一种新型钻井参数监测系统的硬件设计.pdf

2 0 1 1年 第 4 o卷 第 2 期第 6 8页 石油 矿 场机 械， OI L F I E LD EQUI P MENT 文 章 编 号 1 0 0 1 - 3 4 8 2 2 O 1 1 0 1 - 0 0 6 8 0 5 一 种新型钻井参数监测 系统 的硬件设计 周 玉丰 ， 李涛 1 ． 四川信息职业技术学院 ， 四川 广元 6 2 8 0 1 7 ； 2 ． 四川石油管理局 重庆仪器厂 ， 重庆 4 0 0 0 2 1 摘要 钻井参数仪表是钻井工程 中监测钻井过程 、 进行科学分析和科 学决策的重要工具。在参考国 内先进 水 平的基 础上 ， 研 究开发 了一 套精 度 高、 功 能 齐全 、 界 面 美观 友 好 的 实时 多参数 钻 井监 测 系 统 。进 行 系统 的硬 件 体 系结构 分析 与设计 ， 完成 了传 感 器的选 型 。详细 分析 了系统 的信 号处理 ， 并 介绍 了硬件 系统如何 应 用现场 总线进 行信 号传 输 。 关键 词 钻 井 工程 ； 钻 井参 数监 测 系统 ； 硬 件 系统 ； 设 计 中 图分类 号 TE 9 2 8 文献标 识码 A De s i g n o f Ha r d wa r e f o r Ne w Dr i l l i n g Pa r a me t e r M o ni t o r S y s t e m ZH OU Yu f e n g ， LI Ta o 1 ． Si c h u a n C o l l e g e o f o r ma t i o n Te c h n o l o gy， Gu a n g y u a n 6 2 8 0 1 7 ， C h i n a； 2 ． Ch o n g q i n g I n s t r u me n t ， S i c h u a n Pe t r o l e u m Ad mi n i s t r a t i o n Bu r e a u， C h o n g q i n g 4 0 0 0 2 1 ， Ch i n a Ab s t r a c t Dr i l l i ng pa r a m e t e r s i ns t r ume n t i s i mpo r t a n t t o o l f o r m o ni t o r i n g dr i l l i n g pr o c e s s ， s c i e nt i f i c a na l y s i s a n d s c i e nt i f i c de c i s i o n m a ki n g i n d r i l l i n g e n gi ne e r i n g．Ba s e d o n r e f e r e n c i ng t he a d v a nc e d t e c hn i q ue s， a d r i l l i ng m o n i t o r i ng s y s t e m wi t h hi gh p r e c i s i on， c o mpl e t e f u nc t i o n， b e a u t i f u l a nd f r i e n dl y i nt e r f a c e i s de ve l o pe d i n t h i s p a pe r ． The ha r dwa r e s t r u c t u r e of t he s ys t e m i s a na l yz e d a n d de s i gn， t h e t y pe s o f t he s e ns o r s c a n be d e t e r m i ne d， The s i g na l p r o c e s s i n g s y s t e m a r e a na l yz e d i n d e t a i l ， an d h ow t o ap pl y f o r h a r dwa r e s y s t e m f ou nda t