指重表現場校準方法研究

陳劍，閆慶武，張靈聰中國石油大慶油田有限責任公司計量檢定測試所（黑龍江　大慶　163455）

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指重表現場校準方法研究

陳劍，閆慶武，張靈聰
中國石油大慶油田有限責任公司計量檢定測試所（黑龍江大慶163455）

指重表主要用于石油地質勘探中各種鉆機修井機作業過程中，是指示并記錄鉆具懸重和鉆壓變化的一種儀器?，F有檢測方式只能進行實驗室檢測，存在拆卸搬運不便的問題。針對此現狀，提出了指重表現場校準的實現方法及步驟，試驗證明采用該方法能夠實現現場校準，方便快捷，提高了效率、降低了工作強度。同時，闡述了張力傳感器的標定方法及應用過程中應注意的問題。

指重表；張力傳感器；現場校準

1　指重表原理及檢測現狀

指重表又稱大鉤懸重測量儀，可以使司鉆人員掌握鉆機在鉆井或修井作業中的工作參數，從而判斷鉆具的工作狀態，為避免事故的發生和優化參數提供有力幫助。指重表通常由死繩固定器、傳感器、指示儀和記錄儀四部分組成。死繩固定器將鉆機的死繩拉力通過傳感器轉換成液體壓力信號，傳遞給重力指示儀，迫使彈簧管自由端產生位移，經過放大機構帶動指針，直接在表盤上指示出懸重及鉆壓值[1]。另一路壓力信號通過金屬軟管傳遞到記錄彈簧管，其位移經聯動機構，用記錄筆在記錄紙上做出鉆壓與懸重的變化曲線。

根據石油行業規范JJG（石油）03-1999《石油鉆井指重表檢定規程》的要求[2]，現階段指重表的檢定先進行外觀檢查，確定零部件及刻度是否缺失、清晰。然后測試死繩拉力和死繩固定器拉力比（放松死繩后使用數字測力計進行檢測），再將死繩端傳感器及顯示二次儀表拆卸。實驗室分別檢測，包括基本誤差檢定、靈敏度檢定、輕敲變動量檢定、回程誤差檢定和密封性能等方面的檢測。

由于井場環境惡劣，該方法不僅存在拆卸及搬運不便、影響現場作業安全等問題，而且由于多組件拆裝也會影響到指重表準確度等級，進而影響檢測結果的準確性及可靠性。國內部分專業人士也提出使用標準器分別對一次儀表和二次儀表進行現場檢測，即對儀表施加標準力源，再與儀表顯示值進行對比分析，從而實現在線校準指重表。但此方法在實際操作方面存在一定弊端：大載荷標準力源攜帶、安裝不便；檢測時需要鉆機停止運行影響鉆（修）井作業進度等。因此急需提出一套行之有效的現場在線檢測方案，在盡量減小對現場工作影響的前提下，實現檢測的同步性、安全性、準確性及便捷性。

2　現場檢測技術的可行性分析及方法選擇

2.1吊具端檢測法

通過死繩與滑輪組連接，對吊具上負載產生的力進行測量。在吊具下方串接電子吊秤，電子吊秤上的載荷傳感器通過無線傳輸，將信號傳送到接收裝置上，指重表系統的數據顯示端可以安裝一個攝像頭，通過軟件控制實時記錄指重表系統的檢測數據。吊具端檢測法如圖1所示。

圖1　吊具端檢測法示意圖

這種檢測方法不需要對游車作業系統做任何改動，解決了拆卸指重表部件可能遇到的安全問題和準確度問題，同時簡單易行、便于操作，可以在工作過程中同步檢測。電子吊秤量程可達120t，相當于1 176kN，準確度等級可以達到國際OIMLⅢ級標準，換算成最大允許誤差為0.075%，可進行信號無線傳輸[3]。吊具端檢測法雖然簡單方便，但必須在作業車開始作業后才能檢測；其次吊具端檢測法僅僅是將電子吊秤和指重表顯示系統進行比對；同時，現場的惡劣條件對于標準儀器來說是一個考驗，所以推薦在每年使用吊具端檢測法現場檢測外，還可以在作業車開始作業前，使用檢衡車對作業車的指重表統一進行一次檢測，保證現場施工的安全。

本方法測量準確度高，但由于現場環境限制、標準器本身體積及重量較大，在電子吊秤的運輸和安裝上存在一定問題，與之相配合的衡車檢測法也使檢測過程復雜化。

2.2形變測量法

在死繩上固定一個旁壓式張力傳感器，當修井車井架進行負載時，鋼絲繩受力發生形變，導致張力傳感器產生信號，信號通過數據線傳送至接收裝置，將裝置顯示的數據與指重表的數據進行比對，即可實現在線檢測[4]。形變測量法如圖2所示。

