鉆井液潤滑性自動測控系統研究

秦一鳴 隆威

摘 要：鉆井液潤滑性對鉆井工程具有十分重要的意義，特別是超深井、大斜度井、水平井和叢式井中，其作用尤為明顯。本文從分析影響鉆井液潤滑性的因素入手，研究鉆井液潤滑性自動測控系統，實時了解鉆井液潤滑性能，并及時補給潤滑劑，控制在鉆井過程中潤滑劑添加量。

關鍵詞：鉆井液潤滑性；鉆井液自動控制；自動監控；參數分析

中圖分類號：P634 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）02-0069-02

Research on Automatic Measuring and Controllin

System of Drilling Fluid Lubricity

QIN Yiming LONG Wei

（Central South University，Changsha Hunan 410083）

Abstract： Drilling fluid lubricity is very important for drilling engineering， especially in ultra deep wells， large deviated wells， horizontal wells and cluster wells. Starting from analyzing the factors that influence the lubricity of drilling fluids， this paper studied the automatic measurement and control system of drilling fluid lubricity， realtime understanding the lubrication performance of drilling fluids， supplying lubricants timely， and controlling the amount of lubricants added in drilling process.

Keywords： drilling fluid lubricity；drilling fluid automatic control；automatic monitoring；parameter analysis

隨著社會經濟的高速發展，我國鉆探行業的工藝技術也從一個臺階上升到一個新的臺階。無論是公用基礎設施建設還是石油開采都取得了前所未有的成績。提高鉆井液潤滑性能，可以改善鉆井各項經濟技術指標。

本文旨在研制一套儀器設備，該儀器能在鉆井現場實時監測鉆井液潤滑性能，并通過監測鉆井液潤滑性能進行評價，根據評價結果自動控制潤滑劑添加開關，進行潤滑劑的添加，以達到提高潤滑性的目的。大部分測定鉆井液潤滑性的實驗都是室內試驗，得出實驗數據模擬現場施工，但實際上，得出的室內試驗數據與實際工程相差甚遠。因此，本文從已有的鉆井液潤滑性理論基礎出發，研制出一套能在現場應用中自動監測和調控鉆井液潤滑性能的設備儀器。

1 鉆井液潤滑性數據采集系統

為了能更加精確地采集現場鉆井液潤滑性能數據，需要準確模擬出鉆井過程中鉆桿的動力及鉆桿與孔壁之間的鉆井環境。在實際鉆井過程中，鉆桿的轉速及阻力的問題是關鍵點；在實際鉆探過程中，鉆桿與孔壁之間的接觸實為線接觸，而不是面接觸，因此模擬鉆桿直徑的大小并不影響實驗結果。根據本次實驗，模擬鉆桿選用適宜的尺寸。

力的傳導系統分為力的加壓系統和力的傳遞系統[1]。力的加壓系統是自重加壓和輔助加壓兩種方式的結合，輔助加壓主要采用逐步加壓的方式，其加壓塊形狀類似于磅秤砝碼的鐵質小圓塊。力的傳遞系統是將模擬孔壁與模擬鉆桿之間的摩擦力通過傳遞裝置傳遞到壓力傳感器。傳遞裝置主要包含夾持裝置和傳遞導桿。夾持裝置將模擬孔壁的巖石用螺母固定，防止巖石前后移動及上下跳動；傳遞導桿主要目的是將模擬鉆桿與模擬孔壁巖石之間的摩擦力直接傳遞給稱重傳感器，其次作為加壓砝碼的連桿。

2 潤滑性能監測系統

鉆井液潤滑性能監測系統的關鍵在于將采集的潤滑性能數據傳遞給稱重傳感器，并通過一系列轉換最后通過顯示屏顯示出來。

為了了解鉆井液潤滑性能，研制出一套測量摩擦系數的裝置，該裝置的主要原理是用水泵不斷地從泥漿池抽鉆井液噴向所研制的測量摩擦系數裝置的模擬鉆桿與模擬孔壁接觸面，然后開動電機，帶動模擬鉆桿轉動，此時模擬鉆桿與巖石之間的摩擦力通過傳導系統傳遞給稱重傳感器，稱重傳感器通過數字信號的轉換，將力的信號以電流信號的形式傳送給力值顯示控制儀，力值顯示控制儀通過單片機進行數據處理，最終將模擬鉆桿與模擬孔壁之間的摩擦力值通過顯示屏顯示出來[2]。

3 潤滑性能自動控制系統

該控制系統的目的在于自動調節鉆井液潤滑性。當鉆井液潤滑性低于我們需要的潤滑性時，控制系統自動控制潤滑劑添加開關工作，向泥漿池添加潤滑劑，達到增加鉆井液潤滑性的目的；當鉆井液潤滑性能達到我們需要的潤滑性時，控制系統自動控制添加潤滑劑開關關閉，潤滑劑停止添加。這樣既可避免鉆井過程中鉆井液潤滑性過低，導致鉆進效率低，同時也可避免潤滑劑過多，造成浪費。

