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        基于多傳感器的鉆井監(jiān)測系統(tǒng)

        2019-03-21 05:00:18劉佳李喬喬
        工程建設與設計 2019年22期
        關鍵詞:泥漿泵變送器扭矩

        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、轉盤轉速﹑轉盤扭矩﹑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、頂驅扭矩、頂驅轉速等多種參數(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動齒輪軸,使指針產生偏轉,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)的液壓信號轉換為DC4~20mA 電流信號。

        3.2 立管壓力及顯示表

        立管管匯內的泥漿壓力通過傳感器中的膠杯作用在液壓油上,經液壓管線帶動表針偏轉,從而指示出立管壓力。變送器將量程為0~5000psi 的液壓信號轉換為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,彈簧管的自由端產生位移,通過放大機構帶動表針偏轉,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 的液壓信號轉換為DC4~20mA 電流信號。

        3.4 泵沖、轉盤轉速及顯示表

        泵沖及轉盤轉速傳感器均采用無接觸方式測量。轉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動表盤指針偏轉,表盤指示出轉盤轉速,單位為r/min。

        3.5 轉盤扭矩及顯示表

        采用機械惰輪或筒式電阻應變測量轉盤扭矩,轉盤扭矩變送器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動表盤指針偏轉。

        3.6 頂驅扭矩及頂驅轉速

        從頂驅控制系統(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,安裝在鉆臺偏房內。來自現(xiàn)場傳感器由變送器處理后,經過安全柵等進入數(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、轉盤轉速、轉盤扭矩、頂驅轉速、頂驅扭矩、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、以太網轉換器等。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出數(shù)據(jù)記錄并能曲線顯示。鉆井遠程支持中心生產和決策人員可通過網絡瀏覽現(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。

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