專(zhuān)利名稱(chēng):鉆井參數(shù)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實(shí)用新型涉及一種鉆井參數(shù)儀,屬于石油鉆探現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)采集和處理技術(shù)領(lǐng)域,尤其是在鉆井生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)鉆井參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制的鉆井參數(shù)儀。
背景技術(shù):
現(xiàn)有技術(shù)中,對(duì)鉆井生產(chǎn)過(guò)程中鉆井參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的裝置,一般由一次儀表采集數(shù)據(jù),用二次儀表進(jìn)行顯示。一次儀表即傳感器組,包括絞車(chē)傳感器、大鉤負(fù)荷傳感器、立管壓力傳感器、轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速傳感器、泵沖傳感器、扭矩傳感器及體積傳感器等,二次儀表為機(jī)械裝置的儀表,如壓力表等,其工作流程為傳感器拾取信號(hào)、信號(hào)轉(zhuǎn)換、二次儀表顯示。這些方法存在以下缺陷(1)顯示參數(shù)少,精度低,操作人員可用信息少,不能滿足指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工的需要;(2)無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制。
發(fā)明目的本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中顯示參數(shù)少,精度低的缺陷,設(shè)計(jì)一種石油鉆井現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中對(duì)鉆井參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制的鉆井參數(shù)儀。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型目的通過(guò)以下方案實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型由信號(hào)拾取裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置和信號(hào)處理顯示裝置組成,其中1、信號(hào)拾取裝置由一組傳感器組成,包括模擬量和數(shù)字量?jī)煞N,信號(hào)拾取裝置將所需拾取的鉆井參數(shù)信號(hào)通過(guò)信號(hào)總線連接到信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置;2、信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置是一種隔離與轉(zhuǎn)換裝置,為標(biāo)準(zhǔn)的隔離模塊,包括模擬量和數(shù)字量?jī)煞N,其中模擬量隔離模塊將模擬量傳感器組傳送的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送到信號(hào)處理裝置的A/D轉(zhuǎn)換器;數(shù)字量隔離模塊將數(shù)字量傳感器組傳送的TTL電平信號(hào)隔離后送到信號(hào)處理裝置A/D轉(zhuǎn)換器的計(jì)數(shù)通道;3、信號(hào)處理裝置為一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng),接收A/D轉(zhuǎn)換器處理的可識(shí)別的數(shù)字信號(hào),并進(jìn)行處理、計(jì)算和顯示、存儲(chǔ)。
隔離與轉(zhuǎn)換裝置、信號(hào)處理裝置安裝在同一防爆箱內(nèi),觸摸屏位于防爆箱的前面板端,防爆顯示器安裝在司鉆工作區(qū)域。
本實(shí)用新型對(duì)傳感器組拾取的信號(hào)進(jìn)行隔離和轉(zhuǎn)換后,形成計(jì)算機(jī)可處理的數(shù)字信號(hào),可計(jì)算派生參數(shù)上百個(gè),且鉆井?dāng)?shù)據(jù)界面采用可視化設(shè)計(jì),即可多畫(huà)面顯示鉆井生產(chǎn)過(guò)程中所需的不同參數(shù),又可進(jìn)行參數(shù)組合選擇,同時(shí)還可有效利用計(jì)算機(jī)資源,實(shí)現(xiàn)分布式處理,實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)使操作人員可以準(zhǔn)確掌握鉆井過(guò)程中的各種信息,并以有線或無(wú)線方式,采用遠(yuǎn)程自動(dòng)化技術(shù),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制,為鉆井現(xiàn)場(chǎng)決策提供依據(jù),保證了安全、優(yōu)質(zhì)的鉆井生產(chǎn)。
