钻井参数仪(苍松书屋)

前言

一、课题研究背景

石油钻探的高投入和高风险以及发生工程事故带来的严重后果已引起石油钻探工作者的广泛关注, 随着勘探区域的不断扩大和难度的增大, 风险越来越高, 同时人们的安全意识也不断提高。因此, 钻井参数仪的应用越来越普遍。

本课题针对钻修井作业过程中的实际情况设计了一种新型的钻井参数装置，能够利用现场采集到的数据对钻进情况进行智能分析, 这一点在钻探发生异常时尤为重要。由于钻探现场技术力量有限, 智能分析工作往往要由专家进行异地分析, 这就要求钻场的各项钻进数据要实时、准确地向总部信息中心传输。因而, 钻井参数监测仪必须具备一个能够实时、准确向总部信息中心传输数据的通信系统。

二、目前的钻井参数仪

钻井仪表的研究与使用，不仅提高了钻井过程中各项参数指示与记录的准确程度，而且为油田的安全生产提供了科学依据。目前钻井现场有六道参数仪、八道参数仪等钻井参数仪以及液面报警器等单项参数记录仪，这些仪表虽能提供现场参数，但数据传输大多还是靠RS232/RS485通信。而这种传输受地理环境因素影响较大，不能任意铺设，且可扩充性差，在钻井搬迁过程中拆卸和安装工作量大。相比较而言，以太网有高可移动性、通信范围不受环境条件的限制、传输范围能得到较大地拓宽等优点。

无线传输钻井参数仪的研制，改进了现有的钻井参数仪依靠的有线传输方式，使钻井参数启示仪器仪表的相对落后的现状得到了较大改观。无线传输钻井参数仪在钻井过程中具以太网实时监控以及计算机分析与打印等功能，从而提高了钻井现场参数采集与记录分析的准确性、可靠性，使钻井参数仪器仪表更具实用性。

三、课题主要研究内容

针对系统的设计要求，本课题主要研究了以下三个方面的内容:

系统主要由三部分组成：

1 信号采集与处理。

其中的内容有天车防碰、大钩位置检测、大钩载荷、转盘扭矩、转盘转速参数的检测电路，并电路设计中留有冗余的多路AD、HSC，这样使系统的扩展极为的方便。通过安装在主滚筒上的增量式光电旋转编码器的脉冲完成对主滚筒旋转角度、旋转方向的检测，将对垂直运动的游车位移的检测转换为对滚筒的圆周运动的检测，从而间接得到游车垂直运动的运行高度及运动速度。对于大钩载荷，一般都采用在死绳端测信号的方法间接测取大钩载荷。转盘在轻载荷下允许使用的最高转速，一般规定为300r／min。为满足钻井工艺的需要，转盘亦能提供多种转速。一般地通常最低工作转速为50～60 r／min，而用于打捞作业或取芯钻进的事故转速为25～30r／min。

2人机界面。人机界面的硬件主要采用高亮LED、防水按键、声光报警指示灯组

成。主要实现各参数以模拟表的型式进行显示，各传感器的参数设定及修正。

3数据通讯。数据通讯总线采用RS485或以太网，协议为标准的Modbus协议。

Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由以太网其它设备之间可以通信。

第一章钻机的结构和游车运动位移的测量方法

1.1 钻机的结构

石油钻机是油、气田开发的钻井设备，随着钻井方法、钻井工艺的发展，钻机装备和技术也得到不断的发展。当今国内外广泛采用的钻井方法是旋转钻井法，相应的钻井设备为转盘旋转钻机。陆用转盘钻机是钻井设备的基本型式，通常所说的钻机指的就是这种钻机，也被称为常规钻机。

1.1.1 石油钻机的组成

石油钻机是由多种机器设备组成的、具有多种功能的成套性联合工作机组，如1所示。

图1 钻机结构

1-天车；2-游动滑车；3-大钩；4-泥浆泵；5-空气包；6-泥浆池；7-动力机；8-泥浆槽；9-水龙头；10-方钻杆；11-绞车；12-转盘；13-防喷器；14-表层套管；15-井眼；16-钻柱；17钻铤；18-洗井液；19-钻头

它主要包括旋转钻进系统、钻井液循环系统、钻具起升系统、动力机组、传动和控制系统、底座和其他辅助设备等.

钻井工艺对石油钻机的基本要求是:

（1）起下钻具能力：为了起下钻具及处理井下事故等，石油钻机要有一定的起重能力和起升速度,这由钻机的起升系统承担.

（2）旋转钻进能力：为了带动钻具、钻头的旋转钻进等，石油钻机要有一定的转矩和转速，这由钻机的旋转系统承担。

（3）循环洗井能力：为了保证正常钻井、冲洗井底以及携带岩屑等，循环钻井液要有一定的压力和排量，这由钻机的循环系统承担。

为了满足钻井工艺的要求，整套钻具由八个大的系统和设备组成，即：

1) 起升系统 2) 旋转系统

3) 循环系统 4)动力驱动系统

5) 传动系统 6) 控制系统和监测显示仪表

7) 钻机底座 8) 辅助设备

其中，起升系统在钻井过程中的主要作用是起下钻具、下套管、悬持钻具和钻头送进等。这套设备由钻井绞车、辅助刹车、游动系统(钢丝绳、天车、游动滑车以及大钩)和井架组成。

井架的作用是安放天车，悬挂游车、大钩及专用工具(如吊钳等)，在钻井过程中进行起下钻具和下套管的操作。另外，起下钻具过程中，可用以存放立根，其能容纳立根总长度称为立根容量。

游动系统(钢丝绳、天车、游动滑车及大钩)可以大大降低快绳拉力，从而大为减轻钻机绞车在钻井各个作业(起下钻、下套管、钻进、悬持钻具)中的负荷和降低起升机组发动机应配备的功率。

钻井绞车的作用是：用于起下钻具、下套管；钻井过程中控制钻压、送进钻具；借助锚头上、卸钻具丝扣；起吊重物及进行其他辅助工作；整体起放井架。

由此可见钻井绞车在钻井的过程中起到至为关键的作用，控制绞车的旋转和速度，就能控制游动系统的运行，从而达到游车的精确定位的目的。

1.1.2大钩机械结构

大钩（图2所示）是石油钻井提升系统的一部分，悬挂于游动滑车的下面。钻井时，在大钩上悬挂带有全部钻具的水龙头。大钩两侧还挂有两个吊环，与吊卡配合供起下钻具或下套管之用。

钻井大钩按其结构可分为两种，钩杆与钩身刚性连接和钩杆与钩身销轴铰链连接；钻井大钩按其制造方法，又可分为锻造的、铸造的和钢板组合式的。尽管每一种结构均有自己的优缺点，但在目前制造技术和无损检测技术较高的条件下，钩杆与钩身刚性连接、铸造的三钩式钻井大钩以其质量可靠，轻巧紧凑，使用方便成为应用最为广泛的大钩型式。

提环与提环座采用销轴连接，筒体与钩身采用左旋螺纹连接，钩杆与提环座固定在一起，使钩身与筒体可绕钩杆回转或沿钩杆上下运动。筒体内装有内外弹簧，起钻时，能使立根松扣后向上弹起，同时，筒体内特殊的结构，使筒体和钩身空腔内的机油具有良好的液力缓冲功能，从而又可以消除卸扣后钻杆的反弹振动，使钻杆接头螺纹不受损坏。