钻井仪表基础知识

第一章钻井仪表基础知识钻井采油仪表（64学时）全书包括三篇内容。包括钻井参数仪表、采油仪表、站场自动控制三部分计划讲钻井参数仪表和采油仪表（见授课计划）钻井参数仪表包括：钻井仪表基础知识（测量、控制仪表概述，测量仪表的品质指标，钻井仪表的分类与构成）、常用钻井参数测量（压力测量，钻压测量、钻井液压力测量、钻井液流量测量，钻井液容量测量，钻井液密度测量，转盘扭矩测量，大钳扭矩测量，转盘转速传感器，钻井进尺测量）、国内外典型钻井仪表简介采油参数仪表包括：井站常用测量仪表、井下生产测试仪表、抽油井井下探测与示功图测试。第一章钻井仪表基础知识采油参数仪表包括：井站常用测量仪表（压力测量仪表，流量测量仪表，液位测量仪表，温度测量仪表）、井下生产测试仪表（井下压力计，井下温度计，井下流量计，井下取样器，油井找水仪）、抽油井井下探测与示功图测试（井下液面探测，深井泵示功图测试）。第一章钻井仪表基础知识复习上节课内容：第一节测量、控制仪表概述一、测量过程概念二、测量的概念三、测量方法（按测量方式分类、按测量条件分类、按接触方式分类）四、测量仪表组成（测量机构、传送放大机构、显示机构）第一章钻井仪表基础知识•一：测量过程和测量•测量过程：将生产过程中对各种变量的数值检测并显示出来的过程测量是指人们用实验的方法，•测量：借助于一定的仪器或设备，将被测量与同性质的单位标准量进行比较，并确定被测量对标准量的倍数，从而获得关于被测量的定量信息。公式：Q＝qvq=Q/vQ—被测量v—测量单位q—被测量与所选测量单位的比值第一章钻井仪表基础知识二、测量方法测量方法就是实现被测量与其单位比较的方法。测量方法应按被测量的性质、特点和测量任务要求来选择。测量方法分类如下：（1）按测量方式分类：直接法、间接法、组合法（2）按测量条件分为等精度测量和不等精度测量（3）按传感器与被测对象是否直接接触：接触式测量、非接触式测量（4）按测量值的获得方式：偏移法、零位法、差分式法第一章钻井仪表基础知识三、测量仪表从测量仪表的组成来看，基本上是由测量机构传送放大机构显示机构三部分测量机构直接感受被测参数，并将它变成适合于测量的信号，经传送放大机构对信号进行传送放大，最后由显示机构进行指示，记录。实质：将被测参数信号能量形式一次或多次不断地变换和传送，并将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。第一章钻井仪表基础知识第二节测量仪表的品质指标包括内容：1、知识目标：通过本次课程的学习能够进行各种误差的判定以及公式的掌握。2、能力目标：通过本次课程的学习能够进行应用到仪表中去简单计算精度、灵敏度等。3、素质目标：正确指导生产操作，保证安全生产。拓展内容：第一章钻井仪表基础知识第二节测量仪表的品质指标一、测量误差概念1、概念：由于检测系统(仪表)不可能绝对精确，测量原理的局限、测量方法的不尽完善、环境因素和外界干扰的存在以及测量过程可能会影响被测对象的原有状态等，使得测量结果不能准确地反映被测量的真值而存在一定的偏差，这个偏差就是测量误差。测量值与真实值之差称为测量误差。第一章钻井仪表基础知识2、真实值的确定1）计量学约定的真值根据国际计量委员会通过并发布的各种物理参量单位的定义，利用当今最高科学技术复现的这些实物单位基准，其值被公认为国际或国家基准称为约定真值。2）标准仪器的相对真值如果高一级检测仪器(计量器具)的误差仅为低一级检测仪器的误差的l/3～l/10，则可认为前者是后者的相对真值。3）标称值计量或测量器具上标注的量值，称为标称值。4）示值检测仪器（或系统）指示或显示（被测参量）的数值叫示值，也叫测量值或读数。5）理论真值一般用高级表的测量值代表低级表的真值3、误差产生的原因1）实验方法（方法误差）2）仪器精度（工具误差）3）环境（环境误差）4）人为因素（人员误差）第一章钻井仪表基础知识二、测量误差分类与表示方法1、测量误差分类从不同的角度，测量误差可有不同的分类方法。