（机械工程专业论文）钻井参数监测系统的研究与开发.pdf

垩盎点：! ! 三矍堡主堂堡堡皇 ! 兰塑茎 摘要 钻井参数仪表是钻井工程监测钻井过程、进行科学分析和科学决策的重要工 具，是钻井工程人员的眼睛，它能够实时反映钻井工况，是保证安全、优质、快速、 高效、科学钻井的必备重要手段。随着大量的油气资源的开发，钻井作业的工作量 逐年加大。快速、科学、安全钻井以及侧向钻井都对钻井参数仪表提出了更新和更 高的要求。安全钻井、优化钻井、平衡钻井等科学钻井和用户对钻井仪表需求的提 高促进了钻井仪表的发展：现代科学技术的发展。特别是电子技术、计算机技术、 通信技术的进步为钻井仪表的发展提供了技术支持。目前钻井参数仪表正在经历一 次重大革余，正在由过去的机械、液压仪表向数字化、集成化、智能化和网络化方 向发展。 本文针对以往国内钻井参数仪表存在的问题，参考当今国际先进水平，对钻井 参数的数学建模和测量方法以及工况判断进行了深入的研究，并在此基础上利用新 科技、新技术、新工艺研究开发了一套精度高、功能齐全、界面美观友好、能无人 职守的实时多参数钻井监测系统。为了保证系统的可扩展性和数据的安全性，采用 了主机d a q 数据源结构以及双机热备份措施；为了保证系统数据的可靠性和准确 性，采用了信号隔离技术和模块化设计；为了提高系统的适应性和可视性，采用了 宽温液晶数显：为了提高系统的实时性，利用了多线程技术；现场总线技术的采用 提高了采集数据的可靠性和多样性；基于因特网的多媒体用户界面，便于实现远程 通信和监视。 该系统已经通过了相关部门的鉴定，符合合资打井或出国钻井的要求，并已经 投入到实际应用中，取得了较好的应用效果，具有良好的推广应用前景。这是一个 具有较大的社会效益和经济效益的课题。 关键词：主机d a q 数据源，钻井工程，监测，多线程 垩鏖叁堂三堡堡主堂堡堡奎 墨奎坚 a b s t r a c t t h es u b j e c ti nt h i sp a p e rh a sg r e a ts o c i a la n de c o n o m i c a lb e n e f i t s d r i l l i n gi n s t r u m e n t sa l et h ek e ya p p l i c a t i o n st om o n i t o r , a n a l y z ea n dd e c i d et h e d r i l l i n gp r o c e s s t h es c i e n t i f i cp r i n c i p a l so f “s a f e ，o p t i m i z e da n d b a l a n c e dd r i l l i n g a n d t h ec u s t o m s h i g b e rr e q u i s i t i o n sf o rd r i l l i n gi n s t r u m e n t sa c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to f d r i l l i n gi n s t r u m e n t s ；a n d t h ee l e c t r o n i c t e c h n i q u e ，c o m p u t e r a n dc o m m t m i c a t i o n r e v o l u t i o n sm a k et h ed e v e l o p m e n tp o s s i b l e t h e s ed a y s ，t h ed r i l l i n gi n s t r u m e n t sa l e c h a n g i n g f r o mm e c h a n i c a l ，h y d r a u l i cm e t e r st o d i g i t a l ，i n t e g r a t e d ，i n t e l l i g e n t a n d n e t w o r k l i z e do n e s i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o r , a i m i n ga tt h ep r o b l e m si nd r i l l i n gi n s t r u m e n t sa th o m ea n d a b r o a d ，r e f e r e n c i n gt h ea d v a n c e dt e c h n i q u e s ，d i s c u s s e s t h em e a s u r i n gm e t h o d sa n d m a t h e m a t i cm o d e l ，a n dd e v e l o p sad r i l l i n g m o n i t o r i n gs y s t e mw i t hh i g hp r e c i s i o n ， c o m p l e l ef u n e l i o n ，b e a u t i f u la n df r i e n d l yi n t e r f a c ei sd e v e l o p e d t o e n s u r et h es a f ea n