钻井多参数监测系统

1 绪论 0 1 绪 论 1 1 本课题的研究意义 1 1 1 钻井工程仪表的重要意义 在复杂层段和新探区 凭经验打井往往事故不断 造成资金和时 间的巨大浪费 而钻井参数监测仪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 而且可及时预报可能出现的 复杂情况和钻井事故 从而为钻井工程技术人员的现场决策提供了可 靠的实时资料 提高了钻井安全性 钻井参数监测仪检测异常地层压力 掌握了比较准确的地层压力 资料 就可以正确地选用钻井液密度和适当的套管程序 实现平衡钻 井 防止油层污染 保护产层 在钻井过程中 监视钻井液总体积 立管压力 转盘扭矩等参数及其异常各类工程事故 实现安全作业 提高钻井效率 降低钻井成本 应用钻井参数监测仪资料 可以选择合理的钻井液密度 套管下 入深度 钻头类型 确定最优化钻井技术措施 提高钻压传递效率 选择最佳起钻时间 以及日常工程事故预报 从可以缩短建井周期 降低钻井成本 提高了钻井效率 提高了钻井作业的自动化程度和数据可信度 钻井参数监测仪配置有各种精度高 可靠性好的传感器 大大丰 富了它的功能 可以在线连续测量的参数很多 又采取集中监测 显 示和记录 从而大大方便了钻井作业中各种参数的综合评价和应用 随着电子基础产品的性能不断提高 仪器得到足够的硬件 软件支持 有效利用率可达 90 获取的钻井信息量大 提高了钻探井的可观测性和可控制性 传统的钻井作业 各工种分工很细 各类参数 钻井参数 钻井液 参数 气体参数 地质参数 井身参数等 通常由几个作业面分别测量 和记录 因此 钻井新技术需要对它们进行相关分析和综合评价十分 不便 尤其是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 致使钻井软科学和地质评价的先进成果难以应用 钻井参数监测仪的各种配备了微型计算机数据采集处理系统 实时采 集的功能很强 又可以通过系统配置的各种应用软件完成钻井工程 CAD 和成果解释 可以实时打印 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 1 绪论 1 便于实现井场信息的网络通讯 推广应用各种专家系统 提 高油气藏早期评价能力 钻井信息的获取 处理和共享 是当前进一步提高钻井效率 降 低钻井成本的关键 建立计算机网络和数字通讯 是我国石油勘探开 发中推广应用计算技术的内容 钻井参数监测仪作为井场数据采集系 统 可实现作业点与油田中心站有效的通讯联系 共享油田中心站拥 有的软件资源 对地层特性和油气构造进行早期预测和评价 指导钻 井施工 及时预报和发现异常情况 保证钻井作业顺利进行 有利于整个钻井过程的科学化 实时化和网络化 油气井大多在交通不方便的野外 井队主管部门和有关上级部门 的领导和技术人员要了解钻井进度和工况很不方便 本系统提供了 Modem 对连方式 通过内部电话线拨号上网 处于不同地理位置的井 队主管部门和有关上级部门可及时掌握钻井现场的情况 从而及时进 行科学指导 为国家节约大量外汇 目前我国不少井队使用的钻井监测系统是从美国马丁和加拿大的 DATALOG 等公司引进的 价格昂贵 每套约 130 万元 比我们自行 开发的这套系统贵 60 万元 近 1 倍 显然 若系统得到成功的推广应 用 可大大减少引进 为我国节约大量外汇 可提高我国钻井参数仪表的技术水平 占领国内市场 打入 国际市场 本系统由于在参数测量数学模型上有很大改进 再加上采用客户 服务器 现场总线 数据库等技术 使系统的技术水平处于国内领先 并赶上了世界先进水平 为系统占领国内市场 打入国际市场创造了 很好的条件 1 2 钻井工程仪表的研究现状 1 2 1 钻井工程仪表的发展历史 钻井工程有着悠久的历史 它的发展过程及技术特征基本可分为 两个时期 顿钻时期 最古老的钻井方式是顿钻 其技术特征是 用重的钻头 靠重力 冲击岩石 使之破碎 而后起出钻头 下捞砂筒捞砂 如此反复地操 作 使井加深 当井下遇到复杂情况时 下入套管 而后再冲 再捞 直至钻达目的层 下入套管后完井 由上可见 顿钻时期 破碎岩石 和清除岩屑是明显的两个不同的工艺过程 当时人们还不懂得洗井 1 绪论 2 是一个无仪表的时期 司钻本人靠耳听 目睹 嗅觉 感觉等进行直 接监测钻井情况 一切工作全凭经验判断 由于钻井效率极低 对付 不了流砂层等 其不得不被旋转钻井工艺所取代 旋转钻井时期 由旋转钻井概念的形成发展到今天的钻井水平 经历了八十多年 的历史 从美国钻井工艺发展过程来看 其间可分为四个发展阶段 1 概念形成阶段 1900 1920 年 旋转钻井的原理启蒙于 1900 年 在美国的 Mpindletop 地区 曾 用顿钻打井 由于流砂层的坍塌 井眼无法加深下去 无意间用搅混 的泥浆灌入井眼 结果坍塌现象明显减轻 使井得以加深下去 由此 得到两个启发 a 粘土浑浊液 可以减轻坍塌现象 b 浑浊液可以带出 部分岩屑 从此开始把钻井和洗井两个工艺结合在一起 1908 年 Hughes 公司开始研制旋转钻井用的钻头 刮刀钻头 1904 年 1910 年间 哈里波顿公司 Halliburton 开始用水泥封固套管的工艺 1914 年 1916 年间 National lead co 开始研究泥浆 大体在 1920 年左右 形成了完整的旋转钻井概念 