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1钻井仪器仪表1.1钻井仪表概述1.1.1钻井仪表的基本概念在生产过程中，为了及时准确地了解生产过程情况，需要使用各种自动测量仪表，不断地对生产过程的各个参数进行检测，并把测量结果及时指示或记录下来，这个系统就叫自动测量系统。钻井仪表实际上是一种测量系统。在钻井工艺过程中能够对钻井参数进行感应、测量或传送，实现对生产过程的控制。在钻井缓慢发展阶段，在钻机上逐步配备了一些简单的单参数检测仪表和指重表、泵压表、转速表等；在科学化钻井阶段，需要监视和记录的钻井参数逐渐增多，这时成套的钻井参数测量记录仪就应运而生。目前国内外钻井工艺主要还是使用这一类局部自动化检测仪表。在钻井过程中可以连续地测量。显示和记录钻井工艺的各种有关参数。到了自动化钻井阶段，随着昀优化钻井工艺的发展，要求及时处理大量的资料并发出各种指令，单靠人工是无法完成的。因此一些公司相继研制出计算机控制的各类属于综合自动化的钻井仪表。随着科学技术的进一步发展，将逐步实现钻井工程的全面自动化。将检测到的参数自动输入工业计算机，对钻井工艺过程进行全面自动调节和控制。钻井仪表系统可以分为三大部分：信号检测部分、信号变换部分、指示和记录部分。1.1.2钻井仪表的测量及控制的参数钻井是一项复杂的系统工程。钻井参数数量之多，变化之大，涉及面之广，是钻井工程的独特之处。钻井工程的工作面集中，钻头处在离地面数千米的地下，潜在的危险性大。因而随钻井测量的许多参数需经远距离、多介质的传递，并往往滞后一定的时间才能到达地面。这就更增加了钻井参数测量和控制的复杂程度。钻井工艺过程参数可分为：（1）与泥浆有关的参数：泥浆类型、泥浆体积、固相含量、可燃气体含量、H2S含量、泥浆密度、返出泥浆流量、泥浆起下钻体积、CO2含量、泥浆温度、塑性粘度、动切力、电导率、泥浆液位等。（2）水力参数：泵压、泵排量、立管压力、套管压力、喷射速度、环空流速、泵冲数等。（3）钻井参数：钻压、转速、扭矩、钻速、进尺、井深、dc指数、起下钻及钻进时间、井斜角、方位角、工具面方向、磁场强度、地磁倾角、井下扭矩、振动、井下钻压、地层放射性、电阻率、弯曲力矩向量、合力向量、井径、环空温度、孔隙度、水泥浆密度、酸液浓度等。1.1.3钻井仪表的分类（1）按驱动动力分类气动仪表，加气动记录仪等；液动仪表如泵压表、指重表等；电动仪表如电动转速表、电动压力变送器等。（2）按结构及完善程度分类①单参数检测仪表：如指重表、测斜表等。②多参数钻井仪表处理系统：如ZJC型钻井仪、SK-2Z01系列钻井仪表、Datalog系列钻井仪表、M／D-3200马丁一戴克钻井仪等。③钻井数据集中遥测和分析系统：如TELEDRILL钻井仪，可对上百台钻机进行遥控。1.1.4钻井仪表的构成钻井仪表系统分为：传感器（一次仪表）、信号处理器（放大器、校正器）、显示记录仪、计算机、打印机、磁带记录器、报警器等。（1）传感器传感器也叫一次仪表，它能把待测参数的变化分辨出来，并转换为另一种形式的可测量量。它有两种功能：一是能够感受待测参数；二是变换和传送待测参数。传感器的输入量即为待测的钻井参数；而输出量则是另一种形式的可测量，如电压、电流、频率、气压、液压等。传感器的输入信号来源于钻机的三大系统：循环系统、吊升系统、旋转系统。它们分装在钻机的有关部位。取自循环系统的参数主要有6个（泥浆密度、泥浆出口温度、地面泥浆总体积、出口泥浆流量、泵压、泵排量等）。与吊升系统有关的参数为：大钩负荷、大钩高度与井眼深度等。取自旋转系统的参数为：转盘转速和扭矩。（2）信号处理器从传感器来的信号往往能量较低，不足以直接推动显示记录仪表，因此必须加以放大；而过强的信号则须加以衰减；信号中所含的各种干扰成分必须加以滤除；显示仪表往往具有标准限量，因而要把传感器输出信号做相应的调整与校正。如果要显示记录一个运算结果（如泥浆体积等于泥浆液位与泥浆池截面积之积），则还要对原始数据进行运算。