d r e l i a b i l i t y o fd a t a ，t h es y s t e ma d o p t st h es t r u c t u r eo fs e r v e r d a qd a t as o u r c e ；t o i m p r o v et h er e a l t i m ea b i l i t y , t h es y s t e mu s e sm u l t i l i n e a r i t yt e c h n i q u e ；t oe n h a n c et h e r e l i a b i l i t y , t h es y s t e m u s e sf i e l d b u s t h es y s t e mh a sp a s s e dt h ea p p r a i s a li np e t r o l e u mi n d u s t r y i th a sa g o o de f f e c ti n r e a lw o r k i n ga n dh a sa b r i g h tf u t u r e k e y w o r d s ：s e r v e r d a qd a t as o u r c e ，d r i l le n g i n e e r i n g ；m o n i t o r , m u l t i l i n e a r i t y i i 重庆大学工手! 【! 硕士学何论文 i 绪论 1绪论 1 1 研究目的和意义 1 1 ，1 问题的提出 资源、环境、人口是当今人类社会面临的三大问题。在跨入2 1 世纪之际，人 类社会己而临严重的资源枯竭问题。据有关资料统计，全球已探明的石油、天然 气储量在2 0 2 0 年前将基本开采殆尽。显然，潜在油气资源的科学勘探和科学优化 钻井已成为人类社会持续发展急需解决的问题。 钻井参数仪表是钻井工程监测钻进过程、进行科学分析和科学决策的重要工 具。科学钻井为钻井参数仪表提出了新的要求，电子技术、计算机技术和通讯技 术的发展也推动着钻井参数仪表的发展。目前，钻井参数仪表正在经历一次重大 革命，正在由过去的机械、液压仪表向电子化、计算机化、数字化、模块化、智 能化和集成化等方向发展。 1 1 2 研究的意义 “基于主机d a q 数据源结构的钻井工程参数监测系统”就是为适应上述发展 的需要而提出的。该项目的研究具有以下意义： 提高了钻井安全性 钻井参数监测仪检测异常地层压力，获得了比较准确的地层压力资料，就可 以j 下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，通过监视和分析钻井液总体积、立管压力、转盘扭矩等 参数，可预见或避免各类异常工程事故的发生，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，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 钻井参数监测仅配置有各种精度高、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9 0 。 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) 通常由几个作业队分别测量和记录，因此，钻 重庆人学上程硕士学位论文 l 绪论 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c a d 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。 便于实现井场信息的网络通讯，提高油气藏早期评价能力 钻井信息的获取、处理和共享，是当前迸一步提高钻井效率，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迸行早 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。 使中国钻井参数仪表步入国际先进水平的行列 中国加入w t o 后，国际合作和国际竞争是一种必然趋势。只有使中国的仪表 符合国际标准，提高技术含量，才能迎接这些挑战。目前国内的钻井监测系统还 不很成熟，特别是数据的准确性、系统的稳定性、数据的安全性不能完全满足智 能化钻井的需要。本项目研究成功，将使中国的钻井参数仪表步入国际先进水平 行列，为中国的钻井参数仪表占领国内市场并打入国际市场作贡献。 为国家节约大量外汇 在各行各业的市场竞争日益激烈的今天，石油钻井行业的竞争也日趋激烈。 井队为了提高自身的竞争力，不断装备各种智能化的钻井参数仪表来提高其科学 钻井水平。但中国的钻井参数仪表与发达国家相比有较大的差距，造成不少钻井 参数仪表需要从美国v 甜c o m d t o t c o 、加拿大d a l a l o g 等公司进口，使用和维修 都很不方便。同类系统从国外进口，一套就需要1 4 0 万元，我国每年要花费大量 外汇用于石油仪表上的进口。本系统开发成功，每套将比从国外进口低4 0 万元， 可为国家节约大量外汇。 实现钻进过程的异地实时监测，让主管部门及时掌握现场情况 油气井大多在交通、通讯不便的野外，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。