积等多个直测参数的测量： 2 ) 对钻压、标准井深、累积泵冲数、泥浆总体积等多个间测参数的建模与计 算： 3 ) 对钻进、划眼、坐卡( 轻载状态) 、重载、接单根、起下钻、离开井底等多 种工况进行识别且建立数学模型。 1 3 2 硬件系统设计 作为一个将在钻井现场实际应用的系统，在设计时通常要考虑到整套仪器 的结构、成本，系统构成的难度、可操作性、安全性、防爆性。除此之外，对本 系统，还要研究以下几个方面的问题。 l 、传感器的选型问题。在油用钻井过程中现场的环境比较恶劣，条件比较 复杂，因而在传感器的选型上要充分考虑到现场的温度、湿度、腐蚀性、防水防 8 湖北工业大学硕士学位论文 爆等指标。 2 、信号处理问题。传感器采集到所需的信号后，送信号处理电路处理成能 驱动模拟显示仪表的信号进行现场仪表显示和能被a d a m 远程数据采集单元接收 的信号进行远程数据处理和传送。 3 、上位p c 机与智能模块之间的通信线路和通信协议问题。由于上位p c 机 与智能模块之间的距离较远，为防止在远程传输的过程中数据传输出错，或者丢 失，应当采用合适的通信线路，并在上位p c 机与智能模块的通信之中建立协议， 以保证数据有效可靠的传输。 4 、系统的抗干扰问题。系统的各个模块、电路都是装在同一个机柜里，所 以要充分考虑各个模块、电路之间存在干扰的可能性：同时，在采集数据时，有 可能会出现信号干扰，引起数值偏差。 5 、防雷击问题。在油田钻井过程中，往往会出现雷雨天气，经常会发生雷 击事件，轻者造成录井资料的准确性降低，重者可能会造成仪器的电子线路、传 感器等部件遭到损坏，甚至影响到仪器操作人员的人身安全。 1 3 3 软件系统设计 设计实时参数显示、实时曲线显示、历史数据查询、历史数据回放、实时报 表打印、历史报表打印、实时曲线报表打印、历史曲线报表打印、钻井工况动画 模拟显示等功能模块，为钻井过程提供了强大的数据分析工具和手段。如：实时 参数显示让技术人员随时了解各种钻井参数情况；实时曲线显示可以分析参数的 发展趋势，从而分析可能出现的异常，及时防止事故的产生：对参数进行曲线回 放，便于分析事故出现的原因：报表打印提供人们习惯的书面分析格式：动画模拟 显示形象、直观地显示钻井平台下的工作状态，使技术人员一目了然。编写构成 本系统上位p c 机的监测预警算法，对各种传感器和智能模块进行实验、调试， 并完成整个系统联调。 9 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章系统总体方案 目前大多数油田钻井作业自动化程度还很低，对钻井异常情况的监测全由司 钻本人靠耳听、目睹、嗅觉、感觉与经验判断来完成，许多参数采用人工离线测 量读数，准确性和实时性差，数据处理能力弱，数据可信度低；钻井效率不高， 造成生产成本和人力资源的浪费；获取的钻井信息量少，钻探井的可观测性和可 控制性不高；预见或避免各类异常工程事故的发生，实现安全作业的能力不强。 针对上述存在的问题，实现钻井作业的自动化、科学化、现代化、安全化，我们 提出了一种集信息处理技术、自动控制技术以及计算机通讯技术为一体的钻井溢 流监控系统。系统集信号采集、数据发送、数据接收、数据存储、数据查询、声 光报警等功能于一体，在监控主机的控制下工作，监控主机屏幕显示所有智能传 感器( 下位机) 采集的钻井参数并能自动定时存盘，根据需要打印历史和实时数据 报表，显示历史和实时曲线，进行数据分析等。 2 1 基于p c 机的远程数据监测系统 此系统是由一台p c 主机以及外挂的多个传感器实现的。由传感器输出的数 据直接远距离传送至主机，由主机进行数据的采集、处理、输出监测及报警。 工作原理如图2 1 所示： 图2 1 基于p c 机的远程数据处理系统 系统结构简单，所用器件少，节约了成本。