在此之间 由于井斜造成事故 导致地 下产权的纠纷 所以要求测井斜 于是 1920 年前后 产生了第一个 虹吸测斜仪 2 缓慢发展阶段 1920 1948 年 这阶段的技术特征 是给钻机配备了较强的动力 研制出了各种类 型的刮刀钻头和牙轮钻头 改善了固井的工艺 有了专用的泥浆 在 仪表方面 1925 1936 年间 一系列的基础仪表陆续地研制出来 如美 国马丁 戴克公司 Martin Decker Co 于 1930 年前后就拿出了用于现场 的指重表 1926 年 泵压表 转速表等 直至今天 该公司的钻井仪 表在钻井界仍有相当的地位 此阶段由于只知道打井拿油 不重视钻 井科学的研究工作 在美国也延续了 28 年的漫长时间 3 科学化阶段 1948 1968 年 这阶段的主要技术特征是大力开展了钻井的科学研究工作 采用 了水力喷射的原理 有效地改进了钻头 如镶齿 封密轴承 喷咀等三合 一钻头 改善了泥浆工艺 如选用低固相 无固相 不分散体系等 在 弄清楚每个影响钻进效果的因素之后 归纳和发展成了最优化钻井工 艺 与此时期工艺发展需要相适应的钻井仪表从单一仪表发展成了成 套仪表 将多种参数的仪表汇集在一起 采用多笔记录 以备分析和 作为下一口井设计的借鉴 如美国 Martin Decker 公司的八参数仪就 属此例 1 绪论 3 这个阶段的经济效益十分显著 二十年来 尽管每口井的总成本是 逐年上升的 二十年间上长了 14 但进尺成本是逐年下降的 同时期下 降了 7 4 自动化阶段 1970 1989 年 本阶段的主要技术特征在于采用自动化钻机 采用液动 气动 自动闭锁 自动维持压力 采用自动化的泥浆管理 固相控制 压力控 制 闭环计算机操作 用计算机控制执行机构的操作 钻井参数的全 面控制 主要的技术参数 全盘计划钻井 统一考虑钻井中每个细小工 作 由开钻到完钻 按计划执行 与此阶段相适应的仪表已由一般的 现场式 基地式 仪表发展为全计算机控制的完整的仪表系统 它不但 能提供理想数据 还能将检测 记录到的数据进行分析或 思考 其 测量的参数范围也不仅限于工程参数 还包括一些气测参数 由以上 讲的旋转钻井的四个发展阶段不难看出 钻井工艺是朝着最优化和全 盘计划的方向发展的 钻井设备是朝着闭环自动控制方向发展 钻井 仪表也由现场人员 耳目 朝着高层次的 参谋部 发展 同时也可以看 出 随着钻井工艺本身的发展 钻井仪表已不再是可有可无的助手 而是必须予以高度重视的重要环节 是一直接关系到整个工艺是否能 顺利向前发展的关键 5 智能化阶段 但随着 90 年代石油工业的发展及各种高新技术的出现 人工智 能技术逐渐被引进到钻井行业 从而产生一个全新的概念 人工智能 钻井 即运用最新最先进的人工智能钻井技术与装备 为找到更多的 油藏和提高油井产能服务 这就是广义的人工智能钻井 狭义的人工智 能钻井是指钻井自动化或称全自动化钻井作业 的含义 它几乎包括石 油科学的整个体系 从石油地质 物探 测井 到钻井 采油 油藏 工程以及机械 自动化 计算机等专业在线地联合起来 组成一个有 机的整体协同作战 其主要过程为 由地质和物探部门提出地质条件 和油藏的物理特性描述 组成特定的人工智能钻井专家系统 在先进 的钻井测控技术支持下 利用当前较为成熟和正在发展的 5W MWD LWD SWD PWD FEWD 作为手段 结合导向钻井及 井下闭环控制技术 在钻进过程中实时地随钻随测控 随钻测量各种参 数 随钻测井 随钻地震 及时地把井眼周围及钻头前方的各种地质 地层 环境信息以及钻进状态等数据采集进井下计算机 结合事先已 知的地质勘探资料 进行智能判断 从而发现目标油气藏 并精确确 定其位置 大小 形态 厚度 及走向 以获得最大产能为目标函数 优化各种工艺参数 自动钻进寻找最佳轨迹穿过油气层 完成钻进任 1 绪论 4 务 并给出初步的最佳采油方式和油藏描述的结果 以及实际的井眼 轨迹和各段井眼状态 而且钻进时就可以直接取得最接近实际情况的 第一手资料 而这在过去是根本不可能实现的 1 2 2 国内研究现状 国内在有关钻井参数监测系统的研究中 文献 9 开发的是一种可 连续监测 记录 修正地层可钻性指数 指数 的监测仪 该监测 仪可同时随钻绘制 指数 钻压 泥浆密度以及泵压 条曲线 其 硬件电路由测量仪表 电子电路 单板计算机 绘图机及电源等部分 组成 文献 2 开发了一种钻井参数测试仪 该仪器可测试转盘转速 泵冲 大钩高度 悬重 立管压力 扭矩等直测参数和钻压 钻时 井深 钻头累计进尺 累计工作时间 钻井泵累计工作时间 接单根 时间等间接测量参数 该测试仪的功能主要是上述参数的测试和显示 文献 11 开发的钻探微机多功能监测系统由电源 各类传感器 接口 电路 工业现场控制微机 荧光屏 打印机 或绘图仪 磁带机等系 统组成 系统可实时采集 监测与显示 1 次 秒 钻压 钻速等 9 个钻 探参数 可同时显示其中的 1 6 条回次过程曲线 对钻压 钻速等 5 个主要参数可设置上 下报警限 超限时以声光报警 可辅助打印班 报表 文献 10 的钻井参数仪采用光栅 微处理机技术以及发光二极 管型阵列模拟显示和数字显示方式来实现钻进参数的监测 六个主要 钻进参数的测量精度为 4 文献 13 的钻探微机智能监测系统可随机 监测和记录钻压 扭矩等 9 个钻进参数 绘制 4 6 条回次过程曲线 文献 14 是江汉石油仪器厂开发的钻井八参数仪 