录井仪器原理2

1、录井方法与原理,石油工业出版社,主编 刘强国 朱清祥,检测技术是信息科学的一个重要分支，与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。 检测一般由传感器(Sensor)完成。传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。,1.3.1 传感器检测技术与原理,1.3 传感器与检测技术基础,1.3 传感器与检测技术基础,1.3.1 传感器检测技术与原理,1. 传感器的定义 国家标准（GB7665-87）：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。 一般定义：传感器是将非电量转换为与之有确定对应关系电量输出

2、的器件或装置。传感器的功能： 传感器是测量装置，能完成信号检测任务； 输入是某一被测量。可能是物理量，也可能是化学量、生物量等； 输出是某种物理量。可以是气、光、电物理量，一般主要是电物理量； 输出与输入之间有对应关系，且应有一定精确程度。,1.3 传感器与检测技术基础,2. 传感器的组成 传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路等组成。 敏感元件直接感受被测量并输出与被测量成确定关系的另一物理量，即把被测非电量转换为可用非电量。 转换元件把可用非电量转换成电量电路参量。 基本转换电路对转换元件输出的电量进行简单处理。 传感器大多是开环系统，但也有带反馈的闭环系统。,1.3.1 传感器检测

3、技术与原理,1.3 传感器与检测技术基础,3. 传感器的分类 根据工作原理或结构形式的不同，可将传感器进行如下分类： 按工作机理分类：物理型、化学型、生物型等。 按构成原理分类：结构型、物性型、能量控制型和能量转换型等。 按能量的转换形式分类：能量控制型和能量转换型。 按物理原理进行分类，又可以按以下情况进行细分： 电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等； 磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等； 压电式传感器：声波传感器、超声波传感器； 气电式传感器：电位器式、应变式；,1.3.1 传感器检测技术与原理,1.3 传感器与检测技术基础,3. 传感器的分类 按物理原理进行分类，又可以按以下

4、情况进行细分： 光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等； 热电式传感器：热电偶、热电阻； 波式传感器：超声波式、微波式等； 射线式传感器：热辐射式、射线式； 半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻； 其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。 按用途分类 ：位移、压力、振动、温度等。 按转换过程是否可逆分类 ：单向和双向。,1.3.1 传感器检测技术与原理,1.3 传感器与检测技术基础,1.3.2 传感器的一般特性,传感器的基本特性是指传感器的输出与输入之间的关系，分为静态特性和动态特性。 当传感器的输入量为稳定的信号或变化很缓慢的信号（常称为静态信号）时

5、，可用静态参数来描述和表征传感器的静态特性。 当传感器的输入量是周期信号、瞬变信号或随机信号（常称为动态信号）时，可用动态参数来描述和表征传感器的动态特性。,1.3 传感器与检测技术基础,1.3.2 传感器的一般特性,理想的传感器应具有单值、确定的输入/输出关系，理想传感器的输出电量无论是在静态量或动态量输入时，都应当不失真地体现输入量的变化。 一个高精度的传感器，必须具有良好的静态特性和动态特性，才能完成信号（或能量）不失真的转换。,1.3 传感器与检测技术基础,1.3.2 传感器的一般特性,1. 传感器的静态特性及性能指标 传感器的静态特性是指在稳态信号作用下，其输入/输出之间的对应关系。

6、静态特性应该是一种稳定的、确定的对应关系。 衡量传感器静态特性的主要性能指标有灵敏度、线性度、迟滞、重复性、阈值和分辨力等。 灵敏度 传感器的灵敏度是指在稳定工作状态下输出变化量与输入变化量的比值，反映传感器检测信号的能力,1.3.2 传感器的一般特性,1.3 传感器与检测技术基础,1. 传感器的静态特性及性能指标 线性度 线性度又称非线性误差。指传感器输出与输入之间的线性程度。 理想传感器的输出与输入之间应为线性关系，其静态特性可表示为： 实际的传感器有很多输出输入特性是非线性的，一般可用下列多项式来表示其输出输入特性。,1.3.2 传感器的一般特性,1.3 传感器与检测技术基础,1. 传感

7、器的静态特性及性能指标 线性度 实际工作中，为了标定和读数的方便（使仪表具有均匀刻度的标尺）及便于分析、处理测量结果，常用一条拟合直线近似地表示实际的特性曲线。 在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差与满量程输出量的 百分比称为线性度。用L 表示。,1.3.2 传感器的一般特性,1.3 传感器与检测技术基础,1. 传感器的静态特性及性能指标 迟滞 迟滞指传感器在相同工作条件下做整个测量范围校准时，在同一次校准中，当输入量相同时，其正行程（输入量增大）和反行程（ 输入量减小）期间特性曲线不一致的程度。 迟滞的大小一般由实验确定，用最大偏差与满量程输出量的百分比表示。,1.3.2 传感

