钻井仪表基础知识-05

第十四章钻井仪表基础知识
第一节钻井仪表基础知识
钻井是石油勘探开发的主要手段，钻井仪器仪表是钻井工程的眼睛,是油气工程监测钻井过程、进行科学分析和科学决策的重要工具，是实现安全、优质、快速、高效钻井的重要保障。

一、钻井仪表的结构、性能及用途
（一）ZCJY-D型钻井参数监测仪
1.系统结构
采用工业控制领域成熟且应用广泛的CAN总线技术，将各防爆传感器信号经CAN节点处理盒转换成总线信号，依次串连，同时在一条总线上传输多项测量参数，直至前后台计算机进行采集处理。

采集的数据可以在钻井工程师办公室、司钻控制台同时实时显示，可绘制连续曲线。

ZCJY-D型钻井参数监测仪是我厂为配套钻机和修井机设计生产的参数仪表，测量显示钻机或修井机在作业过程钩悬重和钻压﹑转盘扭矩﹑立管压力﹑吊钳扭矩﹑转盘转速﹑泵冲速、泥浆回流、泥浆罐体积、泥浆罐总体积、泥浆密度、泥浆温度、泥浆电导、全烃含量、硫化氢含量、游车高度、井深、钻头位置、钻时等参数的变化情况，帮助司钻掌握钻机的工作状态。

从系统组成上，ZCJY-D型钻井参数监测仪由传感器、总线节点、前台钻显单元（含PC104嵌入式计算机、触摸式液晶显示器）和队长办公室电脑终端等组成。

前台钻显单元（即司钻显示台）采用触摸屏方式，可安装在钻台上或司钻操作房。

所有传感器通过总线模块连接在CAN总线电缆上，分别在前台触摸屏、后台工控机上实时显示所有
数据及曲线，并可存储记录、打印。

图1.1 ZCJY-D型钻井参数监测仪系统示意图
2.主要技术指标
（1）工作温度:-30℃－ 70℃
（2）相对湿度：0 － 90％
（3）大钩悬重和钻压
1）测量围：0 － 500×10kN
2）测量误差：≤±1.5%
（4）转盘扭矩：
1）测量围：0 －40kN·m（显示方式0－500刻度）
2）测量误差：≤±1.5%
（5）吊钳扭矩：
1）测量围：0 － 100kN （以尾绳拉力表示）
2）测量误差：≤±1.5%
（6）立管压力：
1）测量围：0 － 40Mpa
2）测量误差：≤±1.5%
（7）钻深
1）测量围：0 － 9999.9m
2）测量误差：≤±0.5%
（8）转盘转速：
1）测量围：0 － 300RPM
2）测量误差：≤±1.5%
（9）泵冲速：
1）测量围：0 － 200SPM
2）测量误差：≤±1.5%
（10）泥浆回流：
1）测量围：0－100%
2）测量误差：≤±1.5%
（11）泥浆罐体积：
1）测量围：0 — 80 m3
2）测量误差：≤±1.5%
（12）泥浆密度：
1）测量围：0.8 － 2.0g/cm3
2）测量误差：≤± 0.02g/cm3
（13）全烃：
1）测量围：0 － 100%LEL（烃类气体爆炸下限的浓度）
2）测量误差：≤±5% LEL（F·S）
3）响应时间：小于15秒（90%响应）
4）最远安装距离1000米
（14）硫化氢：
1）测量围：0 － 100ppm
2）测量误差：≤±5% F·S
3）响应时间：小于60秒
4）最远安装距离1000米
（15）系统工作电压：220VAC±20% 47-63 Hz
3.性能特点
（1）高速，传输距离远
（2）抗干扰能力强
（3）灵活的工作方式：该系统的测量参数可随时根据用户的需求增加监测的参数
（二）美国马丁仪表（Drillwatch及Rigsense）
1.系统结构
2.性能特点
（1）性能稳定可靠
（2）能存储和解压缩需要的专用通道数据
（3）具有钻具组合功能，自动校准井深数据，提高井深测量精度（4）输出WITS数据，实现钻井数据远传功能
二、钻井参数测量
（一）ZCJY-D型钻井参数监测仪
1.指重（钩载）测量系统
（1）系统组成与工作原理
指重测量系统由指重表传感器、悬重压力变送器、总线模拟模块盒、连接管线和电缆等组成。

