钻井参数仪
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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。
前言
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。
图 3 绞车滚筒结构图
绞车滚筒（图 3）是钻井作业中为起下钻具提供动力的设备——通过它的旋转
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第一章 钻机的结构和游车运动位移的测量方法
拉动钢丝绳。绞车滚筒的设计必须保证必要的强度，工艺性好，并且尽可能使惯性矩 小以便下放空吊卡时容易加速。钢丝绳在滚筒上每层都是平行按螺旋方向缠绕，各层 的缠绕方向是相反的。在下放和起升钻柱的过程中，根据负荷、大钩速度和绳系的绳 数，钢丝绳应该以不同的速度在绞车滚筒上缠上和脱放。起升最重钻柱时，钢丝绳缠 绕滚筒的速度应该在 3~5 米/秒的范围内，起升空吊卡为 12~20 米/秒。下放钻柱钢丝 绳脱放的最大速度不能超过 30 米/秒，下放套管柱的最小速度在 2 米/秒之内。
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
钻机的主刹车装置直接安装在滚筒上以保证刹车有效、平稳地制动滚筒，实现 精调下放速度和送钻速度；辅助刹车保证在起下钻柱时实现滚筒的自由转动及失速情 况下的及时刹车。
对于游车位置的测量，采用的方法是在绞车滚筒上安装一个光电编码器，将游 车垂直运动位置的检测转化为对绞车旋转运动位置的检测，通过对绞车的旋转圈数的 检测实现对游车位置的间接求导。
二数据的存储为了方便用户的使用本系统将各项参数存入eeprom中各项参数包括二层台位置钻台位置滚筒的参数滚筒直径钢绳直径钢绳已排层数每层最大排绳这些参数是精确计算游车位移的重钻井参数仪的研制第18页共54要计算参数实时保存这些参数使在掉电情况下或用户每次作业中不需要对滚筒参数从新设定甚至每次作业开始时如二层台位置和零点位置钻台位置不变这些参数也无需再次进行设定本系统中存储的参数需50个字节20个有符号的整型数的动态存储器ram我们选用的pic18f458单片微机的动态存贮器有1536个字节能够满足设计上的要求
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。
测扭矩采用的是电阻应变式传感器，简称应变片。它的基本原理是基于金 属电阻丝的变形，进而引起相应电阻的变化，此现象称为金属线的电阻应变效 应 。 在测量转盘扭矩时，将专用的应变片用应变胶粘贴到被测弹性轴上，组成应变 桥。 （2）转盘转速
在测量转盘的转速时，转盘边上有个凹槽，转盘外围有一个距离检测装置，当凹 槽转过检测装置时，就会接受到一个脉冲，即转盘转过一圈。在转盘边上开的凹槽越 多，检测到的转盘转速就越精确。
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。
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
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第一章 钻机的结构和游车运动位移的测量方法
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。
N 个脉冲。所以光电编码器的可利用的最高精度为4N pp r 。A、B 信号的相位关系 体现了光电编码器旋转方向。例如,当光电编码器顺时针旋转时, A 超前B 90°；逆 时针旋转时, B 超前A 90°（如图6所示）。因此, 鉴相电路通过A、B 的相位关 系来判断旋转方向,并且据此决定当一个计数脉冲出现时应该对当前计数值加1还是 减1。鉴相电路通常用一个D 触发器实现鉴相（电路图略），并用一个异或门从A、B 信号产生计数脉冲,起到倍频作用,所以精度是2N pp r,最大脉冲频率为N n /30 Hz, 其中n是转速( r /min).
2 转盘的组成： （1）水平轴总成：水平轴头部装有与转台大锥齿轮相啮合的小锥齿轮，尾部装输入 链轮或联接法兰(万向轴输入时)．轴通过一对调心双列滚子轴承(或头部为滚子轴承， 尾部为调心双列滚子轴承)和套筒固定在壳体上。 套筒的作用是使水平轴部件能进 行整体装配。水平轴下方的壳体构成一独立油池使二轴承得到润滑。 （2）转台总成：装有大锥齿轮的转台体如同一又短又粗的空心立轴，借助主、辅轴 承座在壳体上。 （3）主、辅轴承：主轴承起承载、承转和定位的作用。起下钻时，承受钻柱或套管 柱的重量。辅助轴承也是向心止推球轴承，其作用为径向扶正和轴向防跳与主轴承配 合实现转台体的定位。 （4）壳体：壳体是结构较为复杂的铸钢件，内腔形成两个油池，外形应上便于安装、 固定于钻台底座上。 3 转盘相关数据测量 （1）转盘扭矩
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第一章 钻机的结构和游车运动位移的测量方法
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。
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
Hale Waihona Puke 5) 传动系统6) 控制系统和监测显示仪表
本系统的防碰刹车即是通过控制电磁阀的开合来实现对滚筒刹车的控制。 1.1.4 转盘
图 4 转盘
1 转盘的主要作用：钻井时，旋转钻具，提供足够的扭矩和转速。下套管和起下
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钻井参数仪的研制
钻时，能承受套管和钻具的重量。处理井下事故时，可以卸扣井下动力钻具钻井时， 转盘制动时提供反扭矩。
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
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。
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钻井参数仪的研制
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。
图 1 钻机结构
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钻井参数仪的研制