8、器的一般特性,1.3 传感器与检测技术基础,1. 传感器的静态特性及性能指标 迟滞 产生迟滞现象的主要原因是传感器的机械结构和制造工艺存在不可避免的缺陷。如轴承摩擦、螺钉的松动、间隙、元件腐蚀、材料的内摩擦及积尘等。,1.3.2 传感器的一般特性,1.3 传感器与检测技术基础,1. 传感器的静态特性及性能指标 重复性 输入量按同一方向全量程连续多次变化时，所得到的特性曲线不一致的程度。注：产生不一致的原因与产生迟滞现象的原因相同。 重复性所反映的是校准曲线的离散程度，是一种随机误差。 重复性是反映了传感器的精密度，多次重复测试的曲线越重合，说明该传感器精密度越高，使用时误差越小。,1.3 传感

9、器与检测技术基础,1. 传感器的静态特性及性能指标 阈值和分辨力 阈值指传感器可测出的最小输入值。 当传感器的输入从零开始缓慢增加时，只有在达到某一最小值后才能测得出输出变化，这个最小值就称为传感器的阈值。 在确定阈值时，最先可测得的输出变化往往难以确定。因此，实际测试时，通常给输出变化规定一个确定的数值，在该输出变化值下的相应输入就称为阈值。,1.3.2 传感器的一般特性,1.3 传感器与检测技术基础,1.3.2 传感器的一般特性,1. 传感器的静态特性及性能指标 阈值和分辨力 分辨力指传感器可测出的输入信号最小变化量。 当传感器的输入从非零的任意值缓慢增加时，只有在超过某一输入增量后输出才

10、显示有变化，这个输入增量称为传感器的分辨力。 如果用这个值相对满量程输入值的百分数表示，则称为分辨率。,1.3 传感器与检测技术基础,1.3.2 传感器的一般特性,2. 传感器的动态特性及性能指标 动态特性是指传感器的输入随时间变化时，其输出与输入之间的关系特性。 动态特性的主要性能指标有时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标等两种。 输入信号随时间变化时，引起输出信号也随时间而变化，这一过程称为响应。 动态特性实际指的是传感器的输出对于随时间变化的输入信号的响应特性。,1.3 传感器与检测技术基础,1.3.2 传感器的一般特性,2. 传感器的动态特性及性能指标 动态特性好的传感器，随

11、时间变化的输出曲线能再现随时间变化的输入曲线，即输入、输出具有相同类型的时间函数。 对于实际的传感器，当输入信号随时间变化较快时，由于传感器内部各种运动的惯性及能量的传递需要时间，因此传感器的输出无法瞬时地完全跟随输入量而同步变化。 输出与输入之间的这种差异称为动态误差。 研究传感器动态特性的主要目的就是从测量误差的角度分析产生动态误差的原因并提出改善措施。,1.3 传感器与检测技术基础,1.3.2 传感器的一般特性,2. 传感器的动态特性及性能指标 传感器的动态特性与输入信号的变化形式密切相关，研究传感器的动态特性时，通常根据不同输入信号的变化规律来考察传感器响应。 实际传感器的输入信号随时

12、间变化的形式多种多样，最常见、最典型的输入信号是阶跃信号和正弦信号。 输入阶跃信号时，传感器的响应称为阶跃响应或瞬态响应。如传感器能复现阶跃信号，那么就能很容易地复现其他各种类型的输入信号。,1.3 传感器与检测技术基础,1.3.2 传感器的一般特性,2. 传感器的动态特性及性能指标 输入正弦信号时，传感器的响应称为频率响应或稳态响应。频率响应是指传感器在振幅稳定不变的正弦信号作用下的响应特性。 工程上的各种非电信号，其变化曲线都可以展开成傅里叶(Fourier)级数或通过傅里叶变换用一系列正弦曲线的叠加来表示原曲线。 知道了传感器对正弦信号的响应特性，也就可以判断出它对各种复杂变化曲线的响应

13、了。,1.3 传感器与检测技术基础,2. 传感器的动态特性及性能指标 数学模型与传递函数 传感器的动态特性，必须通过建立传递函数的数学模型进行分析。 线性传感器系统的数学模型为常系数线性微分方程。 对线性系统动态特性的研究，主要是分析数学模型的输入量x与输出量y之间的关系，通过对微分方程求解，得出动态性能指标。,1.3.2 传感器的一般特性,1.3 传感器与检测技术基础,1.3.2 传感器的一般特性,2. 传感器的动态特性及性能指标 动态响应 求传感器的动态响应常用实验的方法，包括两种：频率响应分析法的阶跃响应分析法。 频率响应分析法以正弦信号作为系统的输入，分析零阶传感器、一阶传感器及二阶传

14、感器的频率响应。 阶跃响应分析法以阶跃信号作为系统的输入，分析一阶传感器、二阶传感器的阶跃响应。,1.3 传感器与检测技术基础,2. 传感器的动态特性及性能指标 传感器的时域动态性能指标 传感器的时域动态性能指标包括响应时间、峰值时间、超调量、阻尼比系数、二阶系统固有的角频率等。,1.3.2 传感器的一般特性,1.3 传感器与检测技术基础,1.3.3 传感器的标定,传感器的标定是指用较高等级的标准器具（仪器、仪表或其他标准）对传感器的特性进行检定，以确定传感器检测准确度的过程。 传感器的标定方法：将已知的标准值输入到待标定传感器中，将传感器的输出量与输入的标准量绘制成曲线即得到标定曲线，再根据