文献 15 是上海神开 科技工程有限公司开发的钻井工程参数仪 由各种专用传感器 通讯 串口 数据处理单元 前台工控机 实时彩色打印机 防爆接线柜 数据处理软件等组成 该仪器实现了表盘与数字显示的统一 可显示 多种参数 文献 16 是荆鹏软件开发有限公司 2000 年最新开发的钻井 数据采集系统 该系统采用 WINDOWS 风格操作界面 服务器采用 586 以上工控机 可通过计算机局域网连接 CRT 监视器 具有参数采 集 动画显示 实时打印报表回放 参数异常报警 实时报表 实时 绘图等功能 数据管理采用文件管理方式 文献 9 是山东煤田地质局 开发的钻井参数监测系统 可实时自动检测和记录 显示孔深 钻压 等 10 个钻进参数和泥浆密度 PH 值参数 所采集的数据自动生成文 件名和回次序号并存入硬盘 可对钻压等超限进行声光及文字报警 实时显示打印钻压 泥浆消耗量动态参数变化曲线 文献 18 22 是 有关钻井参数监测仪的有关论文 均停留在钻井参数的测量和显示上 其中文献 18 19 是比较早的钻井八参数仪 文献 20 22 是采用单 1 绪论 5 片机或工控机的微机钻井参数仪 文献 23 是一种钻井参数数学模型 的探讨 1 2 3 国外研究现状 在国外文献报道中 文献 29 32 是代表国际水平的几大国际著 名石油仪器公司研制的钻井参数监测系统的产品报道 加拿大 Datalog 公司 2000 年最新研制的钻井监测系统 WellWizard 该产品除能测量 显示 200 多个钻井参数外 还具有以下特点 以 Windows 95 98 或 Windows NT 为操作平台 采用客户 服务器技术 可通过 Internet 或 Modem 进行远程实时监控和历史监控 采用触摸屏 具有可自制的美 观实用的用户界面 所有钻井数据可存贮到 CD 光盘上 系统易扩展 易安装 美国 Varco 公司 M D TOTCO 分公司 2000 年最新研制的钻井 集成控制信息系统电子司钻 可测量显示基本的钻井参数 该系统以 Windows NT 为操作平台 可通过计算机局域网交换信息 也可通过 internet intranet 进行钻井信息的远程通信 系统采用液晶触摸显示屏 英国 Rigserv 公司 2000 年最新研制的触摸屏自动钻井系统 该公司是 世界上第一个使用触摸屏的石油仪器公司 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 Epoch 公司开发的 RIGWATCH 产品 是基于 Windows 的 钻井参数记录仪 可采用 CRT 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 Internet 或电话拨号进 行异地访问 采用数据库管理数据 1 3 本课题的主要研究内容 钻井工程实时多参数监测系统 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 可无人值守 可进行异地 Modem 监测的钻井实时多参数监测仪 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 提高钻井效率和井队的科学钻井水平 1 3 1 钻井工况原理及识别 钻井过程工况比较复杂 有钻进 划眼 坐卡 轻载状态 重载 接单根 起下钻等多种状态 这些状态的正确识别对钻井参数的计算 有十分重要的影响 很多工况的变化直接影响到钻井参数的变化 钻 井工况的识别通过测试或计算出的参数以及建立的数学模型进行识别 对大钩负荷 大钩高度 立管压力 转盘扭矩 吊钳扭矩 1 绪论 6 转盘转速 泵冲次 相对流量 泥浆池体积 泥浆温度 泥浆密度等 10 多个参数的直接测量 对钻压 标准井深 钻时 大钩速度等多个派生参数的建模 与计算 1 3 2 系统功能设计 系统主要进行大钩负荷等可直接测量参数的测量和钻压等可派生 参数的计算 围绕该主功能 系统还具有以下功能 参数显示 历史数据管理 参数打印 异地实时监测 中英文切换 多媒体报警 1 3 3 系统硬件设计 传感器的设计与选型 现场总线在油气井的应用 信号处理 信号传输 1 3 4 系统软件设计 系统功能模型 数学建模 数据库构造 2 钻井工况原理 7 2 钻井工况原理 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 以此为依据可进行分析决策 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 其中可直接测量的 参数主要有大钩负荷 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 泥浆密度等 由上述直测参数可派生计算的参数有钻压 标准井深 钻时 大钩速 度等近 40 个 如图 1 所示 钻压 时间参数 重载时间 卡瓦时间 起下钻时间 划眼时间 标准井深 钻头位置 大钩速度 钻时 机械钻速 钻进时间总钻进时间 钻头进尺 千牛米 泥浆密度 大钩负荷 大钩高度 累计泵冲数 总累计泵冲数 泵冲次 入口流量 出口流量 泥浆池体积 实际池体积 理论池体积 补偿池体积 池体积差 池体积变化率 立管压力 转盘扭矩 吊钳扭矩 转盘转速 相对流量 泥浆温度 直 测 参 数 停工时间 图 2 1 钻井参数及其派生关系 