i o n f i e l d bus s i g na l t r a ns mi s s i o n i s i nt r o du c e d c o n c r e t e l y． Ke y wo r d s d r i l l e ngi ne e r i ng； dr i l l i n g pa r a m e t e r m o ni t or s y s t e m ； ha r d wa r e s y s t e m s ； d e s i gn 在跟 踪 国内外 最新发 展动 态和 最新先 进技 术 的 基础上， 吸收国内外各类系统的精华 ， 研究开发一种 高精 度 、 高 可靠 性 、 高安 全性 、 操作 方 便 、 显 示直 观 、 功能 齐 全 、 可进 行 异 地 Mo d e m 监 测 的新 型钻 井 实 时多参 数监 测仪 ， 使 现 场 技 术 人员 和工 程 人 员 能够 及时监 测 钻 井 过 程 ， 降 低 事 故 发 生 率 ， 节 约 钻 井 成 本 ， 提 高钻 井效 率 和科 学 钻井水 平口 ] 。本 文主 要对 新型钻井参数监测系统的硬件系统进行研究 ， 包括 传感器 的设计与选型、 现场总线在油气井的应用、 信 号采集 、 信 号处 理 、 信 号传 输等 。该 系统 已成功 应用 于川西 北油 气 田 。 1 硬件 系统体 系结构 新 型钻 井参 数 监 测仪 系统 由传 感 器 、 井 台现 场 数据 采集 系统 、 井 台信 号 显示表 台 、 控制 室监测 工作 站和 异地监 视 工 作 站 5大部 分 组 成 ， 如 图 1所 示 。 每一 个传感 器 都对 应 一个 直测 参 数 ， 其 中压 力传 感 器有 大钩 载荷传 感器 、 立 管压力 传感 器 、 吊钳扭 矩传 感器 ； 电流传感器有转盘扭矩传感器 、 泥浆池体积传 感器等； 频率传感器有转盘转速传感器、 泵 冲次传感 器 、 大 钩高 度传 感器 5 ] 。 收 稿 日期 2 0 1 0 0 8 1 6 作者简 介 周玉丰 1 9 7 3 一 ， 男 ， 重庆 长 寿人 ， 副教 授 ， 硕 士 ， 主要从 事 机 电技 术 和 自动化 方面 的应 用研究 和教 学工 作 ， E ma i l z h o u y f l 9 7 3 1 2 6 ． c o m。 第 4 O卷第 2期 周玉丰 ， 等 一种新型钻井参数监测 系统 的硬件设计 图 1 系统体系结构 数据采集系统 D a t a A c q u i s i t i o n简称 D AQ 是 核心部分 ， 如图 2所示 。其主要功能是 ①给各传感 器供电； ②接收 、 处理并传输信号到显示表台； ③接 收并处理显示表台传来 的信号 ； ④ 传输 出信号到工 作站进行实时和指定 时间段显示及打印； ⑤连通便 携 机 时对 信 号通道 进行 配 置和 校验 。 显示 表 台接 收来 自 DAQ 的 信 号 ， 其 安 全 性 能 为 本质安 全 型 ， 如 图 3所 示 。它 由 DAQ 供 电 ， 表 台 上有小键盘 ， 操作员可用其预设报警值、 使窗 口显示 值为零 、 使报警 器暂停报警 、 以及开／ 关各 功能键 。 若达到预设报警值 ， 相应 的显示窗口的数据会闪烁 ， 报警器同时发出声响L 6 ] 。各数据值的单位可选用英 制 或公制 。 图 2 数据采集系统 图 3显 示 表 台 传感器采集到所要采集 的信号后 ， 送至信号处 理电路处理成能驱动模拟显示仪表 的信号 ， 进行现 场仪表显示 ， 及 AD A M 远程数据采集单元能接收的 信号 ， 进行远程数据处理和传送。控制室的工作站经 现 场 总线 接 收 远程 数 据 后 ， 完成 数 据 处 理 和参 数 监 测、 显示、 管理、 打印、 查询等功能。并 可通过控制室 的其他监视 器监视钻井 过程 。此 外 ， 该 系统 还可通 过 Mo d e m实现 远程监测 、 异地实 时监 测 、 提取数 据 。 