上述的放大、衰减、校正、滤波、阻尼及运算作用，都是由信号处理器来实现的。处理器可以是由气动元件。液动元件、电子元件组成的电子线路或计算机系统，它们的性能及复杂程度有较大差异。（3）显示、记录仪表显示、记录部分的作用是实时地显示和永久性地记录各种钻井参数资料。显示器有模拟指针式表头（如电压表、电流表、压力计等）也有数字式显示器（如发光二极管、液晶显示器），还有屏幕显示器等。装在钻台上的显示器，应保证司钻可以在一定距离内准确地读出数据。记录仪可以连续地记录生产系统或工艺过程中的某些变量。在多数场合中，变量值被记录在时间坐标上，即把随时间变化的变量值作为记录的内容。记录仪可以大致分为两种类型：圆图记录仪和长图记录仪。圆图记录仪使用有规定刻度的圆形记录纸；长图记录仪则用很长的带状记录纸，将记录纸收卷在卷纸轴上。记录仪的走纸信号可以是时间，也可以是井深等参数。因此同一个参数既可以记录成时间函数曲线，也可以记录成井深等其它函数曲线。有的记录仪只记录一个变量，而有的记录仪却能够记录2个、4个、6个、8个以至更多个变量。钻井仪表中往往使用多道记录仪，把几个参数集中记录在一张记录纸上，既节约了设备，又便于把各有关的参数联系起来进行综合观察、分析对比。（4）其它部分信息处理系统具有存储、运算等功能，一些反映钻井工艺实质性参数，如“dc”指数、水力功率、环空流速等，其运算就是在这里进行的。该系统有若干存储器，能存储检测程序，使各种原始数据有秩序地进人处理机。能存储运算程序，指挥和操纵其内部的运算器，将各种参数根据程序进行计算。还能够把原始数据、中间结果和昀终结果记忆下来，以备对比之用。总之，信息处理系统是数据采集系统的核心，是所有外围执行装置的指令装置。打印机、磁带记录器和报警器都是处理机的外围装置。打印机是为了把数据保留为档案资料，以备分析之用。它可以根据需要，把数据整理成报表或报告的格式。磁带记录仪是为了把收集的数据集中到计算分析中心，以备综合其昀优措施，实现对下一口井的昀优化设计，或对该井进行综合的技术经济评价，必须把数据以磁带记录形式保留下来，供大型计算机使用。报警器包括声、光报警装置，一旦反映钻井安全的若干参数出现异常时，处理机根据这些异常数据，进行逻辑判断，发出预报警信号，并操纵报警装置，发出强烈的声光报警信号，提醒相关技术人员采取应变措施，确保安全生产。1.2钻井指重表1.2.1悬重和钻压的测量原理1.2.1.1用途钻井指重表是石油钻井普遍使用的一种重要的钻井仪表。用于测量钻井过程中大钩负荷（悬重）及钻压。根据悬重和钻压的大小及其变化，了解钻头、钻柱的工作情况，指导钻进、打捞作业和井下复杂情况的处理。指重表按其工作原理可分为液压式、机械式、电子式等。目前石油钻井工程中大多采用液压式指重表。在液压式指重表中，性能较好和使用较多的有日本产W系列、国产JZ系列和MZ系列以及美国产FS系列几种。W系列指重表已被国产JZ和MZ系列指重表代替。美国FS系列指重表数量很少。1.2.1.2工作原理液压指重表的工作原理是通过死绳固定器将死绳拉力通过绳轮力臂传递给传压器，使传压器橡胶膜片压缩液压油，从而转换成其大小与死绳拉力成正比的液压压力信号。这个压力信号过三通，一路送指重表显示大钩负荷、钻压；另一路送记录机构。液压式指重表的主要技术指标，见表1-1。表1-1液压式指重表技术指标精度额定负荷重量型号指重表允许误差/%记录表允许误差/%灵敏度死绳kN6股绳kN8股绳kN10股绳kN12股绳kN记录时钟满弦运行时间/h使用环境温度℃死绳固定器kg箱体kgJZ250±1.5±2.5≤102502500300048－30～5048070JZ400±1.5±1.5≤103503500420048－30～5070070JZ60±1.5±2.5≤10100600800－30～5048471.2.2JZ和MZ系列指重表JZ和MZ系列指重表的结构和使用方法与W系列指重表的使用方法相同。