2 1 直接测量参数原理 2 1 1 大钩负荷 大钩负荷是钻井参数中非常重要的一个参数 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 2 钻井工况原理 8 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 2 拉力传感器 指示仪 液 电变送器 阻尼器 排气阀和液压软管等 组成 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 G 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 G 即与该压 力信号成正比 其数学模型如下 2 1 psN l L G 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力面积 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 2 1 2 游车位置 游车位置又名大钩高度 是钻井参数中另一个非常重要的参数 是派生参数最多的一个直测参数 可派生出标准井深 钻头位置 大 钩速度 钻时 钻头进尺等和大钩移动情况有关的参数 大钩高度的 测量及其精度在钻井参数仪中也因此显得尤为重要 d D h 图 2 3 大钩高度计算原理 大钩高度传感器采用接近开关 安于钢丝绳滚筒的导气笼头处 由测出的脉冲数计算大钩移动的距离 图 2 2 死绳固定器 2 钻井工况原理 9 可推导出每接收到一个脉冲大钩移动的距离 H 参见图 3 2 2 i R n N H 2 hi dD Ri 1 22 dh 2 3 式中 N 为钢丝绳股数 n 为滚筒每圈脉冲数 Ri为第 i 层钢丝绳中心 距滚筒中心的距离 D 为滚筒直径 d 为钢丝绳直径 由每接收到一个脉冲大钩移动的距离 H 及通过接近开关测出的正 反脉冲数即可计算大钩高度以及其它与高度有关的参数 2 1 3 泵冲 泵冲程传感器由接近开关构成 测量泥浆泵冲程 传感器 图 2 4 由 DAQ 提供 10 伏直流电源 安装在泥浆泵视孔盖内 传感器对金 属十分敏感 金属板 如泵的十字头 凸缘 到过距探测器头 10 20 毫 米内时即有脉冲信号 每个信号表示有一次冲程 DAQ 利用这些信号 计算出每分钟冲程和每个泵的总冲程 利用新型 泵冲传感器的安装方式是在泵的传动轴处 安装示意见 图 2 4 图 2 4 泵冲次传感器安装图 2 1 4 泵压 泵压是计算钻井水力参数及压力损耗的重要参数 正确的选择泵 压 对提高钻井效率有重大影响 此外 它也是反映钻井安全的一个 重要参数 它可以反映钻柱的冲洗 钻头堵塞 断 岩层变化以及泵 是否有故障等多种情况 因此 泵压一定要准确反映出来 泥浆压力虽然是液体压力 不需经传感器进行物理量的变换 但 由于泥浆中含有固相 且有强烈的腐蚀性 因而不宜直接送往压力表 以免引起堵塞或仪表零件的腐蚀 所以 必须将泥浆和仪表中的液体 2 钻井工况原理 10 隔开 但又要将泥浆压力如实地传送给仪表液体 为此 特地采用了 胶杯式泥浆压力传感器如图 2 5 所示 它由螺套 翼形螺母 堵头 缸体 胶杯 密封圈等组成 传感器中的胶杯把液缸分为上 下两部 分 下部接泥管引入循环泥浆 上部充液压油 通过管线 阻尼器与 显示 图 2 5 立管压力传感器 表和记录机构相连 胶杯起着将泥浆隔离的作用 根据帕斯卡定理 在静止的流体中 各点在任何方向上的压强相等 由于胶杯变形很小 可忽略不计 因此 当泥浆压力 即压强 信号进入胶杯下部时 可以 无损耗地将此压强传给胶杯上部的液压油 这个液压信号经液压管线 引出 这个装置称为传感器 但并没有发生物理量的变化 而只是实现 液压介质的转换 实质是一个转换器 2 1 5 转盘扭矩 转盘扭矩是由钻机旋转系统中取得的一个重要工程参数 在钻井 过程中随时监测转盘扭矩的变化 可以早期发现井斜 卡钻等微兆 了解钻头的工作情况等 所以 转盘扭矩是反映钻井安全的一个必不 可少的重要因素 测量转盘扭矩的方法很多 常用的有惰轮机构 液压传感器 它主要用于转盘以链条驱动的钻机 对于电驱动钻机 则采用霍尔元 件的电流 电压变换器 链条驱动的转盘扭矩系统 1 转盘扭矩传感器 2 钻井工况原理 11 此种传感器为惰轮式机械 液压传感器 它主要由惰轮 摇臂 液压 立柱 底座等组成 惰轮是个外缠耐磨硬橡胶的滚轮 装在摇 臂的一端 摇臂的另一端由立柱支承 在摇臂的中部安装着液缸 液 缸的活塞与摇臂相连 缸内充满液压油 并通过液压软管与显示表和 记录机构连通 通常将转盘扭矩传感器安装在转盘驱动链条紧边的中 部 使惰轮既能自由转动 又受到驱动链条给予的一定压力 2 转盘扭矩的测量原理 转盘扭矩是无法直接测量的 我们仍采用传感器间接测量 当转盘上产生扭矩 M 时 转盘驱动链条紧边上即产生了与之相应 的拉力 T 用传感器测量 T 的大小 并将其转化为相应液体压力信号 P 输出 可通过对 P 的度量间接测得 M 图 2 6 惰轮扭矩测量原理 将转盘扭矩传感器安装在驱动链条紧边下面 理想的位置是传感 器底边与两链轮外公切线平行 将链条紧边托起 使其惰轮前后两段 链条产生一个夹角 当钻杆上产生扭矩时 链条紧边产生拉力 T T T T 其向下的合力 N 压向惰轮 经摇臂的杠杆作用 在 液缸处产生与 N 成正比的压力 Q 