但是存在很多弊端。首先，由 于现场的实际情况，p c 主机与实际传感器安装的现场之问有很长的一段距离，而 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 普通的传感器在其有效传输距离上是有一定限制的，信号长距离的传输存在失真 和抗干扰等问题。这样对传感器的性能要求就很高，从而导致成本增加。其次， 由于多个传感器都挂在p c 机上，数据的采集、处理、监测以及对现场设备的控 制，对事故的报警也都由p c 主机处理，势必造成p c 机负担过重，影响系统的整 体性能。另外，这种纯远距离的操作，致使在工作现场不能实时显示监测的数据， 无法直接指导钻井施工作业。更不能在现场实施异常工程事故的预报警 2 2 有线传输两级微处理器监测系统 工作原理如图2 2 所示。 图2 2 有线传输两级微处理器监测系统 此系统增加了一级控制完全克服了前述系统的缺点。现场单片机的计算能 力远比管理微机差，其作用是采集传感器数据，并根据接受到的上位机指令将所 采集的数据发送至上位机，充分利用上位机的数据处理功能强大的特点，将处理 数据的任务交给上位机去做。同时，现场的单片机也接收上位机的控制指令，根 据指令控制现场设备和发出报警。由于本系统主要用于司钻室司钻对钻井作业过 程的监测，司钻室离钻井塔台的距离相对较近，现场布线容易，已经初步符合现 场的实际情况。 经过比较分析，本系统最终决定采用以上述方案中的后一种。 湖北工业大学硕士学位论文 2 3 系统特点 本系统所采用的后一种方案具有以下特点： 1 便于系统管理。主机( 上位机) 采集所有下位机的数据并进行处理，利于钻井 参数的集中监视。 2 上位机的负担相对减轻，系统的整体性能大大提高。数据的采集由下位机处理， 然后送往上位机显示，分析，存储；上位机发送控制信号经下位机转发给执行机 构来实现对现场设备的控制。 3 功能强大，扩展方便。各下位机为智能测控系统，根据需要可选择安装各种传 感器。上位机可以选择采集需要的数据，可以设定报警值，还可以根据需要扩展 多个下位机。 2 4 系统功能及组成 2 4 1 系统功能 “钻井溢流监控系统”采用了多种精度高、可靠性高的传感器，可在线连续 测量有关参数，进行集中监测、显示和记录，从而大大方便了钻井作业中对各种 参数的综合评价和应用，及时预报可能出现的复杂情况和钻井事故，增强了钻井 作业的安全性。可实时打印、屏幕显示、记录和回放各种数据和资料，直接指导 钻井施工作业。提供了丰富的钻井工程信息，不仅可对钻井工况及有关参数进行 实时监测，而且为钻井工程技术人员的现场决策提供了可靠的实时资料，提高了 钻探井的可观测性、可控制性，实现了钻探井的自动化。 2 4 2 系统组成 系统组成见图2 3 。系统分硬件和软件两部分，硬件部分包含d c s 【1 6 i 控制台， 系统硬件组件和传感器： 湖北工业大学硕士学位论文 图2 3 系统结构图 1 d e s 控制台 m s 控制台p p c 一1 5 0 1 是一款全新设计的1 5 ”l c d 工业级平板电脑1 1 7 】【1 8 j 。 2 系统硬件组件 系统由如下智能模块组成： 通讯转换模块一实现r s 2 3 2 4 8 5 的转换。采用研华智能通讯模块a d a m 4 5 2 0 模拟量输入模块一实现模拟信号的输入。采用研华智能模块a d 埘4 0 1 7 + 8 路差分模拟量输入模块l 驯1 2 1 ： 输出模块一实现继电器输出控制。采用研华智能模块a d a m 4 0 6 0 计数器频率输入模块实现脉冲或开关量计数。采用研华智能模 块a d a m 4 0 8 0 。 