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
1.2 钻井参数仪的工作原理
由于大钩载荷、转盘扭矩、转盘转速参数等在介绍结构的时候就说过，因此 这里着重讲天车防碰的工作原理。
从钻机的结构中我们可以了解到对于游车的运动方向是垂直的上下运动，其
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第一章 钻机的结构和游车运动位移的测量方法
运动的位移有 20～30m 之间，对于这样垂直运动装置的位置检测显然不能采用常 规的位置传感器（如接近开关等）加以实现，为此本文提出了将游车垂直运动位 置的检测转化为对绞车旋转运动位置的检测，通过对绞车的旋转圈数的检测实现 对游车位置的间接求导，而本文中对绞车的测量采用的是旋转光电编码器。 1.2.1 光电编码器的工作原理 光电编码器又称轴角编码器（图5）, 它以高精度计量圆光栅为检测元件, 通过 光电转换将输入轴的角位移信息转换为相应数字代码，在现代电机控制系统中常常用 以检测转子的位置与速度。因其结构简单、计量精度高、寿命长等优点, 近年来在精 密定位方面使用较多。 光电编码器分两大类,即绝对式和增量式。绝对式光电编码器具有与微机或 DSP 的接口,使用方便,但是价格高。增量式光电编码器不具有计数和接口电路,一般是输 出 A、B、Z 脉冲信号, 但是价格较低,因此比较常用。
图 2 大钩
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钻井参数仪的研制
大钩载荷的测量方法： 钩载的测量和位移一的测量一样，所处的工况比较恶劣，册取信号比较困难，
一般都采用在死绳端测信号的方法间接测取大钩载荷。死绳固定器将死绳端固定在井 架上，测死绳端信号的压力传感器就安装在死绳固定器上。由于死绳端相对固定，信 号干扰小，传输方便，易于比较准确地测的死绳端的压力信号。 1.1.3 绞车滚筒结构
图 5 编码器原理
一、增量式光电编码器的输出信号往往直接连接到微机或DSP的计数器输入端, 由其软件来鉴相和计数, 具有硬件鉴相与计数功能,计数结果以并行口输出,可与微 机直接接口。在并行口之前还用锁存电路来消除硬件电路自身的延时所可能引起的计
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钻井参数仪的研制
数错误,减轻了后续微机的软件负担。 增量式光电编码器输出A、B 两个互差90°的方波信号,每转一周每个信号输出
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。
前言
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。
图 3 绞车滚筒结构图
绞车滚筒（图 3）是钻井作业中为起下钻具提供动力的设备——通过它的旋转
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第一章 钻机的结构和游车运动位移的测量方法
拉动钢丝绳。绞车滚筒的设计必须保证必要的强度，工艺性好，并且尽可能使惯性矩 小以便下放空吊卡时容易加速。钢丝绳在滚筒上每层都是平行按螺旋方向缠绕，各层 的缠绕方向是相反的。在下放和起升钻柱的过程中，根据负荷、大钩速度和绳系的绳 数，钢丝绳应该以不同的速度在绞车滚筒上缠上和脱放。起升最重钻柱时，钢丝绳缠 绕滚筒的速度应该在 3~5 米/秒的范围内，起升空吊卡为 12~20 米/秒。下放钻柱钢丝 绳脱放的最大速度不能超过 30 米/秒，下放套管柱的最小速度在 2 米/秒之内。
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
钻机的主刹车装置直接安装在滚筒上以保证刹车有效、平稳地制动滚筒，实现 精调下放速度和送钻速度；辅助刹车保证在起下钻柱时实现滚筒的自由转动及失速情 况下的及时刹车。
对于游车位置的测量，采用的方法是在绞车滚筒上安装一个光电编码器，将游 车垂直运动位置的检测转化为对绞车旋转运动位置的检测，通过对绞车的旋转圈数的 检测实现对游车位置的间接求导。
二数据的存储为了方便用户的使用本系统将各项参数存入eeprom中各项参数包括二层台位置钻台位置滚筒的参数滚筒直径钢绳直径钢绳已排层数每层最大排绳这些参数是精确计算游车位移的重钻井参数仪的研制第18页共54要计算参数实时保存这些参数使在掉电情况下或用户每次作业中不需要对滚筒参数从新设定甚至每次作业开始时如二层台位置和零点位置钻台位置不变这些参数也无需再次进行设定本系统中存储的参数需50个字节20个有符号的整型数的动态存储器ram我们选用的pic18f458单片微机的动态存贮器有1536个字节能够满足设计上的要求
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。
测扭矩采用的是电阻应变式传感器，简称应变片。它的基本原理是基于金 属电阻丝的变形，进而引起相应电阻的变化，此现象称为金属线的电阻应变效 应 。 在测量转盘扭矩时，将专用的应变片用应变胶粘贴到被测弹性轴上，组成应变 桥。 （2）转盘转速
在测量转盘的转速时，转盘边上有个凹槽，转盘外围有一个距离检测装置，当凹 槽转过检测装置时，就会接受到一个脉冲，即转盘转过一圈。在转盘边上开的凹槽越 多，检测到的转盘转速就越精确。
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。
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
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第一章 钻机的结构和游车运动位移的测量方法
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。
N 个脉冲。所以光电编码器的可利用的最高精度为4N pp r 。A、B 信号的相位关系 体现了光电编码器旋转方向。例如,当光电编码器顺时针旋转时, A 超前B 90°；逆 时针旋转时, B 超前A 90°（如图6所示）。因此, 鉴相电路通过A、B 的相位关 系来判断旋转方向,并且据此决定当一个计数脉冲出现时应该对当前计数值加1还是 减1。鉴相电路通常用一个D 触发器实现鉴相（电路图略），并用一个异或门从A、B 信号产生计数脉冲,起到倍频作用,所以精度是2N pp r,最大脉冲频率为N n /30 Hz, 其中n是转速( r /min).