本系统提供的m o d e m 对连方式使处 于不同地理位霞的井队主管部门和有关上级部门只需通过电话线拨号上网，即可 及时掌握钻井现场的情况，便于远程监控、远程指导和远程管理。 1 2 研究现状分析 2 重丛查堂三堡堡主堂笪堡塞! ! ! 堡 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、旋转钻井时期。 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， 当时人们还不懂得沈井，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。 社会对石油的巨大需求使得石油工业得到了极大的发展，也使钻井工程得到 了发展，逐步形成了旋转钻井时期。其发展经历了八十多年的历史，从美国钻井 工艺发展过程来看，其问可分为四个发展阶段。 概念形成阶段( 1 9 0 0 一1 9 2 0 年) 旋转钻井的原理启蒙于1 9 0 0 年，在美国的m p i n d l e t o p 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并眼，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；h 浑浊液可以带出部分岩屑，从此开始 巴钻井和洗井两个工艺结 合在一起。1 9 0 8 年，h u g h e s 公司开始研制旋转钻井用的钻头刮刀钻头。1 9 0 4 年至1 9 1 0 年问，哈里波顿公司( h a l l i b u r t o n ) 开始用水泥封固套管的工艺。1 9 1 4 年至1 9 1 6 年问，n a t i o n a ll e a dc o 开始研究泥浆。大体在1 9 2 0 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1 9 2 0 年前后，产生了第一个虹吸测斜仪。 缓慢发展阶段( 1 9 2 0 一】9 4 8 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月 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( 1 9 2 5 1 9 3 6 年问) ，一系列的基础仪表陆续地研制出来，如美国马丁代克公司( m a r t i nd e c k e r c o ) 于1 9 3 0 年前后就拿出了用于现场的指重表( 1 9 2 6 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2 8 年的漫长时间。 科学化阶段( 1 9 4 8 1 9 6 8 年) 该阶段的主要技术是大力开展了钻井的科学研究工作。 自动化阶段( 1 9 7 0 一1 9 8 9 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、 重庆大学t 程硕十学位论文 1 绪论 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仪限于工程参数，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剥向前发展的关键。 智能化阶段 但随着9 0 年代石油工业的发展及各种高新技术的出现，人e 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5 w ( m w d 、l w d 、s w d 、p w d 、f e w d ) 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，以及实际的并眼轨迹和各段并眼状态。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 除四川石油管理局重庆仪器厂外，国内生产钻井参数仪表的主要厂家有荆鹏 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、中原油用钻井研 究院、徐水物探仪器厂等，这些厂家先后推出了z c d j 系列钻井参数电汜录仪、 4 重庆入学t 程硕士学位论文 】绪论 z j c 系列钻井参数仅、h z j 一1 型钻井工程监测系统、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，另有一些高等院校也在 进行钻井参数监测系统的研究。从最新资料看，国内的数据模块的智能化程度仍 较低，基本没有采用主机d a q 之数据源结构的系统；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 3 国外研究现状 国外有不少专业从事钻井参数仪表研究、开发，生产的公司，其中代表国际水 平的主要是美国的马丁( m d 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 c a b g 公司等。 