旁壓式張力傳感器專用于測量鋼絲繩的張力，鋼絲繩通過U形螺栓固定在傳感器上，當鋼絲繩受拉力時，力通過導向輪作用在傳感器上。張力傳感器一般分為晶體張力傳感器和應變電阻傳感器兩種。前者是利用晶體各向異性、非晶體各向同性的特點，某些晶體介質，沿著一定方向受到機械力作用發生變形時，就產生了極化效應；當機械力撤掉之后，又會重新回到不帶電的狀態，也就是受到張力或壓力的時候，某些晶體可能產生電效應，這就是所謂的極化效應。后者是應變電阻受外力作用阻值發生變化，用應變電阻組成一個電橋，通過電橋的配比實現外力和電阻的線性變化，此乃目前張力傳感器使用非常普遍的一種，也是旁壓式張力傳感器的工作理論。

旁壓式張力傳感器具有安裝方便、操作簡單、維修容易、互換性好、使用便捷等特點，但測量精度易受多方面因素影響，準確度不易控制。

圖2　形變測量法示意圖

綜上所述，現擬選用旁壓式張力傳感器對指重表進行現場在線校準，需要分析傳感器檢測不同直徑鋼絲繩所得結論之間的相互聯系。

3　現場檢測方法分析及關鍵問題的解決方案

3.1現場檢測方法

利用旁壓式張力傳感器對指重表現場校準，主要分2個步驟。

首先根據調研確定現場使用的鋼絲繩規格，主要有直徑22mm和26mm兩種規格。制作兩種不同規格的鋼絲繩吊具，利用萬能材料試驗機拉緊吊具模擬現場載荷情況，對傳感器在兩種規格鋼絲繩吊具受載荷的情況下記錄試驗數據，通過對試驗數據計算擬合獲得換算公式，完成標定工作[5]。

然后使用標定好的張力傳感器對現場指重表檢測，記錄顯示值，通過換算公式獲得標準載荷值，再與被檢表示值比較，得到檢測結果。

3.2關鍵問題的解決方案

1）根據現場情況設計加工直徑22mm和26mm兩種鋼絲繩吊具，模擬現場受力情況。通過定制限位緊固螺栓，固定傳感器受力角度，提高傳感器穩定性。

2）通過進行模擬受力試驗，對不同直徑鋼絲繩下傳感器數據進行重復采集，通過數據分析擬合獲得對應計算公式，實現現場直接測量。部分模擬試驗數據見表1。

將模擬試驗中傳感器的顯示值與試驗機標準值進行數據擬合后得到相應的換算公式，通過公式能夠將傳感器的顯示值轉換為實際對應的載荷值，公式（1）如下：

式中：y為傳感器顯示值所對應的實際力值，kN; x為傳感器顯示值，kN。

再將每一組的試驗數據換算成標準數據，計算引用誤差。引用誤差見表2。

表1　22mm吊具傳感器標定數據

表2　引用誤差

傳感器實際載荷數據經計算得到的引用誤差均不超過1%，確定為1.0級。

4　現場檢測效果

對2.0級指重表進行現場檢測試驗，檢測結果見表3。

5　結束語

利用旁壓式張力傳感器對指重表進行現場校準方法研究，對計量儀表在線檢測進行了新的嘗試。在線檢測技術的應用具有很高的實用價值，是計量儀表檢測的發展方向，應不斷完善以上校準方法，進一步提高旁壓式張力傳感器的準校準質量。

表3　現場試驗數據

[1]陳世超，田小泉，朱可加.石油鉆井指重表檢定裝置的研制[J].中國測試技術, 2008, 33(6):130-132.

[2]石油工業計量專業標準化技術委員會.石油鉆井指重表檢定規程:JJG（石油）03-1999[S].北京:石油工業出版社，2001.

[3]劉穎琪，苗彥清.鉆井指重表在線檢測方法[J].技術監督縱橫, 2000（5）：4.

[4]張蔚，姚文斌.鋼絲繩張力傳感器標定試驗臺的研制[J].農機化研究，2004 (5):148-150.

[5]潘忠元.整體吊鉤秤傳感器的設計[J].衡器，2006，35(5):18-19.

The weight indicator is mainly used in various drilling rigs, workover rigs, and it is an instrument for indicating and recording the variation of drill string weight and drill pressure. The calibration of the weight indicator using existing calibration methods can only finished out in laboratory, but the handlingand removingof the weight indicator is inconvenient. For this reason, afield calibration meth?od of weight indicator and its steps are put forward. The test proved that the method can realize the field calibration of the weight indica?tor, fast and convenient, and it improves the efficiency and reduces work intensity. At the same time, the calibration method of the ten?sion sensor is introduced and the problems that should be paid attention to in the application process of it are presented.

weighy indicator; tension sensor; field calibration

陳劍（1979-），男，工程師，現從事計量管理工作。

本文編輯：左學敏2015-12-10