由于 Q 的作用 在液体内产生与 2 钻井工况原理 12 之间成正比的液体压力 P 见图 2 6 信号 P 通过液压管线输出到 显示表和记录仪中 设钻杆上的扭矩为 M 链条紧边拉力为 T T T 则有 M iRT 2 3 式中 转盘的机械效率 i 转盘齿轮减速比 R 转盘链轮半径 T 转盘链条紧边拉力 设惰轮轴上所受合力为 N 链条夹角为 2 cos2 TN 2 4 2 cos2 N T 液缸内液体压力对杠杆的推力合力为 Q 根据杠杆平衡原理 TL QI 2 5 QN L I 式中 L 合力 N 对摇臂轴的力臂 厘米 I 液压合力 Q 对摇臂的力臂 厘米 Q 液压合力 公斤 而 2 6 p D Q 4 2 式中 D 活塞直径 厘米 P 液体压力 公斤 厘米 将 2 6 代入 2 5 得 2 7 P L ID N 4 2 再将 2 4 2 7 代入 2 3 得 2 8 P L DiRI M 2 2 cos8 这样 我们来讨论三个问题 a 由式 2 8 可看出 当转盘型号确定后 R I 为常量 待传感器 选定后 D 即为常量 转盘扭矩系统油路为一封闭系统 由于液体的 不可压缩性 活塞行程很小 因而 当传感器安装 调试完毕后 I L 均可视为常量 2 钻井工况原理 13 即 K 为常量 故 M KP 即 M 与 P 成正比例 因K L DiRI 2 2 cos8 而可用 P 来度量 M b 由于油路系统的变形和其它因素的影响 在钻进过程中 K 值 是有一定变化的 故 P 与 M 不完全成线性 但在钻井过程中 用这种 方法来测量转盘扭矩 其精度完全可以满足工程技术要求 c 因为转盘扭矩传感器是一个通用件 一种型号的传感器可适用 于多种类型的钻机 而各种钻机 各种转盘的传动比 i 和链轮半径 P 都不相同 机械效率也不相同 尤其是安装转盘扭矩传感器比较困难 很难保证安装理想状态 即便是同一只传感器 在同一台钻机上安装 也很难保证每次安装 调试后 角为常量 因而 K 值不是一个固 定不变的常量 P 和 M 没有固定的比例关系 故而转盘扭矩表上只有 0 500 刻度而无扭矩单位公斤 米 即表上的读数并非真实的扭矩值 用这种方法要准确的测量出转盘扭矩值是有困难的 实际上 钻井工 作者最感兴趣的是转盘扭矩的相对变化情况 利用这种传感器 即可 在显示表上直接观察到转盘扭矩的相对变化 如要在转盘扭矩表上标定读数单位 必须用吊钳扭矩系统来校定 电驱动钻机的电扭矩传感器 1 霍尔器件 如图 2 7 所示 霍尔器件是一种采用半导体材料制成的磁转换器 件 如果在输入端通入控制电流 IC当有一磁场 B 穿过该器件感磁面 则在输出端出现霍尔电势 VH 霍尔电势 VH的大小与控制电流 IC和磁 通密度 B 的乘积成正比 即 VH KH ICBsin 霍尔电流传感器是按照安培定律原理做成 即在载流导体周围产 生一正比于该电流的磁场 而霍尔器件则用来测量这一磁场 因此 使电流的非接触测量成为可能 2 钻井工况原理 14 图 2 7 霍尔器件工作原理 图 2 8 霍尔直检原理 通过测量霍尔电势的大小间接测量载流导体电流的大小 因此 电流传感器经过了电 磁 电的绝缘隔离转换 2 霍尔直接检测原理 如图 2 8 所示 由于磁路与霍尔器件的输出具有良好的线性关系 因此霍尔器件输出的电压记号U0可以间接反映出被测电流I1的大小 即 I1 B1 U0 我们把 U0定标为当被测电流 I1为额定值时 U0等于 50mv 或 100mv 这就制成霍尔直接检测 无放大 电流传感器 在霍尔直检原理基础上 将 mv 级电压讯号经线性放大为 V 级电 压讯号 这就制成霍尔直检放大式电流传感器 3 电流传感器的输出 直接检测式 无放大 电流传感器为高阻抗输出电压 在应用中 负载阻抗要大于 10k 通常都是将其 50mV 或 100mV 悬浮输出 电压用差动输入比例放大器放大到 4V 或 5V 直检放大式电流传 感器为高阻抗输出电压 在应用中 负载阻抗要大于 2k 为了保证高精度测量要注意 测量电阻的精度选择 一般选金 属膜电阻 精度 0 5 详见表 1 1 二次仪表或终端控制板电路 输入阻抗应大于测量电阻 100 倍以上 测量电流 I2 mA 测量电阻 Rm 标称功率 W 精度 0 202501 0 5 0 252001 0 5 0 501002 0 5 0 100502 0 5 注 以上精密电阻 可由厂方代订 表 1 1 测量电阻 Rm的选择 4 霍尔大电流测量传感器 如图 2 9 所示 被测电流产生的磁场作用于霍尔传感器的霍尔器 件 经霍尔传感器内部电路处理后 输出 0 5V 或 0 20mA 信号 2 钻井工况原理 15 1 被测电缆 2 电扭矩传感器 图 2 9 电扭矩传感器示意图 电动钻机的扭矩与电流成比例关系 因钻井工作者最感兴趣的是转盘 扭矩的相对变化情况 故可用电流的变化表示扭矩的相对变化 此扭 矩值为无量纲 被测电流为 0 1000A 时 霍尔传感器输出 0 5V 或 0 20mA 信号 扭矩表上的刻度为 0 1000 2 1 6 转盘转速 转盘转速传感器用于测量转盘每分钟转圈数 转盘转速和泵冲次是影响钻进效率的两个重要参数 转盘转速在 正常情况下缓慢下降 可以预示井下钻头磨损加剧 在实际作业中这 种参考判断常是有效的 泵冲可以监视泥浆泵工作情况 当上水效率 高时 计算泵冲次能较准确地反映泥浆入口排量 当起钻时 泵冲次 