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，该产品除能测量显示 2 0 0 多个钻井参数外，还具有以下特点：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，采用客户服务器技术，可通过i n t e m 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，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c d 光盘上，系统易扩展，易安装。 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。可测量显示基本的钻井参数，该系统以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，也可通过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，系统采 用液晶触摸显示屏。 英国r i g s e r v 公司2 0 0 0 年最新研制的触摸屏自动钻井系统，该公司是世界上第 1 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。 这些公司产品的共同特点是： 1 ) 传感器的安装简便实用，压力变送器的防腐防爆性能好，温度适应能力强 ( 2 0 , 一8 5 。c ) ： 2 ) 显示表台箱体由于采用防腐性能优良的不锈钢因丽工艺优良、外观漂亮： 3 ) 系统内核普遍采用先进的微电子技术： 4 ) 一般采用d o s 或w i n d o w s9 5 9 8 或w i n d o w s n t 平台，人机界面友好美观。 目前国外的钻井参数监测系统主要存在以下问题： 1 ) 不少系统仍以文件形式管理数据，基于主机d a q 数据源结构的系统还不 市庆大学工程硕士学位论文 l 绪论 多： 2 ) 目前也还只有少数几家大公司的产品具有异地监视功能； 3 ) 界面为纯英文，井队技术人员和操作人员使用起来有相当难度； 4 ) 数据报表和数据显示较为固定，和我国钻井现场的实际需要和习惯有较大 差异： 5 ) 价格昂贵。 1 3 本课题的主要研究内容 “基于主机d a q 数据源结构的钻井工程参数监测系统”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、可进行异地m o d e m 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，提高钻井效率和科学钻井水平。 1 3 1 钻并参数测量原理及数学模型的建立 钻井测量原理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。 参数测量分为直测参数和派生参数，根据参数还需要迸行工况的辨别。 具体包括以下内容： 1 ) 对大钩负荷、大钩高度、立管压力、套管压力、转盘扭矩、吊钳扭矩、转 盘转速、泵冲次、相对流量、泥浆池体积、硫化氢浓度、泥浆温度、泥浆密度等 l o 多个参数的直接测量： 2 ) 对钻压、钻时、标准井深、机械钻速、大钩速度、大绳做功、累积泵冲数、 泥浆总体积、泥浆补偿量等3 0 多个派生参数的建模与计算； 3 ) 对钻进、划眼、坐卡( 轻载状态) 、重载、接单根、起下钴、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 为了满足钻井现场恶劣的工作条件，提高系统工作的稳定性和实时性，需要对 硬件系统进行研究，主要包括： 1 ) 传感器的设计与选型： 2 ) 现场总线在油气井的应用； 3 ) 信号采集； 4 ) 信号处理： 5 ) 信号传输； 6 重庆大学= 程硕士学位论文1 绪论 1 3 3 软件系统设计 软件采用了基于主机d a q 数据源结构，应用了多线程技术，从而保证系统的 数据的安全性、数据采集的实时性和系统的稳定性；同时系统还必须提供多种监 测形式和分析工具。包括以下研究内容。 1 ) 系统功能模型； 2 ) 主机d a q 数据源结构在钻井参数监测系统的应用； 3 ) 多线程处理技术提高数据采集的实时性； 4 ) 数据库的构造与建立； 5 ) 基于m o d e m 的远程客户端监测。 重庆大学1 = 程硕士学位论文 2 测量原理 2 测量原理 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 依据判断钻井下层的情况，进行分析决策，从丽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，可以分为直测参数和派生参数。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，派生参 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，派生 参数主要有钻压、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4 0 个。钻井参数及其派生关系如图2 1 所示。 图2 ，1 钻井参数及其派生关系 f i g 2 1 d r i l l i n gp a r a m e t e r sa n dd e r i v e dr e l a t i o n 总钻进时问 重庆大学t 程硕十学位论文 2 测茸原理 本章将讨论一些典型参数的测量原理和数学模型。 2 1 直测参数原理和数学模型 2 1 1 大钩负荷 大钩负荷是钻井参数中非常重要的个参数，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 时问和划眼时间等) 。 