附圖及簡(jiǎn)要說(shuō)明六具體實(shí)施方式
圖1 本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖;其中圖2 本實(shí)用新型模擬量信號(hào)采集與處理接線圖;圖3 本實(shí)用新型絞車(chē)信號(hào)采集與處理接線圖;圖4 本實(shí)用新型中轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速/泵沖信號(hào)采集與處理接線圖。
其中1信號(hào)拾取裝置 2接線箱 3防爆箱 4信號(hào)隔離與轉(zhuǎn)換裝置 5信號(hào)處理裝置 6防爆顯示器 7遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī) 8模擬量傳感器 9AM-T-14P/U5模擬量隔離模塊 10電源模塊 11A/D轉(zhuǎn)換器 12采集服務(wù)器底層 13采集服務(wù)器主臺(tái) 14絞車(chē)傳感器 15EBI EM-DRI-IS-5-RTB-7272-24V/V數(shù)字量隔離模塊16A/D轉(zhuǎn)換器計(jì)數(shù)通道 17轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速/泵沖傳感器 18AM-TU/D-4數(shù)字量隔離模塊。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步描述由
圖1可知,本實(shí)用新型通過(guò)以下方案實(shí)現(xiàn)1、信號(hào)拾取系統(tǒng)(1)由一組傳感器組成,包括模擬量和數(shù)字量?jī)煞N,信號(hào)拾取系統(tǒng)(1)將所需拾取的鉆井參數(shù)信號(hào)通過(guò)接線箱(2)信號(hào)總線連接到信號(hào)隔離與轉(zhuǎn)換裝置(4);2、隔離與轉(zhuǎn)換裝置(4)為標(biāo)準(zhǔn)的隔離模塊,包括模擬量和數(shù)字量?jī)煞N,其中模擬量隔離模塊將模擬量傳感器組傳送的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送到信號(hào)處理裝置(5)的A/D轉(zhuǎn)換器;數(shù)字量隔離模塊將數(shù)字量傳感器組傳送的TTL電平信號(hào)隔離后送到信號(hào)處理裝置(5)A/D轉(zhuǎn)換器的計(jì)數(shù)通道;3、信號(hào)處理裝置(5)為一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng),接收A/D轉(zhuǎn)換器處理的可識(shí)別的數(shù)字信號(hào),并進(jìn)行處理、計(jì)算和顯示、存儲(chǔ)。
隔離與轉(zhuǎn)換裝置(4)、信號(hào)處理裝置(5)安裝在同一防爆箱(3)內(nèi),觸摸屏位于防爆箱(3)的前面板端,防爆顯示器(6)安裝在司鉆工作區(qū)域。
遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)(7)可以是多個(gè)遠(yuǎn)程終端,又可以和信號(hào)處理裝置(5)同屬于一臺(tái)計(jì)算機(jī)服務(wù)器。
圖2為本實(shí)用新型模擬量信號(hào)采集與處理接線圖。模擬量傳感器(8)包括體積、大鉤負(fù)荷、立管壓力、轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩、出口流量、硫化氫傳感器,該組傳感器為標(biāo)準(zhǔn)的兩線制,所有模擬量傳感器(8)都是二線制傳感器,一端為+24V電源,另一端為4-20mA電流信號(hào)。模擬量傳感器(8)把拾取的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的4~20mA電流信號(hào)送往型號(hào)為AM-T-14P/U5的模擬量隔離模塊(9),將4~20mA信號(hào)統(tǒng)一變換為0~5V的電壓信號(hào)送往A/D變換器(11)供信號(hào)處理裝置(5)的采集服務(wù)器底層(12)采集處理,最后由信號(hào)處理裝置(5)的采集服務(wù)器主臺(tái)(13)轉(zhuǎn)換為各自的物理量參數(shù)。
