基于多傳感器的鉆井監(jiān)測系統(tǒng)

劉佳，李喬喬

（1.廣州南洋理工職業(yè)學院，廣州510900；2.新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團）有限公司，河南 新鄉(xiāng)453000）

1 引言

基于多傳感器的鉆井監(jiān)測系統(tǒng)通過現(xiàn)場鉆井儀表傳感器采集鉆機或者修井機設備信息，監(jiān)測運轉(zhuǎn)過程中大鉤懸重和鉆壓﹑吊鉗扭矩﹑1#～3#泵沖速、1#～3#泵壓、1#～3#泵沖排量、1#～2#立管壓力、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速﹑轉(zhuǎn)盤扭矩﹑游車高度、鉆頭位置、井深﹑泥漿回流百分比、1#～10#泥漿罐體積、泥漿罐總體積、頂驅(qū)扭矩、頂驅(qū)轉(zhuǎn)速等多種參數(shù)的動態(tài)變化[1]，幫助決策者及時掌握鉆井工況，為科學鉆井、安全鉆井提供技術保障。

2 系統(tǒng)整體設計

鉆井監(jiān)測系統(tǒng)主要包括：現(xiàn)場鉆井儀表傳感器、顯示表、鉆井儀表數(shù)據(jù)采集單元、鉆井儀表遠程監(jiān)控單元、鉆井儀表觸摸顯示單元、防爆接線箱、電纜等設備及附件[2]。

3 現(xiàn)場鉆井儀表傳感器及顯示表

3.1 指重及顯示表

死繩錨上液壓包傳來的液壓信號，通過指重表放大機構的連桿及傘形齒輪轉(zhuǎn)動齒輪軸，使指針產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，指示大鉤懸重和鉆壓。液壓信號連接指重變送器，變送器將量程為0～1000psi（1psi=6.895kPa）的液壓信號轉(zhuǎn)換為DC4～20mA 電流信號。

3.2 立管壓力及顯示表

立管管匯內(nèi)的泥漿壓力通過傳感器中的膠杯作用在液壓油上，經(jīng)液壓管線帶動表針偏轉(zhuǎn)，從而指示出立管壓力。變送器將量程為0～5000psi 的液壓信號轉(zhuǎn)換為4～20mA 電流信號。

3.3 吊鉗扭矩及顯示表

傳感器安裝在吊鉗尾繩上，在鉆桿上扣時，在吊鉗尾繩上產(chǎn)生一個與上扣扭矩成正比的拉力，拉力通過傳感器中的活塞作用在液壓油上，再由液壓管線傳遞到吊鉗扭矩顯示表的彈簧管上，彈簧管的自由端產(chǎn)生位移，通過放大機構帶動表針偏轉(zhuǎn)，表盤指示出吊鉗扭矩。液壓管線連接變送器，變送器將量程為0～5000psi 的液壓信號轉(zhuǎn)換為DC4～20mA 電流信號。

3.4 泵沖、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速及顯示表

泵沖及轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速傳感器均采用無接觸方式測量。轉(zhuǎn)盤的傳動軸焊接的金屬物體在傳感器的感應面附近劃過，產(chǎn)生脈沖信號，通過鉆臺區(qū)接線箱輸出給數(shù)據(jù)采集單元。數(shù)據(jù)采集單元輸出的電信號驅(qū)動表盤指針偏轉(zhuǎn)，表盤指示出轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

3.5 轉(zhuǎn)盤扭矩及顯示表

采用機械惰輪或筒式電阻應變測量轉(zhuǎn)盤扭矩，轉(zhuǎn)盤扭矩變送器DC4～20mA 電流信號通過鉆臺區(qū)接線箱輸出給數(shù)據(jù)采集單元。數(shù)據(jù)采集單元輸出的電信號驅(qū)動表盤指針偏轉(zhuǎn)。

3.6 頂驅(qū)扭矩及頂驅(qū)轉(zhuǎn)速

從頂驅(qū)控制系統(tǒng)輸出4～20mA 信號，通過鉆臺區(qū)接線箱輸出給數(shù)據(jù)采集單元。

3.7 游車高度

游車高度傳感器主要由光電編碼器組成，安裝在滾筒軸上，當滾筒轉(zhuǎn)動時，光電編碼器將輸出2 組相位差為90°的電脈沖信號，通過鉆臺區(qū)接線箱輸出給數(shù)據(jù)采集單元，計算出游車高度、鉆頭位置、井深、起下鉆速度。

