CN1475653A

CN1475653A - 钻井参数采集及处理方法

Info

Publication number: CN1475653A
Application number: CNA021287392A
Authority: CN
Inventors: 华学理; 孙清德; 杨凌照; 禹荣; 王佑宁; 张德安
Original assignee: SINOPEC GROUP ZHONGYUAN PETROLEUM EXPLORATION BUREAU
Current assignee: SINOPEC GROUP ZHONGYUAN PETROLEUM EXPLORATION BUREAU; Sinopec Zhongyuan Petroleum Exploration Bureau
Priority date: 2002-08-13
Filing date: 2002-08-13
Publication date: 2004-02-18

Abstract

本发明涉及一种钻井参数采集及处理方法，是通过信号拾取系统将所需拾取的钻井参数信号通过接线箱的信号总线连接到信号隔离与转换装置，经隔离转换后送到信号处理装置进行处理、计算和显示、存储，可计算派生参数上百个，且钻井数据界面采用可视化设计，即可多画面显示钻井生产过程中所需的不同参数，又可进行参数组合选择，同时还可有效利用计算机资源进行实时监控系统，使操作人员可以准确掌握钻井过程中的各种信息，并采用远程自动化技术，实现远程监测与控制，为钻井现场决策提供依据，保证了安全、优质的钻井生产。

Description

钻井参数采集及处理方法

技术领域：本发明涉及一种钻井参数采集及处理方法，属于石油钻探现场信息处理技术领域，是一种对钻井生产过程中钻井参数进行实时监测与控制的方法。

背景技术：现有技术中，对钻井生产过程中钻井参数的实时监测，一般由一次仪表采集数据，用二次仪表进行显示。一次仪表即传感器组，包括：绞车传感器、大钩负荷传感器、立管压力传感器、转盘转速传感器、泵冲传感器、扭矩传感器及体积传感器等，二次仪表为机械装置的仪表，如压力表等，其工作流程为：传感器拾取信号、信号转换、二次仪表显示。这些方法存在以下缺陷：(1)显示参数少，精度低，操作人员可用信息少，不能满足指导现场施工的需要；(2)无法实现远程监测与控制。

发明目的：本发明的目的在于克服现有技术中显示参数少，精度低的缺陷，设计一种石油钻井现场施工过程中对钻井参数进行采集和处理的方法。

发明内容：本发明方法通过以下步骤实现：

1、信号拾取系统：由一组传感器组成，包括模拟量和数字量两种，信号拾取系统将所需拾取的钻井参数信号通过信号总线连接到信号隔离与转换装置；

2、隔离与转换装置为标准的隔离模块，包括模拟量和数字量两种，其中模拟量隔离模块将模拟量传感器组传送的电流信号转换为电压信号送到信号处理装置的A/D转换器；数字量隔离模块将数字量传感器组传送的TTL电平信号隔离后送到信号处理装置A/D转换器的计数通道；

3、信号处理装置为一套计算机系统，接收A/D转换器处理的可识别的数字信号，并进行处理、计算和显示、存储。

本发明对传感器组拾取的信号进行隔离和转换后，形成计算机可处理的数字信号，可计算派生参数上百个，且钻井数据界面采用可视化设计，即可多画面显示钻井生产过程中所需的不同参数，又可进行参数组合选择，同时还可有效利用计算机资源，实现了分布式处理，实时监控系统使操作人员可以准确掌握钻井过程中的各种信息，并以有线或无线方式，采用远程自动化技术，实现远程监测与控制，为钻井现场决策提供依据，保证了安全、优质的钻井生产。

附图及简要说明：

六、具体实施方式：

图1本发明方法步骤示意图；其中：

图2本发明模拟量信号采集与处理接线图；

图3本发明绞车信号采集与处理接线图；

图4本发明中转盘转速/泵冲信号采集与处理接线图。

其中：1：信号拾取系统 2：接线箱 3：防爆箱 4：信号隔离与转换装置 5：信号处理装置 6：防爆显示器 7：远程监控机 8：模拟量传感器 9：AM-T-14P/U5模拟量隔离模块 10：电源模块 11：A/D转换器 12：采集服务器底层 13：采集服务器主台 14：绞车传感器 15：BEI EM-DRI-IS-5-RTB-7272-24V/V数字量隔离模块：16：A/D转换器计数通道 17：转盘转速/泵冲传感器 18：AM-TU/D-4数字量隔离模块。