15、此曲线确定传感器的误差范围。这种曲线还可得出传感器在不同使用条件下的误差关系。 任何一种传感器在出厂前、使用一段时间后或经过修理后，都要对其主要技术指标进行校准试验，以确保传感器的各项性能指标达到要求。,1.3 传感器与检测技术基础,1.3.3 传感器的标定,传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。 静态标定的目的是确定传感器静态特性指标，如线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。 动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数，如时间常数、上升时间或工作频率、通频带和阻尼比等。 有时，根据需要还应对横向灵敏度、温度响应、环境影响等参数进行标定。,1.3 传感器与检测技术基础,1.3.3 传感器的标定,传感

16、器静态标定的基本要求 标定应该在与传感器使用条件相似的状态下进行； 增加重复标定的次数，以提高测试精度； 传感器应该定期进行标定，一般以一年为期； 传感器标定时，所用测量仪器的精度至少要比被标定传感器的精度高一个等级。,1.3 传感器与检测技术基础,1.3.3 传感器的标定,传感器的静态标定过程： 将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点。 根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值。 将输入值由大到小一点一点地减少下来，同时记录下与各输入值相对应的输出值。 重复 的过程，对传感器进行正、反行程多次测试，将测得的每一组输入/输出数据用表格列出或绘成曲线

17、。 对测试数据进行必要的处理，根据处理结果确定传感器的线性度、灵敏度、迟滞和重复性等静态特性指标。,1.3 传感器与检测技术基础,现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是进行某个量的测量前首先要解决的问题。 当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。 测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 传感器的选择，一般从以下几个方面考虑。,1.3.4 传感器的选择,1.3 传感器与检测技术基础,1.3.4 传感器的选择,传感器的选择标准 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 传感器的灵敏度：在线性范围内，

18、希望传感器的灵敏度越高越好。但灵敏度过高，可能会将噪声引入，同时成本也高。 响应特性 (反应时间)：希望延迟时间越短越好。延迟时间短，传感器的频率响应高，可测量信号的频率范围就越宽。 线性范围：线性范围是指输出与输入成正比的范围，传感器的线性范围越宽，量程越大。,1.3 传感器与检测技术基础,1.3.4 传感器的选择,传感器的选择标准 稳定性：传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力称为传感器的稳定性。 影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，传感器必须要有较强的环境适应能力。 传感器的稳定性有定量指标，超过使用期后，应重新进行标定，符合要求才能继续使用。

19、 在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，应选用稳定性很高的传感器。 精度：传感器的一个重要性能指标，精度的选择只要求能满足整个测量系统的要求即可。,1.4 综合录井仪传感器系统,录井仪所检测的钻井工程参数、泥浆参数和有害气体参数等都是通过传感器把物理量或化学量转变成标准电信号，然后通过录井仪接口电路和计算机处理后，通过显示器完成检测、显示。 钻井现场属于一类爆炸危险场所，环境恶劣，全天候施工，且钻井施工环境和地区及钻机的类型差异很大。所以，对录井仪所用的传感器要求更加特殊、严格。 录井仪所用的传感器种类繁多，以传感器输出信号的类型进行分类，可分为模拟量传感器和数字量传感器两大

20、类。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,模拟式传感器指输出信号为模拟量的传感器。 综合录井仪常用的大部分传感器为模拟式传感器。 综合录井仪常用的模拟式传感器有：大钩负荷传感器、立管压力传感器、套管压力传感器、转盘扭矩传感器、出口流量传感器、泥浆温度传感器、泥浆电导率传感器、泥浆密度传感器、泥浆池体积传感器、碳酸盐传感器、硫化氢传感器等十一种。,1.4 综合录井仪传感器系统,1. 压力传感器 综合录井仪使用的压力传感器主要测量：大钩负荷、立压、套压、碳酸岩含量、机械扭矩等参数，应用比较广泛。 压力传感器测量器件主要有电阻应变片式测量桥压力传感器、扩散硅压力传感器、压电陶

21、瓷传感器、溅射薄膜压力传感器等器件。 压力传感器采用二线制电流传输。这样有利于减小在传输过程中产生的电路损耗和提高电路的抗干扰能力。,1.4.1 录井模拟式传感器,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,1. 压力传感器 测量桥压力传感器的电路 两线制变送器的内部结构,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,1. 压力传感器 测量桥压力传感器的电路 两线制变送器的调理电路,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,1. 压力传感器 测量桥压力传感器的电路 两线制变送器的V/I变换电路,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式

22、传感器,1. 压力传感器 电阻应变片式压力传感器 工作原理 将金属电阻丝粘合在一个压力应变片上，应变片受压变形，使电阻丝拉长、变细。 电阻丝变细、拉长后会改变其电阻值 电阻值改变后，会使桥臂的电压产生改变，从而改变受控恒流源电路的输出电流，使得电流的变化能反映压力的变化。,1.4 综合录井仪传感器系统,1. 压力传感器 电阻应变片式压力传感器 应变片的安装 一般用粘合剂将应变片粘贴在待测物上。 压力传感器所用的待测物为不锈钢弹性模片，其厚度与测量范围有关，直径大小与灵敏度有关。,1.4.1 录井模拟式传感器,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,1. 压力传感器 电阻应变