大钩载荷通过钢丝绳作用在指重表死绳固定器上，再通过杠杆机构作用在指重表传感器上，指重表传感器获得的液压信号驱动压力变送器，压力变送器输出的电流信号在总线模入模块盒处理，再通过总
线电缆送入前台钻显单元和后台队长办公室单元。

（2）安装、调试与使用:
1）安装
大钩悬重传感器固定安装在死绳固定器上。

安装完毕后，将液压软管线的自封接头一头与传感器连接，另一头与显示表箱和记录仪上对应的自封公接头连接。

注意管线走向应合理，不要弯得过急或绷得太紧，并应避免被其他物体挤压或切割，最后用尼龙扎带将液压软管固定在井架桁架上。

大钩悬重指示仪（即指重表）以及阻尼器、排气阀均已安装在仪表箱上。

记录仪结构见图2.1。

图2.1 XZJ型记录仪
1.记录笔
2. 笔臂
3. 微调螺钉
4. 笔臂转轴架
5.记录纸托盘
6. 记录纸
7. 记录仪壳体
8. 弹簧管
9.记录时钟 10.记录纸压帽 11.记录仪盖 12.阻尼器
2）调试:
①安装完毕后液压系统必须进行充油和排空气。

将手压油泵的液压管线与传感器充油接头相连接，上下摇动摇杆向传感器泵油。

液压系统排空气应根据传感器和指示仪的高低，按先低后高的顺序进行。

注意在充油过程中油杯液面高度不得低于油杯高度的一半。

如图2.2。

图2.2 死绳拉力传感器及手压泵
②为了使指示仪和记录仪既能灵敏地指示和记录大钩悬重的变化，指针和笔臂又不产生强烈摆动，应对指重阻尼器、灵敏阻尼器进行必要的调节。

首先顺时针方向转动阻尼器T型阀杆，使阻尼器处于关闭状态。

然后反时针方向转动T型阀杆两圈。

观察指示仪指针摆动情况。

如过于灵敏，应关闭1/3~~1/4圈，如太迟钝，则打开1/4~1/3圈。

如此反复调节，直到调节出满意的阻尼效果为止。

③检查仪器在空载时记录仪笔尖是否回零，如不回零应查明原因，必要时拔出指针从新定位，笔尖可通过微调螺丝调零。

3）使用
仪器安装调试完毕后，便可投入使用。

大钩悬重及钻压是钻井作业中必须监控的参数。

当全部钻具下到井中，指重表主指针指示值即为大钩上的悬重。

这时将游动刻度盘的零位对准灵敏指针，然后施加钻压开始钻进，灵敏指针指示值即为钻压。

在钻进过程中，司钻必须时刻观察钻压的变化，不断控制刹把加以校正，
使钻压稳定，送钻均匀，从而提高钻井质量。

在大钩悬重测量系统使用期间，应经常检查指重表阻尼器的阻尼效果，液压管线有无滴漏，发现异常或故障应及时排除。

记录仪每24小时更换一次记录纸，同时对时钟上弦，按天文时间将记录笔尖应对准记录纸上的时间坐标，然后上紧记录纸压帽。

4）总线模拟模块盒
①模块应选择方便拆卸的安装场所，便于维护和操作，同时应尽可能靠近压力变送器盒，并尽量避免强光直接照射和雨淋。

选好安装位置后，通过C 型钳将其固定。

②总线模块插座分布和引脚分布如图2.3、2.4、2.5所示，将压力变送器连接电缆接至模块的信号输入插座，CAN 总线插座与前后总线电缆相连，若此模块是最后一个节点，则将空闲的CAN 总线插座的密封盖拧紧，保证模块的密封性。

CAN 总线插座 信号输入插座 CAN 总线插座
图2.3 总线模块插座分布示意图
图2.5 CAN 总线插座引脚示意图
5）仪器的维护与保养
①仪器在钻机搬迁时，应卸掉载荷，使表针回到零位，同时关闭重量指示仪上的缓冲阀，再卸下相关连接管线、接头及压力变送器。