大钩负荷测量系统由死绳固定器( 参见图2 2 ) 、拉力传感器、指示仪、波电变 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 即与浚压力 信号成正比，其数学模型如下： g = 手x s p ( 2 1 a ) 式中：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： ，为死绳拉力至绳轮转动中心的距离；三为传感器拉力至绳轮转动中心的距离。 图2 2 死绳同定器 f i g 2 2d e a d l i n el o a dc e l l 大钩负荷采用5 点线形刻度进行计算。 假设5 点为x o 、x 1 、x 2 ) ( 4 ，对应的大钩负荷值为y o 、y l 、y 3 y 4 ，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。 9 里鏖查兰! 矍堡主堂堡堡塞 一生型里堕 i n t i ： f o ri = 0t o4 i fx x x + 1 y = m 一。1 ) 一- j ) + 卫 浚计算方法速度较快，且基本上能满足精度要求。 2 1 2 大钩高度 大钩高度是钻并参数中另一个非常重要的参数，表示大钩离钻井平台的相对位 置。大钩高度也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。 大钩高度传感器采用绝对位置光电编码器，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。其测量原理结构图可用图2 3 表示。 一骤释辫辫瓣 二 嚣霹礤疆勰一 图2 3 大钩高度测量原理图 f i g 2 3 s c h e m a t i co f h o o kh e i g h tm e a s u r e m e n t 丑 通过测量原理图容易推导出每接收到一个脉冲大钩移动的距离拱 ：堡2 ；r r ，r ，：导+ i d + ( j 1 ) x h ，白：半d ( 2 1 b ) r z二 式中为钢丝绳股数：行为滚筒每圈脉冲数：尼为第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片及通过接近开关测出的f 反脉冲数即 可计算大钩高度以及其它与高度有关的参数。 大钩高度具有正负脉冲，其具体计算如下： 设正转记数为n l ，溢出标志为f 1 ；反转记数为n 2 ，溢出标志为f 2 1 0 重庆人学工程顶士学位论文 2 测营原理 i n l i l ；i n t 】2 ： 预算0 至7 层的k 系数并存入静态数组 k j = | d s g s m o m 山f g t z j + 姬l i q + 蜘一d s z j 其中x td s g s 为大绳股数，x tm q m c 为绞车每圈脉冲数，x tg t z j 为滚筒直 径，x td s z j 为大绳直径。 正转脉冲 i f f lt h e nt 1 + + ： x 1 = n 1 + t 1 + 2 3 2 ： 反转脉冲 i f f 2 【h e nt 2 + + ： 2 = n 2 + t 2 + 2 3 2 ： 总脉冲 x = x 1 一x 2 + x t _ m q m c + x t _ d s e s ( 绞车每圈瞰冲数 绞车大绳最终数) ； 求出所在层数、最后层的脉冲数 c 0 = xi n tx t _ m q m c + x t _ d s q s ( 绞车每圈脉冲数$ 每层大绳的圈数) ； c 1 2 xm o d x t _ m q m c + x t _ d s q s 取得当前层的k 系数 k = k c o 计算以前层所代表的高度 f o r i = it o c o w c h o h = k ，+ x t d s q s x t m q m c 其中x td s o s 为大绳股数，x t _ _ m q m c 为绞车每圈脉冲数。 n 上当前层的所代表的高度得到最终结果 w ch o h = c 1 k + w ch o f t ； 2 1 3 泵冲 泵冲次传感器( 见图2 4 所示) 由接近开关构成，当被测物体接近传感器的振 荡器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。 传感器由d a q 提供+ 1 0 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) 到距探测器头i o 2 0 毫米内时即有脉冲 信号，每个信号表示有一次冲程。d a q 利用这些信号计算出每分钟冲程和每个泵 厦庆大学t 程硕士学位论文2 测量原理 的总冲程。 图2 4 泵冲次传感器 f i g 2 4 p u m ps p m s e n s o r 泵冲传感器的安装方式是在泵的传动轴处，安装示意图如图2 ，5 所示 图2 5 泵冲次传感器安装图 f i g2 5 i n s t a l l a t i o no f p u m ps p ms e n s o r 2 2 派生参数的数学模型 2 2 1 钻压 钻压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、扩化眼、 循环等工况的识别，同时它对于发现钻井故障具有重要作用。 