23、片式压力传感器 应变片的测量电路(应变电桥) 在电阻应变式传感器中，最常 用的是桥式测量电路。 当电桥的输出电阻无穷大时， 其输出电压为： 电桥的平衡条件：R1R3=R2R4,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,1. 压力传感器 电阻应变片式压力传感器 应变片的测量电路(应变电桥) 常规电阻应变片的电阻变化范 围为10-410-1欧，在近似情况下， 输出电压可表示为：,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,1. 压力传感器 电阻应变片式压力传感器 应变片的测量电路(应变电桥) 在电桥平衡，即R1=R2=R3=R4 时，输出电压可表示为： 应变电桥电

24、路有单臂应变电桥、双臂应变电桥、四臂应变电桥等三种。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,1. 压力传感器 电阻应变片式压力传感器 应变片的测量电路(应变电桥) 单臂应变电桥电路只有一个应变片，电路简单，计算方便。但对温度变化敏感，受环境影响较大。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,1. 压力传感器 电阻应变片式压力传感器 应变片的测量电路(应变电桥) 双臂应变电桥电路有两个应变 片，可有两种接法：相邻两个桥臂和相对两个桥臂。 应变片接在相邻两个桥臂可减小温度变化的影响；接在相对两个桥臂可提高传感器的灵敏度。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.

25、4.1 录井模拟式传感器,1. 压力传感器 电阻应变片式压力传感器 应变片的测量电路(应变电桥) 四臂应变电桥电路的四个桥臂 都接有应变片，灵敏度最高。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,1. 压力传感器 压阻陶瓷传感器 压阻陶瓷传感器是一种基于“压阻效应”的厚膜力敏材料传感器，属于厚膜集成电路的一类。 压阻效应是指电阻在应力作用下，阻值产生变化的现象。 大多数金属、合金和半导体材料的阻值变化都与所受的应力成比例，厚膜电阻也一样。 厚膜电阻的电阻浆料一般有三种成分：导体（金属元素的化合物）、玻璃和载体。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,1.

26、 压力传感器 压阻陶瓷传感器 压阻陶瓷传感器的基本检测原理 厚膜电阻印烧在圆形的陶瓷膜片上构成压力传感器。 由于陶瓷具有较强的抗腐蚀性，因此，压力可直接作用于陶瓷膜片的前面，使膜片产生微小的形变 厚膜电阻R1和R3放在陶瓷弹性体膜片的背面中心，R2和R4放在边缘，连成惠斯顿全桥电路。 压力增加，R1和R3阻值增大，R2和R4阻值减小，使电桥产生一个与压力成正比的电信号，从而把压力转化成电信号。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,2. 大钩负荷传感器/立管压力传感器 大钩负荷传感器的测量原理 大钩负荷传感器用快速接头连接于钻机大绳死绳端的压力转换器的接头上。 当钻具重量

27、的变化时，压力转换器内的油压也随着变化。经传感器转换成电信号，即可测出大钩负荷重量的变化。 钻进时，大钩负荷的总重变小，则显示出了钻压参数，钻压=钻具总重-悬重 悬重指钻进时大钩的负荷重量。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,2. 大钩负荷传感器/立管压力传感器 大钩负荷传感器安装 现场大钩负荷传感器通过快速接头安装在悬吊系统的死绳端加液三通快速接头上。 为了使敏感元件不致于 被粘稠物质粘上，按装 时应尽可能使传感器测 压头部向下。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,2. 大钩负荷传感器/立管压力传感器 立管/套管压力传感器 立/套管压力传感

28、器与大钩负荷传感器的结构和原理完全相同。 立管压力传感器由压力隔离缓冲器和压力传感器组成，用来测量立管中钻井液压力。 套管压力传感器用来测量套管中气体的压力，同样由压力隔离缓冲器和压力传感器组成。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,2. 大钩负荷传感器/立管压力传感器 立管/套管压力传感器 立管/套管压力传感器现场安装位置见图所示。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,3. 转盘扭矩传感器 转盘（钻柱）扭矩的大小可以反映井斜、卡钻等井下工况及钻头的工况，是一项十分重要的安全参数。 通常转盘扭矩传感器所测的是相对扭矩。 录井行业使用的转盘扭矩传感

29、器主要有四种： 过桥轮机械液压传感器，通过测量带动转盘的传动链条张力，转换成压力换算成转盘的相对变化量； 顶丝扭矩传感器，通过测量转盘底座的压力而换算成相对转盘扭矩变化量； 电动扭矩传感器，通过测量电动钻机的电机电流来间接反映钻具扭矩相对变化的量； 夹持式无线扭矩传感器，它通过测量钻机万向轴受到扭力的大小直接测量扭矩的。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,3. 转盘扭矩传感器 过桥轮式机械液压传感器 过桥轮式机械一液压传感器结构：主要由过桥轮、杠杆、液缸、主柱、底板等组成。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,3. 转盘扭矩传感器 过桥轮式机械

