一種新型鉆井泵參數(shù)記錄儀的研制

李海營

(中石化勝利油田黃河鉆井總公司，山東 東營 257513)

一種新型鉆井泵參數(shù)記錄儀的研制

李海營

(中石化勝利油田黃河鉆井總公司，山東 東營 257513)

為了解決鉆井過程要求定量控制泥漿泵的排量，但目前的鉆井參數(shù)記錄儀表不能定量完成泥漿替換和起下鉆定量灌注泥漿的問題，研制了一種新型鉆井泵參數(shù)記錄儀。記錄儀采用單片機(jī)控制泥漿泵排量，軟件程序采用C語言。實際應(yīng)用表明：該記錄儀簡單可靠，費(fèi)用低廉，尤其在機(jī)械類鉆機(jī)行業(yè)應(yīng)用前景廣闊。

參數(shù)記錄儀 泥漿泵 鉆井 定量灌注 單片機(jī) C語言

在石油和天然氣鉆進(jìn)、完井過程中，泥漿排量的控制一直是鉆井技術(shù)的重要參數(shù)。但是目前鉆井隊配置的鉆井多參數(shù)記錄儀只能顯示泥漿泵的瞬時排量和總排量，不能顯示和報警一段時間內(nèi)的泥漿排量，給鉆井起下鉆補(bǔ)充定量泥漿和固井時替換泥漿帶來困難。井隊技術(shù)人員只能根據(jù)泥漿泵每分鐘的泵沖數(shù)，然后再乘以時間計算替換泥漿體積，這種人工計算方式精度低且累計誤差大。為此，勝利油田黃河鉆井總公司研制了一種新型鉆井泥漿泵參數(shù)記錄儀，來解決鉆井過程中定量控制泥漿泵排量的問題。

1 設(shè)計原理分析①

由于泥漿泵的動力端為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，所以泥漿排量不是均勻的，而是呈sinω形式變化的；再由于泥漿泵吸入閥和排出閥一般不能及時關(guān)閉，泵閥、活塞和其他密封件有高壓液體泄漏，泵缸或液體中含有氣體，以及泥漿稠度不同等，導(dǎo)致吸入度不同，實際的計算和設(shè)計中均按照平均流量計算。泥漿泵排量Q的計算式為：

Q=ηISπD2/4

(1)

2 儀表硬件結(jié)構(gòu)

鉆井泵參數(shù)記錄儀由主機(jī)和傳感器兩部分組成。主機(jī)由操作按鈕和液晶顯示屏組成，可在室內(nèi)安裝，用于設(shè)置并查看鉆井泵的當(dāng)前工作狀態(tài)；傳感器為兩個電感式接近開關(guān)，分別安裝于兩臺鉆井泵上，用于檢測當(dāng)前鉆井泵的泵沖信號。

2.1單片機(jī)核心電路

鉆井泵參數(shù)記錄儀采用16位超低功耗單片機(jī)MSP430F247TPM作為核心處理芯片，溫度-40～105℃，價格3.4美元；MSP430F247 16位超低功耗微控制器具有32KByte閃存、4KByte RAM、12位ADC、兩個USCI和HW乘法器，具有功耗低、處理速度快及抗干擾性強(qiáng)等特點。

2.2實時時鐘電路

儀表的實時時鐘電路采用PCF8563時鐘芯片，該芯片采用I2C總線與主控制器進(jìn)行通信，總線最大速度可達(dá)400kHz；同時為該芯片配備一個3V鈕扣電池，當(dāng)主機(jī)斷電時，可由鈕扣電池為時鐘芯片提供電源，使它繼續(xù)準(zhǔn)確計時。由于該芯片功耗極低，所以鈕扣電池在主機(jī)斷電后仍可至少工作兩年。

2.3報警電路

鉆井泵參數(shù)記錄儀設(shè)有3個報警繼電器，分別為K801、K802和K803，并且均為干接點形式輸出。U831為液晶顯示屏電源控制繼電器，當(dāng)液晶屏出現(xiàn)故障時用于液晶屏的重新上電啟動。

上述4路繼電器的驅(qū)動均采用ULN2003A控制芯片，該控制芯片內(nèi)含續(xù)流二極管，可以有效抑制因繼電器動作、復(fù)位等引發(fā)的瞬態(tài)干擾，從而提高系統(tǒng)的可靠性；采用ULN2003A芯片代替分立元件進(jìn)行驅(qū)動，不但使元件數(shù)量減少，也節(jié)省了焊接加工成本減少了故障點。

2.4外部快速數(shù)據(jù)存儲電路

為了使鉆井泵參數(shù)記錄儀在斷電并重新上電時，能夠準(zhǔn)確還原它在斷電瞬間的工作狀態(tài)，需要實時記錄鉆井泵的當(dāng)前工作狀態(tài)，這就對外部存儲器的存儲速度和擦寫壽命提出了較高的要求。為了解決以上問題，筆者采用鐵電存儲器代替E2ROM存儲器進(jìn)行各類鉆井泵工作狀態(tài)參數(shù)的存儲。

2.5傳感器硬件采樣電路

傳感器硬件采樣電路(圖1)外接NPN型電感式接近開關(guān)，24V(DC)供電，經(jīng)快速光耦隔離后可將當(dāng)前接近開關(guān)的狀態(tài)送往單片機(jī)檢測引腳。當(dāng)外部接近開關(guān)無信號輸出時，其信號線呈高電平狀態(tài)，此時D501二極管截止，快速光耦U501輸入端發(fā)光管滅，其輸出端感光三極管截止，第6腳VO輸出高電平到單片機(jī)檢測引腳；相反，當(dāng)外部接近開關(guān)有信號輸出時，U501的第6腳輸出低電平到電片機(jī)檢測引腳。

