【摘 要】基于多空氣流量計(jì)的鉆井監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場儀表空氣流量計(jì)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理后計(jì)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(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，數(shù)據(jù)采集單元 與電控系統(tǒng) PLC 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)采集單元通過無線模塊實(shí)時(shí)向遠(yuǎn)程監(jiān)控單元傳輸數(shù)據(jù)，具有擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)。論文主要對基于多空氣流量計(jì)的鉆井監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行研究，希望能促進(jìn)其廣泛應(yīng)用。
引言
基于多空氣流量計(jì)的鉆井監(jiān)測系統(tǒng)通過現(xiàn)場鉆井儀表空氣流量計(jì)采集鉆機(jī)或者修井機(jī)設(shè)備信息，監(jiān)測運(yùn)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(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(tǒng)整體設(shè)計(jì)
鉆井監(jiān)測系統(tǒng)主要包括：現(xiàn)場鉆井儀表空氣流量計(jì)、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(jì)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(jī)構(gòu)的連桿及傘形齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)中的膠杯作用在液壓油上，經(jīng)液壓管線帶動(dòng)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(jì)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，拉力通過空氣流量計(jì)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(jī)構(gòu)帶動(dòng)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(jì)均采用無接觸方式測量。轉(zhuǎn)盤的傳動(dòng)軸焊接的金屬物體在空氣流量計(jì)的感應(yīng)面附近劃過，產(chǎn)生脈沖信號，通過鉆臺(tái)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(dòng)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(jī)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(tái)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(dòng)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(tái)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(jì)主要由光電編碼器組成，安裝在滾筒軸上，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)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，通過鉆臺(tái)區(qū)接線箱輸出給數(shù)據(jù)采集單元，計(jì)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(shí)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(jì)安裝于鉆機(jī)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(dòng)時(shí)使槳板回到零位。空氣流量計(jì)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(jì)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(gè)單元密封于防爆不銹鋼箱體內(nèi)，安裝在鉆臺(tái)偏房內(nèi)。來自現(xiàn)場空氣流量計(jì)由變送器處理后，經(jīng)過安全柵等進(jìn)入數(shù)據(jù)采集單元信號模塊，采集單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)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(shí)驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)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(jìn)行顯示記錄。采集單元通過工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(shí)現(xiàn)人機(jī)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(bào)警等界面，能進(jìn)行各儀表參數(shù)標(biāo)定， 設(shè)置各儀表參數(shù)報(bào)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(jī)、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(dòng)存儲(chǔ)在服務(wù)器，數(shù)據(jù)按時(shí)間順序存儲(chǔ)，現(xiàn)場技術(shù)人員能夠選擇時(shí)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(jì)的鉆井監(jiān)測系統(tǒng)，具有擴(kuò)展性強(qiáng)、 可靠性高的特點(diǎn)。系統(tǒng)中還可以增加多空氣流量計(jì)信息融合，結(jié)合鉆井區(qū)域地層結(jié)構(gòu)，實(shí)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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