鉆井監測系統中傳感器應用淺析＊

劉佳

（廣州南洋理工職業學院，廣東 廣州 510900）

1 引言

鉆井監測系統是鉆修井作業中實時測量鉆機運行工況，包括懸重、吊鉗扭矩、泥漿泵沖速、泥漿泵泵壓、立管壓力、轉盤轉速、轉盤扭矩、游車高度、泥漿罐體積等多種參數的變化狀態[1]，輔助操作人員和技術人員者及時了解鉆井工況，保障鉆機安全運行，避免安全事故的發生，進一步為工程人員分析鉆井地質結構提供技術支撐。

鉆井監測系統常見的模擬傳感器有壓力傳感器、接近開關、編碼器、超聲波泥漿罐體積傳感器。

2 壓力變送器

壓力變送器一般由對壓力較敏感的元件和信號處理單元構成[2]，依照元件受壓的規律把壓力信號轉變成可以遠程傳輸電信號的器件。常見的懸重、吊鉗扭矩、泥漿泵泵壓、立管壓力參數采用壓力變送器，如圖1 所示。

圖1 壓力變送器

2.1 工作原理

大鉤載荷的變化通過指重表傳感器探測的液壓信號驅動懸重壓力變送器輸出電流信號，實現懸重參數的測量。

吊鉗扭矩壓力變送器安裝在吊鉗尾部，當鉆具上扣時，大鉗尾繩上作用于與上扣扭矩成正比的拉力[3]，通過活塞傳遞液壓信號驅動吊扭矩壓力變送器輸出電信號。

立管管匯的泥漿壓力作用于傳感器連接的膠杯，轉達到液壓油上，液壓信號施加到壓力變送器輸出電信號[4]。

2.2 安裝方式

拆卸指重傳感器注油口的自封接頭，連接三通接頭，一端連接自封接頭，當傳感器注油時采用，一端接壓力變送器。安裝前應在壓力變送器接頭處纏上密封膠帶，應盡量將變送器安裝在通風干燥處，避免強光直接照射和雨淋，否則將降低變送器的性能并影響其壽命。

將吊鉗扭矩變送器放置于吊鉗的尾繩上與鉆臺固定裝置連接的一端。在傳感器受力時，尾繩中心線盡量處于水平狀態，并與吊鉗臂成90°夾角。

在泥漿管匯上開一個圓孔，焊上一個帶有2”NPT 公螺紋的短節，焊縫應密封牢固。在短節上纏上聚四氟乙烯薄膜帶，將立管傳感器上的公由壬裝在短節上。

2.3 技術性能

鉆井監測系統壓力變送器技術指標如表1 所示。

表1 壓力變送器技術性能

3 接近開關

泥漿泵泵速和轉盤轉速傳感器采用接近開關測量，接近開關是一種非接觸式傳感器。當被測的金屬物體靠近接近開關時，接近開關能輸出電信號。接近開關如圖2 所示。

3.1 工作原理

金屬物體逐漸靠近傳感器時，接近開關形成脈沖信號，通過轉速比推算，實現轉盤轉速或泥漿泵泵沖測量。

3.2 安裝方式

通常在轉盤或泥漿泵的傳動軸上適當地方焊接一個金屬感應塊（例如小平頭螺絲），傳感器固定在支架上，使其對準目標感應塊，保持感應距離5～10 mm 之間。旋轉傳動軸，確保傳感器與感應塊不會碰上。

圖2 接近開關

3.3 技術性能

泥漿泵泵沖和轉盤轉速技術性能如表2 所示。

4 編碼器

增量式光電編碼器在轉動過程中，每轉動一個角度就輸出相應的脈沖信號，一般為A 相、B 相和Z 相輸出。編碼器如圖3 所示。

4.1 工作原理

滾筒式傳感器通常采用增量式光電編碼器，光電編碼器安裝在絞車的滾筒軸上，當大鉤移動式帶動滾筒轉動，光電編碼器將大鉤移動的變化轉變為兩組相位差為90 的電脈沖信號，由數據采集單元采集處理，計算出游車高度工程值。

表2 接近開關技術性能

圖3 編碼器

4.2 安裝方式

先將滾筒軸端面的護罩及導氣龍頭的氣動接頭拆卸后，將滾筒傳感器的G3/4 英寸的管牙接上，再擰緊氣動接頭，將不銹鋼架附件與氣動線卡接牢靠固定后，裝上護罩，最后將傳感器輸出電纜接至數據采集器。

4.3 技術性能

滾筒編碼器技術性能如表3 所示。

表3 滾筒編碼器技術性能表

5 超聲波泥漿罐體積傳感器

超聲波的頻率高于20 000 Hz，泥漿是無法透過光線的介質，超聲波遇到泥漿液面表面時會發生反射，常用的超聲波泥漿罐體積傳感器如圖4 所示。

5.1 工作原理

超聲波在泥漿罐內部傳播，當聲波遇被測介質表面時，聲波會沿著發射路徑進行反射，反射的聲波有部分被超聲波液位計接收，并通過電子器件轉換成4～20 mA 信號[5]。

5.2 安裝方式

超聲波有盲區，安裝時必須預留超聲波液位計安裝位置與泥漿罐頂部的距離。泥漿罐體積傳感器通過廠家提供的安裝支架固定在泥漿罐上，安裝前需要在罐面開一個直徑200 mm 左右的圓孔，以備超聲波通過。

圖4 超聲波泥漿罐體積傳感器

5.3 技術性能

泥漿罐超聲波液位計技術性能如表4 所示。

表4 泥漿罐超聲波液位計技術性能

6 結語

中國作為全球的制造業大國，鉆修井裝備逐漸走向海外市場，制造業的產業升級對配套設備的傳感器技術提出了新的要求，本文介紹了鉆井監測系統中常見的壓力傳感器、接近開關、編碼器、液位傳感器，期望對鉆機配套儀表起到一定的參考作用。