ZPEC-2000钻井参数仪的设计与开发

ZPEC-2000钻井参数仪的设计与开发

摘要：在石油勘探中，安全钻井显得越来越重要，钻井技术人员要求随时掌握钻井过程中各种参数的变化，以便更好地实施科学钻进，达到保护油气资源、完善钻井质量的目的。为了更好地适应形势，地质录井处科技人员结合最新的科技、材料及工艺发展水平，研制了ZPEC-2000钻井参数仪。与其他设备相比，ZPEC-2000钻井参数仪设计思想先进，集中了现今石油行业的最新科研成果，具有全防爆、数据动态传输与分配、钻具振动分析、实时数据远程共享（浏览器B/S模式）、钻井系统工程应用程序包等功能。现场应用表明，ZPEC-2000钻井参数仪是一种具有领先技术的现场钻井监测服务系统。

引言

在石油勘探中，安全钻井显得越来越重要，钻井技术人员要求随时掌握钻井过程中各种参数的变化，以便更好地实施科学钻进，达到保护油气资源、完善钻井质量的目的。为了更好地适应形势，地质录井处科技人员结合最新的科技、材料及工艺发展水平，研制了ZPEC-2000钻井参数仪。ZPEC-2000钻井参数仪研制是中原石油勘探局2001年度重点科技攻关项目（项目编号：2001315B），项目于2001年6月立项，2002年7月通过验收。该项目正在申请国家专利，专利申请号022470859。与其他设备相比，ZPEC-2000钻井参数仪设计思想先进，集中了现今石油行业的最新科研成果。

一、设计思路

ZPEC-2000钻井参数仪是为了满足现场安全优质钻井的需要而设计的，为了适应现场恶劣的环境，最大限度的发挥功能，我们在设计方案中力求达

到以下目标：

1、系统全隔离防爆设计

从传感器到采集处理接口、计算机系统、显示监控系统，全部采用隔离防爆设计，适合Class 1、Div 2、Group C、D区域作业，满足钻井现场全防爆的要求；

2、硫化氢防护及报警功能

系统最多可以安装四只硫化氢传感器，实时监测井下的硫化氢气体，并提供声光报警功能，加强钻井作业的安全性；

3、系统防腐、防震设计

系统的制作材料经过防腐、防震设计，能够适应现场恶劣的环境；

4、系统宽工作温度范围设计

整套系统可以工作在-20℃~+65℃宽温度范围内。

5、采用最新的计算机网络技术，共享数据资源

采用远程自动化管理技术，基于TCP/IP协议，实现数据的网络共享，可以通过局域网配置多台计算机，并可实现远程控制；

6、具有实时钻井工程异常事故预报功能；

7、具有实时钻具振动监测功能；

8、信号处理简单，减少可能的故障环节；

9、具有良好的可扩展性；

10、安装、操作过程简便，维修过程方便，减少维修时间。

二、系统组成

ZPEC-2000钻井参数仪主要由以下部分组成：（1）信号拾取系统（2）信号处理系统（3）计算机采集与处理系统（4）司钻操作台总成（5）远程监测

与控制系统。

图1 ZPEC-2000钻井参数仪系统功能组成示意图

三、工作原理

ZPEC-2000钻井参数仪的整体结构由以下部分组成：

（1）传感器组（2）接线箱（3）防爆箱（4）隔离模块（5）采集服务器（包含触摸屏）（6）司钻操作台总成（7）远程监控机或第三方远程终端。

其中隔离模块、采集服务器安装在防爆箱内，触摸屏位于防爆箱的前面板端。司钻操作台总成安装在司钻区域，包括防爆显示器和机械仪表总成。远程监控机可以是多个远程终端，又可以和采集服务器同属于一台计算机。

一）工作流程

传感器组采集的原始信号经由接线箱传输至隔离模块。采集服务器对隔离模块采集的信号进行计算、处理后发送到主台、司钻操作台总成、远程监控机及第三方远程终端，并接受主台、司钻操作台总成、远程监控机及第三方远程终端反馈的控制信号。