下面结合附图对本发明做进一步描述：

由图1可知，本发明方法通过以下步骤实现：

1、信号拾取系统(1)由一组传感器组成，包括模拟量和数字量两种，信号拾取系统(1)将所需拾取的钻井参数信号通过接线箱(2)信号总线连接到信号隔离与转换装置(4)；

2、隔离与转换装置(4)为标准的隔离模块，包括模拟量和数字量两种，其中模拟量隔离模块将模拟量传感器组传送的电流信号转换为电压信号送到信号处理装置(5)的A/D转换器；数字量隔离模块将数字量传感器组传送的TTL电平信号隔离后送到信号处理装置(5)A/D转换器的计数通道；

3、信号处理装置(5)为一套计算机系统，接收A/D转换器处理的可识别的数字信号，并进行处理、计算和显示、存储。

隔离与转换装置(4)、信号处理装置(5)安装在同一防爆箱(3)内，触摸屏位于防爆箱(3)的前面板端，防爆显示器(6)安装在司钻工作区域。

远程监控机(7)可以是多个远程终端，又可以和信号处理装置(5)同属于一台计算机的服务器。

图2为本发明模拟量信号采集与处理接线图。模拟量传感器(8)包括体积、大钩负荷、立管压力、转盘扭矩、出口流量、硫化氢传感器，该组传感器为标准的两线制，所有模拟量传感器(8)都是二线制传感器，一端为+24V电源，另一端为4-20mA电流信号。模拟量传感器(8)把拾取的信号转变为标准的4～20mA电流信号送往型号为AM-T-14P/U5的模拟量隔离模块(9)，将4～20mA信号统一变换为0～5V的电压信号送往A/D变换器(11)供信号处理装置(5)的采集服务器底层(12)采集处理，最后由信号处理装置(5)的采集服务器主台(13)转换为各自的物理量参数。

本发明有2块A/D变换器，共有32路通道，每个传感器均有自己独立的信号通道。A/D变换器(11)输入为电压信号，输出为二进制代码，由采集服务器主台(13)进行如下运算：

对12位的A/D来说，这个二进制数的长度为12位，对于满量程+5V，12位全为1的D值为4095，0～5V电压范围D值表示可用下式来计算：

D值＝4095*VI/5V(VI为实测电压值，单位：V)

对4mA(对应于物理量的0)、20mA(对应于物理量的最大值)进行标定，便可得到一条标定曲线。这样对采样来的任意D值按该曲线即可反算出相应物理量值。例如立管压力传感器为一模拟量传感器，输出信号为4-20mA，经模拟量隔离模块(9)、A/D转换器(11)送到信号处理装置(5)采集服务器底层(12)，采集范围为0-5V，对应于物理量的0-50MPa。假设采集服务器采集的立管压力通道D值为2000，则由信号处理装置(5)的采集服务器主台(13)计算其电压值为：

VI＝D*5V/4095＝2000*5/4095＝2.44V

因此对应的立管压力物理量应为：

立管压力(MPa)＝(2.44V/5V)*50MPa＝24.4MPa

附图3为本发明绞车信号采集与处理接线图，如图3所示，绞车传感器(14)为四线制传感器，其电源端V+、V-及两路信号A、B分别接到型号为BEIEM-DRI-IS-5-RTB-7272-24V/V隔离模块(15)的对应端上，电源模块(10)提供所需电源，隔离模块(15)将绞车传感器(14)送来的两组信号转换为电平信号，送到A/D转换器(16)的计数通道，然后由采集服务器底层(12)采集，并最终由采集服务器主台(13)计算、处理为大钩高度位移量，从而得到钻头位置、井深及其他派生参数。