1.2.2.1结构与原理JZ、MZ和W系列指重表都是由死绳固定器、传感器、指重表、记录仪、胶管及快速自封接头、手压泵等组成，如图1-1所示。图1-1JZ系列指重表1一记录仪；2一指重表；3一钢丝绳；4一压板；5一传感器。6一绳轮；7一固定螺栓；8一传压管线1.2.2.1.1死绳固定器和压力传感器死绳固定器是将钻机大绳固定在井架底座上的一种装置。死绳固定器上安装有压力传感器，主要由底座、死绳滚筒、传感器、臂梁、夹紧装置、轴承等组成，如图1-2所示。图1-2死绳固定器1－绳轮；2—轴承；3—底座；4—端盖；5—并冒；6—轴；7—压盖；8—绳卡；9—传感器；10—销轴；传感器安装在死绳固定器上，是死绳固定器总成的重要部件。当钢丝绳受张力时，死绳轮便有转动趋势，臂梁对传感器施加拉力。在传感器压盘和橡胶膜片作用下，将这一拉力转换为承压室中的压力（压强)P。该压力信号由液压管线传递给指重表和记录仪进行转换、显示与记录。传感器主要由上下支承盘、油室压盘、油隙盘、橡胶膜片、回螺栓、油管接头等组成，如图1-3所示。图1-3传感器l一油管接头；2一上盖；3一接头；4一胶皮膜；5一压圈；6一压盖；7一下盖；8一自封接头三通；9一内六方螺丝；l0一抚圈；11一螺丝套筒1.2.2.1.2指重表指重表是一种特制的弹簧管液压表。它主要由弹簧管、放大机构、指重表指针、灵敏表指针、表盘等组成，如图1-4所示。图1-4指重表1一指重表盘；2一灵敏表盘；3一灵敏针；4一指重针；5一放气阀；6一指重减震阀；7一传压管线；8一灵敏表盘旋钮；9一弹簧管；10一表盖螺钉；11一压盖玻璃指重表和灵敏表组装在一起。指重表表针昀大偏转角度为375゜，灵敏表表针的昀大偏转角度为指重表表针的四倍。指重表、灵敏表各有一根弹簧管，其额定压力为5.884MPa。指重表、灵敏表弹簧管的自由端惟一通过连杆带动扇形齿轮、齿轮轴转动，从而使指针产生偏转。指重表扇形齿轮的传动比为13:1，灵敏表的扇形齿轮的传动比为32:1。放大机构由三块固定板和支承固定。齿轮轴均用滚动轴承做支承，以提高仪器的灵敏度和耐用性能。指重表的表盘为黑底黄字，灵敏表的表盘为黑底白字，但有的产品均为黄字。指重表和灵敏表的表盘应根据钻机和绳数来选择。1.2.2.1.3记录仪记录仪主要由弹簧管、钟机、记录笔杆、热敏笔尖（或墨水笔尖）、稳压电源及记录纸等组成，如图1-5所示。图1-5记录仪1一笔杆；2一笔尖；3一微调螺钉；4一传压管线入由传感器输出的压力通过弹簧管带动连杆机构转换成记录笔杆的摆动，由笔尖在记录纸上画出悬重曲线。时钟以1圈／24h的速度转动，这样就将钻机工作状况记录下来了。钟机上一次发条，可连续工作48h以上。稳压电源输人电压220V，输出电压2.6V。1.2.2.1.4连接管线和快速自封接头连接管线采用两层钢丝编制胶管，两端用快速自封接头连接。快速自封接头由本体、阀芯、弹簧座、弹簧、“O”形胶圈等组成。1.2.2.1.5手压泵手压泵用于对传感器泵油。它主要由缸体、活塞缸、活塞、密封圈以及单流凡尔等组成，如图1-6所示。图1-6手压泵1一出油凡尔；2一缸体；3一活塞；4一活塞缸；5一进油凡尔1.2.2.2JZ系列指重表技术规格JZ和MZ系列指重表的技术规格相同，此处以JZ系列为例进行介绍（表1-2）。表1-2指重表行术规格指重表类型昀大死绳拉力kN负载大绳股数相应载荷/kN重量指示仪误差记录仪误差灵敏限kN工作环境温度℃死绳固定器输出压力MPa4400JZ40A(直拉式)1006600±1.0%5-40~504.24400JZ40(卧式)1006600±1.0%5-40~50644006600JZ60(直拉式)1008800±1.0%5-40~504.2690081200JZ100(卧式)150101500±1.0%±2.5%10-40~506690081200JZ100A(立式)150101500±1.0%±2.5%10-40~504.26108081440JZ150A(卧式)180101800±1.0%±2.5%10-40~50661080814