3 传感器 系统采用如下传感器： j x l d b e 型智能电磁流量计一采集泥浆泵泵出流量： f l o l 出口流量传感器一采集井口出口管泥浆流量： w s - 0 1 绞车传感器采集绞车上下行脉冲数，计算井深，大钩高度： p t 一0 1 超声波液位传感器一采集泥浆灌泥浆高度： p p - o i 泵冲传感器采集高压泵冲次，计算排量： 湖北工业大学硕士学位论文 p s i o a 压力传感器一采集压力，计算大钩悬重： p s 一4 0 a 压力传感器一采集立管压力，计算泵压。 4 系统软件组成 上位p c 机中安装亚控k i n g c l e w 工控组态软件及a d a m 4 0 0 0 系列驱动程序，通 过k i n g v i e w 工控组态软件编写上位监控软件运行算法，可以进行通讯参数的修 改和设定控制算法参数，实现被控参数的实时曲线、历史曲线动态显示，实现运 行过程的动态模拟以及被控参数的动态存储，分析，显示，报表打印以及报警。 1 , 4 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章钻井参数检测方法 钻井过程参数是在钻井过程中分析油气井油气储藏情况的最基础数据，以此 为依据判断钻井下层的异常情况，进行分析决策处理，从而决定是否继续钻井或 以何种方式钻井。钻井过程参数的种类和数量都比较多，通常可以分为直测参数 和间测参数。直测参数为直接通过传感器得到其相关的电压、电流信号从而得到 参数值，监测参数是通过一个或多个直测参数通过一定的数学模型计算得到的参 数。直测参数一般主要有大钩负荷、大钩高度、立管压力、转盘扭矩、吊钳扭矩、 转盘转速、泵冲次、相对流量、泥浆池体积、泥浆温度、泥浆密度、套管压力、 硫化氢浓度等，监测参数一般主要有钻压、标准井深、钻时、大钩速度、累积泵 冲数、泥浆总体积、泥浆补偿量等近数十个。钻井直测与间测参数关系如图3 i 所示。 湖北工业大学硕士学位论文 图3 1 钻井直测与间测参数关系 3 1 直测参数原理与模型 3 1 1 大钩负荷 大钩负荷w o h ( w e i g h to fh o o k ) 是钻井参数中非常重要的一个参数，指大 钩所承载的负荷值。由其可派生计算出钻压、大绳做功( 千牛米) 等其它重要参 数，通过对大钩负荷状念的判断，还可计算出钻井过程的时间参数( 重载时日j 、 停工时白j 、卡瓦时i 日j 、起下钻时问和划眼时| 日j 等) 。 大钩负荷测量系统由死绳固定器( 参见图3 2 ) 、拉力传感器、指示仪、液电 湖北工业大学硕士学位论文 变送器、阻尼器、排气阀和液压软管等组成。 图3 2 死绳固定器 钻机提升系统的钢丝绳死端沿死绳固定绳轮的绳槽后固定在夹板上，大钩 上的悬重w o h 通过滑轮组n 使死绳受到拉力f ，再通过绳轮上的力臂传递给拉力 传感器，使液压膜盒产生挤压，通过液电变送器得到压力信号p ，大钩负荷0 h 即与该压力信号成正比，其数学模型如( 3 1 卜a ) ： r w o h = ；xn xsxp ( 3 1 卜a ) f 式中：n 为钻机提升系统钢丝绳的股数：s 为传感器液压膜盒受压面积：l 为死 绳拉力至绳轮转动中心的距离：l 为传感器拉力至绳轮转动中心的距离。 大钩负荷采用6 点线形刻度进行计算。假设取大钩空载、大钩负载为方钻杆 的重量、大钩负载为方钻杆与一根单根的总重量、大钩负载为方钻杆与一根立根 ( 通常为三根单根) 的总重量、起钻坐卡时大钩负荷、下钻坐卡时大钩负荷6 个状 态下传感器的输出值作为x o ，x 1 ，x 2 x 5 ，对应的大钩负荷值为y o ，y 1 ，y 2 ， y 3 y 5 ，当前的大钩负荷电压值为x ，则对应大钩负荷y 可用下面的方法计算 ( 公式3 1 卜b ) 。 