CN203547704U - 一种通用钻机钻井参数仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种通用钻机钻井参数仪，包括：信号拾取装置，其采集钻井参数并输出相应的感应信号；与所述信号拾取装置连接的安全栅隔离模块；与所述安全栅隔离模块连接的采集处理计算机，其采集经所述安全栅隔离模块隔离处理的所述感应信号，并输出至一司控计算机，以使该司控计算机显示所述钻井参数；以及与所述司控计算机有线或无线连接以接收所述钻井参数的远程终端。本实用新型实现了在石油钻井现场施工过程中对钻井参数进行实时远程监测的目的，克服了现有技术中钻井参数实时监测装置显示参数少、精度低的缺陷。

Description

一种通用钻机钻井参数仪

技术领域

本实用新型涉及石油钻井现场施工参数采集和处理技术领域，尤其涉及一种在钻井生产过程中对钻井参数进行实时监测与控制的通用钻机（RigScope）钻井参数仪。

背景技术

目前，应用在钻井生产过程中钻井参数的实时监测装置，一般由一次仪表采集数据，并由二次仪表进行显示。一次仪表即传感器组，包括：扭矩传感器、泵压传感器、绞车传感器、大钩负荷传感器、转盘转速传感器、泵冲传感器、液位传感器等，二次仪表为机械仪表，包括二次指重表、立管压力表、吊钳扭矩表等，其工作流程为：首先传感器采集信号，然后信号变送到二次仪表显示。

然而，有些二次仪表，例如二次指重表、立管压力表、吊钳扭矩表等虽然能集中在一起显示几个信息数据，但每个仪表只能显示自己独立的数据信息，而相对无法完全把采集的信息全部显示在同一个屏幕上。因此存在以下这些缺陷：1、显示参数少、精度低，操控人员可观察利用的信息少，不能满足现场施工的需要；2、现有的二次仪表无法实现远程监测。

实用新型内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本实用新型旨在提供一种通用钻机钻井参数仪，以实现在石油钻井现场施工过程中对钻井参数进行实时远程监测，克服现有技术中钻井参数实时监测装置显示参数少、精度低的缺陷。

本实用新型所述的一种通用钻机钻井参数仪，其包括：

信号拾取装置，其采集钻井参数并输出相应的感应信号；

与所述信号拾取装置连接的安全栅隔离模块；

与所述安全栅隔离模块连接的采集处理计算机，其采集经所述安全栅隔离模块隔离处理的所述感应信号，并输出至一司控计算机，以使该司控计算机显示所述钻井参数；以及

与所述司控计算机有线或无线连接以接收所述钻井参数的远程终端。

在上述的通用钻机钻井参数仪中，所述信号拾取装置包括若干模拟量传感器和若干数字量传感器。

在上述的通用钻机钻井参数仪中，所述安全栅隔离模块包括与所述模拟量传感器连接的模拟量隔离单元，以及与所述数字量传感器连接的数字量隔离单元。

在上述的通用钻机钻井参数仪中，所述采集处理计算机包括与所述安全栅隔离模块连接的抗干扰信号处理模块，其一方面与一数据采集模块连接，另一方面通过一计数模块与所述数据采集模块连接，其中，所述数据采集模块与所述司控计算机连接。

在上述的通用钻机钻井参数仪中，所述抗干扰信号处理模块包括连接在所述模拟量隔离单元与数据采集模块之间的A/D转换器，以及连接在所述数字量隔离单元与计数模块之间的鉴相板。

在上述的通用钻机钻井参数仪中，所述远程终端包括与所述司控计算机连接的终端计算机，以及与所述终端计算机连接的打印机和/或路由器。

在上述的通用钻机钻井参数仪中，所述系统还包括用于向所述安全栅隔离模块供电的电源。

在上述的通用钻机钻井参数仪中，所述参数仪包括用于容置所述安全栅隔离模块和采集处理计算机的防爆采集箱。

由于采用了上述的技术解决方案，本实用新型通过对信号拾取装置拾取的信号进过安全栅隔离和转换后，形成采集处理计算机可处理的信号，并且采用可视化设计，即通过采用司控计算机，既可以多画面显示钻井生产过程中所需的不同参数，又便于司控操作人员进行参数组合选择；同时，本实用新型还有效利用了计算机资源，实现了分布式管理，不仅使操作人员可以实时、准确地掌握钻井过程中的各种参数信息，并通过有线或无线技术将这些参数信息传递至远程终端，从而为钻井现场决策提供依据，保证了安全、优质的钻井作业。