绞车传感器(14)安装在绞车滚筒轴上，绞车滚筒转动时，传感器(14)的输出端就得到具有90°相位差的两组脉冲信号，它代表绞车滚筒的角位移。绞车滚筒转动一圈，传感器输出24个脉冲信号。利用绞车传感器(14)将滚筒转动的角度变换为脉冲的数量，由隔离模块(15)把从绞车传感器(14)得到的两路相位相差90度的脉冲分离为记数脉冲和方向控制电平(即上行和下行)，记录绞车滚筒转动的过程，经A/D转换记数通道，将采集的脉冲信号送到信号处理装置(5)的采集服务器底层(12)，由采集服务器主台(13)，进行计算处理。计算过程如下：确定滚筒上各层结束时脉冲总数，并用采集来的脉冲总数相比较，确定现在滚筒上最外层的层数，根据层数的判断结果，将脉冲总数换算为大钩的现在高度。根据两次采集大钩高度的变化量，可以计算出井深和钻头位置。

计算公式

每当绞车滚筒转动一圈，则大钩移动距离为：

Hx = \frac{π \times Dx}{M} - - - (1)

式中：Hx--大钩移动距离(cm)

Dx--某层实际缠绕直径(cm)

M--天车变速比(大绳股数)

设绞车传感器每转动360度，鉴相器能输出n个脉冲，则大钩移动距离与脉冲数的关系如下：

Kx = \frac{n}{Hx} - - - (2)

(1)与(2)综合得：

Kx = \frac{M \times n}{π \times Dx} - - - (3)

式中：Kx为在某一层数，大钩移动1厘米，鉴相器输出的脉冲数。

在实际使用时，滚筒上大绳每增加一层，相当于滚筒实际缠绕直径增量ΔD。如图5

由图可知：

ΔD = 2 \sqrt{d^{2} - {(\frac{d}{2})}^{2}} = \sqrt{3} d

式中：d为大绳直径；

当大钩从0升到最高点，滚筒上大绳要从第一层缠绕到第五层。其对应实际缠绕直径则为：

D₁＝D₀+d

D_{2} = D_{1} + \sqrt{3} d

D_{3} = D_{2} + \sqrt{3} d

D_{4} = D_{3} + \sqrt{3} d

D_{5} = D_{4} + \sqrt{3} d

其中：D₀为绞车滚简直径，因此，有对应于1到5层的Kx系数

K_{1} = \frac{M \times n}{π \times D_{1}}

K_{2} = \frac{M \times n}{π \times D_{2}}

K_{3} = \frac{M \times n}{π \times D_{2}}

K_{4} = \frac{M \times n}{π \times D_{4}}

K_{5} = \frac{M \times n}{π \times D_{5}}

由于在缠绕钢丝绳时，滚筒第一层，总是预先缠绕若干圈，用以确保安全。即在大钩高度等于零时，滚筒上还剩余一定圈数的钢丝绳，我们把这些钢丝绳定义为T，这些钢丝绳在滚筒转动时，始终不会产生脉冲数。