i = o ： w h i l e ( i = 5 ) i f ( x i h 时，则d s 。因传 感器采用分体收发换能器( 收发换能器分开) ，但两个换能器相距非常近，故有 h = o ，则d = s = t x v 2 。故可以推导出液位h o l 的数学模型( 式3 1 7 - a ) ： h o l = v x t 2( 3 1 7 一a ) 式中：v - - 超声波在介质中传播的速度。 只要测得超声波脉冲从发射到接收的间隔时间，便可求得待测的液位。 3 1 间测参数模型 3 2 1 钻头位置 钻头位置p o b ( p o s i t i o no fb i t s ) 也是一个相当重要的参数，它反映了钻 头当i j i 所处的位置一相对零点( 井口处) 的深度，技术人员和司钻需要根据该参 湖北工业大学硕士学位论文 数进行钻进与否的判断，可掌握起下钻的进程。钻头当前位置p o b 等于大钩高度 变化前钻头位置p o b o 与大钩高度的变化量h 之白j 的差值。其计算公式为 ( 3 2 1 一a ) ： p o b = p o b o a h( 3 2 1 一a ) 如果大钩负荷大于坐卡门限，即大钩承受着整个钻具的重量( 包括钻头) ， 则钻头移动距离与大钩高度的变化相等：否则，钻头移动的距离几乎为零( 不变) 。 由于坐卡、解卡瞬变的时间响应造成大钩负荷值跳跃比较大( 坐卡后钻具 的大部分重量都在坐卡上，大钩上只有少部分的钻具重量，其重量通常与一根单 根重量相当) ，同时打浅层时由于钻具质量过轻使得坐卡门限过大造成该参数的 计算不准确。故坐卡门限要按照井深进行分段设定和根据经验值进行设定。 3 2 2 钻压 钻压p o d ( p r e s so fd r i l l i n g ) 是一个非常重要的参数，它影响到井深等 参数的计算以及钻进、循环等工况的识别，同时它对于发现钻进过程中的异常事 故具有重要作用。钻压p o d 为钩载总重量( 即钻具总重量) 与钩载负荷g 的差值。 其数学模型为： p o t ) ：罗p z w o b 一 ( 3 2 2 1 ) 式中p 为钻具的线密厦：1 为钻具的有效长厦； 可进一步推倒出在正常钻进时( 非正常钻进时钻压为零) 的钻压计算公式 ( 3 2 2 - b ) ： p o d = 慨一p 0 ) x l f x ( d f - d f ) 2 + p 。x h o bx ( o - d ) 2 一w h o ( 3 2 2 _ b ) 式中p ，为钻具的密度( 如以线密度的形式给出，需要换算，g 取值为 9 8 0 ) ，长度1i ，、外径o i 、内径d f ，均从钻具数据库中读取。d 。d 为钻杆 的内径、外径。p o 为泥浆密度，h o b 为大钩高度，w o h 为大钩负荷。 3 2 3 标准井深 标准井深d o w ( d e p t ho fw e l l ) 反映了钻井作业的工作进度，同时根据它来 判断是否需要进行接单根等操作。 标准井深d o w 等于钻进状态前的井深d o w o 与大钩高度的变化量h 之和。其 湖北工业大学硕士学位论文 计算公式为( 3 2 3 一a ) ： d o w = d o w o + a h ( 3 2 3 - a ) 如果是正常钻进时标准井深等于钻头位置；否则，标准井深等于正常钻进前 的井深，即上次的井深。 3 3 主要工况识别数学模型 钻井工程有着悠久的历史，其过程工况比较复杂，有钻进、划眼、接单根、 卸单根、起下钻等多种状态，这些状态的正确识别对派生参数的计算有十分重要 的影响，工况判断出错将导致派生参数计算出错。系统通过直接参数和己派生出 的参数及相应的数学模型进行工况识别，再由识别出的工况计算其它参数。