（机械设计及理论专业论文）钻井监测警报系统研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 目前国内油田开采过程中如何现场判断是否出现溢流或者井漏等事故一般是 由工人进行定时的人工观测、并记录加以对比，跟国外的先进技术对比，自动化程 度不高，缺乏竞争力。既降低了钻井的效率，又提高了钻井的成本。针对上述现 状及其存在的问题，本文研究并设计了一套钻井监测警报系统。 本文系统的总体研究方案是采用基于工控机的有线传输系统平台，通过传感 器和智能数据采集模块在r s 4 8 5 总线的基础上实现上下位机的通讯。系统的设计包 括了软硬件两个部分，系统的软件部分是由工控机中安装的工控组态软件及硬件 组件的驱动程序组成，在工控组态软件的基础上，实现了多种数据的显示方式以及 数据的采集处理和查询，报表的生成和打印等功能，为钻井过程提供了强大的数据 分析工具和手段。硬件部分包含工控机，硬件组件和各种传感器。 系统的设计过程中对钻井参数进行的详细的研究分析，包括钻井参数的测量 原理和方法。该系统通过对泥浆池体积、入口流量、出口流量、泵压、液位、大 钩悬重、大钩高度和泵冲速等钻井参数进行自动化智能监测，实现对钻井过程中的 异常现象进行自动监控和报警，可以有效的预防事故的发生，降低事故发生率。同 时，系统可实现在起下钻过程中自动灌注钻井液的功能，节约了钻井成本，并提高 了钻井效率。 本论文研究的钻井监测警报系统具有友好的人机界面、操作方便、显示直观、 对降低钻井人员的工作量，减少异常事故的发生频率，提高科学钻井效率和自动 化水平，具有一定的实际应用价值。 关键词：钻井，数据采集，监测警报，组态软件，人机界面 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，w 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 nt h eo i l f i e l dd e p e n d so nt h e r e g u l a r a r t i f i c i a l o b s e r v a t i o n ，r e c o r d i n g a n dc o m p a r i n gb yt h ew o r k e r s m o s t w e l l - d r i l l i n gw o r k sa r es t i l lm a i n l yr e l y i n go nt h ea r t i f i c i a lo p e r a t i o n sa n dr e l a t i v e l yl e s s a u t o m a t i o n i td e f i n i t e l yr a i s e st h ec o s t f o rt h es i t u a t i o na b o v e ，t h ep a p e rd e s i g n sa w e l l d r i l l i n gm o n i t o r i n ga n dw a r n i n gs y s t e m t h e r ea r el o t so fr e s e a r c h e sa b o u tt h es o l u t i o na n dp l a no ft h eo v e r a l ls y s t e m ，a n d d e l i v e rac o n t r o l s y s t e m t h a ti se x t e n s i b l ea n dr e l i a b l eb a s e do nt h er s 4 8 5 b u s - m a s t e r i n ga 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 i tm a i n l yi n c l u d e st h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r e t h eh a r d w a r ei sc o n s i s t so fd s cc o n t r o l l i n gp l a t f o r m ，g r o u p w a r ea n d s e n s o r s t h es o f t w a r ei sm a d eu po ft h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n dd r i v e r s t h em a i n f u n c t i o n sa r es y s t e ma d m i n i s t r a t i o n ，d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g , w a r n i n g ，r e p o r t g e n e r a t i o na n dp r i n t i n g d r i l l i n gp a r a m e t e r sp l a yav e r yi m p o r t a n tp a r ti nt h ew e l l - d r i l l i n gm o n i t o r i n ga n d w a r n i n gs y s t e m t h ep a p e ra l s oe x p l o r e ss o m ei n d e p t ha n a l y s i sa n ds t u d yo nt h e m e a s u r i n gp 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 es y s t e ma c h i e v e sa u t o m a t i c m 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 so v e r f l o wa n d l 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 ha ss l u r r yv o l u m e ，t h ei n p u t o u t p u t v o l u m e ，p u m pp r e s s u r e ，l i q u i dl e v e l ，h o o kl o a d ，h o o kh i g h ，s p e e dp u m p sa n ds oo n ， e f f e c t i v e l yp r e v e n tt h e o 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 mc a nr e a l i z e a u t o m a t i cf i l l i n gm u di nt h ep r o c e s so fu p d r i l l i n ga n di m p r o v et h ed r i l l i n ge f f i c i e n c y t h ep a p e rh a sa na 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 fw e l l - d r i l l i n ga n d a b n o r m a li 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 i ti sp r o v e nt h a tt h es y s t e m f e a t u r e sw i