基于多传感器的钻井监测系统

刘佳，李乔乔

（1.广州南洋理工职业学院，广州510900；2.新乡航空工业（集团）有限公司，河南 新乡453000）

1 引言

基于多传感器的钻井监测系统通过现场钻井仪表传感器采集钻机或者修井机设备信息，监测运转过程中大钩悬重和钻压﹑吊钳扭矩﹑1#～3#泵冲速、1#～3#泵压、1#～3#泵冲排量、1#～2#立管压力、转盘转速﹑转盘扭矩﹑游车高度、钻头位置、井深﹑泥浆回流百分比、1#～10#泥浆罐体积、泥浆罐总体积、顶驱扭矩、顶驱转速等多种参数的动态变化[1]，帮助决策者及时掌握钻井工况，为科学钻井、安全钻井提供技术保障。

2 系统整体设计

钻井监测系统主要包括：现场钻井仪表传感器、显示表、钻井仪表数据采集单元、钻井仪表远程监控单元、钻井仪表触摸显示单元、防爆接线箱、电缆等设备及附件[2]。

3 现场钻井仪表传感器及显示表

3.1 指重及显示表

死绳锚上液压包传来的液压信号，通过指重表放大机构的连杆及伞形齿轮转动齿轮轴，使指针产生偏转，指示大钩悬重和钻压。液压信号连接指重变送器，变送器将量程为0～1000psi（1psi=6.895kPa）的液压信号转换为DC4～20mA 电流信号。

3.2 立管压力及显示表

立管管汇内的泥浆压力通过传感器中的胶杯作用在液压油上，经液压管线带动表针偏转，从而指示出立管压力。变送器将量程为0～5000psi 的液压信号转换为4～20mA 电流信号。

3.3 吊钳扭矩及显示表

传感器安装在吊钳尾绳上，在钻杆上扣时，在吊钳尾绳上产生一个与上扣扭矩成正比的拉力，拉力通过传感器中的活塞作用在液压油上，再由液压管线传递到吊钳扭矩显示表的弹簧管上，弹簧管的自由端产生位移，通过放大机构带动表针偏转，表盘指示出吊钳扭矩。液压管线连接变送器，变送器将量程为0～5000psi 的液压信号转换为DC4～20mA 电流信号。

3.4 泵冲、转盘转速及显示表

泵冲及转盘转速传感器均采用无接触方式测量。转盘的传动轴焊接的金属物体在传感器的感应面附近划过，产生脉冲信号，通过钻台区接线箱输出给数据采集单元。数据采集单元输出的电信号驱动表盘指针偏转，表盘指示出转盘转速，单位为r/min。

3.5 转盘扭矩及显示表

采用机械惰轮或筒式电阻应变测量转盘扭矩，转盘扭矩变送器DC4～20mA 电流信号通过钻台区接线箱输出给数据采集单元。数据采集单元输出的电信号驱动表盘指针偏转。

3.6 顶驱扭矩及顶驱转速

从顶驱控制系统输出4～20mA 信号，通过钻台区接线箱输出给数据采集单元。

3.7 游车高度

游车高度传感器主要由光电编码器组成，安装在滚筒轴上，当滚筒转动时，光电编码器将输出2 组相位差为90°的电脉冲信号，通过钻台区接线箱输出给数据采集单元，计算出游车高度、钻头位置、井深、起下钻速度。

3.8 泥浆罐体积

泥浆罐体积采用无接触测量方式。由超声波探测器发出的脉冲声波，经泥浆罐液面表面反射折回，反射回波被同一探测器接收，探测器可将脉冲发送和接收的时间差转换成电信号，通过泥浆罐区接线箱输出给数据采集单元。

3.9 泥浆回流

泥浆回流接近式传感器安装于钻机井孔和泥浆罐间的回流管上，监测泥浆回流管中泥浆回流百分比。在无泥浆流动时使桨板回到零位。传感器电信号通过泥浆泵区接线箱输出给数据采集单元。

3.10 泥浆泵泵压

泥浆泵泵压传感器采用耐水基泥浆和耐油基泥浆隔膜式压力变送器，采用法兰与泥浆泵管汇连接。

4 数据采集单元

数据采集单元主要由电源模块、隔离安全栅、PLC 中央处理器模块（CPU）、信号模块、通信模块、无线模块等组成，整个单元密封于防爆不锈钢箱体内，安装在钻台偏房内。来自现场传感器由变送器处理后，经过安全栅等进入数据采集单元信号模块，采集单元进行数据处理，计算出各参数工程值。采集单元监测到工程值达到预警值时驱动声光报警器，提醒工程技术人员注意钻井安全。数据采集单元与触摸屏单元通过以太网接口通讯，采集单元通过无线模块将数据送往远程监测单元进行显示记录。采集单元通过工业以太网络实现与电控系统PLC 数据之间的双向传输。

5 触摸屏单元

触摸屏单元实现人机交互，包括钻井监测界面、起下钻界面、参数刻度界面、参数报警等界面，能进行各仪表参数标定，设置各仪表参数报警值，直观形象地观察各仪表参数，方便操作。显示的数据有：大钩悬重、钻压、大钩速度、1#立管压力、2#立管压力、吊钳扭矩、转盘转速、转盘扭矩、顶驱转速、顶驱扭矩、游车高度、钻头位置、井深、泥浆罐体积、泥浆增益、泥浆回流、1#泥浆泵泵冲泵压、2#泥浆泵泵冲泵压、3#泥浆泵泵冲泵压、泥浆泵总泵冲、吨千米指示/设定等[3]。

6 远程监控单元

包括无线模块、稳压电源、服务器、监视器、钻井监测软件、彩色打印机、以太网转换器等。钻井远程监控单元在线生成彩色图谱，所有的信息自动存储在服务器，数据按时间顺序存储，现场技术人员能够选择时间或钻井深度调出数据记录并能曲线显示。钻井远程支持中心生产和决策人员可通过网络浏览现场服务器钻井信息。

7 结语

本文提出基于多传感器的钻井监测系统，具有扩展性强、可靠性高的特点。系统中还可以增加多传感器信息融合，结合钻井区域地层结构，实现钻前预测，为保障钻井安全，科学钻井提供有力保障。