根据测量误差的性质(或出现的规律)产生的原因通常可分为系统误差、随机误差和粗大误差三类。1)系统误差第一章钻井仪表基础知识在相同条件下，多次重复测量同一被测参数数值时，其测量误差的大小和符号保持不变；或在条件改变时，误差按某一确定的规律变化，这种测量误差称为系统误差。检测装置本身性能不完善、测量方法不完善、测量者对仪器使用不当、环境条件的变化等原因都可能产生系统误差。例如，某仪表刻度盘分度不准确，就会造成读数偏大或偏其误差值恒定不变的又称为定值系统误差，其误差值变化的则称为变值系统误差。变值系统误差又可分为累进性的、周期性的以及按复杂规律变化的几种。系统误差可发现，可消除或修正。它反映仪表的准确度特征。第一章钻井仪表基础知识2)随机误差在相同条件下多次重复测量同一被测参量时，测量误差的大小与符号均无规律变化，这类误差称为随机误差。随机误差表现测量结果的分散性，通常用精密度表征随机误差的大小。随机误差越大，精密度越低；反之，精密度就越高。测量的精密度高，亦即表明测量的重复性好。随机误差是测量过程中，许多独立的、微小的，偶然的因素引起的综合结果。不易发现，不能消除。第一章钻井仪表基础知识当系统误差远大于随机误差，此时按纯粹系统差处理；系统误差很小，已经校正，则可按纯粹随机误差处理；系统误差和随机误差不多，此时应分别按不同方法来处理。精度是反映检测仪器的综合指标，精度高必须做到准确度高、精密度也高，也就是说必须使系统误差和随机误差都小。a)b)c)第一章钻井仪表基础知识3）粗大误差•明显歪曲测量结果的误差称作粗大误差，又称过失误差，粗大误差主要是人为因素造成的。例如，测量人员工作时疏忽大意，出现了读数错误、记录错误、计算错误或操作不当等。另外，测量方法不恰当，测量条件意外的突然变化，也可能造成粗大误差。•含有粗大误差的测量值称为坏值或异常值。坏值应从测量结果中剔除。•在实际测量工作中，由于粗大误差的误差数值特别大，容易从测量结果中发现，一经发现有粗大误差，可以认为该次测量无效，测量数据应剔除，从而消除它对测量结果的影响。第一章钻井仪表基础知识2、测量误差的表示方法1）绝对误差与相对误差⑴绝对误差：绝对误差是仪表的指示值x与被测量的真值T之间的差值，记做绝对误差有符号和单位，它的单位与被测量相同。引入绝对误差后，被测量真值可以表示为含有误差的指示值加上修正值之后，可以消除误差的影响，在计量工作中，通常采用加修正值的方法来保证测量值的准确可靠，仪表送上级计量部门检定，其主要目的就是获得一个准确的修正值。TXCXXT第一章钻井仪表基础知识绝对误差愈小，说明指示值愈接近真值，测量精度愈高。但这一结论只适用于被测量值相同的情况，而不能说明不同值的测量精度。例如，某测量长度的仪器；测量10mm的长度，绝对误差为0.001mm。另一仪器测量200mm长度，误差为0.01mm；这就很难按绝对误差的大小来判断测量精度高低了，这是因为后者的绝对误差虽然比前者大，但它相对于被测量的值却显得较小。为此，引入相对误差的概念。第一章钻井仪表基础知识⑵相对误差相对误差是仪表指示值的绝对误差与被测量真值T的比值，常用百分数表示，即相对误差比绝对误差能更好地说明测量的精确程度。在上面的例子中显然，后一种长度测量仪表更精确。%100%100XT%01.0%10010001.01%005.0%10020001.02第一章钻井仪表基础知识在实际测量中，由于被测量真值是未知的，而指示值又很接近真值。因此，可以用指示值x代替真值T来计算相对误差。使用相对误差来评定测量精度，也有局限性。它只能说明不同测量结果的准确程度，但不适用于衡量测量仪表本身的质量。因为同一台仪表在整个测量范围内的相对误差不是定值。随着被测量的减小相对误差变大。为了更合理地评价仪表质量；采用了引用误差的概念。第一章钻井仪表基础知识2)引用误差是绝对误差与仪表量程上的比值，通常以百分数表示。