钻井多参数监测系统

1、1 绪论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

2、，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

3、，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。 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，

4、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

5、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

6、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，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

7、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(19001920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

8、 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(19201948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(19251936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

9、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(19481968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MartinDecker公司的八参数仪就属此例。 这个阶段的经济效益十分显著，二十年来

10、,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(19701989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

11、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

12、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

13、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

14、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16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

15、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46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

16、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1822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1819是比较早的钻井八参数仪，文献2022是采用单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.

17、2.3 国外研究现状 在国外文献报道中，文献2932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

18、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

19、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

20、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、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

21、库构造542 钻井工况原理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。 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

22、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)。 图2.2死绳固定器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)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

23、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。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。 可推导出每接收到一个脉冲大钩移动的距离H(参见图3)：，(22)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

24、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

25、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

26、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

27、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 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。

28、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

29、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(2-4)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)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)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)再将(2-4)(2-7)代入(2-3)得：(2-8)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

30、、均可视为常量，即，K为常量，故M=KP，即M与P成正比例，因而可用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

31、转盘扭矩表上只有0500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

32、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。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I1B1 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

33、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02025010.5%02520010.5%05010020.5%01005020.5%注：

34、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05V或020mA信号。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01000A时，霍尔传感器输出05V或020mA信号，扭矩表上的刻度为01000。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。

35、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

36、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

37、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

38、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2.2.1 钻压 钻压是钻进

39、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=13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

40、.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

41、件)为： 大钩负荷坐卡门限 转盘转速0 泵冲次0 相对流量0 钻压02.3.2 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

42、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

43、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。图3.1 系统结构 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

44、、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

45、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420mA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 R101=250 变送器输出的420mA经 I/V 变换,得到: Usi=R101*I=15(V) Ua为跟随器，则Uao的电压为15V。R102和R103组成负压偏置，可使Ubo为04V。Ubo输出到智能模块ADAM5017。 R104和R105构成比例放

46、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0100Hz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010kHz频率的信号，此信号送到VFC32进行频率电压转换后得到010V的电压信号，电压信号经OP07运算放大器放大为05V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

47、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=CKQ1Q4，CL3=Q1Q2CK，CL4=CKQ1(Q2Q3+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

48、3.1。CLEN CLR 功能Up10加计数0down0加计数down0不变up0不变Up00不变1down0不变1Q1Q4=0表3.1 4518真值表图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 loc

49、ked 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)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V

50、e(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： 式中：Ko压控振荡的转换增益 kd相位比较器的转换增益

51、F(s)低通滤波器的传递函数 由上式可知，这是一个典型的全反馈系统，是系统的开环传递函数，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

52、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0180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VSSVDD之间变化。高电平为99.9%(VDDVSS),低电平为0.1%(VDDVSS)，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

53、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RC滞后型滤波器就可以了。 滤波器参数的选择，能确定捕捉范围的大小。 相位比较器是一个边沿控制的数字存贮网络，该网络具有控制门的四个边沿触发器和一个具有公共输出结点的P沟和N沟驱动器的三态输出电路 相位比较器是一个边沿控制的数字存贮网络，该网络具有控制门的四个边沿触发器和一个具有公共输出结点的P沟和N沟驱动器的三态输出电路组成。 这类相位比较仅在信号和比较器输入的上升边起作用，因而它能接收任意占空比的输入脉冲(例如：非常窄的脉冲)。如果输入频率高于比较器输入频率，则输出级的P沟驱动器保持导通，输出电平为VDD；如信号输入频率低于比较器输入频率，则输出级的N沟驱动器保持导通；(输出电平为VSS；如果信号和比较器输