(1)每层(一整层)所能发出的脉冲数：

K_{0} = INT (\frac{L}{d} + 0.5) \times n

其中：K₀为一整层所发脉冲数

L为滚筒长度

n为滚筒每转动一周鉴相器输出的脉冲数

d为大绳直径

INT()为取整函数

(2)第一层未发出的脉冲数：

K₆＝T×n

式中：K₆为第一层未发出脉冲

T为大钩高度为零时滚筒上剩余大绳圈数

n为滚筒每转动一周鉴相器输出的脉冲数

(3)当每一层结束时，所发脉冲数为N：

N₁＝K₀-K₆

N₂＝K₀+N₁

N₃＝K₀+N₂

N₄＝K₀+N₃

N₅＝K₀+N₅

(4)判断层变判断层位层序，即采集现在的脉冲总数(即16位计数值)与N1到N5相比较看其落在那两个值之间，即可判断在那一层中。

根据现在的层位，我们可以求出脉冲总数对应的大钩高度。

(1)每层结束时大钩高度H

H_{1} = \frac{N_{1}}{K_{1}}

H_{2} = H_{1} + \frac{K_{0}}{K_{2}}

H_{3} = H_{2} + \frac{K_{0}}{K_{3}}

H_{4} = H_{3} + \frac{K_{0}}{K_{4}}

H_{5} = H_{4} + \frac{K_{0}}{K_{5}}

其中：H₁-H₅为每层结束时的大钩高度。(2)在某一层脉冲数所对应的大钩高度当层数已经确定，在某一具体层位，脉冲所对应的大钩高度为：

第一层

H = \frac{X}{K_{1}}

第二层

H = H_{1} + \frac{X - N_{1}}{Kz}

第三层

H = H_{2} + \frac{x - Nz}{K_{3}}

第四层

H = H_{3} + \frac{X - N_{3}}{K_{4}}

第五层

H = H_{4} + \frac{X - N_{4}}{K_{5}}

其中：H为现在大钩高度，单位：cm

X为采集所得16位计数器中的脉冲总数。

(3)由于所用单位为米，而上述式中H的单位为厘米，要经转换才能输出，同时任何深度系统都有一定的系统误差，要求随时都能校正，因此可得：

H_{m} = B \times \frac{INT (H)}{100}

式中：Hm为校正后大钩高度，单位：米

B为系统校正系数。

每次采集都能算出大钩高度为Hm，若上次采集所得大钩高度为Hm1，则有位移量：

Lo＝Hm-Hm1

其中：Io为两次采集大钩高度位移变化量。

1.若Lo＞0，则表示上行

钻头位置＝上次钻位-Lo 井深不变

2.若Lo＝0，则表示没有位移，井深和钻头位置都不变

3.若Lo＜0，则表示下行

(1)当钻头位置等于井深时

井深＝上次井深+ABS(Lo) 钻位＝井深

(2)当钻头位置不等于井深时

钻头位置＝上次钻位+ABS(Lo) 井深不变

式中，ABS()为绝对值函数

至此为止，我们已经能够把滚筒的转动角度转变成钻头位置和井深了，完成了深度的变送。

图4为本发明中转盘转速/泵冲信号采集与处理接线图。由图4可知泵冲和转盘转速传感器(17)使用同一种两线制传感器，包括三个泵冲传感器和一个转速传感器，隔离模块(18)是一块型号为AM-T-U/D-4数字量调理端口板，集成了1号泵冲，2号泵冲，3号泵冲及转盘转速4路相同传感器(17)的信号处理，其作用是将传感器信号归整为0-5VTTL电平信号，送到A/D采集卡计数通道(16)计数，然后送到采集服务器底层(12)采集，最终由采集服务器主台(13)进行计算处理。

钻井液泵动作一次(或者转盘转动一圈)，则在传感器(17)上产生一次电平信号的高低变化，计算机通过A/D变换器的计数通道(16)采集这种变化，从而计算出每分钟的泵冲数和转速。

本系统使用远程自动化技术，基于TCP/IP协议或网络支持的其他协议，采用分布式处理技术，在石油钻探现场信息处理技术领域引入采集服务器和远程终端的概念。采集服务器底层(12)为公共接口部分，安装在采集与处理计算机上，负责采集原始信号，通过网线发送到远程主机进行计算、处理。远程主机可以与采集服务器同属一台计算机，又可以为任何一台远程终端，它将处理后的信息发送回公共接口部分，然后由公共接口部分通过网络发布到各远程终端。各远程终端接收公共接口部分(底层)发布的信息，又可将自己的信息通过公共接口部分发布给其它远程终端。

Claims

1、一种钻井参数采集及处理方法，包括钻井参数采集数据、处理和显示等步骤，其特征在于：

(一)、信号拾取系统(1)由一组传感器组成，包括模拟量和数字量两种，信号拾取系统(1)将所需拾取的钻井参数信号通过接线箱(2)信号总线连接到信号隔离与转换装置(4)；

(二)、隔离与转换装置(4)为标准的隔离模块，包括模拟量和数字量两种，其中模拟量隔离模块将模拟量传感器组传送的电流信号转换为电压信号送到信号处理装置(5)的A/D转换器；数字量隔离模块将数字量传感器组传送的TTL电平信号隔离后送到信号处理装置(5)A/D转换器的计数通道；

(三)、信号处理装置(5)为一套计算机系统，接收A/D转换器处理的可识别的数字信号，并进行处理、计算和显示、存储。

2、根据权利要求1所述的钻井参数采集及处理方法，其特征在于隔离与转换装置(4)、信号处理装置(5)安装在同一防爆箱(3)内，触摸屏位于防爆箱(3)的前面板端，防爆显示器(6)安装在司钻工作区域。

3、根据权利要求1或2所述的钻井参数采集及处理方法，其特征在于信号处理装置(5)可以是一台计算机服务器，还可以连接多个远程终端或监控机。