反映向井中补罐的泥浆量 传感器常用的有三种形式的传感器 测速发电机 霍尔元件 带有碰撞拉杆的微动开关 测速发电机工作可靠 线性好 能测出瞬时泵速或转盘转速 但现场安装复杂 带有大小皮带轮 日久皮带轮松弛 造成大小皮带 轮打滑 使转速不稳定 测速发电机的转速一般工作在 1500 转 分钟 以内 因此 测速发电机的大小皮带轮 随安装部位不同 其比值就 不同 钻机不同比值也不同 所以给生产厂设计和生产带来不便 霍尔元件或泵冲转速仪 这是现在国内外普遍使用的方法 其优点是安装方便 计数准确 可直接进入计算机 实现泵冲次的累 加 测速发电机不能直接实现泵冲次累加 霍尔元件既可以实现数字 显示又可以用模拟指针表显示 霍尔元件每转一次 或行程部件每移 动一次 便产生一个脉冲 因而脉冲频率与运动部件的速度是成比例 的 这些脉冲信号经滤波处理后也可以指示瞬时转速 霍尔元件测转 速的最大优点是非接触式的 不怕油污水等 因而寿命长 2 1 7 泥浆出口返回量 泥浆出口返回量又名为出口排量 主要用于指示记录钻井过程中 泥浆出口排量百分量 重要的功能是安全报警用 出口流量的明显增 加或减少 可以预示井涌或井漏 如配合泥浆总体积仪的读数变化 判断安全报警的效果就更好 此外 该仪表还可以判断泥浆泵上水好 坏 判断泥浆环路及钻头水管畅通或堵塞 在钻井成套仪表中 通常不直接测量泥浆出口绝对排量 而是测 量它在架空管线中充满度的读数 即不进行流量标定 指示表头给出 2 钻井工况原理 16 的是一个相对数值 用百分比表示 它只说明当前泥浆流动状况充满 整个架管线的百分之多少 如果这个参数由建立泥浆循环起 长期不 变 就说明井下情况是正常的 如果发生了不许可的变化 越出了规 定的极限值 就会发出报警信号 用红色闪光灯和报警声同时给出 这告诉司钻井下有异常情况 如图 2 10 所示 泥浆出口排量的传感器采用不锈钢制成的浆叶式 档板和拉杆电位器等部件构成 它能把出口架空管线中的泥浆充满度 变换为电信号 图 2 10 泥浆出口返回量传感器结构 在具有一定斜度的架空管线上 开一个方孔 便可固定泥浆流量 传感器 传感器上有一个浆叶式档板 档板座在转动轴上 用弹簧拉 住 使它挡住绝大部分架空管线 当泥浆流动时 泥浆冲动档板 使 其围绕转轴 转动一定角度 直到冲力与弹簧拉力平衡时为止 档板 的角位移经连杆和齿条 转换成电位器轴的角位移 当泥浆流动时 泥浆冲动档板 使其围绕转轴 转动一定角度 直到冲力与弹簧拉力 平衡时为止 档板的角位移经连杆和齿条 转换成电位器轴的角位移 供给电位器 10 伏的直流电压 则电位器输出的电压就对应着泥浆的 充满度 2 2 派生参数计算原理 2 钻井工况原理 17 2 2 1 钻压 钻压是钻进过程中地面对钻头的支撑力 钻压的数学模型 T G T 其中 T 钻压 G 整个钻具在泥浆中的重量 G 钻 i 液 Li 其中 钻 液 分别为钻具和泥浆的线密度 Li 为某一类钻具的长度 当在钻头位置超过钻具总长时 Li 为钻头位置 T 钻进过程中的实测大钩负荷 2 2 2 入口流量 入口流量 泵冲次i 泵的每冲排量i 泵的效率i 其中 i 1 3 为泥浆泵的编号 2 2 3 方限井深 方限井深 钻具长度 单根长度 方钻杆长度 2 2 4 钻头位置 钻头位置的计算与大钩移动的距离和是否处于坐卡状态有关 当 处于重载状态时 大钩负荷大于坐卡门限 钻头移动的距离等于大钩 移动的距离 当处于坐卡状态时 钻头位置不变 2 2 5 大绳做功 大绳做功 T H 其中 T 某一时刻的大钩负荷 H 某一时刻的大钩高度的移动距离 2 2 6 大钩速度 大钩速度是大钩在某一时刻的速度 是一个瞬时值 上行或下行 要用 或 来区分 其计算模型如下 大钩速度 大钩高度 所花时间 或 大钩速度 大钩高度两次采样值之差 采样间隔 2 3 钻井工况辨识 钻井过程工况比较复杂 有多种状态 这些状态的正确识别对钻 井参数的计算有十分重要的影响 很多工况的变化直接影响到钻井参 数的变化 下面对要识别的主要的钻井工况加以说明 2 3 1 钻进 向下打井井深不断增加的过程 当钻头位置大于等于标准井深时 即可认为是钻进 主要条件 此时其它参数的值 附加条件 为 2 钻井工况原理 18 大钩负荷 坐卡门限 转盘转速 0 泵冲次 0 相对流量 0 钻压 0 2 3 2 划眼 这种状态与钻进的主要区别是钻头位置小于标准井深 其它条件 与钻进相同 2 3 3 坐卡 轻载状态 坐卡就是大钩负荷小于坐卡门限 这时大钩高度的移动不影响钻 头位置 2 3 4 重载状态 与轻载状态相对应 大钩负荷大于坐卡门限 钻头位置的移动距 离等于大钩高度移动的距离 2 3 5 接单根 在一根单根打完后 需再接一根单根后才能继续钻进 此状态的 过程是 首先将整个钻具提离井底至方钻杆底部高出钻井平台面 然 后坐卡 卸扣 再将方钻杆与鼠洞中的下一根单根连接 接着提出鼠 洞中的单根 上扣 与整个钻具相连 最后解卡 接一根单根后 单 根计数加一 2 3 6 起下钻 为了某种目的将整个或部分钻具提离井底的过程称为起下钻 起 下钻是以立柱 三根单根为一柱 为单位的 如果单根计数不是三的倍 数 则先需将多余的单根卸下 此状态判断为接单根 然后才以立柱 为单位进行起下钻 此时立柱计数应加减一 大钩高度的移动距离应 超过某个门限 如 25 米左右 此时大钩有明显变化 至于钻头换没换 钻进时间清不清零则由人工干预操作 3 