附图说明

图1是本实用新型一种通用钻机钻井参数仪的原理框图；

图2是本实用新型一种通用钻机钻井参数仪中信号拾取装置、安全栅隔离模块、采集处理计算机以及远程终端的内部结构框图；

图3是本实用新型一种通用钻机钻井参数仪的一种实施例的部分结构框图；

图4是本实用新型一种通用钻机钻井参数仪的另一种实施例的部分结构框图；

图5是本实用新型一种通用钻机钻井参数仪的信号拾取装置与外围液压表系统的连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本实用新型的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1-2所示，本实用新型，即一种通用钻机钻井参数仪，其包括依次连接的信号拾取装置1、安全栅隔离模块6、采集处理计算机3、司控计算机19以及远程终端4，还包括向安全栅隔离模块6供电的电源20，其中，安全栅隔离模块6、采集处理计算机3和电源20均容置在防爆采集箱2（防爆不锈钢密封箱体）中，司控计算机19安装在司控工作区域（司钻房内的司钻房台上）。

信号拾取装置1用于采集钻井参数并通过专用电缆向防爆采集箱2中的安全栅隔离模块6输出相应的感应信号，其包括一组模拟量传感器12和数字量传感器13（包括7-13个）。

安全栅隔离模块6包括与模拟量传感器12连接的模拟量隔离单元15，以及与数字量传感器13连接的数字量隔离单元14，该模拟量隔离单元15和数字量隔离单元14均由隔离式安全栅实现。

采集处理计算机3用于采集经安全栅隔离模块6隔离处理的感应信号，并将该处理后的信号输出至司控计算机19，以使该司控计算机19保存钻井参数并经数字化处理后显示该钻井参数以供司空操作人员查看（在本实施例中，司控计算机19具有15寸高亮度彩色液晶显示屏）；采集处理计算机3包括与安全栅隔离模块6连接的抗干扰信号处理模块7，该抗干扰信号处理模块7一方面与数据采集模块8连接，另一方面通过计数模块18与数据采集模块8连接，其中，数据采集模块8与司控计算机19连接；抗干扰信号处理模块7包括连接在模拟量隔离单元15与数据采集模块8之间的A/D转换器16，以及连接在数字量隔离单元14与计数模块18之间的鉴相板17。具体来说，模拟量隔离单元15将模拟量传感器12传送的感应信号（该感应信号为电流信号）转换成电压信号传送到抗干扰信号处理模块7中的A/D转换器16进行模数转换，最后，数据采集模块8接收经A/D转换器16处理后的可识别的数字信号，并进行处理（包括将这些数字信号分析转换为各自的物理量参数）、计算和存储后传输至司控计算机19；数字量隔离单元14将数字量传感器13传送的感应信号（该感应信号为TTL电平信号）隔离后传送到抗干扰信号处理模块7中的鉴相板17，通过鉴相板17检测波型以确定数字量的增加或减少，处理后的数字信号传输至计数模块18，以显示和累计产生的脉冲，最后经由数据采集模块8分析转换为各自的物理量参数，并将这些参数传输至司控计算机19；

远程终端4（处于安全区）与司控计算机19有线或无线连接以接收钻井参数，其包括与司控计算机19连接的终端计算机9（例如笔记本电脑等便携式计算机），以及与终端计算机9连接的打印机10和/或路由器11，具体来说，终端计算机9通过USB电缆与打印机10连接，通过有线或无线与路由器11连接，无线路由器可通过网线与司控计算机19连接，实时钻井信息可以通过司控计算机19传输至远程终端4并可以通过打印机10打印出来，从而同时可存储电子数据和纸质数据。在本实施例中，远程终端4的数量可以是多个，也可以同井场其他用户。