钻压w 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： 重庆大学工程硕十学位论文 2 测量原理 f f ，= y p l g( 2 2 a ) 式中p 为钻具的线密度；为钻具的有效氏度； 通常情况下有两种判别方式，其具体计算如f ： 如果不是钻进状态则取为o p s w o b 2 0 ； 如果是钻进状态则进行计算 i fi s d r i l l s t a t et h e n p s _ w o b = 矾一z cm w i n ) + + ( d f - 4 ) “厅4 + z c w m i n 4 z ch o i 尹( d - d ) “x 4 一z c w o 厶 其中p i 为钻具的密度，长度l 卜外径d i 、内径d i 均从钻具数掘库中读取。 d 、d 为钻杆的内径、外径。z c m w i n 为泥浆入口密度，z c w o h 为大钩负荷。 如果密度以线密度的形式给出，需要换算。 取为3 1 4 1 5 9 2 6 ，g 取值为9 8 。 钻压派生于：大钩负荷、泥浆入口密度、泥浆出口密度等直测参数。 2 2 2 钻头位置 钻头位置是一个相当重要的参数，它反映了钻头当前所处的位置，技术人员 和司钴需要根据该参数进行钻进与否的判断，另外还可掌握起下钻的进程。 钻头位_ 置b l 为大钩高度的变化前钻头位嚣b o 与大钩高度的变化量h 之间的 差值。其计算公式为； 马= 玩一 ( 2 2 b ) 如果大钩负荷大于坐卡门限则钻头移动距离与大钩高度的变化相等 i f z cw o h x l z k m x ( 坐卡门限) p s _ b i t d e p t h = p s _ b i t d e p t h + ( z c _ h o h z c h o h ) 否则保持不变 e l s e p sb i t d e p t h = p s _ b i t d e p t h 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，同时打浅层时由 于钻具质量过轻使得做卡门限过大造成该参数的计算十分不准确。因此考虑采用 分段函数来设定做卡门限。按照井深进行设定，在凋校时候根据地质条件和经验 值进行设定。 2 2 3 标准井深 标准并深反映了其工作进度，同时根掘它来判断是否需要进行接单根等操作。 1 3 重庆大学工程硕十学位论文 2 测鼍原理 标准井深h ，为钻进状态前的井深h o 与大钩高度的变化量h 之和。其计算公 式为： h l = h o 一h ( 2 2 c ) 如果是钻进状态，则标准井深等于钻头位置 i f i s d r i l l s t a t et h e n p sh o l e d e p t h = p s _ b i t d e p t h ； 否则为上次的值 e l s e p sh o l e d e p h = p s _ h o l e d e p t h 2 2 4 钻时 钻时反映了钻进指定井深段所消耗的时间，反映了工作效率和地质特点。 当钻头位置为系统的初始标准井深且开钻时，记录此时的系统时间 i n t i ； i f p s _ b i t d e p t h 2 x t _ b z j s a n di s d r i l l s t a t et h e n t i = t i m e ( ) 当不处于钻进状态且未到达设定距离时，记录此时的系统时间，并累加之； i f m o d ( ( p sh o l e d e p t h x tb z j s ) d ) ! = ot h e n i f n o ti s d r i l l s t a t et h e n f i 十+ t i 2 t 1 m e o c = c + t i - 1 一t i e l s e 如果处于钻进状态但未达到设定距离时，记录此时的系统时间并取得时间差 c = t i m e ( ) - t i ) 随时判断是否移动了设定值d ，如果是则更新钻时的值。 i f r o o d ( ( p s _ h o l e d e p t h - x t _ b z j s y d ) = o t h e n p s r o p = c ； 累加值c 清零 c = 0 r 重庆大学工程硕士学位论文 2 测晕原理 2 2 5 大绳做功 大绳做功反映钢丝绳在钻井过程巾的磨损程度，当达到一定的值时提示倒大 绳。它派生于：大钩负荷和大钩高度； 大绳做功w 为大钩负荷g 与大钩高度变化量 i 之积的累加值。其计算公式 为： = y g 明( 2 2 d ) 为保证计算速度用两次采样周期之间的梯形面积近似代替积分值 p s - k n = p s 一酬瑚s p 一黼h p 。- z c - - 踟h 泌c h o h - - z c h o h 必。u 耐 其中z c _ w o h 、z c _ w o h 为两次采样周期的大钩负荷；z c h o h 、z c h o h 为 两次采样周期的大钩高度值。 