圖1 傳感器硬件采集電路

3 程序設(shè)計

鉆井泵參數(shù)記錄儀的軟件編程采用C語言，程序結(jié)構(gòu)采用順序結(jié)構(gòu)，算法以1號泵的瞬時泵沖為關(guān)鍵因子，瞬時排量采用乘法(式(1))和浮點運(yùn)算計算，累計排量采用累加瞬時排量計算。瞬時泵沖算法采用中斷方式接收傳感器脈沖信號，當(dāng)檢測到接近開關(guān)動作信號時，啟用1μs的時鐘定時器；當(dāng)接近開關(guān)復(fù)位后又檢測到新的動作信號時暫停該定時器，并計算兩次動作間的時長，這個時間便是泵沖一次的時間，根據(jù)此時間即可計算出瞬時泵沖(圖2)。

計算瞬時泵沖時間的程序如下：

void Pump_1(void)

{ unsigned long Temp;

P2IFG &=～BIT0;//手動清除中斷標(biāo)志

P2IES^=BIT0;

Pump_1_Info.H_L_Flag=Pump1_DI_Value();//獲取當(dāng)前接近開關(guān)狀態(tài),1=>高電平,0=>低電平

圖2 鉆井泵參數(shù)記錄儀的程序流程

if(Pump_1_Info.H_L_Count==0)//檢測到開機(jī)后第1個脈沖的高電平信號

{ if(Pump_1_Info.H_L_Flag==1)//如果檢測到高電平,則開始檢測脈沖寬度

{Pump_1_Info.H_Start_Time=TBR;//記錄高電平發(fā)生時間,TBR單位μs

Pump_1_Info.H_L_Count=1;//已經(jīng)檢測到第1個高電平信號

Pump_1_Info.OverFlow_Time_Count=0;//超時溢出計數(shù)器清0,該變量值為當(dāng)前超時ms數(shù)

Pump_1_Info.L_Start_Time=0;//低電平發(fā)生時間清0

Pump_1_Info.L_Stop_Time=0;} }//低電平停止時間清0

else} //如果當(dāng)前已經(jīng)檢測到有效的高電平,則檢測低電平發(fā)生時間

4 應(yīng)用

新型鉆井泵參數(shù)記錄儀的操作面板由8寸彩色顯示屏、5個功能按鈕、一個電源開關(guān)按鈕和一個聲光報警器組成；在設(shè)備的下方設(shè)有4個航空插頭，分別用于外接220V(AC)電源、泵1傳感器、泵2傳感器主報警輸出。

當(dāng)系統(tǒng)未啟動統(tǒng)計功能時，此時間顯示“2000.00.00 00:00:00”，此時1、2號泵工作狀態(tài)將正常顯示，泥漿排量預(yù)警功能、歷史記錄保存功能失效。如果此時按下“清除/設(shè)定”按鈕，1、2號泵的工作狀態(tài)信息清0，當(dāng)前排量值清0，統(tǒng)計時間自動設(shè)置為當(dāng)前時間，啟動泥漿排量預(yù)警功能、歷史記錄保存功能，進(jìn)入統(tǒng)計功能狀態(tài)。

當(dāng)出現(xiàn)泥漿報警后，按下確認(rèn)鍵予以消警，使報警繼電器和聲光報警器復(fù)位。

當(dāng)系統(tǒng)正處于統(tǒng)計功能狀態(tài)，且要保存當(dāng)前記錄時，按下“清除/設(shè)定”按鈕，該條記錄將被保存，同時將1號泵、2號泵、當(dāng)前排量和統(tǒng)計時間參數(shù)清零，開始重新顯示。

目前該套裝置已經(jīng)被勝利工程公司黃河鉆井內(nèi)部的6支鉆井隊使用。在鉆井過程中，起下鉆需要定量灌注泥漿，通過參數(shù)設(shè)定需要灌注泥漿量，有效防止了井下地層壓力不均衡而導(dǎo)致的井漏、井涌等復(fù)雜的井下事故；在固井過程中定量注入水泥替代井下泥漿，精準(zhǔn)確定水泥量的返高位置，通過此套裝置能精確方便的固水泥，有效保證了固井的質(zhì)量。圖3為該記錄儀在勝利工程公司40570和40666隊運(yùn)行時的在線監(jiān)測結(jié)果，檢測兩臺泥漿泵的累計泵沖數(shù)、瞬時泵沖數(shù)及時段內(nèi)的累計排量等，并自動保存當(dāng)前的工作信息，方便日后的查詢統(tǒng)計。

圖3 新型鉆井泵參數(shù)記錄儀的在線監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)束語

新型鉆井泵參數(shù)記錄儀設(shè)計簡單，制造成本低廉，費(fèi)用僅兩千元左右。相比傳統(tǒng)的鉆井泵參數(shù)記錄儀表，能夠準(zhǔn)確顯示和報警一段時間內(nèi)的泥漿排量，給鉆井起下鉆補(bǔ)充定量泥漿和固井時替換泥漿帶來有效控制，方便準(zhǔn)確完成鉆井泥漿泵入出控制。勝利油田黃河鉆井總公司鉆井隊使用該套設(shè)備前在東辛地區(qū)的固井合格率為96%，使用該套設(shè)備后固井合格率達(dá)到了99%，有效地提高了固井質(zhì)量。

TH89

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1000-3932(2016)10-1116-03

2016-06-27(修改稿)