在本实施例中，模拟量传感器12拾取的模拟量信号包括液位、大钩负荷、立管压力、转盘扭矩、出口流量等，模拟量传感器12的一端为+24V电源，另一端为4-20mA电流信号，即模拟量传感器12把拾取的信号转变为标准的4-20mA电流信号送往安全栅隔离模块6的模拟量隔离单元15，该模拟量隔离单元15再将4-20mA电流信号同一变换为0-5V的电压信号传递给A/D转换处理模块16；数字量传感器13拾取的数字量信号包括井深、泵冲、转盘转速等。信号拾取装置1中的每个传感器均有自己独立的信号通道，本实用新型可以扩展至41路通道，其中，32路为模拟量通道，9路为数字量通道。

在本实施例中，信号拾取装置1中的模拟量传感器12例如可采用外围液压表系统5中的多个压力传感器；如图5所示，外围液压表系统可以包括：指重表51、灵敏阻尼阀52、指重阻尼阀53、立管压力表54、立管阻尼阀55、吊钳扭矩表56、吊钳阻尼阀57、分别通过管线与指重表51、立管压力表54、吊钳扭矩表56连接的压力变送器58以及分别与指重阻尼阀53、立管阻尼阀55、吊钳阻尼阀57连接的压力传感器59，其中，压力变送器58产生的压力信号可以直接由相应的压力表直观的显示出来，同时由压力传感器59监测的压力信号则被传输至安全栅隔离模块6。

图3示出了本实用新型采集与处理绞车信号时的原理框图。在该实施例中，信号拾取装置1中采用的模拟量传感器12为绞车传感器，其为四线制传感器，其电源端V+、V-及两路信号A、B分别接到模拟量隔离单元15的对应端上，电源20提供所需电源，模拟量隔离单元15将绞车传感器送来的两组信号转换为电平信号，并输送至A/D转换器16的计数通道，然后传输至数据采集模块8，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，这些参数最终被送入司钻计算机19，以显示需要的信息。

具体来说，绞车传感器安装在绞车滚筒轴上，绞车滚筒转动时，绞车传感器的输出端得到具有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，该传感器输出24个脉冲信号。利用绞车传感器将滚筒转动的角度变换为脉冲的数量，由模拟量隔离单元15把从绞车传感器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转换器16的记数通道，将釆集的脉冲信号送至数据采集模块8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，并与采集来的脉冲总数相比较，确定实时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。计算公式如下（其均为现有技术）：

每当绞车滚筒转动一圈，则大钩移动距离为：

Hx=(π×Dx)/M     （1）

式中：Hx为大钩移动距离（cm），

Dx为某层实际缠绕直径（cm），

M为天车变速比（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=n/Hx     （2）

由式（1）与（2）综合得：

Kx=(M×n)/(π×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△D。

则 $\mathrm{\ΔD}=\sqrt{d^2-{\left(\frac{d}{2}\right)}^2}=\sqrt{3}d,$ 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：

$\begin{array}{c}{D}_1=D_0+d\\ D_2=D_1+\sqrt{3}d\\ D_3=D_2+\sqrt{3}d\\ D_4=D_3+\sqrt{3}d\\ D_5=D_4+\sqrt{3}d\end{array}$

其中：D₀为绞车滚筒直径，因此，有对应于1到5层的Kx系数：

K₁=(M×n)/(π×D₁)，K₂=(M×n)/(π×D₂)，

K₃=(M×n)/(π×D₃)，K₄=(M×n)/(π×D₄)，

K₅=(M×n)/(π×D₅)；

由于在缠绕钢丝绳时，滚筒第一层总是预先缠绕若干圈，以确保安全。及在大钩高度等于零时，滚简上还剩余一定圈数的钢丝绳，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：K₀=INT(L/d+0.5)×n；