2 3 工况识别的数学模型 2 3 1 钻进状态 钻进状态主要有以下几个条件约束： a 、z c _ b i t d e p t h = z c _ h o l e d e p t h ( 钻头位置大于等于标准井深) b 、z c w h o x t d g m x ( 大钩负荷 坐卡门限) c 、z c r p m 0 ( 转盘转速 0 ) d 、z cp u m p 0 ( 泵冲次 o ) e 、z cf l o w r e s o ( 相对流量 0 ) i f a a n d b a n d c a n d d a n d e t h e n r e t u mt r u e e l s e r e t u r nf 萄s e e n d i f 注：a 为主要判断条件： 2 3 2 划眼状态 a 、z cb i t d e p t h 坐卡门限) c 、z cr p m 0 ( 转盘转速 0 ) d 、z c _ p u m p 0 ( 泵冲次 o ) e 、z cf l o w r e s o ( 相对流量 o ) f f a a n d b a n d c a n d d a n d e t h e n r e t u r nt r u e e l s e r e t u r nf a l s e e n d i f 注：a 为主要判断条件； 2 3 3 接单根状态 接单根的判断分为两种情况。 j 镰一稚： 1 、先坐卡； 2 、大钩向上移动最小单根长 3 、解卡 f 第二种： 1 、方钻根已经取下； 2 、大钩向上移动最小单根长； 3 、解卡； i fz cw o h x td g m xt h e n h 2 = z c _ h o g ； a h = h 2 h l ； i fa h x t _ z x d gt h e n r e t u r nt r u e ； i f z cw h o x td g m x t h e n h 2 = z ch o h i fh 2 h l x tz x d g c t h e n r e t u r nt r u e ； 2 3 4 卸单根状态 卸单根的判断也分为两种情况。 繇一酞： l 、坐卡： 2 、向下移动最小单根长； 3 、解卡。 第二种： 1 、是否卸下方钻根； 2 、如果卸下了方钴根则认为将卸下单根 i f z cw o h x td g m x t h e n h 2 = z c l 4 0 h ； a h - - h l h 2 ； i fa h x tz x d gt h e n r e t u r nt r u e ： i f z cw o h = x t _ d g m sd l e n h l = z ch o h ： f 1 = t r u e ； 1 7 堡鏖查堂三堡堡主堂垡堡壅一生塑量! ! 兰 i f f lt h e n l f z cw o h x tx x c d t h e n r e t u r nt r u e ： 2 3 6 下钻状态 下钻工况的识别可以按下面的顺序进行判断： 1 、先解卡； 2 、钻头位置下降起下钻有效长度( 系统初始化时输入) 鹏、坐卡； i fz cw o h - 一x td g m st h e n h 1 = z ch o h ： f 1 = t r u e ： i f f lt h e n i f z cw o h x tx x c dt h e n r e t u r nt r u e ： 2 4 本章小结 本章的主要内容有： 1 分析了大钩负荷、大钩高度和泵冲等几个典型直测参数的测量原理并建立 了数学模型，为系统的信号采集、处理及硬件软件设计奠定了基础。 2 建立了钻压、钻头位置、标准井深、钻时和大绳做功等重要派生参数的汁 算数学模型。 3 论述了通过数学模型对钻进、划眼、接单根、卸单根、起钻、下钻等复杂 工况进行识别方法。 1 8 重庆大学t 程硕士学位论文 3 硬件系统殴计 3 硬件系统设计 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 钴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，达到国外先进水 平。还采用了现场总线技术和新型a d a m 4 0 1 7 、4 0 8 0 等远程信号采集模块，大大 地提高了系统的可靠性和对环境的适应性。 本章将从硬件体系结构、传感器的设计、信号的采集处理和信号的传输等方面 介绍系统的硬件设计。 3 1 硬件系统体系结构 钻井过程需要监测的参数有近6 0 个，其中可直接测量的参数有2 0 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、硫化氢浓度、套管压力、顶驱转速、 顶驱扭矩等，由上述直测参数可派生计算的参数有钻压、标准井深、钻时、机械 钻速、大钩速度、大绳做功、累积泵冲数、泵冲总和、泥浆总体积、泥浆补偿量、 钻进时间等3 0 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3 1 所示。 系统由传感器、井台现场数据采集系统、井台信号显示表台、控制室监测工作 站和异地监视工作站五大部分组成。 每一个传感器都对应一个直测参数，其中压力传感器有大钩负荷传感器、立管 压力传感器、吊钳扭矩传感器，电流传感器有转盘扭矩传感器、泥浆池体积传感 器等，频率传感器有转盘转速传感器、泵冲次传感器、大钩高度传感器。 重庆大学丁程硕十学位论文 3 硬件系统设计 幽3 ，i 系统体系结构 f i g3 1 s t r u c t u r eo f s y s t e m 数据采集系统( d a t a a c q u i s i t i o n 简称d a q ) 是核心部分( 参见图3 2 ) ，其主