系统硬件设计 19 3 系统硬件设计 3 1 系统框图说明 钻井工程参数是在钻井过程中科学钻井的最基础数据 以此为依 据可进行分析决策 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 其中可直接测量的参数主要有大钩 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 泥浆密度等 由上述直测参 数可派生计算的参数有钻压 标准井深 钻时 大钩速度等近 40 个 主处理器 在线式 UPS 大钩负荷 传感器 立管压力 传感器 转盘扭矩 传感器 吊钳扭矩 传感器 相对流量 传感器 转盘转速 传感器 1 2 传感器 1 6 传感器 泥浆入口 温度 传感器 泥浆出口 温度 传感器 泥浆入口 密度 传感器 泥浆出口 密度 传感器 信号处理电路及 远程数据采集单元 ADAM 信号处理电路 异地监视 Modem Modem HUB监视器 控 制 室 井台 大钩高度 传感器大钩负荷立管压力转盘转速相对流量 吊钳扭矩转盘扭矩泵冲次1泵冲次2 异地监视 Modem 图 3 1 系统结构 3 系统硬件设计 20 根据上述测量方法 新研制了一套基于客户 服务器模式的实时多 参数钻井监测系统 该系统的结构如图 3 1 所示 钻井过程需要监测的参数有近 60 个 其中可直接测量的参数有 20 多个 如大钩负荷 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 泥浆密度等 由上述直测参数可派生计算的参数有钻压 标准井深 钻时 大钩速 度等 30 多个 钻井工况主要有钻进 划眼 坐卡 轻载状态 重载状态 停工 状态 接单根 泥浆循环 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 本系统通过直测参数和已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 新型钻井参数监测仪的系统构成如图 1 所示 由井台现场数据采 集系统 井台信号显示表台 控制室信号监测系统和异地监视系统四 大部分组成 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 ADAM 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 控制室的服务器经 RS485 远程通信网络接收远程数据后 完成数据处理和参数监测 显示 管 理 打印 查询等功能 并可通过控制室的其它监视器监视钻井过程 此外 该系统还可通过 Modem 实现异地钻井工况监视 3 2 信号处理 3 2 1 模拟信号处理 立管压力 转盘扭矩 大钩负荷等的变送器输出标准的 4 20mA 信 号 经处理电路后得到 Ubo 和 Uco 分别用于智能模块接口和驱动表台 显示 图 3 2 模拟信号处理 3 系统硬件设计 21 R101 250 变送器输出的 4 20mA 经 I V 变换 得到 Usi R101 I 1 5 V Ua 为跟随器 则 Uao 的电压为 1 5V R102 和 R103 组成负压 偏置 可使 Ubo 为 0 4V Ubo 输出到智能模块 ADAM5017 R104 和 R105 构成比例放大器 则 Uco R105 Ubo R104 Uco 到则表台驱动 1mA 的电流表 3 2 2 数字信号处理 转盘转速 泵冲次传感器由接近开关构成 输出的是 0 100Hz 低 频脉冲信号 脉冲信号经 4093 整形后送到由 4046 和 4518 组成的锁 相倍频电路后得到 0 10kHz 频率的信号 此信号送到 VFC32 进行频 率电压转换后得到 0 10V 的电压信号 电压信号经 OP07 运算放大器 放大为 0 5V 的标准电压信号 此标准电压信号送到 ADAM5017 进行 数据远传到计算机 CC4518B 双 BCD 加法计数器工作原理 4518 是由二个完全相同而又相互独立的 BCD 加法计数器组成的 它的内部是由四级 D 触发器首尾相连组成的 当时钟允许端 EN 1 时 计数器在时钟 CK 的上跳变加 1 计数 当计数到 1001 状态后再输入一个脉冲 计数器加复到全 0 状态 然后 再重新开始计数 如果时钟输入端 CL 0 时钟允许端 EN 加输入 脉冲 也可以得到相同的计数过程 所不同的是此时计数器在脉冲的 负边沿翻转 复位端 CLR CLR 0 时 可以按上述方式计数 CLR 1 时 不管 CL 和 EN 端处在什么状态 计数器都恢复到 0 状态 各级触发器的时钟信号的逻辑式分别为 CL1 CK CL2 CK Q1 Q4 CL3 Q1 Q2 CK CL4 CK Q1 Q2 Q3 Q4 即计数器计满十个脉冲以后 计数器回复到全 0 状态 然后再重新开始计数 真值表见表 3 1 CLEN CLR 功能 Up10加计数 0down0加计数 down 0不变 up0不变 Up00不变 1down0不变 3 系统硬件设计 22 1Q1 Q4 0 表 3 1 4518 真值表 1 2 3 U501A 4093 In5 AIN 14 BIN 3 VCIN 9 INH 5 CA 6 CB 7 R1 11 PC2 13 VCOUT 4 VCC 16 GND 8 U502 4046 C501 