3.8 泥漿罐體積

泥漿罐體積采用無接觸測量方式。由超聲波探測器發(fā)出的脈沖聲波，經(jīng)泥漿罐液面表面反射折回，反射回波被同一探測器接收，探測器可將脈沖發(fā)送和接收的時間差轉(zhuǎn)換成電信號，通過泥漿罐區(qū)接線箱輸出給數(shù)據(jù)采集單元。

3.9 泥漿回流

泥漿回流接近式傳感器安裝于鉆機井孔和泥漿罐間的回流管上，監(jiān)測泥漿回流管中泥漿回流百分比。在無泥漿流動時使槳板回到零位。傳感器電信號通過泥漿泵區(qū)接線箱輸出給數(shù)據(jù)采集單元。

3.10 泥漿泵泵壓

泥漿泵泵壓傳感器采用耐水基泥漿和耐油基泥漿隔膜式壓力變送器，采用法蘭與泥漿泵管匯連接。

4 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元主要由電源模塊、隔離安全柵、PLC 中央處理器模塊（CPU）、信號模塊、通信模塊、無線模塊等組成，整個單元密封于防爆不銹鋼箱體內(nèi)，安裝在鉆臺偏房內(nèi)。來自現(xiàn)場傳感器由變送器處理后，經(jīng)過安全柵等進入數(shù)據(jù)采集單元信號模塊，采集單元進行數(shù)據(jù)處理，計算出各參數(shù)工程值。采集單元監(jiān)測到工程值達到預警值時驅(qū)動聲光報警器，提醒工程技術人員注意鉆井安全。數(shù)據(jù)采集單元與觸摸屏單元通過以太網(wǎng)接口通訊，采集單元通過無線模塊將數(shù)據(jù)送往遠程監(jiān)測單元進行顯示記錄。采集單元通過工業(yè)以太網(wǎng)絡實現(xiàn)與電控系統(tǒng)PLC 數(shù)據(jù)之間的雙向傳輸。

5 觸摸屏單元

觸摸屏單元實現(xiàn)人機交互，包括鉆井監(jiān)測界面、起下鉆界面、參數(shù)刻度界面、參數(shù)報警等界面，能進行各儀表參數(shù)標定，設置各儀表參數(shù)報警值，直觀形象地觀察各儀表參數(shù)，方便操作。顯示的數(shù)據(jù)有：大鉤懸重、鉆壓、大鉤速度、1#立管壓力、2#立管壓力、吊鉗扭矩、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)盤扭矩、頂驅(qū)轉(zhuǎn)速、頂驅(qū)扭矩、游車高度、鉆頭位置、井深、泥漿罐體積、泥漿增益、泥漿回流、1#泥漿泵泵沖泵壓、2#泥漿泵泵沖泵壓、3#泥漿泵泵沖泵壓、泥漿泵總泵沖、噸千米指示/設定等[3]。

6 遠程監(jiān)控單元

包括無線模塊、穩(wěn)壓電源、服務器、監(jiān)視器、鉆井監(jiān)測軟件、彩色打印機、以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器等。鉆井遠程監(jiān)控單元在線生成彩色圖譜，所有的信息自動存儲在服務器，數(shù)據(jù)按時間順序存儲，現(xiàn)場技術人員能夠選擇時間或鉆井深度調(diào)出數(shù)據(jù)記錄并能曲線顯示。鉆井遠程支持中心生產(chǎn)和決策人員可通過網(wǎng)絡瀏覽現(xiàn)場服務器鉆井信息。

7 結語

本文提出基于多傳感器的鉆井監(jiān)測系統(tǒng)，具有擴展性強、可靠性高的特點。系統(tǒng)中還可以增加多傳感器信息融合，結合鉆井區(qū)域地層結構，實現(xiàn)鉆前預測，為保障鉆井安全，科學鉆井提供有力保障。