鉆井液潤滑性自動控制系統是建立在監測系統之上的，所以兩套系統用相同的單片機系統、潤滑性采集系統及顯示系統和電源。在實際鉆探過程中，鉆井液潤滑性能不斷變差，因此，我們需要提前根據實際情況在力值顯示控制儀操作界面輸入摩擦系數上限值（所需潤滑性能下限值），比較稱重傳感器從鉆井液中采集到的潤滑性與擬定的潤滑性，若測定鉆井液潤滑性能（摩擦系數）高于擬定潤滑性能，則添加潤滑劑；若測定鉆井液潤滑性能低于擬定潤滑性能，則關閉潤滑劑添加電磁閥。

在實際鉆井工程中，擬定的鉆井液潤滑性下限值需根據現場鉆桿轉速而定，在不同地層、不同工程中，鉆桿轉速也不同。當鉆進到某一地層，規定在此地層鉆桿轉速必須在某一特定鉆速以上，才能滿足鉆井液潤滑性能要求時，利用監測系統測得在此鉆桿轉速條件下鉆井液潤滑性能（摩擦系數）。然后，將此摩擦系數值設定為力值顯示控制儀的擬定鉆井液潤滑性下限值。

控制單元是鉆井液潤滑性控制系統的重點，本次控制系統的控制單元是利用力值顯示控制儀內的單片機。該單片機具有以下兩項基本功能，即接口技術和功能擴展，這兩項基本功能可以達到鉆井液潤滑性能數據的采集和對鉆井液潤滑劑添加開關（電磁閥）的控制要求。該系統的控制原理主要為當所監控的潤滑性（摩擦系數）在某一規定范圍時，通過該單片機的命令使電磁閥停止工作；反之，當超過規定的范圍值時，再次通過單片機的命令使電磁閥繼續工作。鉆井液潤滑性能（摩擦力系數）雖然可以通過計算機語言寫入單片機，但后期不能進行修改，且潤滑性能的變化也不會被記錄下來，我們可通過設置力值顯示控制儀在規定范圍值的方式來操控，保證潤滑性能范圍的改變；同時，力值顯示控制儀可以通過其屏幕顯示各個時間段的實時潤滑性能（摩擦力值）。

鉆井液潤滑性測控系統的主要功能是實時監測潤滑性能、采集潤滑性能數據及控制潤滑性能。其主要組成包括單片機系統、潤滑性能采集系統和操作面板。單片機系統：用于現場鉆井液潤滑性能數據采集、實時鉆井液潤滑性能數據顯示、潤滑性能控制參數設置及控制潤滑劑添加電路輸出。潤滑性采集系統：GZB-2A型稱重傳感器接到力值顯示控制儀完成數據采集。操作面板：完成人和儀器的交互，實現液潤滑性能（摩擦力值）的輸入與顯示。

整個鉆井液潤滑性自動測控系統見圖1。該系統是一個循環系統，水泵不斷抽取泥漿池漿液噴向模擬鉆桿與巖石之間，巖石與模擬鉆桿之間的摩擦力通過傳導裝置傳遞給稱重傳感器，稱重傳感器通過數字信號的轉化，最后通過力值顯示控制儀顯示出來，力值顯示儀單片機通過對信號的分析對比，以電壓信號的形式控制電磁閥的工作狀態，確定是否添加潤滑劑。液體潤滑劑利用重力及流動性自動添加潤滑劑，無需再用動力添加。若潤滑性低于所需的潤滑性，則單片機自動控制電磁閥的打開，添加潤滑劑；當潤滑性達到需要的要求時，單片機則自動控制電磁閥關閉，潤滑劑添加停止。

鉆井液潤滑性自動控制系統對電磁閥進行控制，解決了在實際鉆探工程中不能實時了解鉆井液潤滑性能和及時補給潤滑劑的問題。此外，通過設定潤滑性能標準值，可以控制鉆井過程中潤滑劑的添加量。

4 結語

本文根據現有鉆井液潤滑性潤滑儀的理論基礎，通過改善數顯摩擦系數測定儀，提高獲得鉆井液潤滑性的準確性；以力值傳感器及力值顯示控制儀為基礎，通過理論分析，研制出一套鉆井液潤滑性的自動監測系統及自動控制系統。

參考文獻：

[1]李德江.鉆井液潤滑劑的現狀及發展方向[J].石油鉆探技術，1988（6）：35-38.

[2]周風山，蒲春生，倪文學，等.鉆井液潤滑性的合理評價[J].西安石油學院學報，1999（1）：22-25.