t hf r i e n d l yh m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) ，h i g hr e l i a b i l i t ya n d m a i n t a i n a b i l i t y k e y w o r d s ：w e l l - d r i l l i n g ，d a t aa c q u i s i t i o n ，m o n i t o r i n g - w a r n i n g ，c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e ，h m i n 溯业二量大謦 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： 结华日期：勘睁s 月2 9 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：1 特华 日期：协8 年5 月j 6 日 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 课题研究意义 第1 章引言 石油钻井技术发展的总为势是信息化、智能化、自动化为特点，最终实现自 动化钻井一提出了2 1 世纪初期( 2 0 0 1 - 2 0 2 0 年) 应加速研究与自动化钻井有关的 主要技术：复杂结构井的产业化技术钻井信息技术，新型绿色无污染钻井液， 随钻测量和随钻地层评价技术，井下动态数据的采集、处理与应用系统，信息流 闭环系统及旋转导向闭环钻井技术现代平衡钻进技术，柔管技术等，继续解决 深井、超深井钻井技术难题进一步完善和推广油气层保护技术和小井眼产业化 技术，加强钻井理论研究。 在钻油气层的过程中，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。 1 1 1 井喷的预兆 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。井喷预先显示有以下几种： 1 早期的间接显示 这包括三种在钻井过程中产生的可能是进如高压层的现象：( 1 ) 钻井中出现 蹩脚钻；( 2 ) 钻速突然增大或钻进放空；( 3 ) 泵压突然下降。 2 中期的直接显示 中期的直接显示可归纳为七点：( 1 ) 洗井液密度和粘度下降，切力上升；( 2 ) 出口洗井液气泡增多：( 3 ) 洗井液油味或硫化氢味很浓；( 4 ) 出口洗井液流 速加快；( 5 ) 起钻时能灌入井内的洗井液量小于钻具起出体积；( 6 ) 停止循 6 湖北工业大学硕士学位论文 环时，井口仍有洗井液外溢；( 7 ) 泥浆池液面升高。 3 晚期的显示井涌 这是最严重的井喷显示，如果不立刻采取有效措施进行控制，则井喷随即发 生。 1 1 2 井喷的预防 井喷是井涌无控制发展的结果。因而目前国内外将预防井喷的重点放在井涌 上。那么，避免溢流的发生或及时发现溢流就成为预防井喷的关键。当然发现溢 流后，要采取正确的措施，并保证装置能够完成控制井口压力的任务，这样才能 防止井喷的发生。具体讲，应注意以下几方面问题： 1 钻井设计所依据的地质资料力求准确。要通过多种方法对比分析，确定 出地层的分层及油、气、水层深度、压力等数据。做好异常高压地层的 检测、预报工作。 2 采用合理的井身结构。井身结构要满足在钻进过程中控制各种复杂地层 的需要，除能用套管封隔漏、塌及异常高压层外，还应具备能够在万一发 生井涌时，关井控制井涌和处理井喷的能力。 3 配备、装好适应控制高压油气的井口装置和井控管汇系统。 4 调整好洗井液性能。在钻开高压层时，必须调整好洗井液的密度，适当 降低其切力。并贮备好足够的加重剂和处理剂。 5 钻开油气曾层后要仔细观察和测量洗井液的性能变化。加强地面除气， 保持洗井液的密度不降低，必要时要加大其密度以平衡地层压力。 6 加强井队人员防喷知识的教育与训练，提高防喷意识，做到无井喷时注 意防喷，发生井喷后能有条不紊地进行处理。 目前国内钻井过程监测监控系统不少，大部分只为提供录井参数信息而设计， 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【2l l 川。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 【4 】，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，亦可 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。 7 湖北工业大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 进入2 1 世纪以后，世界经济特别是中国经济的飞速发展，怠工全球石油需求 的与日俱增，2 0 0 5 年世界石油消费量达到了8 3 6 0 万桶日，2 0 0 6 年增加1 2 5 万 桶日，达到8 4 8 5 万桶日。国际原油价格也是节节攀升，2 0 0 3 年5 月到2 0 0 6 年5 月，国际原油价格翻了1 5 1 7 倍。原油价格的高涨和消费量的激增，刺激 了石油开采业的发展，石油开采高峰已经临近。面对这样的经济环境，我国石油 开采行业成为国内工业经济发展的焦点，国内三大石油公司都在不断增加了石油 勘探开采方面的投资，预计“十一五 期间我国的石油开采行业将进一步以较快 的速度发展。 我国石油钻井的规模现居世界第3 位，年动用钻机数量由建国初期的8 台上 升到2 0 0 1 年的6 7 0 台( 中石油) ，最多时达上千台；年钻井进尺由建国初期的不 到5 0 0 0 m ，1 9 7 8 年的6 0 0 多万米上升到2 0 0 1 年的近1 1 8 6 x1 0 4 m ( 中石油) ，年完 成井数由建国初期的几十口上升到2 0 0 1 年6 7 4 6 口( 中石油) ；陆上平均队年进尺 由1 9 7 9 年的8 9 2 8 m 上升到2 0 0 1 年3 22 5 7 m ，增长了2 6 1 倍，平均机械钻速由 1 9 7 9 年的4 3 1 m h 上升到2 0 0 1 年的1 1 3 4 m h ，增长了1 ，6 3 倍。钻井地域 由陆地到沙漠到滩海；钻井井深由浅井到中深井到深井超深井；钻井井型由打直 井到定向井、丛式井、水平井和大位移井。 井喷失控是石油及天然气勘探开发中灾难性事故。井喷失控井储层压力高、 产量大，喷流速度达亚音速或音速。喷流及燃烧火焰柱高一般在4 0 - - 一5 0 m ，最高 达1 0 0m 。高压下喷出的天然气流卷吸空气混合燃烧，温度高达1 0 0 0 - - - 1 8 0 0 ， 热辐射强。即使井喷失控井未着火的井，由于喷出流体中常含有毒气体( hs 、c o ： 等) 在大气中弥散也会造成严重的环境污染，伤害人类生命。 2 0 世纪8 0 年代之前，由于我国钻井技术水平低、设备性能差，井喷事故经 常发生。据统计，建国以来先后发生过千余起井喷事故，四川盆地1 9 5 7 年至1 9 8 1 年问，发生严重井喷失控、着火事故达4 8 起，烧毁钻机1 8 台，伤亡1 5 8 人，报 废1 4 口井。8 0 年代以后随着过平衡以及欠平衡法等钻井技术的开发应用，使我 国在油层保护和井喷事故预防方面有很大的进步，但是由于各方面的原因，井喷 事故仍时有发生。 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 d j 系列钻井参数电记录仪、z j c 系列钻井参数仪、h z j i 型 8 湖北工业大学硕士学位论文 钻井工程监测系统、z j c 系列通用钻井参数仪、s k - 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【5 1 6 11 7 1 【引。