二）传感器组

按照传感器输出信号类型，可将传感器分为两类：

1、模拟量传感器：包括体积、大钩负荷、立管压力、转盘扭矩、出口流

量、硫化氢传感器，该类传感器为标准的两线制，输出信号均为4-20mA。

2、数字量传感器：包括绞车、转盘转速、泵冲传感器，其中绞车传感器为霍尔感应型，转盘转速、泵冲传感器为临近开关型，输出TTL电平信号。

本系统接线箱分为钻井液罐区和钻台区两个，其中钻井液罐区包括以下传感器：池体积传感器（包括起下钻罐）、泵冲传感器、硫化氢传感器；钻台区包括以下传感器：大钩负荷、绞车、转盘转速、立（套）管压力、转盘扭矩、出口流量、硫化氢传感器。

二）信号采集处理系统

信号采集处理系统包括隔离模块、采集服务器、触摸屏及电源系统，统一封装在防爆箱内。

隔离模块为一种标准的信号处理装置，本系统隔离模块共分为三种型号，分别为：AM-T-I4P/U5、AM-T-U/D-4、ZY-T-1。其中AM-T-I4P/U5处理模拟量传感器传输的4-20mA信号，并将该信号处理为0-5V输出信号供A/D卡采集。数字量传感器输出的信号经数字调理电路（AM-T-U/D-4和ZY-T-1）归整为0-5V TTL电平信号，由A/D变换器的计数端口计数后送给计算机采集处理。

本系统采用CYBF001型防爆计算机作为采集服务器，内含两块DM5416 A/D 转换器（1#和2#）。每块A/D转换器有16路通道，1# A/D转换器通道号为0-15，2# A/D转换器通道号为16-31。

计算机对A/D变换器定时采集D值，对采集的D值进行反转换，计算出对应的物理量及一些派生参数，并接受用户输入的信息，实现实时监控。

1、模拟量传感器

信号处理单元（隔离模块）将传感器输出的4~20mA信号变换为0~5V的电压信号送往A/D变换器，供采集服务器采集处理。通过Ａ/Ｄ变换器，原来

的模拟电压变成了二进制数。对12位的Ａ/Ｄ来说，这个二进制数的长度为12位，对于满量程+5V，12位全为1的D值为4095。D值表示可用下式来计算：

D值=4095*VI/5V （VI为实测电压值，单位：V）

对4mA（对应于物理量的0）、20mA（对应于物理量的最大值）进行标定，便可得到一条标定曲线。这样对采样来的任意Ｄ值按该曲线即可反算出相应物理量值。例如立管压力传感器为一模拟量传感器，输出信号为4-20mA，经隔离模块、A/D采集卡送到采集服务器，采集范围为0-5V，对应于物理量的0-50MPa。假设采集服务器采集的立管压力通道D值为2000，则其电压值为：VI=D*5V/4095=2000*5/4095=2.44V

因此对应的立管压力物理量应为：

立管压力（MPa）=（2.44V/5V）*50MPa=24.4MPa

2、数字量传感器

数字量传感器输出的信号经数字调理电路（AM-T-U/D-4和ZY-T-1）归整为0-5V TTL电平信号，由A/D变换器的计数端口计数后送给计算机采集处理。

1）绞车传感器

绞车传感器安装在绞车滚筒轴上，绞车滚筒转动时，传感器的输出端就得到具有90°相位差的两组脉冲信号，它代表绞车滚筒的角位移。绞车滚筒转动一圈，传感器输出24个脉冲信号。利用绞车传感器将滚筒转动的角度变换为脉冲的数量，用鉴相电路把从传感器来的两路相位相差90度的脉冲分离为记数脉冲和方向控制电平(即上行和下行)。用一可加减16位计数器(能计量的脉冲数为65536个,当使用十二齿绞车传感器时,大钩由零升到最高，鉴相器能输出1万余个脉冲)，记录绞车滚筒转动的过程。计数器中的脉冲总数