1000p R501 10K GND R502 1M VCC R503 100K C502 3 3uF CK A 1 EN A 2 CLR A 7 Q3 A 6 VDD 16 GND 8 CK B 9 EN B 10 CLR B 15 Q3 B 14 U503 4518 GND GND VCC COM 11 CMPR IN 10 IN 1 IN 14 VOUT 13 C OS 5 VCC 12 VCC 4 U504 VFC32 C503 500p R504 12K 2 3 74 6 1 8 U505 OP07 C506 0 1uF 506 150K C504 0 1uF GND C505 0 1uF W1 20k GND R505 10M R507 10K W2 20K R508 10K VCCVEE GND VCC VEE VCC 图 3 3 脉冲信号处理 图 3 3 中 4518 构成串行进位级联电路 即前一块的 Q3输出信号 作为后一块的 EN 输入信号 整个计数电路是在输入脉冲的正边沿触 发 计数器的计数容量 x 10n n为计数器的块数 2 10 进制中的低位 可看作是个位 然后依次为十位 百位 在此电路中 CKA的频 率是 Q3B的 100 倍 而 Q3B的频率与 4046 的输入信号频率相等 则 4046 的锁定输出频率 VCOUT为输入信号频率 AIN的 100 倍 且相位同 步 锁相环 Phase locked loop 当一个自激振荡器被一个外来基准信号所控制 自激振荡器所产 生的相位和外来基准信号的相位保持某种特殊关系 称为 相位锁定 简称锁相 而这种完成二个电信号相位同步的自动控制系统叫锁相 环 基本锁相环系统由相位比较器 低通滤波器和压控振荡器 VCO 3 系统硬件设计 23 连接成闭环频率反馈系统 如图 3 4 所示 当无输入信号加到锁相环系统时 相位比较器输出端为 0 来自 低通滤波器电压 Vd t 也为 0 以使 VCO 工作于设定频率 f0 亦称中 心频率 图 3 4 PLL 基本结构 当有输入讯号加到锁相环时 相位比较器将输入讯号的相位和频率与 VCO 频率相比较而产生一个误差电压 它正比输入讯号和 VCO 的频 差 误差电压 Ve t 被滤波并加到 VCO 的控制输入 Vd t 的变化是减 少 VCO 和输入讯号频率的差 当 VCO 的频率足够接近于输入讯号时 锁相环的闭环特性强迫 VCO 锁定在输入讯号频率上 也就是说 除 了有限的相位差外 VCO 的频率等同于输入讯号的频率 整个过程称 为 捕捉 过程 能够最终锁定的最大起始频差 称为 捕捉带 或 捕捉范围 当 PLL 被锁在输入频率上时 VCO 自动地跟踪输入频率的任何 变化 输入频率落在一个称为 锁定范围 的窗口之中 锁定范围往 往大于捕获范围 即 PLL 能搜索和 捕获 一个输入信号的频带 整个系统的传递函数 H s 可用下列方法描述 1 sGs sG sFkkS sFkk sQ sQ sH do do i o 式中 Ko 压控振荡的转换增益 kd 相位比较器的转换增益 F s 低通滤波器的传递函数 1 s S sFkk sG do 3 系统硬件设计 24 由上式可知 这是一个典型的全反馈系统 是系统的开环传 sG 递函数 它由 ko kd和 F s 确定 4046 锁相环工作原理 图 3 5 所示是 4046 的方框图 锁相环中内含 低功耗 高线性的压控振荡器 VCO 两个工作 方式不同的相位比较器 它们有公用的信号输入和公用比较器输入 若需要 有一个 6V 左右的齐纳管分频器连至相位比较器的比较输入 端 该低通滤波器是通过外部元件实现的 因其基本结构根据不同应 用而变化 并且这些元件不易集成 与 VCO 输入端相连的一个源跟 随器 是专门作频率解调之用 这就可以使得来自环路滤波器的输出 信号 滤 图 3 5 4046 的方框图 波的误差电压 能驱动外部放大器或其他电路而不至于加重滤波器的负 载 4046 有两个相位比较器 即相位比较器 和相位比较器 相位 比较器 是一个具有很强抗噪声能力的异或门 异或门是一种常见 的数字逻辑电路 当二个输入波形相位差在 0 180 之间变化时 输出波形的占空 比随之发生变化 由于 CCMOS 电路的输出电平在 VSS VDD之间变 3 系统硬件设计 25 化 高电平为 99 9 VDD VSS 低电平为 0 1 VDD VSS 故只要用 简单积分电路就可得到输出波形的平均电平 此电平与 A B 信号相 位差的关系是 0 时 Vd 0 90 时 Vd 1 2VDD 180 时 Vd VDD 并可作出相位差与输出平均电平的曲线 为使锁定范围最大 信号和比较器频率必须有 50 占空比 如信 号输入端无信号或噪声 该相位比较器的平均输出电压等于 VDD 2 与相位比较器 的输出端连接的低通滤波器将该平均电压供给 VCO 输入端并使 VCO 在中心频率 f0 处振荡 对相位比较器 而言 PLL 能获得锁定状态的频率范围 捕捉范围 取决于低通滤波器的特性 且 能与锁定范围一样大 不管输入信号中大量的噪声 相位比较器 使 PLL 保持锁定状态 这种类型相位比较器的一个特性是它能在接近 VCO 中心频率的谐波输入频率上锁定 这种比较器大多用于调频解调 电路 它有较大的捕捉范围 对低通滤波器的要求不太高 用一般 R C 滞后型滤波器就可以了 滤波器参数的选择 能确