淺析空氣流量計在鉆井檢測系統方面的應用

【摘 要】基于多空氣流量計的鉆井監測系統由現場(chǎng)儀表空氣流量計及顯示表、數據采集單元、觸摸屏單元、遠程監控單元等部分組成。采集單元進(jìn)行數據處理后計算出各參數工程值，觸摸屏單元與數據采集單元通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)接口通信實(shí)現人機交互，數據采集單元 與電控系統 PLC 實(shí)現數據共享，數據采集單元通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)時(shí)向遠程監控單元傳輸數據，具有擴展性強、可靠性高的特點(diǎn)。論文主要對基于多空氣流量計的鉆井監測系統進(jìn)行研究，希望能促進(jìn)其廣泛應用。
引言
基于多空氣流量計的鉆井監測系統通過(guò)現場(chǎng)鉆井儀表空氣流量計采集鉆機或者修井機設備信息，監測運轉過(guò)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(pán)轉速﹑轉盤(pán)扭矩﹑游車(chē)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的動(dòng)態(tài)變化，幫助決策者及時(shí)掌握鉆井工況，為科學(xué)鉆井、安全鉆井提供技術(shù)保障。
2 系統整體設計
鉆井監測系統主要包括：現場(chǎng)鉆井儀表空氣流量計、顯示表、 鉆井儀表數據采集單元、鉆井儀表遠程監控單元、鉆井儀表觸摸顯示單元、防爆接線(xiàn)箱、電纜等設備及附件。
3 現場(chǎng)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(lái)的液壓信號，通過(guò)指重表放大機構的連桿及傘形齒輪轉動(dòng)齒輪軸，使指針產(chǎn)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(guò)空氣流量計中的膠杯作用在液壓油上，經(jīng)液壓管線(xiàn)帶動(dòng)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
空氣流量計安裝在吊鉗尾繩上，在鉆桿上扣時(shí)，在吊鉗尾繩上產(chǎn)生一個(gè)與上扣扭矩成正比的拉力，拉力通過(guò)空氣流量計中的活塞作用在液壓油上，再由液壓管線(xiàn)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(guò)放大機構帶動(dòng)表針偏轉，表盤(pán)指示出吊鉗扭矩。液壓管線(xiàn)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(pán)轉速及顯示表
泵沖及轉盤(pán)轉速空氣流量計均采用無(wú)接觸方式測量。轉盤(pán)的傳動(dòng)軸焊接的金屬物體在空氣流量計的感應面附近劃過(guò)，產(chǎn)生脈沖信號，通過(guò)鉆臺區接線(xiàn)箱輸出給數據采集單元。數據采集單元輸出的電信號驅動(dòng)表盤(pán)指針偏轉，表盤(pán)指示出轉盤(pán)轉速，單位為 r/min。
3. 5 轉盤(pán)扭矩及顯示表
采用機械惰輪或筒式電阻應變測量轉盤(pán)扭矩，轉盤(pán)扭矩變送器 DC4～20mA 電流信號通過(guò)鉆臺區接線(xiàn)箱輸出給數據采集單元。數據采集單元輸出的電信號驅動(dòng)表盤(pán)指針偏轉。
3. 6 頂驅扭矩及頂驅轉速
從頂驅控制系統輸出 4～20mA 信號，通過(guò)鉆臺區接線(xiàn)箱輸出給數據采集單元。
3. 7 游車(chē)高度游車(chē)高度空氣流量計主要由光電編碼器組成，安裝在滾筒軸上，當滾筒轉動(dòng)時(shí)，光電編碼器將輸出 2 組相位差為 90°的電脈沖信號，通過(guò)鉆臺區接線(xiàn)箱輸出給數據采集單元，計算出游車(chē)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(wú)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(shí)間差轉換成電信號，通過(guò)泥漿罐區接線(xiàn)箱輸出給數據采集單元。
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，監測泥漿回流管中泥漿回流百分比。在無(wú)泥漿流動(dòng)時(shí)使槳板回到零位。空氣流量計電信號通過(guò)泥漿泵區接線(xiàn)箱輸出給數據采集單元。
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 數據采集單元
數據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(wú)線(xiàn)模塊等組成，整個(gè)單元密封于防爆不銹鋼箱體內，安裝在鉆臺偏房?jì)?。?lái)自現場(chǎng)空氣流量計由變送器處理后，經(jīng)過(guò)安全柵等進(jìn)入數據采集單元信號模塊，采集單元進(jìn)行數據處理，計算出各參數工程值。采集單元監測到工程值達到預警值時(shí)驅動(dòng)聲光報警器，提醒工程技術(shù)人員注意鉆井安全。數據采集單元與觸摸屏單元通過(guò)以太網(wǎng)接口通訊，采集單元通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊將數據送往遠程監測單元進(jìn)行顯示記錄。采集單元通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )實(shí)現與電控系統 PLC 數據之間的雙向傳輸。
5 觸摸屏單元
觸摸屏單元實(shí)現人機交互，包括鉆井監測界面、起下鉆界面、參數刻度界面、參數報警等界面，能進(jìn)行各儀表參數標定， 設置各儀表參數報警值，直觀(guān)形象地觀(guān)察各儀表參數，方便操作。顯示的數據有：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(pán)轉速、轉盤(pán)扭矩、頂驅轉速、頂驅扭矩、游車(chē)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。
6 遠程監控單元
包括無(wú)線(xiàn)模塊、穩壓電源、服務(wù)器、監視器、鉆井監測軟件、彩色打印機、以太網(wǎng)轉換器等。鉆井遠程監控單元在線(xiàn)生成彩色圖譜，所有的信息自動(dòng)存儲在服務(wù)器，數據按時(shí)間順序存儲，現場(chǎng)技術(shù)人員能夠選擇時(shí)間或鉆井深度調出數據記錄并能曲線(xiàn)顯示。鉆井遠程支持中心生產(chǎn)和決策人員可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )瀏覽現場(chǎng)服務(wù)器鉆井信息。
7 結語(yǔ)
本文提出基于多空氣流量計的鉆井監測系統，具有擴展性強、 可靠性高的特點(diǎn)。系統中還可以增加多空氣流量計信息融合，結合鉆井區域地層結構，實(shí)現鉆前預測，為保障鉆井安全，科學(xué)鉆井提供有力保障。

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