2 转盘的组成： （1）水平轴总成：水平轴头部装有与转台大锥齿轮相啮合的小锥齿轮，尾部装输入 链轮或联接法兰(万向轴输入时)．轴通过一对调心双列滚子轴承(或头部为滚子轴承， 尾部为调心双列滚子轴承)和套筒固定在壳体上。 套筒的作用是使水平轴部件能进 行整体装配。水平轴下方的壳体构成一独立油池使二轴承得到润滑。 （2）转台总成：装有大锥齿轮的转台体如同一又短又粗的空心立轴，借助主、辅轴 承座在壳体上。 （3）主、辅轴承：主轴承起承载、承转和定位的作用。起下钻时，承受钻柱或套管 柱的重量。辅助轴承也是向心止推球轴承，其作用为径向扶正和轴向防跳与主轴承配 合实现转台体的定位。 （4）壳体：壳体是结构较为复杂的铸钢件，内腔形成两个油池，外形应上便于安装、 固定于钻台底座上。 3 转盘相关数据测量 （1）转盘扭矩
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第一章 钻机的结构和游车运动位移的测量方法
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。
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
Hale Waihona Puke 5) 传动系统6) 控制系统和监测显示仪表
本系统的防碰刹车即是通过控制电磁阀的开合来实现对滚筒刹车的控制。 1.1.4 转盘
图 4 转盘
1 转盘的主要作用：钻井时，旋转钻具，提供足够的扭矩和转速。下套管和起下
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钻井参数仪的研制
钻时，能承受套管和钻具的重量。处理井下事故时，可以卸扣井下动力钻具钻井时， 转盘制动时提供反扭矩。
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
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。
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钻井参数仪的研制
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。
图 1 钻机结构
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钻井参数仪的研制
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
1.2 钻井参数仪的工作原理
由于大钩载荷、转盘扭矩、转盘转速参数等在介绍结构的时候就说过，因此 这里着重讲天车防碰的工作原理。
从钻机的结构中我们可以了解到对于游车的运动方向是垂直的上下运动，其
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第一章 钻机的结构和游车运动位移的测量方法
运动的位移有 20～30m 之间，对于这样垂直运动装置的位置检测显然不能采用常 规的位置传感器（如接近开关等）加以实现，为此本文提出了将游车垂直运动位 置的检测转化为对绞车旋转运动位置的检测，通过对绞车的旋转圈数的检测实现 对游车位置的间接求导，而本文中对绞车的测量采用的是旋转光电编码器。 1.2.1 光电编码器的工作原理 光电编码器又称轴角编码器（图5）, 它以高精度计量圆光栅为检测元件, 通过 光电转换将输入轴的角位移信息转换为相应数字代码，在现代电机控制系统中常常用 以检测转子的位置与速度。因其结构简单、计量精度高、寿命长等优点, 近年来在精 密定位方面使用较多。 光电编码器分两大类,即绝对式和增量式。绝对式光电编码器具有与微机或 DSP 的接口,使用方便,但是价格高。增量式光电编码器不具有计数和接口电路,一般是输 出 A、B、Z 脉冲信号, 但是价格较低,因此比较常用。
图 2 大钩
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钻井参数仪的研制
大钩载荷的测量方法： 钩载的测量和位移一的测量一样，所处的工况比较恶劣，册取信号比较困难，
一般都采用在死绳端测信号的方法间接测取大钩载荷。死绳固定器将死绳端固定在井 架上，测死绳端信号的压力传感器就安装在死绳固定器上。由于死绳端相对固定，信 号干扰小，传输方便，易于比较准确地测的死绳端的压力信号。 1.1.3 绞车滚筒结构
图 5 编码器原理
一、增量式光电编码器的输出信号往往直接连接到微机或DSP的计数器输入端, 由其软件来鉴相和计数, 具有硬件鉴相与计数功能,计数结果以并行口输出,可与微 机直接接口。在并行口之前还用锁存电路来消除硬件电路自身的延时所可能引起的计
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钻井参数仪的研制
数错误,减轻了后续微机的软件负担。 增量式光电编码器输出A、B 两个互差90°的方波信号,每转一周每个信号输出
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。