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d 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，国内钻井技术与国外先进钻井技术相比，还有5 1 0 年的差距。国外 各大石油公司自2 0 世纪5 0 年代以来深入开展钻头结构、钻井液性能等方面的研 究，同时井喷事故的预防和控制一直是各大公司高度重视的问题。但各地的井喷 事故仍然时有发生，自1 9 8 3 年至2 0 0 2 年美国在墨西哥湾地区共发生井喷事故 1 7 起。英国自1 9 8 0 年至2 0 0 1 年共发生井喷事故1 5 起。给生产、环境造成了严 重的影响。近年来，各大公司均实施严格的安全管理制度，制定了科学实用的应 急救援预案以及计算机辅助控制系统等新技术的应用，可以使事故及时得到处 置，在一定程度上减轻了井喷事故对人身安全和环境造成的不利影响。 其中美国的马丁( m dt 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【9 】。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 o t 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，亦可通过 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 9 湖北工业大学硕士学位论文 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【加l 【1 11 。 1 3 课题研究内容及工作 1 3 1 存在的问题 虽然我国井喷监控系统得到了快速发展，但实际操作过程仍然会由于各种人 为或自然不可抗力发生故障，造成不可弥补损失。产生井喷的原因主要原因有： 1 ) 地层压力掌握不准；2 ) 洗井液密度降低；3 ) 洗井液液柱高度降低；4 ) 起钻 时的抽汲作用。特别是起钻时由于井内钻具的起出，使井内液柱高度下降，若不 能及时向井内灌洗井液以保持井底液柱压力，便会使地层流体侵入井内。据不完 全统计，大约有5 5 的井喷是由于起钻中未能及时保持井内洗井液的高度而引 起的。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。因此对泥浆循环系统的控制及监测对预防井喷起着关键 作用。 1 3 2 各主要参数的智能监测 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间测参数，根据参数还需要进行工况的辨别 1 2 1 。 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 0 湖北工业大学硕士学位论文 1 3 3 系统软硬件设计方案 作为一个将在钻井现场实际应用的系统，软件设计实时参数显示、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。 在设计硬件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。 1 传感器的选型问题。在油田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、防水防暴 等指标。 2 信号处理问题。传感器采集到所要采集的信号后，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a d a m 远程数据采集单元 能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。 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章钻井监测警报系统简介 油田钻井过程中的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，过程非常烦琐。而且，国内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 一种钻井监测警报系统。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等异常 现象进行自动监控和预报警，有效预防事故的发生。同时，系统可实现起下钻过 程中自动灌注钻井液，提高生产效率。 2 1 基于p c 机的远程监控系统 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 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。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间有很长的一段距离，而普通的传 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 湖北工业大学硕士学位论文 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【1 3 】【1 4 1 【1 5 】。 2 2 基于p c 和p l o 的分布式监控系统 工作原理如图2 2 所示。 图2 2 基于p c 和p l c 的分布式监控系统 此系统增加了一级控制完全克服了前述系统的一些缺点。主要特点有： 1 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。 2 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。 3 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。 2 3 钻井监测警报系统特点 本系统所采用的基于p c 和p l c 的分布式监控系统具有以下特点： 湖北工业大学硕士学位论文 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 系统功能及构成 2 4 1 主要功能 “钻井监测警报系统”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 主要构成 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： 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 d s c 监控机 ? 仪 表 r s 一2 3 2 r s - 4 8 5 转换器 工 贼8 5 网络 t jljl 采集现场 后台处理 r 模拟量输入模块d s p数字量输入模块d s p数字量输出模块d s p ililliij上上 液泵 立 泵泵绞 警泥 报 位压管冲冲 奎 一 不浆警 传力 压 流 传传传 灯泵 器 感传力 量 感感 感 器感 计 计 器 器 器 器 图2 3 系统结构图 1 d c s 控制台 d c s 控制台p p c - 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 7 】【1 8 】。 