本實(shí)用新型有2塊A/D變換器,共有32路通道,每個(gè)傳感器均有自己獨(dú)立的信號(hào)通道。A/D變換器(11)輸入為電壓信號(hào),輸出為二進(jìn)制代碼,由采集服務(wù)器主臺(tái)(13)進(jìn)行如下運(yùn)算對(duì)12位的A/D來(lái)說(shuō),這個(gè)二進(jìn)制數(shù)的長(zhǎng)度為12位,對(duì)于滿量程+5V,12位全為1的D值為4095,0~5V電壓范圍D值表示可用下式來(lái)計(jì)算D值=4095*VI/5V(VI為實(shí)測(cè)電壓值,單位V)對(duì)4mA(對(duì)應(yīng)于物理量的0)、20mA(對(duì)應(yīng)于物理量的最大值)進(jìn)行標(biāo)定,便可得到一條標(biāo)定曲線。這樣對(duì)采樣來(lái)的任意D值按該曲線即可反算出相應(yīng)物理量值。例如立管壓力傳感器為一模擬量傳感器,輸出信號(hào)為4-20mA,經(jīng)模擬量隔離模塊(9)、A/D轉(zhuǎn)換器(11)送到信號(hào)處理裝置(5)采集服務(wù)器底層(12),采集范圍為0-5V,對(duì)應(yīng)于物理量的0-50MPa。假設(shè)采集服務(wù)器采集的立管壓力通道D值為2000,則由信號(hào)處理裝置(5)的采集服務(wù)器主臺(tái)(13)計(jì)算其電壓值為VI=D*5V/4095=2000*5/4095=2.44V因此對(duì)應(yīng)的立管壓力物理量應(yīng)為立管壓力(MPa)=(2.44V/5V)*50MPa=24.4MPa附圖3為本實(shí)用新型絞車(chē)信號(hào)采集與處理接線圖,如圖3所示,絞車(chē)傳感器(14)為四線制傳感器,其電源端V+、V-及兩路信號(hào)A、B分別接到型號(hào)為EBI EM-DRI-IS-5-RTB-7272-24V/V隔離模塊(15)的對(duì)應(yīng)端上,電源模塊(10)提供所需電源,隔離模塊(15)將絞車(chē)傳感器(14)送來(lái)的兩組信號(hào)轉(zhuǎn)換為電平信號(hào),送到A/D轉(zhuǎn)換器(16)的計(jì)數(shù)通道,然后由采集服務(wù)器底層(12)采集,并最終由采集服務(wù)器主臺(tái)(13)計(jì)算、處理為大鉤高度位移量,從而得到鉆頭位置、井深及其他派生參數(shù)。
絞車(chē)傳感器(14)安裝在絞車(chē)滾筒軸上,絞車(chē)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),傳感器(14)的輸出端就得到具有90°相位差的兩組脈沖信號(hào),它代表絞車(chē)滾筒的角位移。絞車(chē)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)一圈,傳感器輸出24個(gè)脈沖信號(hào)。利用絞車(chē)傳感器(14)將滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的角度變換為脈沖的數(shù)量,由隔離模塊(15)把從絞車(chē)傳感器(14)得到的兩路相位相差90度的脈沖分離為記數(shù)脈沖和方向控制電平(即上行和下行),記錄絞車(chē)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換記數(shù)通道,將采集的脈沖信號(hào)送到信號(hào)處理裝置(5)的采集服務(wù)器底層(12),由采集服務(wù)器主臺(tái)(13),進(jìn)行計(jì)算處理。計(jì)算過(guò)程如下確定滾筒上各層結(jié)束時(shí)脈沖總數(shù),并用采集來(lái)的脈沖總數(shù)相比較,確定現(xiàn)在滾筒上最外層的層數(shù),根據(jù)層數(shù)的判斷結(jié)果,將脈沖總數(shù)換算為大鉤的現(xiàn)在高度。根據(jù)兩次采集大鉤高度的變化量,可以計(jì)算出井深和鉆頭位置。
計(jì)算公式每當(dāng)絞車(chē)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)一圈,則大鉤移動(dòng)距離為Hx=π×DxM------(1)]]>式中Hx--大鉤移動(dòng)距離(cm)Dx--某層實(shí)際纏繞直徑(cm)M--天車(chē)變速比(大繩股數(shù))設(shè)絞車(chē)傳感器每轉(zhuǎn)動(dòng)360度,鑒相器能輸出n個(gè)脈沖,則大鉤移動(dòng)距離與脈沖數(shù)的關(guān)系如下Kx=nHx-------(2)]]>(1)與(2)綜合得Kx=M×nπ×Dx------(3)]]>式中Kx為在某一層數(shù),大鉤移動(dòng)1厘米,鑒相器輸出的脈沖數(shù)。在實(shí)際使用時(shí),滾筒上大繩每增加一層,相當(dāng)于滾筒實(shí)際纏繞直徑增量ΔD。則ΔD=2d2-(d2)2=3d]]>式中d為大繩直徑當(dāng)大鉤從0升到最高點(diǎn),滾筒上大繩要從第一層纏繞到第五層。其對(duì)應(yīng)實(shí)際纏繞直徑則為D1=D0+dD2=D1+3d]]>D3=D2+3d]]>D4=D3+3d]]>D5=D4+3d]]>其中D0為絞車(chē)滾簡(jiǎn)直徑,因此,有對(duì)應(yīng)于1到5層的Kx系數(shù)K1=M×nπ×D1------K2=M×nπ×D2]]>K3=M×nπ×D2------K4=M×nπ×D4]]>K5=M×nπ×D5]]>由于在纏繞鋼絲繩時(shí),滾筒第一層,總是預(yù)先纏繞若干圈,用以確保安全。即在大鉤高度等于零時(shí),滾筒上還剩余一定圈數(shù)的鋼絲繩,我們把這些鋼絲繩定義為T(mén),這些鋼絲繩在滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),始終不會(huì)產(chǎn)生脈沖數(shù)。