②仪器使用的液体应干净、无沉淀物，以避免管线堵塞，影响仪器的性能。

③定期将仪器送检，由专业维修人员按《JJG（石油）03检定规程》进行维修、保养和检定。

④为延长仪器的使用寿命，钻机使用负载的围，原则上以不超过指重表最大负荷80%为准则。

⑤每天在工作前，应清除传感器上的碎石、泥浆和冰块；同时检查传感器的法兰与扶圈的间隙是否符合要求，小于要求时，应立即补充液体。

⑥定期拆下绳轮中部的端盖，在轴承上涂钙基润滑脂。

6）故障原因及排除办法
7）注意事项
①在安装指重表时，应首先检查钻机参数与指重表参数是否相符。

A、检查钻机额定死绳拉力与指重表的最大死绳拉力是否相符。

B、检查游车系统的钢丝绳股数与指重表的绳数是否相符。

②如果使用其它厂家的死绳固定器，请按照其技术要求进行安装。

③为保证测量精度，液压管线应安装在温差变化较小的地方。

④所有屏蔽电缆不要与其它电源线一起通过导线管或明线槽，也不可在大功率设备附近穿过。

⑤在防爆场合应切断电源后再插拔插头连线。

⑥请勿带电拆卸仪器。

2.转盘扭矩测量系统
（1）系统组成与工作原理
机械钻机转盘扭矩测量系统由惰轮式转盘扭矩传感器、压力变送器、总线模拟模块盒、连接管线和电缆等组成。

钻井过程中，柴油发动机通过一系列传动装置，经传动链条带动绞车和转盘，转盘驱动钻具，实现钻进。

传动链条的紧程度可对应于转盘的扭矩，因此转盘扭矩测量系统通过测量转盘驱动链条的紧力，间接反应转盘扭矩。

将转盘扭矩传感器安装在转盘驱动链条紧边下面，传感器上的惰轮顶起链条，形成一个夹角；当转盘对钻杆施加扭矩时，链条对惰轮产生一个与转盘扭矩成正比的向下压力，此压力通过传感器上的液压系统产生一个压强，该液压信号驱动压力变送器，压力变送器输出的电流信号在总线模拟模块盒处理，再通过总线电缆送入前台钻显单元和后台队长办公室单元。

对电动钻机，转盘扭矩测量系统由霍尔传感器及电动转盘扭矩指示仪组成，霍尔传感器卡在主电机电源线上，转盘产生扭矩将反映电机电流的改变，系统根据电机电流与扭矩的变化关系曲线计算出转盘扭矩的具体数值。

由于其安装只需卡在主电机电源线上，比较简单，因此以下说明针对机械式转盘扭矩测量系统。

（2）安装、调试与使用
链条箱在设计时已预留了转盘扭矩传感器的安装位置和检修窗口。

可以很方便地直接将传感器安装在其。

图3.1是转盘扭矩传感器在钻机转盘驱动链条箱安装情况。

图 3.1 转盘扭矩传感器安装示意图
转盘驱动链条箱改造完毕后，就可进行传感器的安装。

具体步骤如下：
1）螺栓把传感器前后焊接底板固定在传感器底座上；
2）将传感器放在链条箱的底板上，使传感器侧面正对检查窗口，摇臂自由端朝向主动链轮；
3）认真调整传感器的位置，使惰轮和主从动链轮三者的中心在同一平面，这时链条的两排滚子应对称地骑在惰轮的两凸缘上(这点十分重要，如果链条与惰轮未对齐，链条侧板会切割惰轮凸缘，急剧缩短惰轮的使用寿命)。

然后用电焊将前后焊接底板点焊在箱体底板上；
4）卸下传感器上的四颗固定螺栓，将传感器移开，用电焊将前后焊接底板牢固地焊接在箱体底板上。

5）如有必要，再次校正传感器与链条的相对位置，可用螺栓之间的间隙和传感器上的两颗主轴固定螺栓对惰轮的位置进行少量的调整；
6）拧紧传感器底座上的四颗固定螺栓，将传感器牢固地固定在前后焊接底板上；
7）将已安装好自封公接头的液压弯头安装在箱体M27×1.5的螺孔(或Φ28的圆孔上)，最后按系统图连接液压管线。

（3）转盘扭矩测量系统的调校:
本测量系统的调校主要是传感器和指示仪的调校。

传感器的调校按如下步骤进行:
1）将系统按系统图连接好；
2）提起转盘驱动链条，使其不与传感器惰轮接触，此时指示仪上的读数应为“０”，然后放下链条使其与传感器惰轮接触。