2 系统硬件组件 系统由如下智能模块组成： 通讯转换模炉实现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 a m 4 0 1 7 + 8 路差分模拟量输入模块【1 9 】1 2 0 11 2 1 ： 输出模块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 型智能电磁流量计采集泥浆泵泵出流量： f l 一0 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 超声波液位传感器采集泥浆灌泥浆高度： p p 一0 1 泵冲传感器采集高压泵冲次，计算排量： 1 5 湖北工业大学硕士学位论文 p s - i o a 压力传感器采集压力，计算大钩悬重： p s 一4 0 a 压力传感器采集立管压力，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 v i 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 l 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 6 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章钻井监测警报系统特征 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 1 所示。 1 7 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 直接测量参数 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，通过对大钩负荷状态的判断，还可计算出钻井过程的时间参数( 重载时间、 停工时间、卡瓦时间、起下钻时间和划眼时间等) 。 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 1 8 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w o h 即与该压力信号成正比，其数学模型如( 3 1 1 - a ) ： w o h ：一l n 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：1 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 l ，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 1 - b ) 。 i = o ： w h i l e ( i - - 5 ) f i f( x i h 时，则d 群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 ，贝l j d = s = t 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 - a ) 式中：v 一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 2 间接测量参数 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 头当前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a h 之间的差值。其计算公式为 ( 3 2 1 - 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 d = p z w o h ： ( 3 2 2 一a ) 式中p 为钻具的线密度：l 为钻具的有效长度： 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 = p f p 。) l f ( oi di ) 2 + p 。h o h ( d d ) 2 4 一w h o ( 3 2 2 一b ) 其中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lf ，、外径di 、内径di ，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 h 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 - a ) ： d o w = d o w 0 + 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 现场主要工况 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【2 5 】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o ： 4 出口相对流量大于0 ： 5 钻压大于0 ： 注：1 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【2 6 】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【2 7 】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 章钻井监测警报系统研究 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 a m 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、模块设计等方 面介绍系统的硬件部分和软件部分。 4 1 传感器 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 有非常重要的地位陋1 。 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【2 9 i 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。 测液位时探头发出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。 测量发射与接收超声脉冲的时间间隔和介质中的传播速度，可求出探头与界面之 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 湖北工业大学硕士学位论文 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：0 3 5 m ( 4 m a ：0m ：2 0 m a ：3 5m ) 4 环境要求 电压：1 2 3 0v d c ，一般为2 4 v d c 工作环境温度：- 4 0 - - + 6 0 。c 工作压力：1 - 1 0p a 图4 1p t o1 超声波液位传感器一采集泥浆灌泥浆高度 湖北工业大学硕士学位论文 4 1 2 电磁流量计 图4 2j x l d b e 型智能电磁流量计r o d - - 采集泥浆泵泵出流量 4 1 3 出口流量传感器 一 r “彩。? 黪。 一餐。f 、，： 二，j ， 。 一二，。飞 一、 ， i ： ，：瓤 。孳 i j i 匕篱 蛰i ，磊 ， 扁一二 蟛。 鬻? 、。 | 搴乏： “，舞多r 湖北工业大学硕士学位论文 图4 3 f l 0 1 出口流量传感器一采集井口出口管泥浆流量 4 1 4 绞车传感器 图4 4w s - 0 1 绞车传感器采集绞车脉冲数，计算井深，大钩高度 4 1 5 泵冲传感器 图4 5p p 一01 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 4 1 6 压力传感器 图4 6p s i o a 压力传感器一一采集压力，计算大钩悬重 图4 7p s 一4 0 a 压力传感器采集立管压力，计算泵压 湖北工业大学硕士学位论文 4 2 信号处理 4 2 1 模拟信号处理 立管压力、大钩负荷，入口流量、出口