基于多傳感器的鉆井監測系統

劉佳，李喬喬

（1.廣州南洋理工職業學院，廣州510900；2.新鄉航空工業（集團）有限公司，河南 新鄉453000）

1 引言

基于多傳感器的鉆井監測系統通過現場鉆井儀表傳感器采集鉆機或者修井機設備信息，監測運轉過程中大鉤懸重和鉆壓﹑吊鉗扭矩﹑1#～3#泵沖速、1#～3#泵壓、1#～3#泵沖排量、1#～2#立管壓力、轉盤轉速﹑轉盤扭矩﹑游車高度、鉆頭位置、井深﹑泥漿回流百分比、1#～10#泥漿罐體積、泥漿罐總體積、頂驅扭矩、頂驅轉速等多種參數的動態變化[1]，幫助決策者及時掌握鉆井工況，為科學鉆井、安全鉆井提供技術保障。

2 系統整體設計

鉆井監測系統主要包括：現場鉆井儀表傳感器、顯示表、鉆井儀表數據采集單元、鉆井儀表遠程監控單元、鉆井儀表觸摸顯示單元、防爆接線箱、電纜等設備及附件[2]。

3 現場鉆井儀表傳感器及顯示表

3.1 指重及顯示表

死繩錨上液壓包傳來的液壓信號，通過指重表放大機構的連桿及傘形齒輪轉動齒輪軸，使指針產生偏轉，指示大鉤懸重和鉆壓。液壓信號連接指重變送器，變送器將量程為0～1000psi（1psi=6.895kPa）的液壓信號轉換為DC4～20mA 電流信號。

3.2 立管壓力及顯示表

立管管匯內的泥漿壓力通過傳感器中的膠杯作用在液壓油上，經液壓管線帶動表針偏轉，從而指示出立管壓力。變送器將量程為0～5000psi 的液壓信號轉換為4～20mA 電流信號。

3.3 吊鉗扭矩及顯示表

傳感器安裝在吊鉗尾繩上，在鉆桿上扣時，在吊鉗尾繩上產生一個與上扣扭矩成正比的拉力，拉力通過傳感器中的活塞作用在液壓油上，再由液壓管線傳遞到吊鉗扭矩顯示表的彈簧管上，彈簧管的自由端產生位移，通過放大機構帶動表針偏轉，表盤指示出吊鉗扭矩。液壓管線連接變送器，變送器將量程為0～5000psi 的液壓信號轉換為DC4～20mA 電流信號。

3.4 泵沖、轉盤轉速及顯示表

泵沖及轉盤轉速傳感器均采用無接觸方式測量。轉盤的傳動軸焊接的金屬物體在傳感器的感應面附近劃過，產生脈沖信號，通過鉆臺區接線箱輸出給數據采集單元。數據采集單元輸出的電信號驅動表盤指針偏轉，表盤指示出轉盤轉速，單位為r/min。

3.5 轉盤扭矩及顯示表

采用機械惰輪或筒式電阻應變測量轉盤扭矩，轉盤扭矩變送器DC4～20mA 電流信號通過鉆臺區接線箱輸出給數據采集單元。數據采集單元輸出的電信號驅動表盤指針偏轉。

3.6 頂驅扭矩及頂驅轉速

從頂驅控制系統輸出4～20mA 信號，通過鉆臺區接線箱輸出給數據采集單元。

3.7 游車高度

游車高度傳感器主要由光電編碼器組成，安裝在滾筒軸上，當滾筒轉動時，光電編碼器將輸出2 組相位差為90°的電脈沖信號，通過鉆臺區接線箱輸出給數據采集單元，計算出游車高度、鉆頭位置、井深、起下鉆速度。

3.8 泥漿罐體積

泥漿罐體積采用無接觸測量方式。由超聲波探測器發出的脈沖聲波，經泥漿罐液面表面反射折回，反射回波被同一探測器接收，探測器可將脈沖發送和接收的時間差轉換成電信號，通過泥漿罐區接線箱輸出給數據采集單元。

3.9 泥漿回流

泥漿回流接近式傳感器安裝于鉆機井孔和泥漿罐間的回流管上，監測泥漿回流管中泥漿回流百分比。在無泥漿流動時使槳板回到零位。傳感器電信號通過泥漿泵區接線箱輸出給數據采集單元。

3.10 泥漿泵泵壓

泥漿泵泵壓傳感器采用耐水基泥漿和耐油基泥漿隔膜式壓力變送器，采用法蘭與泥漿泵管匯連接。

4 數據采集單元

數據采集單元主要由電源模塊、隔離安全柵、PLC 中央處理器模塊（CPU）、信號模塊、通信模塊、無線模塊等組成，整個單元密封于防爆不銹鋼箱體內，安裝在鉆臺偏房內。來自現場傳感器由變送器處理后，經過安全柵等進入數據采集單元信號模塊，采集單元進行數據處理，計算出各參數工程值。采集單元監測到工程值達到預警值時驅動聲光報警器，提醒工程技術人員注意鉆井安全。數據采集單元與觸摸屏單元通過以太網接口通訊，采集單元通過無線模塊將數據送往遠程監測單元進行顯示記錄。采集單元通過工業以太網絡實現與電控系統PLC 數據之間的雙向傳輸。

5 觸摸屏單元

觸摸屏單元實現人機交互，包括鉆井監測界面、起下鉆界面、參數刻度界面、參數報警等界面，能進行各儀表參數標定，設置各儀表參數報警值，直觀形象地觀察各儀表參數，方便操作。顯示的數據有：大鉤懸重、鉆壓、大鉤速度、1#立管壓力、2#立管壓力、吊鉗扭矩、轉盤轉速、轉盤扭矩、頂驅轉速、頂驅扭矩、游車高度、鉆頭位置、井深、泥漿罐體積、泥漿增益、泥漿回流、1#泥漿泵泵沖泵壓、2#泥漿泵泵沖泵壓、3#泥漿泵泵沖泵壓、泥漿泵總泵沖、噸千米指示/設定等[3]。

6 遠程監控單元

包括無線模塊、穩壓電源、服務器、監視器、鉆井監測軟件、彩色打印機、以太網轉換器等。鉆井遠程監控單元在線生成彩色圖譜，所有的信息自動存儲在服務器，數據按時間順序存儲，現場技術人員能夠選擇時間或鉆井深度調出數據記錄并能曲線顯示。鉆井遠程支持中心生產和決策人員可通過網絡瀏覽現場服務器鉆井信息。

7 結語

本文提出基于多傳感器的鉆井監測系統，具有擴展性強、可靠性高的特點。系統中還可以增加多傳感器信息融合，結合鉆井區域地層結構，實現鉆前預測，為保障鉆井安全，科學鉆井提供有力保障。