(1)每層(一整層)所能發(fā)出的脈沖數(shù)K0=INT(Ld+0.5)×n]]>其中K0為一整層所發(fā)脈沖數(shù)L為滾筒長(zhǎng)度n為滾筒每轉(zhuǎn)動(dòng)一周鑒相器輸出的脈沖數(shù)d為大繩直徑INT()為取整函數(shù)(2)第一層未發(fā)出的脈沖數(shù)K6=T×n式中K6為第一層未發(fā)出脈沖T為大鉤高度為零時(shí)滾筒上剩余大繩圈數(shù)n為滾筒每轉(zhuǎn)動(dòng)一周鑒相器輸出的脈沖數(shù)(3)當(dāng)每一層結(jié)束時(shí),所發(fā)脈沖數(shù)為NN1=K0-K6N2=K0+N1N3=K0+N2N4=K0+N3N5=K0+N5(4)判斷層變判斷層位層序,即采集現(xiàn)在的脈沖總數(shù)(即16位計(jì)數(shù)值)與N1到N5相比較看其落在那兩個(gè)值之間,即可判斷在那一層中。
根據(jù)現(xiàn)在的層位,我們可以求出脈沖總數(shù)對(duì)應(yīng)的大鉤高度。
(1)每層結(jié)束時(shí)大鉤高度HH1=N1K1]]>H2=H1+K0K2]]>H3=H2+K0K3]]>H4=H3+K0K4]]>H5=H4+K0K5]]>其中H1-H3為每層結(jié)束時(shí)的大鉤高度。(2)在某一層脈沖數(shù)所對(duì)應(yīng)的大鉤高度當(dāng)層數(shù)已經(jīng)確定,在某一具體層位,脈沖所對(duì)應(yīng)的大鉤高度為第一層H=XK1]]>第二層H=H1+X-N1K2]]>第三層H=H2+X-N2K3]]>第四層H=H3+X-N3K4]]>第五層H=H4+X-N4K5]]>其中H為現(xiàn)在大鉤高度,單位cmX為采集所得16位計(jì)數(shù)器中的脈沖總數(shù)。
(3)由于所用單位為米,而上述式中H的單位為厘米,要經(jīng)轉(zhuǎn)換才能輸出,同時(shí)任何深度系統(tǒng)都有一定的系統(tǒng)誤差,要求隨時(shí)都能校正,因此可得Hm=B×INT(H)100]]>式中Hm為校正后大鉤高度,單位米B為系統(tǒng)校正系數(shù)。
每次采集都能算出大鉤高度為Hm,若上次采集所得大鉤高度為Hm1,則有位移量Lo=Hm-Hm1其中Io為兩次采集大鉤高度位移變化量。
1.若Lo>0,則表示上行鉆頭位置=上次鉆位-Lo 井深不變2.若Lo=0,則表示沒(méi)有位移,井深和鉆頭位置都不變3.若Lo<0,則表示下行(1)當(dāng)鉆頭位置等于井深時(shí)井深=上次井深+ABS(Lo)鉆位=井深(2)當(dāng)鉆頭位置不等于井深時(shí)鉆頭位置=上次鉆位+ABS(Lo) 井深不變式中,ABS()為絕對(duì)值函數(shù)至此為止,我們已經(jīng)能夠把滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)角度轉(zhuǎn)變成鉆頭位置和井深了,完成了深度的變送。
圖4為本實(shí)用新型轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速/泵沖信號(hào)采集與處理接線圖。由圖4可知泵沖和轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速傳感器(17)使用同一種兩線制傳感器,包括三個(gè)泵沖傳感器和一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器,隔離模塊(18)是一塊型號(hào)為AM-T-U/D-4數(shù)字量調(diào)理端口板,集成了1號(hào)泵沖,2號(hào)泵沖,3號(hào)泵沖及轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速4路相同傳感器(17)的信號(hào)處理,其作用是將傳感器信號(hào)歸整為0-5V TTL電平信號(hào),送到A/D采集卡計(jì)數(shù)通道(16)計(jì)數(shù),然后送到采集服務(wù)器底層(12)采集,最終由采集服務(wù)器主臺(tái)(13)進(jìn)行計(jì)算處理。
鉆井液泵動(dòng)作一次(或者轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈),則在傳感器(17)上產(chǎn)生一次電平信號(hào)的高低變化,計(jì)算機(jī)通過(guò)A/D變換器的計(jì)數(shù)通道(16)采集這種變化,從而計(jì)算出每分鐘的泵沖數(shù)和轉(zhuǎn)速。