引用误差如果以测量仪表整个量程中，可能出现的绝对误差最大值代替，则可得到最大引用误差。%100L引%100axmaxLm对一台确定的仪表或一个检测系统，最大引用误差就是一个定值。引axmmax第一章钻井仪表基础知识测量仪表一般采用最大引用误差不能超过的允许值作为划分精度等级的尺度。工业仪表常见的精度等级有0.1级，0.2级，0.5级，1.0级，1.5级，2.0级，2.5级，5.0级。精度密度和精确度等级为1.0的仪表，在使用时它的最大引用误差不超过±1.0％，也就是说，在整个量程内它的绝对误差最大值不会超过其量程的±1％。在具体测量某个量值时，相对误差可以根据精度等级所确定的最大绝对误差和仪表指示值进行计算。第一章钻井仪表基础知识三、测量范围与量程1、测量范围•在正常工作条件下，仪表可以进行测量的被测参数的范围叫测量范围。每个用于测量的检测仪器都有规定的测量范围，它是该仪表按规定的精度对被测变量进行测量的允许范围。测量范围的最小值和最大值分别称为测量下限和测量上限，简称下限和上限。测量范围的表示方法是用下限值至上限值来表示。如某温度表的测量范围是-100～500℃。第一章钻井仪表基础知识2、量程•测量范围的上限与下限的代数差，记为L＝l上－l下，如某温度表的量程为L＝600℃。•给出测量范围便知上、下限和量程，给出量程则无法知道测量范围。四、仪表的基本误差•仪表在规定的标准条件下所具有的误差。它包括最大允许绝对误差、最大允许引用误差。五、附加误差•仪表的使用条件偏离参比工作条件下出现的误差。附加误差一般都明确指出产生误差的原因，如温差、频率差、电压差等。第一章钻井仪表基础知识六、仪表的精确度和精度等级1、仪表的精确度是精密度和准确度的综合指标，简称为精度。对于具体的测量，精密度高的准确度不一定高，准确度高的精密度也不一定高，但精确度高，则精密度和准确度都高。2、精密度：是指对同一被测量进行多次测量，测量值重复一致的程度或者说测量值分布的密集程度。精密度反映随机误差的影响，随机误差愈小，精密度愈高。3、准确度：是指对同一被测量进行多次测量，测量值偏离被测量值的约定真值的程度。准确谋反㬥系统误差的影响，系统误差愈小，准确度愈高。4、精度等级：用最大引用误差去掉±号和百分号(％)后的数字来表示精度等级，精度等级用符号G表示。按精度等级把仪表分为三类，即一级表0.005、0.02、0.05；二级表0.1、0.2、0.5；三级表1.0、1.5、2.5、4.0。•例如，量程为0～1000V的数字电压表，如果其整个量程中最大绝对误差为1.05V，则有:%105.0%100100005.1%100maxmaxL任何符合计量规范的检测仪器（系统）都满足00maxG第一章钻井仪表基础知识例：被测电压实际值大约为21.7V。现有1.5级、量程为0～30V的A表；1.5级、量程为0～50V的B表；1.0级、量程为0～50V的C表；0.2级、量程为0～360V的D表四种电压表，请问选用哪种规格的电压表进行测量所产生的测量误差较小?解：根据最大引用误差公式分别用四种表进行测量，由此可能产生的最大绝对误差分别如下所示。第一章钻井仪表基础知识A表有,VL45.030%5.1maxmaxB表有,VL75.050%5.1maxmaxC表有,VL50.050%0.1maxmaxD表有,VL72.0360%2.0maxmax•答：四者比较，选用A表进行测量所产生的测量误差通常较小。这说明了什么？•绝对误差直接说明测量值偏离实际的大小。第一章钻井仪表基础知识七、变差（迟滞或仪表恒定度）迟滞特性表明检测系统在正向和反向行程期间，输入—输出特性曲线不一致的程度。也就是说，对同样大小的输入量，检测系统在正、反行程中，往往对应两个大小不同的输出量，如右下图所示。变差产生的原因如传动机构的间隙、摩擦、能量吸收等。1、概念：在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对某一参数进行正、反行程测量时