3）将注油泵接头与转盘扭矩油路充油阀联接，暂不要拧紧联接螺母。

4）将液压油倒入注油泵油杯，缓慢地推动注油泵活塞，直到注油泵与充油阀联接处无气泡冒出时再将充油转换接头上的联接螺母拧紧。

5）泵足够的油进入系统，直到指示仪读数为60～80。

注意:在充油过程中，注油泵油杯的油平面高度应保持在一半以上，以免空气泵入系统中。

6）锁上转盘止动器，小心地合上转盘离合器，使链条产生拉力，在一个较大的拉力下，指示表读数应在700～800的围。

如果读数偏低，应再泵更多的油进入系统，然后再拉链条进行试验；如果读数偏高，可通过液压管线上的自封接头处放掉一些油，再拉链条进行试验，如此反复调试，直到指示仪读数达到以上要求为止。

注意: 如果反复调试均达不到以上要求，应重新检查传感器的安装定位尺寸和链条的松紧程度，通常可以用在传感器底座上加减垫片
的办法来校正。

调试完毕，从充油阀上卸下注油泵，戴上充油阀护帽。

（4）转盘扭矩系统的使用:
在一般的钻井作业中，本测量系统的最大用处是监测钻头扭矩的变化，及时向司钻提示钻头的磨损和地层的变化等井下情况，从而避免事故发生。

当下钻完毕，在不对钻头施加钻压的情况下，以正常钻井的转速转动钻杆，转盘扭矩指示仪指针会偏转到某一位置，司钻应记下刻度盘读数，然后施加钻压进行钻进，这时指示仪上的指示值与先前所记读数之差就是钻头上的扭矩，指针在这附近摆动就表明钻进扭矩正常。

在此处必须特别说明，本测量系统指示仪读数是转盘扭矩的当量值，其刻度值并不直接以N·m为单位。

如要读出真实扭矩值的大小，必须借助其它测量仪器，如吊钳扭矩仪对本测量系统指示仪进行标定。

但这种标定在一般的钻井工程中，特别是打生产井中意义不大。

（5）转盘扭矩系统易损件的更换及日常维护:
1）易损件的更换及传感器的日常维护:
转盘扭矩传感器是安装在链条箱的，因此可以从链条润滑系统中得到充分的润滑，但要经常检查传感器和链条是否对齐，特别是转盘因种种原因发生了位移后。

如果惰轮轮缘磨损严重，凸缘表面剥落而失圆，就需要更换惰轮。

更换步骤如下：
①卸下转盘扭矩传感器摇臂上惰轮主轴端盖螺钉（每边各四颗）和主轴固定螺钉（每边各一颗）；
②从摇臂上卸下主轴端盖，使惰轮从摇臂上落下来；
③ 向传感器油缸泵油，使摇臂抬高，惰轮便可从摇臂框架中
取出来；
④在新惰轮上装上轴承、主轴和端盖，并在轴承室注满钙基润滑
脂；
⑤将新惰轮放到传感器摇臂之下，降低摇臂或抬高惰轮，重新装上惰轮主轴端盖，拧紧端盖螺钉；
⑥检查惰轮与链条是否对齐，必要时按传感器的安装步骤②～⑤所述方法进行调整，最后拧紧主轴螺钉；
⑦按本节所述步骤重新对传感器进行调校。

2）指示仪的日常维护:
指示仪不需要特别的维护保养，仅需保持表面的清洁，以利观察。

3）液压管线的检查维护:
用肉眼经常检查管线接头是否渗漏，对漏油的接头如果通过拧紧仍无效果，就应更换液压软管和接头。

（6）总线模拟模块盒的安装可参见指重测量系统的相应部分。

3.立管压力测量系统
（1）系统组成与工作原理
立管压力测量系统由立管压力传感器、立管压力变送器、总线模拟模块盒、连接管线和电缆等组成。

立管的泥浆压力通过传感器中的胶杯作用在液压油上，油压传递到立管压力变送器上，压力变送器输出的电流信号在总线模拟模块盒处理，再通过总线电缆送入前台钻显单元和后台队长办公室单元。