30、液压传感器 安装方式：有两种绞车内或绞车外。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,3. 转盘扭矩传感器 顶丝转盘扭矩传感器 顶丝转盘扭矩传感器只适应顶丝固定转盘底座的钻机，是用一种特殊结构的应变式测力传感器。 传感器自身输出信号为mV级电压信号，须经过接线箱内的前置电路转换成420mA的电流信号再送仪器处理。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,3. 转盘扭矩传感器 电动扭矩传感器 利用电磁效应和霍尔元件测量流过转盘驱动电机的电流。 由于转速一定时，直流电机的驱动电流与电机的扭矩成正比，因此， 测得了转盘驱动电机 的电流，就可以按一 定算法求出转

31、盘的扭 矩。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,3. 转盘扭矩传感器 电动扭矩传感器 利用电扭矩传感器测转盘扭矩时，驱动电机所用导线不能是磁屏蔽线，且非磁屏蔽线的屏蔽层应接地。 霍尔传感器的输出电 压为mV 级，后应前 置放大电路，一般为 差分放大电路。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,3. 转盘扭矩传感器 夹持式无线扭矩传感器 结构原理 由两部分构成：一部分是随轴旋转扭矩信号采集发射部分（扭矩传感器）；另一部分是固定在地面的信号接收转换部分（变送器）。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,3. 转盘扭矩传感器 夹持

32、式无线扭矩传感器 夹持式无线扭矩传感器的工作原理,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,3. 转盘扭矩传感器 夹持式无线扭矩传感器 夹持式无线扭矩传感器的420mA电流变送器采用三线制方式，可测正反转扭矩。 仪器的扭矩显示范围为-10KN+10KN，最小显示单位为0.01KN。 当变送器输出电流为12mA时，扭矩显示数值为“0”；变送器输出电流为20mA时，扭矩显示数值为+10KN；变送器输出电流为4mA时，扭矩显示数值为-10KN。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,4. 出口流量传感器 泥浆出口处的泥浆压力很低，难以充满导流管且充满度变化大。

33、 高架管内的流体为多相流体（液、气、固），使用常用的流量计无法测量。 测量泥浆出口流量的主要目的是为了预测井下是否有井涌或井漏等异常现象，重要的是检测出口流量的相对变化而不是它的绝对值。 目前，国内外大多采用简单的档板流量计（又称浆叶式流量计）来测量出口流量。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,4. 出口流量传感器 传感器主要由感受泥浆冲力的档板、用以把档板角位移转换为电位器角位移的齿轮传动机构（如果使用拉杆电位器，可以省去）以及把位移信号转换为电信号的电位器等组成。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,5. 钻井液温度传感器 循环泥浆的温度也

34、是反映钻井安全的重要参数之一：出口和入口泥浆的温度差有助于了解井下情况（当出口温度显著增高时，说明井底可能有压力异常层）。 温度的增高还会影响泥浆的性质，因此，需要做相应的处理。 综合录井仪使用的温度传感器，其传温元件一般是热电阻。 热电阻分为金属热电阻（热电阻）和半导体热电阻（热敏电阻）两大类。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,5. 钻井液温度传感器 热电阻式传感器 几乎所有物质的电阻率都随温度的变化而变化，这一物理现象称为热电阻效应。 利用热电阻效应制成的传感器叫做热电阻式传感器，主要用于温度及相关参数的检测。 热电阻分为金属热电阻（热电阻）和半导体热电阻（热敏

35、电阻）两大类。 目前，应用最广泛的热电阻材料是铂和铜，并已制成标准测温热电阻。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,5. 钻井液温度传感器 钻井液温度传感器的工作原理 钻井液温度传感器的信号处理电路采用进口的专用两线制集成电路。 该芯片内含专用的铂电阻处理电路，可直接将温度转换为对应的电流，适合远距离的传输。 芯片对铂电阻和器件本身的非线性有着良好的温度补偿，其输出电流与温度之间有很好的线性关系。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,5. 钻井液温度传感器 钻井液温度传感器的工作原理 铂电阻温度传感器的测量电路和钻井液温度传感器的外形如下图：,1

36、.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,6. 钻井液电导率传感器 电导是表示导体(通常指溶液)导电能力的物理量，与电阻互为倒数关系，单位是西门子(S)。 溶液的电导值与测量条件有关：电极与溶液的接触面积、电极之间的距离都会改变电导值。 为了使各种溶液导电性能的测量结果具有可比性，引入了电导率(S/m)的概念，其倒数就是电阻率。 电导率的测量范围很宽，从低于1 X 10-5 S/m的纯水到超过100 S/m的浓硫酸,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,6. 钻井液电导率传感器 电导率测量对于所有存在离子的溶液都有意义，但一种溶液不能单独通过电导率测量来鉴

37、别或得到它的离子质量浓度。 在某些已知溶液中电解质成分的情况下，可以通过它的质量浓度与电导率的对应关系得到相应离子的质量浓度。 钻井液中存在的离子主要包括：阳离子Ca+、Mg+、Na+和K+，阴离子Cl-、SO4- -、HCO3-、CO3- -等。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,6. 钻井液电导率传感器 电导率传感器主要检测钻井液中Cl-、Na+含量。 地层流体（油、气、水）进入钻井液的类型和量的不同以及钻井液的性能不同，将影响电导率的大小。 根据进出口钻井液电导率两个参数的数据差，可以定性地划分水层、气水同层、油水同层等地质层。,1.4 综合录井仪传感器系统,1