石 油矿 场机 械 2 0 1 1 年 2月 2 传感器设计与选型 井深 传感器 采用 接近 开关 或绝 对位移 光 电编码 研制 出相应 传感 器 ； 泵 冲 、 转盘 转速 传感器 都采 用非 接触 固态 电感式 接 近 开关 ， 当 被测 物 体 接 近传 感 器 的振荡 器产 生 的高 频 交变 的 电磁 场 时 ， 被 测物 体 产 生涡 流效应 ， 导 致振荡 电路 减弱 ， 这一 变化 被开关 的 后置 电路放 大处 理 并 转换 为 一 个 确定 的输 出信 号 ， 触 发开 关并 驱动 控 制器 件 ， 达 到非 接 触 式 目标 检 测 的 目的 。 转 盘扭矩 传感 器则 采用 霍尔 元件研 制 出非接触 固态传感器 ， 分交流传感器 和直流传感器 ， 如 图 4 所示 。 图 4 转盘扭矩传感器 泥浆体积传感器采用超声波液位计 ， 如图 5所 示 ， 它是 一个 发射 器 发射 出来 的超 声 波脉 冲作 用 到 一 个声反射的物体上， 经过一段时间后 ， 被反射的声 波 回波 又重 新 回到反 射器 上 。 图 5 泥浆体积传感器 根 据声 速和 该 超声 波运 行 的 时 间 ， 计算 出被 测 物体 的距 离 ， 超 声 波 液位 计 可 以测 出 h的 值 。R 和 L 已知 ， 可 由式 1 求 出泥 浆 体 积 或 池 补 偿 体 积 的 值 V。 r r R。 L一 1 式 中 ， R 为泥浆 池半 径 ； L为泥 浆池 深度 。 3 信 号 处 理 3 ． 1 模 拟信 号处 理 立 管压力 、 吊钳扭 矩 、 大 钩载 荷等 的压力 变送器 集成在防爆盒 中， 压力变送器把液压信号转换成4 ～ 2 0 mA的电信 号 ， 如 图 6所示 。 图 6压力变送器防爆盒 压力变送器输 出的标准信号经电路处理后得到 Ub o和 Uc o ， 分别 用于 智 能模 块 接 口和 驱动 表 台 显 示 ， 如 图 7所 示 。 R 1 。 一2 5 0 Q， 变送 器 输 出 的 4 ～ 2 0 mA 经 ／ 变 换得 到 U ． 一 Rl o l 一 1～ 5 V 2 Ua为 跟 随 器 ， 则 Ua o的 电压 为 1 ～ 5 V。R 和 R 。 。 组 成 负压偏 置 ， 可使得 Ub o为 O ～4 V。Ub o 输出到智能模块 AD AM5 0 1 7 。R Ⅵ 和 R 构成 比例 放 大器 ， 则 U 。 一R1 0 5 Ub 。 ／ Rl 0 4 3 u 。 的输 出信 号 到表 台驱动 1 mA 的电流表 。 另外 ， 转 盘扭矩 传感 器 、 泥 浆体 积传 感器输 出 的 是标 准信 号 4 2 0 mA ， 出 口排量传 感 器输 出的是 0 ～5 V标准信号 ， 直接用于信号处理功能模块。 3 ． 2数字 信 号处理 转盘转 速 、 泵 冲次传感 器 由接 近开关 构成 ， 当被 测 物体 接 近传感 器 的振荡 器产 生 的高频交 变 的电磁 场 时 ， 被测 物体 产 生 涡流 效 应 ， 导 致 振 荡 电路 减 弱 。 这 一 变化被 开关 的后 置 电路放 大处理 并转 换为 一个 确定的输出信号 ， 触发开关并驱动控制器件， 达到非 接 触式 目标 检测 的 目的 ] 。 第 4 O卷第 2期 周玉丰 ， 等 一种新 型钻井参 数监测系统的硬件设计 图 7 模拟信号处理 电路 1 钻 机转 盘 的最 高 转速 为 3 0 0 r ／ mi n ， 减速 比 为 3 ． 6 81 ； 最 大 检测 频 率 f一 3 0 03 ． 6 8 1 1 0 4 r ／ mi n 一 1 8 ． 4 Hz 。 2 钻 机 泥 浆 泵 的 最 大 冲次 为 2 0 0 mi n 一 ， 减 速 比为 3 ． 2 9 71 ； 最 大 检测 频率 一2 0 0 3 ． 2 9 7 6 6 0 r ／ mi n 一1 1 Hz 。 因此 ， 该类 传 感器 输 出 的 是 0 ～ 1 0 0 Hz低 频 脉 4信 号 传 输 I n 5 I U r_ 5 _ _、 01 A 4 0 9 3 J￡5 01 v 5 1 1 8 l 0K R 1 B1 N GND l R1 0 5 冲信号 。