淺析空氣流量計在鉆井檢測系統(tǒng)方面的應(yīng)用

【摘 要】基于多空氣流量計的鉆井監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場儀表空氣流量計及顯示表、數(shù)據(jù)采集單元、觸摸屏單元、遠(yuǎn)程監(jiān)控單元等部分組成。采集單元進行數(shù)據(jù)處理后計算出各參數(shù)工程值，觸摸屏單元與數(shù)據(jù)采集單元通過工業(yè)以太網(wǎng)接口通信實現(xiàn)人機交互，數(shù)據(jù)采集單元 與電控系統(tǒng) PLC 實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)采集單元通過無線模塊實時向遠(yuǎn)程監(jiān)控單元傳輸數(shù)據(jù)，具有擴展性強、可靠性高的特點。論文主要對基于多空氣流量計的鉆井監(jiān)測系統(tǒng)進行研究，希望能促進其廣泛應(yīng)用。
引言
基于多空氣流量計的鉆井監(jiān)測系統(tǒng)通過現(xiàn)場鉆井儀表空氣流量計采集鉆機或者修井機設(shè)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，幫助決策者及時掌握鉆井工況，為科學(xué)鉆井、安全鉆井提供技術(shù)保障。
2 系統(tǒng)整體設(shè)計
鉆井監(jiān)測系統(tǒng)主要包括：現(xiàn)場鉆井儀表空氣流量計、顯示表、 鉆井儀表數(shù)據(jù)采集單元、鉆井儀表遠(yuǎn)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(shè)備及附件。
3 現(xiàn)場鉆井儀表空氣流量計及顯示表
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(gòu)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)的泥漿壓力通過空氣流量計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
空氣流量計安裝在吊鉗尾繩上，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，拉力通過空氣流量計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(gòu)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)速空氣流量計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空氣流量計的感應(yīng)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(yīng)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 游車高度游車高度空氣流量計主要由光電編碼器組成，安裝在滾筒軸上，當(dāng)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空氣流量計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。空氣流量計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
泥漿泵泵壓空氣流量計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)場空氣流量計由變送器處理后，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(dá)到預(yù)警值時驅(qū)動聲光報警器，提醒工程技術(shù)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(yuǎn)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(luò)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(biāo)定， 設(shè)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(shè)定等。
6 遠(yuǎn)程監(jiān)控單元
包括無線模塊、穩(wěn)壓電源、服務(wù)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(yuǎn)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(wù)器，數(shù)據(jù)按時間順序存儲，現(xiàn)場技術(shù)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(yuǎn)程支持中心生產(chǎn)和決策人員可通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽現(xiàn)場服務(wù)器鉆井信息。
7 結(jié)語
本文提出基于多空氣流量計的鉆井監(jiān)測系統(tǒng)，具有擴展性強、 可靠性高的特點。系統(tǒng)中還可以增加多空氣流量計信息融合，結(jié)合鉆井區(qū)域地層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)鉆前預(yù)測，為保障鉆井安全，科學(xué)鉆井提供有力保障。

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