下面 介绍主要的几个工况： 3 3 1 钻进 判断钻进冽主要的条件有以下几个： 1 钻头位置大于等于标准井深： 2 大钩负荷大于坐卡门限： 3 泵冲次大于0 ： 4 出口相对流量大于0 ： 5 钻压大于0 ： 注：l 为主要判断条件，说明向下打井井深不断增加。 3 3 2 起钻 判断起钻i “i 主要的条件有以下几个： 1 坐卡上扣： 2 钻头位置上升，且上升的距离为起下钻有效长度( 一根单根长度) 3 坐卡卸扣： 3 3 3 下钻 判断下钻m l 主要的条件有以下几个： 1 坐卡卸扣： 2 钻头位置下降，且下降的距离为起下钻有效长度( 一根单根长度) 3 坐卡上扣： 湖北工业大学硕士学位论文 第4 章系统硬件设计 钻井现场工况十分复杂，钻井条件复杂多变，各种条件有时特别恶劣。但是 对钻井参数的测量要求有相当高的可靠性和一定的测量精度。这就需要硬件必须 适应不同的测量条件，减少对具体测量环境的依赖，同时即使发生异常情况也必 须正常可靠地工作。由于钻井停工将造成巨大的损失，加上安装调试都不是很方 便。所以要求仪器具有较长的使用寿命和良好的防腐、防爆性能。系统采用新型 固态和非接触传感器，结合信号隔离技术、抗干扰设计，在现场较强电磁干扰的 工作环境中，安装方便、测量准确、防爆抗磁。采用总线技术和研华公司的 a d a m 4 0 1 7 + a d a m 4 5 2 0 。a d a m 4 0 6 0 。a d u h 4 0 8 0 等新型远程信号采集模块，大大地 提高了系统的可靠性和对环境的适应性。 本章将从传感器选型、信号的处理、通信协议、抗干扰处理、防雷击等方面 介绍系统的硬件设计。 4 1 传感器选型 传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器 件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。作为一个参数监测系统，传感器占 有非常重要的地位m 1 。 测量液位的传感器的类型很多比如压电式、压差式、导电式、电感式、磁致 伸缩式、超声波式根据现场的实际要求，分析对比最后选择一合适类型的传感 器。 下面对本系统中所涉及的传感器作简要比较并最终选型。 4 1 1 液位传感器 常用的液位传感器有磁致伸缩式液位传感器，电磁式液位传感器，超声波液 位传感器根据现场及使用经验确定选择美国加拿大生产的a b m 2 0 0 8 1 u 超声波液 位传感器。 1 工作原理 超声波液位传感器的主要器件是探头，探头是实现声、电转换的装置，又 称超声波换能器。这种装置发射超声波和接收超声回波，转换成相应的电信号。 测液位时探头发 h 的超声脉冲通过介质到达液面，经液面反射后又被探头接收。 测量发射与接收超卢脉冲的时间h j 隔和介质中的传播速度，可求出探头与界面之 湖北工业大学硕士学位论文 间的距离。 2 特点 液位计集传感器和电子单元于一体，采用两线制( 数据线和电源共线) ，可测 量敞开或密闭容器中不断变化的液面和物位，其非接触性可以避免由压力变送 器，电容式、吹气式和浮子式等测量装置带来的缠绕、泄漏、插人介质和昂贵的 清洗等麻烦。每秒钟最多可发射3 2 次超生波，反映速度居世界首位。 3 主要技术指标 精度：0 2 5 满量程 分辨率：1 8 删 工作频率：8 1 k h z 波束角：6 温度补偿方式：内置温度自动补偿单元 输出信号范围：4 - 2 0m a 测量范围：o 一3 5 m ( 4 m a ：0m ：2 0 m a ：3 5m ) 4 环境要求 电压：1 2 3 0v 1 ) c ，一般为2 4 v d c 工作环境温度：一4 0 + 6 0 。