（2）安装、调试与使用
1）传感器的安装: 立管压力传感器的结构见图4.1。

立管压力传感器应安装在立管上离钻台平面约2米高，而且安装、拆卸都较为方便的地方，其方向应竖直向上。

在传感器与立管之间应安装一个高压角式截止阀。

为方便现场安装，我厂成套仪表均配备有高压角式截止阀和焊接短节，安装示意见图4.2。

图4.1 立管压力传感器图4.2 立管压力传感器安装
具体安装步骤:
①放空立管的钻井液，在确认无压力之后，在立管上选定安装传感器的地方用气割枪割一个直径50毫米的圆孔；
②正对圆孔水平地将焊接短节焊在立管上，必须保证焊缝的密封和牢固；
③在高压角式截止阀的两圆锥螺纹上缠绕上聚四氟乙烯薄膜，将高压角式截止阀水平地拧紧在焊接短节上，要求阀中部的圆锥螺纹垂直向上；
④卸下传感器上的螺套，用管钳将其牢固安装在角式截止阀中部的圆锥螺纹上；
⑤检查传感器液压油是否合适。

当传感器与显示表台连通后，通过传感器缸体底部的孔洞观察胶杯。

液压油合适时，胶杯是瘪的，侧壁刚好互相接触。

如果胶杯是圆的，则表示液压油不足，应充油后再安装；
⑥传感器翼形螺母螺纹涂上铅油后，将缸体和翼形螺母安装在螺套上，用锤子敲紧翼形螺母，注意不要敲击缸体及其上的部件。

传感器安装完毕后，按系统图连好液压软管线。

注意软管线的走向，避免弯得过急或绷得太紧，也不要被其它物体挤压或切割。

管线连好后，应用尼龙扎带在各处将其与井架或桁架固定。

2)调试:
系统充油:
当系统无油或缺油时，应对系统充油，具体操作步骤如下:
①传感器移至显示表台附近，并将传感器的液压管线与显示表台连接。

②传感器缸体底部向上，将注油泵与充油阀连接(暂不拧紧联结螺母)，将液压油倒入注油泵油杯，缓慢地推动注油柱塞，直到注油泵与充油阀连接处无气泡冒出时，立即将联结螺母拧紧。

③显示表油路排空气时，应先找到显示表台导流板上与立管压力管线相对应的堵头，并将堵头松开，往复推动注油泵柱塞，直到堵头处无气泡冒出时拧紧堵头。

注意：在充油的全过程中，注油泵油杯的油平面高度应保持在一半以上，以免空气泵入系统中。

④继续往系统泵油，直到传感器胶杯压瘪，侧壁刚好相互接触立即停止泵油。

注意：绝对不要向系统过多充油．以免损坏胶杯。

⑤卸下注油泵，戴上充油阀护帽。

⑥将传感器缸体安装到螺套上，重新联接和固定液压软管。

⑦显示表调节:
显示表出厂时，已经调节准确。

只有在显示表经长期使用后，才需要进行调校。

现场一般采用与高一级精度的仪表比对的方式进行。

方法如下：当系统处于工作状态时，调节显示表后面的调节螺杆，使显示表的指针读数与泥浆泵处的压力表的读书相同即可。

如果调节显示表后面的螺杆时，指针不动，则表明显示表可能已损坏，应更换新的显示表，并按上面的调节方法进行调整。

如显示表仍不能正常工作，则表明整个系统处于异常状态，应请专业维修人员进行维修和调整。

3）总线模入模块盒的安装可参见指重测量系统的相应部分。

4）仪器的维护与保养
①仪器在钻机搬迁时，应关闭泥浆泵，将传感器卸下，清洗胶杯的泥浆。

②经常检查管线是否漏油。

③传感器胶杯是易损件。

更换时，应先关闭泥浆泵，用专用扳手从传感器中卸下压盖，取出旧胶杯，清洗缸体，然后把新胶杯装入缸体（不要划伤胶杯），再装上压盖，使压盖端面与缸体端面平齐。

5）故障原因及排除办法
4.深度测量系统
（1）系统组成与工作原理
深度测量系统由深度传感器、总线深度模块盒和传输线组成。

滚筒式传感器主要由光电编码器组成，光电编码器安装在滚筒轴上，当滚筒转动时，光电编码器将输出两组相位差为90 的电脉冲信号，由微处理器进行采集。

（2）安装、调试与使用
1）安装
井深传感器安装在绞车轴导气龙头一端。

多数钻机导起龙头处都有一个螺纹直径为 G3/4＂接头，如图5.1所示。

井深传感器两端的接头尺寸分别为G3/4＂外螺纹和G3/4＂螺纹。

安装时，只须将绞车轴上G3/4＂接头卸下，将传感器G3/4＂外螺纹拧入绞车轴上G3/4＂螺纹，然后将G3/4＂接头拧入传感器上G3/4＂螺纹上，传感器即告安装完毕。