38、.4.1 录井模拟式传感器,6. 钻井液电导率传感器 传感器的结构 综合录井仪的电导率传感器 采用感应环式的电导率测试 结构。 传感器从外形上看由探测头、 信号电缆和金属防护架组成。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,6. 钻井液电导率传感器 传感器的结构 探测部分主要由原级线圈、次级线圈、同轴支撑管、温度补偿电阻、外保护壳、处理电路和信号电缆等组成。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,6. 钻井液电导率传感器 传感器的测量原理 感应式环状传感器测量原理如图所示。 原级和次级两个绕有铜线的磁环并列安装在同一轴线上，两个磁环之间的距离一般为13

39、cm。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,6. 钻井液电导率传感器 传感器的测量原理 感应环的输出电流与钻井液电导率的关系为: 式中：IG，V/(N1N2)为比例常数。只要与标准液体的I值相比就可得到被测液体的电导。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,6. 钻井液电导率传感器 传感器的测量原理 电导G与电导率k的关系是为: 其中，J为探头常数，L为电极间距，A为电极的有效面积。 若J=1，则G=k;若J为常数，则G与k的关系确定。因此，通过与标准液体的比较可以确定被测液体的电导率。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,

40、6. 钻井液电导率传感器 传感器的调校与标定（神开SK-8D05） 该传感器探头用7芯电缆线 与变送器连接，标号、颜色 和功能如下： 黑色、白色为初级线圈 引出线；裸铜线为屏蔽线； 红色、裸铜线为次级线 圈引出线；棕色；蓝色为热敏电阻引出线。,6. 钻井液电导率传感器 传感器的调校与标定（神开SK-8D05）,1.4.1 录井模拟式传感器,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,6. 钻井液电导率传感器 传感器的调校与标定（神开SK-8D05） 零位调整：若零位偏离,可以按以下方法调整零位。调整零位应先洗净传感器探头，再接上电源，并串入电流表。

41、(若测量电压，就串入负载电阻，电阻两端接上测量电压表，测得电压除以电阻值就是输出电流值。建议推荐用100负载电阻),再调节变送器外壳上的调零螺丝，使变送器输出为4mA。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,6. 钻井液电导率传感器 传感器的调校与标定（神开SK-8D05） 量程调整：量程在出厂前都已调整在合格位置上，一般用户不要再作调整，但是如果在长时期工作以后，为了获得更好的准确度，则可按下列步骤调整量程。 不接热敏电阻，即松开棕色线和蓝色线的插脚，再在变送器上接上100K标准电阻,这时变送器为25的电导率值。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感

42、器,6. 钻井液电导率传感器 传感器的调校与标定（神开SK-8D05） 量程调整： 用一根导线穿过传感器中心孔，导线两端接在电阻箱上，形成环形电阻回路。 接上所要求的电源，在电源上串入一只检测用电流表。 以上准备工作完成后，先校正零位，即当环阻RL=时，输出为4mA，零位偏离应调节变送器外壳上的调整零位螺丝，使输出为4mA。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,6. 钻井液电导率传感器 传感器的调校与标定（神开SK-8D05） 量程调整： 接上电阻箱，使环阻RL=1.5，这时输出应为200.16mA，若偏离就卸下电路组件调节有标记的3296型量程电位器，使之输出20mA

43、。 重复、的过程，直到输出零位和满度值为合格范围。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,6. 钻井液电导率传感器 传感器的线性测试检查 输出电流与电导率的关系式 输出电流与校验用环阻的对应值见表3-7,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,7. 钻井液密度传感器 钻井液密度是实现平衡钻井、提高钻井效率的重要因素，也是反映钻井安全的重要参数。 正常情况下，泵入井内和从井内返出的钻井液密度应基本相同。 当井内有高压层，有油气或地层水进入钻井液时，会使钻井液的比重减小。 测量进出口钻井液密度及其差值，也可以预报井内异常情况。 录井现场要求全天侯监测钻井液

44、循环系统进出口的钻井液密度变化的情况。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,7. 钻井液密度传感器 钻井液密度的测量主要采用电容式差压传感器和单晶硅谐振式压差传感器。 电容式差压钻井液密度传感器 电容式差压传感器是录井仪的配套传感器。 测量部分采用美国Rosemount（罗斯蒙特）1151型差压变送器，内含专门的温度补偿电路。 传感器采用二线制电路，可将敏感元件产生的电容变化差转化成420mA直流电流输出。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,7. 钻井液密度传感器 电容式差压钻井液密度传感器 传感器由压力检测和测量与转换电路组成。,1.4 综合

45、录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,7. 钻井液密度传感器 电容式差压钻井液密度传感器 差压检测 差压检测部件由测量元件和传压系统组成。 传压系统主要由充满硅油的压力测量头和导压毛细管组成密封系统。 测量元件由一个可动极板（有预张力的测量膜片）和两个弧形的固定极板构成，可动极板和固定极板形成电容C1、C2。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,7. 钻井液密度传感器 电容式差压钻井液密度传感器 差压检测 当上、下两个压力测量头出现压力差时，将使测量膜片发生变形，导致电容C1、C2的值出现变化。 根据公式 ，即可计算出钻井液的密度。 式中，k由动极板的工作半径