c 工作压力：卜1 0p a 4 2 信号处理 4 2 1 模拟信号的处理 立管压力、大钩负荷，入口流量、出口流量，泥浆液位等传感器自身均带有变 送器，变送器通常都具有信号补偿，放大的功能，信号经过变送器处理转换成标准 的4 - 2 0 m a 电流信号，再经过电流电压转换成0 5v 的标准电压信号直接用于智 能模块a d a m 4 0 1 7 + ( 模拟量输入模块) 的输入接口进行信号处理，经r s 4 8 5 总线 由a d a m 4 5 2 0 ( r s 2 3 2 4 8 5 转换器) 传送到上位p c 机。其原理如图4 1 所示。 湖北工业大学硕士学位论文 4 2 2 数字信号的处理 图4 1 模拟信号处理 绞车传感器采用目前国内市场流行的光电耦合式绞车传感器i ”，其输出a ，b 为相位差为9 0 度的脉冲信号( 如图4 2 ) 。 图4 2 传感器输出脉冲信号图 这样，绞车传感器每转动一周，两路脉冲信号经过综合录井仪中绞车板电路 触发、鉴相、倍频、计数处理后，输出4 8 个脉冲信号经计数模块a d a m 4 0 8 0 送往上 位p c 机处理，如图4 3 。 图4 3 绞车信号处理 泵冲次传感器由电感型接近丌关构成，当金属物体靠近传感器的探测器头端 湖北工业大学硕士学位论文 面时，使振荡减弱以至停振，传感器输出高电平，当金属物体离丌时，振荡器起振， 输出低电平产生的高频交变的电磁场时，被测物体产生涡流效应，导致振荡电 路减弱，这一变化被开关的后置电路放大处理并转换为一个确定的输出信号，触 发开关并驱动控制器件，达到非接触式目标检测的目的。传感器输出低频 ( o 1 0 0 h z ) 脉冲信号，脉冲信号经锁相、倍频处理得到高频频率( o 一1 0k h z ) 的信 号，高频频率信号再经过频率电压转换，得到o 一1 0v 的电压信号，电压信号 经放大器放大为0 - - 5v 的标准电压信号，此标准电压信号经计数模块a d a m 4 0 8 0 远传到上位p c 机处理。如图4 4 所示： 4 3 通讯协议 图4 4 脉冲信号处理 在工业控制领域，随着技术水平的不断提高，各种现场总线技术被开发出来， 例如p r o f i b u s ，c a n 等，但基于r s 4 8 5 的主从总线 3 1 1 因其简单成熟而仍然被广泛 采用 4 3 1r s 4 8 5 总线 r s 4 8 5 串行数掘链路协议为主从协议。只有一个主节点与一个或多个从节点 同时连接在一条总线上。主节点负责命令的发起，从节点接收命令并响应。从节 点只有收到主节点命令时才会做出响应，从节点之间不能相互通信。 主节点向从节点发送2 种类型的请求： 单址模式：主节点寻址一个单独的从节点。从节点收到并处理请求之后，向 主节点返回一个消息( 应答) 。在该模式中，一个会话包含2 个消息：主节点的请 求、从节点的应答。每个从节点必须有一个独一无二的地址，从而可以被主节点 寻址到。 广播模式：主节点向所有从节点发送请求。主节点发送的广播请求无需从节 湖北工业大学硕士学位论文 点响应。广播请求通常为写命令，所有从节点必须接受。地址0 为广播请求保留。 r s 一4 8 5 标准是由两个行业协会共同制订和开发的，即e i a 一电子工业协会和 t i a _ 通讯工业协会。e i a 曾经在它所有标准前面加上r s 前缀英文c o m e n d e d s t a n d a r d 的缩写，因此许多工程师一直延用这种名称。 r s - 4 8 5 总线作为一种多点差分数据传输的电气规范规，已成为业界应用最 为广泛的标准通信接口之一。这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点 双向通信，它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性是其他 标准无法比拟的。