图 5.1 井深传感器的安装示意图
2）总线深度模块盒
①模块应选择好的安装场所，便于维护和操作，同时应尽可能靠近传感器，并尽量避免强光直接照射和雨淋。

选好安装位置后，用模块上的C 型钳将其固定。

②总线模块插座分布和插座引脚分布如图5.2、5.3所示，将光电编码器电缆接至模块的信号输入插座，CAN 总线插座与前后总线电缆相连，若此模块是最后一个节点，则将空闲的CAN 总线插座的密封盖拧紧，保证模块的密封性。

CAN 总线插座 信号输入插座 CAN 总线插座
图5.2 总线模块插座分布示意图
图5.3 信号输入插座引脚示意图
CAN 总线插座引脚定义可参见指重测量系统的相应部分。

3）仪器的维护与保养
①经常检查电缆是否损坏，各接头是否松动。

②经常检查转动部件是否转动灵活。

5.转盘转速和泵冲速测量系统
（1）系统组成与工作原理
转盘转速和泵冲速采用无接触方式测量，系统由接近式感应开关﹑总线泵冲转速模块盒和电缆等组成。

金属物体在传感器的感应面附近划过，产生脉冲信号，通过电缆送入总线泵冲转速模块盒，由后者处理、计算出当前泵冲速﹑转盘转速，在司钻台和队长办公室显示。

泵冲速测量系统的组成和工作原理与转盘转速测量系统相同。

（2）安装、调试与使用
1）泵冲传感器的安装
泵冲次传感器安装示意见图6.1。

8 ~ 12
图 6.1 泵冲次传感器安装图
泵冲传感器要求安装在泵的主动轴上，具体安装在主动轴的哪一边要视不同的泥浆泵而定。

轴上焊接或固定的感应凸块长宽各为30毫米，高度为40毫米。

传感器配有专用安装支架，可以很方便地固定在轴的护罩上。

也可在泵体的适当位置焊一块钢板，然后将传感器支架夹紧在所焊的钢板上即可。

安装时应注意：传感器感应头与泵轴上所焊的凸块必须对正！安装好后，还应立即调整传感器感应头与凸块的距离，应控制在8～12毫米以。

当传感器感应头与凸块对正时，
传感器上的指示灯应发光，可以通过这一现象来判断传感器感应头与凸块的距离是否调整好。

以相同方法安装第二个泵冲次传感器。

各部件安装好后，按系统连接图进行电缆的敷设和连接，要求走线符合井场规，并在多处用尼龙扎带固定，然后即可投入使用。

2）转速传感器的安装
转盘转速传感器应安装在转盘驱动电机和变速箱之后的转盘输入轴上，其安装方法与泵冲次传感器的安装方法相同。

主要应考虑安装维修比较方便，具体位置要根据钻机情况在现场确定。

其安装方法与泵冲次传感器的安装方法相同。

传感器安装好后，按系统连接图敷设和连接电缆，要求符合井场的规，并在多处用尼龙扎带将电缆线固定，然后即可投入使用。

3）常见故障的处理:
①如果泵冲传感器在正常状态下使用，无信号输出，首先检查电缆是否短路或断路。

②确定电缆正常后，则测试传感器的工作电压。

③如工作电压正常，可用金属物体靠近传感器的端面，检查传感器有无输出信号，用以判别传感器是否损坏。

④如传感器无损坏，应调整传感器与被测物体之间距离在8～1２毫米。

⑤总线泵冲转速模块盒的安装可参见指重测量系统的相应部分，信号输入插座引脚分布如图6.2所示，CAN总线插座引脚分布和定义与指重测量系统的相同。

图6.2 信号输入插座引脚示意图。