46、、初始张力和定、动极板的初始距离决定。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,7. 钻井液密度传感器 电容式差压钻井液密度传感器 差压检测,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,7. 钻井液密度传感器 电容式差压钻井液密度传感器 测量与转换电路 电容的测量通过加一高频正弦波信号实现。 高频正弦波通过不同的电容后，产生不同的相移，经相敏解调器解调后，输出两个不同的电流。 两个电流经差分放大后，输出4-20mA的电流（对应0.962.76g/cm2的液体密度）。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,7. 钻井液密度传感器 电容式差

47、压钻井液密度传感器 测量与转换电路,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,7. 钻井液密度传感器 电容式差压钻井液密度传感器 测量与转换电路 电流检测器控制两个电流的和保持不变，实现信号补偿的功能。 由于系统采用了差动电容测量原理，消除了硅油介电常数e的影响，加上电路设计中实现了信号补偿功能，使得共模i1+i2能保持为一个常数，因此，系统的输出电流仅与中心膜片的位移有关，提高了系统测量的准确性和可靠性。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,7. 钻井液密度传感器 单晶硅谐振式差压传感器 单晶硅是硅的单晶体，具有基本完整的点阵结构，纯度要求6个9以上

48、，有的甚至高达9个9。主要用于制造半导体器件、太阳能电池等。 熔融的单质硅在凝固时，硅原子以金刚石晶格排列成多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来，便结晶成单晶硅。 单晶硅由高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,7. 钻井液密度传感器 单晶硅谐振式差压传感器 单晶硅谐振式传感器是近几年发展起来的新型压力传感器。 传感器利用单晶硅因受压变形，导致其谐振频率与压力成正比例变化的特点制成。 传感器的核心部件是在单晶硅芯片上采用微电子机械刻槽技术，在其表面的中心和边缘做成两个形状、大小完全一致的H形状的谐振梁。,1.

49、4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,7. 钻井液密度传感器 单晶硅谐振式差压传感器 谐振梁处于微型真空容器中，既不与充灌液（硅油）接触，又能确保振动时不受空气阻尼的影响。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,7. 钻井液密度传感器 单晶硅谐振式差压传感器 将单晶硅谐振器接入正反馈回路中，就可以输出随压力成正比变化的信号频率。 在计算机系统中，通过定时/计数器，可求得单晶硅的谐振频率。 将上、下两个单晶硅谐振梁的频率差值送D/A转换器，即可输出与压力差成正比的电压(或电流)信号。 对输出的电压或电流信号处理后，传感器可输出4-20mA的电流信号。,1.

50、4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,7. 钻井液密度传感器 单晶硅谐振式差压传感器 单晶硅谐振式差压传感器智能变送器的工作原理。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,8. 泥浆池体积传感器 钻井液在钻井过程中，是一个闭合的循环系统 地面泥浆的总体积变化可以早期发现井漏，井涌和井喷现象，是一项十分重要的参数。 泥浆池体积传感器是钻井过程中监测钻井液总量变化、判断和预防井涌、井喷和井漏等异常情况，保证安全钻井的一种必不可少的监测工具。 录井现场测量泥浆液位的传感器主要有两种：传统的浮球式和较先进的超声波式。,8. 泥浆池体积传感器 浮球式液位传感器 浮球

51、式液位传感器利用环形磁性浮球随液位升降，使对应位置的干簧开关吸合，将液位转换成相应的电阻信号，再经变送模块转换成二线 制420mA标准信号输出。 传感器的检测管内装有一组干簧管和精密电阻，当管外磁性浮球随液位上下变化时，检测管内位于液面处的干簧管依次接通使传感器的电阻值发生变化，接线盒内的转换电路将其阻值转换成电流输出。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,8. 泥浆池体积传感器 浮球式液位传感器,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,8. 泥浆池体积传感器 超声波液位传感器 超声波传感器

52、利用声波在空气中传输速度一定的原理，通过测量超声波从发送到接收的时间差来计算物体之间的距离。 超声波换能器一般成对出现，一个发送，将电能转换为声波能量；另一个接收，将声波能量转换成电信号。但有时也仅用一个，既发送，又接收。此时，发送与接收不能同时进行。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,8. 泥浆池体积传感器 超声波液位传感器 超声波液位传感器传感器测量系统的工作原理,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.1 录井模拟式传感器,8. 泥浆池体积传感器 超声波液位传感器 超声波的发射与接收电路工作原理,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.2 录井数字式传感器,数字式传

53、感器是指输出信号为数字量信号的传感器。 综合录井仪常用的数字式传感器有：绞车传感器、转盘转速传感器、泥浆泵冲传感器等三种。,1.4 综合录井仪传感器系统,1. 绞车传感器 井深是录井过程中最重要的参数，大多数录井参数都以井深为基础，离开了井深，大部分录井参数都将失去意义。 井深通过大钩的高度变化计算而来，大钩的高度主要通过绞车传感器测量得到。 绞车传感器是综合录井仪的核心传感器，其性能好坏将直接影响录井资料的质量和油气勘探工作的开展。因此，绞车传感器也是油气勘探过程中最重要的传感器。,1.4.2 录井数字式传感器,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.2 录井数字式传感器,1. 绞车传感器 绞