其中：K₀为一整层所发脉冲数；

L为滚筒长度；

n为滚筒毎转动一周鉴相器输出的脉冲数；

d为大绳直径；

INT（L/d+0.5）为取整函数。

2、第一层未发出的脉冲数：K₆=T×n；

其中：K₆为第一层未发出脉冲；

T为大钩高度为零时滚筒上剩佘大绳圈数；

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+N₄。

4、判断层变判断层位层序，即釆集现在的脉冲总数（即16位计数值）与N₁到N₅相比较确定其落在哪两个值之间，即可判断在那一层中。

根据现在的层位，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为：

H₁=N₁/K₁；

H₂=H₁+K₀/K₂；

H₃=H₂+K₀/K₃；

H₄=H₃+K₀/K₄；

H₅=H₄+K₀/K₅；

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，脉冲多对应的大钩高度为：

第一层    H=X/K₁；

第二层    H=H₁+(X-N₁)/K₂；

第三层    H=H₂+(X-N₂)/K₃；

第四层    H=H₃+(X-N₃)/K₄；

第五层    H=H₄+(X-N₄)/K₅；

其中：H为大钩高度，单位：cm；

X为采集所得计数器中的脉冲总数。

3、由于使用单位为米，上述式中H的单位为厘米，经过转换输出，同时也可对系统误差进行校正，可得公式：

H_m=B×(INT(H))/100；

式中：H_m为校正后大钩高度，单位：米

B为系统校正系数。

每次采集能计算出大钩高度H_m，如果上次采集所得大钩高度H_m1，则有位移量：

L₀=H_m-H_m1；

其中：L₀为两次采集大钩高度位移变化量。

（1）L₀>0，说明上行；

钻头位置=上次钻位-L₀（井深不变）；

（2）L₀=0，表示没有位移，井深和钻头位置都不变；

（3）L₀<0，表示下行；

当钻头位置等于井深时：

井深=上次井深+L₀（钻位等于井深）；

当钻头位置不等于井深时：

钻头位置=上次钻位+L₀（井深不变）。

图4示出了本实用新型采集与处理转盘转速、泵冲信号时的原理框图。在该实施例中，信号拾取装置1中采用的数字量传感器13为两个泵冲传感器和一个转盘转速传感器（均为同一种两线制的传感器），数字量隔离单元14集成了1号泵冲、2号泵冲、3号泵冲（备用）及转盘转速4路相同传感器的信号处理，其作用是将传感器信号归整为0-5V、TTL电平信号，安全隔离后的信号传送到鉴相板17，鉴相板17处理后的数字信号传到计数模块18计数（钻井液泵动作一次（或者转盘转动一圈），则在传感器12上产生一次电平信号的高低变化，采集处理计算机3通过鉴相板17处理，计数模块18采集这种变化，从而计算出每分钟的泵冲数和转速），计数后送往数据采集模块8分析转换为各自的物理量参数，得到的物理量参数送入司钻计算机19，显示泵冲及转盘转速。

以上所述的，仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的范围，本实用新型的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本实用新型申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本实用新型专利的权利要求保护范围。本实用新型未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (8)

1.一种通用钻机钻井参数仪，其特征在于，所述参数仪包括： 

信号拾取装置，其采集钻井参数并输出相应的感应信号； 

与所述信号拾取装置连接的安全栅隔离模块； 

与所述安全栅隔离模块连接的采集处理计算机，其采集经所述安全栅隔离模块隔离处理的所述感应信号，并输出至一司控计算机，以使该司控计算机显示所述钻井参数；以及 

与所述司控计算机有线或无线连接以接收所述钻井参数的远程终端。 

2.根据权利要求1所述的通用钻机钻井参数仪，其特征在于，所述信号拾取装置包括若干模拟量传感器和若干数字量传感器。 

3.根据权利要求2所述的通用钻机钻井参数仪，其特征在于，所述安全栅隔离模块包括与所述模拟量传感器连接的模拟量隔离单元，以及与所述数字量传感器连接的数字量隔离单元。 

4.根据权利要求3所述的通用钻机钻井参数仪，其特征在于，所述采集处理计算机包括与所述安全栅隔离模块连接的抗干扰信号处理模块，其一方面与一数据采集模块连接，另一方面通过一计数模块与所述数据采集模块连接，其中，所述数据采集模块与所述司控计算机连接。 

5.根据权利要求4所述的通用钻机钻井参数仪，其特征在于，所述抗干扰信号处理模块包括连接在所述模拟量隔离单元与数据采集模块之间的A/D转换器，以及连接在所述数字量隔离单元与计数模块之间的鉴相板。 

6.根据权利要求1所述的通用钻机钻井参数仪，其特征在于，所述远程终端包括与所述司控计算机连接的终端计算机，以及与所述终端计算机连接的打印机和/或路由器。 

7.根据权利要求1所述的通用钻机钻井参数仪，其特征在于，所述参数仪还包括用于向所述安全栅隔离模块供电的电源。 

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的通用钻机钻井参数仪，其特征在于，所述参数仪包括用于容置所述安全栅隔离模块和采集处理计算机的防爆采集箱。 

Images