本實(shí)用新型可使用遠(yuǎn)程自動(dòng)化技術(shù),基于TCP/IP協(xié)議或網(wǎng)絡(luò)支持的其他協(xié)議,采用分布式處理技術(shù),在石油鉆探現(xiàn)場(chǎng)信息處理技術(shù)領(lǐng)域引入采集服務(wù)器和遠(yuǎn)程終端的概念。采集服務(wù)器底層(12)為公共接口部分,安裝在采集與處理計(jì)算機(jī)上,負(fù)責(zé)采集原始信號(hào),通過(guò)網(wǎng)線發(fā)送到遠(yuǎn)程主機(jī)進(jìn)行計(jì)算、處理。遠(yuǎn)程主機(jī)可以與采集服務(wù)器同屬一臺(tái)計(jì)算機(jī),又可以為任何一臺(tái)遠(yuǎn)程終端,它將處理后的信息發(fā)送回公共接口部分,然后由公共接口部分通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布到各遠(yuǎn)程終端。各遠(yuǎn)程終端接收公共接口部分(底層)發(fā)布的信息,又可將自己的信息通過(guò)公共接口部分發(fā)布給其它遠(yuǎn)程終端。
權(quán)利要求1.一種鉆井參數(shù)儀,包括鉆井參數(shù)信號(hào)拾取裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置、處理和顯示裝置,其特征在于(一)、信號(hào)拾取裝置(1)由一組傳感器組成,包括模擬量和數(shù)字量?jī)煞N,信號(hào)拾取系統(tǒng)(1)將所需拾取的鉆井參數(shù)信號(hào)通過(guò)接線箱(2)信號(hào)總線連接到信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置(4);(二)、信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置(4)是一隔離與轉(zhuǎn)換裝置,為標(biāo)準(zhǔn)的隔離模塊,包括模擬量和數(shù)字量?jī)煞N,其中模擬量隔離模塊將模擬量傳感器組傳送的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送到信號(hào)處理裝置(5)的A/D轉(zhuǎn)換器;數(shù)字量隔離模塊將數(shù)字量傳感器組傳送的TTL電平信號(hào)隔離后送到信號(hào)處理裝置(5)A/D轉(zhuǎn)換器的計(jì)數(shù)通道;(三)、信號(hào)處理裝置(5)為一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng),接收A/D轉(zhuǎn)換器處理的可識(shí)別的數(shù)字信號(hào),并進(jìn)行處理、計(jì)算和顯示、存儲(chǔ)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆井參數(shù)儀,其特征在于隔離與轉(zhuǎn)換裝置(4)、信號(hào)處理裝置(5)安裝在同一防爆箱(3)內(nèi),觸摸屏位于防爆箱(3)的前面板端,防爆顯示器(6)安裝在司鉆工作區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鉆井參數(shù)儀,其特征在于信號(hào)處理裝置(5)可以是一臺(tái)計(jì)算機(jī)服務(wù)器,還可以連接多個(gè)遠(yuǎn)程終端或監(jiān)控機(jī)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種鉆井參數(shù)儀,是通過(guò)信號(hào)拾取裝置將所需拾取的鉆井參數(shù)信號(hào)通過(guò)接線箱的信號(hào)總線連接到信號(hào)隔離與轉(zhuǎn)換裝置,經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換后送到信號(hào)處理裝置進(jìn)行處理、計(jì)算和顯示、存儲(chǔ),可計(jì)算派生參數(shù)上百個(gè),且鉆井?dāng)?shù)據(jù)界面采用可視化設(shè)計(jì),即可多畫(huà)面顯示鉆井生產(chǎn)過(guò)程中所需的不同參數(shù),又可進(jìn)行參數(shù)組合選擇,同時(shí)還可有效利用計(jì)算機(jī)資源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),使操作人員可以準(zhǔn)確掌握鉆井過(guò)程中的各種信息,并采用遠(yuǎn)程自動(dòng)化技術(shù),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制,為鉆井現(xiàn)場(chǎng)決策提供依據(jù),保證了安全、優(yōu)質(zhì)的鉆井生產(chǎn)。
文檔編號(hào)E21B44/00GK2564751SQ0224708
公開(kāi)日2003年8月6日 申請(qǐng)日期2002年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月13日
發(fā)明者華學(xué)理, 禹榮, 王佑寧, 楊凌照, 王志德, 李安平, 張德安, 劉家剛 申請(qǐng)人:中國(guó)石油化工集團(tuán)公司中原石油勘探局