54、车传感器安装在钻机滚筒(绞车)轴上，记录滚筒转动的转速、圈数、方向等相关参数。 滚筒上缠绕的大绳随着滚筒的转动带动大钩升降，绞车传感器随之输出与大钩高度相对应的脉冲信号，将该脉冲信号传入服务器，通过转换和计算就可以得到实时的大钩高度等参数。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.2 录井数字式传感器,1. 绞车传感器 相关概念与参数 大钩高度(大钩的运动)是一个基本参数，由此派生的参数有进尺、钻时(钻速)、井深等。 机械进尺是反映钻进效率的一个重要参数。进尺的累计即为井深，单位时间的进尺为机械钻速（m/min），而单位进尺所花的时间则称为钻时（min/m）。 钻速和钻时互为倒数关系。,1.4

55、综合录井仪传感器系统,1.4.2 录井数字式传感器,1. 绞车传感器 相关概念与参数 大钩的运动与钻进、起下钻、接单根、划眼、循环泥浆、活动钻具（上提/下放）等钻井工况是相互关联的。 钻井工况可以由相关的录井参数如大钩负荷、大钩高度、钻盘钻速、立管压力等来表征。 在钻进状态下，进尺在数值上等于钻柱的行程，而钻柱的行程又等于水龙头或游动滑车的行程。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.2 录井数字式传感器,1. 绞车传感器 相关概念与参数 钻进时，大钩负荷为重载、水龙头下行、钻头与井底接触 只有同时满足大钩重载、水龙头下行和钻头接触井底（以及转盘转速、立管压力不为零）三个条件时，才可以断定处于

56、钻进状态。 只有在钻进时，才可以通过对大钩或水龙头位移的测量进行进尺、井深和钻速的测量记录。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.2 录井数字式传感器,1. 绞车传感器 测量原理与方法（学生看书）,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.2 录井数字式传感器,1. 绞车传感器 结构与工作原理 绞车传感器是一种增量型旋转编码器，在结构上主要由一个定子部件和一个转子部件组成。 定子部件包括一个金属圆盘外壳和传感器转子部件的支架。 转子部件包括接头、轴承和一个具有12个方齿的齿轮（国外仪器有20齿的）。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.2 录井数字式传感器,1. 绞车传感器 结构与工作原理 安

57、装传感器时，转子与钻机滚筒轴固定在一起，定子部件固定不动保护传感器探头及本体。 当滚筒通过钢丝蝇带动大钩运动时，传感器转子部件随滚筒一起转动，转子齿轮的齿与齿间空交替通过探测头空隙，输出脉冲信号。 脉冲信号被后级电路处理后，可以测量实时井深。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.2 录井数字式传感器,1. 绞车传感器 结构与工作原理 录井现场常用的绞车传感器中，检测元件有光电式和霍尔感应式两种，输出同样的数字脉冲信号。 霍尔式绞车传感器由两个超小型霍尔探头构成，两个探头以900相位差平卧在定子槽中。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.2 录井数字式传感器,1. 绞车传感器 结构与工作原理

58、,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.2 录井数字式传感器,1. 绞车传感器 结构与工作原理 光电式绞车传感器的机械部分与霍尔式绞车传感器基本相同，不同的是检测元件为光敏三极管和发红外光的发光二极管。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.2 录井数字式传感器,1. 绞车传感器 结构与工作原理 绞车传感器采用12齿的转子，为了产生准确的相位差为900的脉冲信号，绞车传感器的两个探头中心点的安装位置角度差必须为150的奇数倍。 即当一个探头正对着某一齿时，另一个探头只遮挡另一齿的一半。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.2 录井数字式传感器,1. 绞车传感器 结构与工作原理 由绞车传感器输

59、出的相位差为900的A、B两相脉冲信号，一般要经过整形滤波、倍频、鉴相（单片机处理）和计数等处理后，才能得到绞车（大钩）的运动脉冲和方向信号。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.2 录井数字式传感器,1. 绞车传感器 结构与工作原理 脉冲信号的整形滤波 由于绞车探头自身的原因以及施工现场环境因素的影响，绞车传感器的输出信号并不是标准的方波信号。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.2 录井数字式传感器,1. 绞车传感器 结构与工作原理 脉冲信号的整形滤波 在送后级电路处理前，需要对信号波形进行整形和滤波，使信号的边沿陡峭并去除毛刺。 整形滤波一般采用施密特触发器或滞回放大电路。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.2 录井数字式传感器,1. 绞车传感器 结构与工作原理 倍频 为了提高测量精度，使钻机滚轴转一圈输出的脉冲数更多，可在整形电路后增加一个倍频电路，这样可使检测元件输出脉冲的上升沿和下降沿各得到一个输出脉冲，从而使滚轴转一圈输出的脉冲数成为了实际检测的两倍。 倍频也为利用单片机实现鉴相提供一定的便利条件。,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.2 录井数字式传感器,1. 绞车传感器 结构与工作原理 倍频 一个简单的倍频电路,1.4 综合录井仪传感器系统,1.4.2 录井数字式传感器,1