正因为此，许多不同领域都采用r s 一4 8 5 作为数据传输链路。 例如：汽车电子、电信设备局域网、智能楼宇等都经常可以见到具有r s 一4 8 5 接 口电路的设备。这项标准得到广泛接受的另外一个原因是它的通用性r s 一4 8 5 标 准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件电缆或协议，在此基础上用户 可以建立自己的高层通信协议。 r s 4 8 5 总线电气性能见表4 1 性能指标 r s 4 8 5 总线 工作模式差分传输( 平衡传输) 允许的收发器数目3 2 ( 受芯片驱动能力限制) 最大电缆长度4 0 0 0 英尺( 1 2 1 9 米) 最高数据速率l o m b p s 最小驱动输出电压范围 1 5 v 最大驱动输出电压范围 5 v 最大输出短路电流 2 5 0 m a 最大输入电流 1 o m a 1 2 v i n ，一0 8 m a 一7 v i n 驱动器输出阻抗 5 4 欧 输入端电容5 0 p f 接收器输入灵敏度 2 0 0 m y 接收器最小输入阻抗 1 2 k 接收器输入电压范围 一7 v + 1 2 v 接收器输出逻辑高 2 0 0 m v 接收器输出逻辑低 2 0 0 m y 表4 1r s 4 8 5 总线电气性能 湖北工业大学硕士学位论文 r s 4 8 5 电路基本接线如图4 5 所示： 4 3 2 现场总线 图4 5 接线图 现场总线i 圳是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字、双向、多 站点的串行通讯网络。现场总线所采用的数字信号具有分辨率高、准确性好的优 点。在模拟系统中，从所传递的模拟信号难以判断其中的噪声或其他种类的信号 畸变。即使是最精确的模拟变送器，尽管其测量变送精度很高，但由于一个或几 个模拟信号到达计算单元的时间差异问题，仍然会造成测量计算系统整体上的不 准确。而在现场总线系统中，其数字信号只有1 、o 两种状态，抗干扰、抗畸变的 能力要强得多，作为分布在装置现场的测量系统，其数字信号的传输也更为及时， 因而可显现出更大的优势。 自八十年代提出现场总线的概念以来，由于最初没有统一的国际标准，国外 一些企业，特别是美国、只本的一些大公司相互联合在一起，纷纷制定出各自的 总线标准，并推出了自己的产品。目一前在市场上较为流行的现场总线主要有 h a r t l 叫( 可寻址远程传感器数据通讯) 、f f ( 基会会现场总线) 、c a n i 圳( 控制局 域网络) 、l o n w o r k s ( 局部操作网络) 、p r o f i b u s ( 过程现场总线) 等。由于这些企 业本身在相应行业领域的垄断地位，在不同的应用领域中都取得了很大的成功， 从而导致目前市场上多种现场总线并存的现象。由于这些企业本身的优势不同， 使用对象的差异，使得不同现场总线在各自领域中都有自身的优势。现场总线技 术的发展己经成熟，但将现场总线技术应用到钻井系统还属于起步阶段，需要在 这方面做出更多的研究。 湖北工业大学硕士学位论文 鉴于本系统智能模块问无数据的交换，智能模块与上位p c 机的数据访问只是 单向的。故采用r s 4 8 5 总线方式构成d c s 系统 4 4 抗干扰处理 油田钻井设备的现场工作环境是非常恶劣和复杂的，现场干扰特别严重，设 备应用的可靠性、安全性就成为一个非常突出的问题。本微机测控系统必须长期 稳定、可靠的运行，否则会使系统失灵，造成巨大的损失，甚至是灾难性的事故。 在微机测控系统中，人们总是期望系统的输出以一定的精度跟随