脉 冲信 号 经 4 0 9 3整 形 后 送 到 由 4 0 4 6和 4 5 l 8组成的锁相倍频 电路后得 到 0 ～1 0 k Hz 频率 的信号 ， 此信号送 到 VF C 3 2进行频率电压转换后得 到 0 ～1 0 V 的电压信号 ， 电压信号经 O P 0 7运算放 大器放大为 0 h5 V的标准电压信号， 此标准电压信 号送到 ADAM5 0 1 7进行数据远传到计算机 ， 如 图 8 所示 。 VCC I 6 4 l 3 1 9 R5 0 2 1M N 3 GN K D l l U5 0 3 C K A V 1 X A 1R A G N D4 51 8 1R B Q B A Q 3 B E N B 6 U50 4 C 5 03 1 2 K l 5 0 0 p GND l 2 _ _ l 0 l 4 CMPR I NN VFC3 2 I N 至 0 I ． 。 c5 0 4 l G 1 3 1 C 5 06 O l U F U5 0 5 f VCC I 』 5 O 6 _ [ ] l 5 0 K GND _ [ E E R507 l 0K R5 0 8 1 OK 2 0K 图 8脉冲信号处理 大钩载荷、 立管压力 、 转盘扭矩 、 吊钳扭矩、 池体 积、 相对流量 等直 测参 数传 感 器输 出的是 4 ～ 2 o mA或 0 ～5 V 模拟信号 ， 若 为 4 ～2 0 mA 电流信 号， 则要经过电流／ 电压转换。电压信号一方面送到 VCC U 5 0 5 ＼ 8 OP 0 7 VEE VC 模拟 显 示 表 台进 行 模 拟 仪 表 显 示 ， 另 一 方 面 送 到 AD AM5 0 1 7 模 拟信 号 输入模 块 和 AD AM5 0 0 0 C AN 进行 信号 处 理 ， 经 C AN 总 线 传 送 到 控 制 室 的计 算 机 。 。本 系统选 用研 华公 司 的 C AN 总线 产 品 ， 其 原理 如 图 9 所 示 。 7 2 石 油 矿场 机械 2 0 1 1年 2 月 图 9 模拟信号处理框 图 转 盘转 速 、 泵 冲次 等 信号 的传 感 器 采用 接 近 开 关 ， 传感 器 输 出的是 脉冲信 号 ， 为方便 模拟 显示 表 台 的模拟仪表显示， 首先要进行频率／ 电压转换 ， 其他 同模拟 信号 ， 其原 理如 图 1 0所示 。 图 1 O 脉 冲信 号处 理框 图 大钩 高度 的传 感器 采用光 电编 码器 ， 输 出的 正、 反转脉冲信号送入 A DAM5 0 8 0两路计数 器进 行 计 数 ， 然 后 再送 入 计 算 机进 行 高 度 计算 ， 如 图 1 1 所 示 。 图 1 1 大钩 高度信号处理框 图 将 C AN 总线 网络应用 于本 系统中， 即使在野 外恶劣的环境下运行 ， 也能高速、 灵活、 可靠地进行 实时数据传输 ， 实现系统实时监控的需要 。实践证 明 ， C AN 总线设 计 灵 活 ， 可 靠 性 高 ， 布 线 方 便 ， 适 合 于钻井 工程 参数 系统 。以 C AN 总 线作 为 系 统 的 内 部 通信 网络 ， 在通 信 速 度 、 通 信 距 离 、 抗 干扰 性 等 各 方面都完全满足系统的要求。 5 结 语 本 文 主要进 行 了钻井参 数监 测 系统 的硬件 体系 结构分析与设计 ， 完成了传感器 的选择与选型 ， 分析 了系统的信号处理 ， 设计 了以立管压力为代表的模 拟信号的处理以及以转盘转速为代表 的数字信号的 处理 电路 ， 采 用 现 场 总 线 和新 型 AD AMS 0 1 7 、 5 0 8 0 等远程信号采集模块 ， 提高了系统 的可靠性 。该系 统在 川西 北油气 公 司安装 运行 ， 取 得 了较好 的效果 ， 为进 一步 开发基 于 I n t e r n e t 的钻井 监 测系统 奠 定 了 基础 。 参考文献 1- 1 3 阎三忠． 适应 人世形势 加强科技 创新[ J ] ． 石油科技 论 坛 ， 2 0 0 2 2 4 - 8 ． [ 2 3 戴永寿 ， 马西庚 ， 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