钻井监测系统中传感器应用浅析＊

刘佳

（广州南洋理工职业学院，广东 广州 510900）

1 引言

钻井监测系统是钻修井作业中实时测量钻机运行工况，包括悬重、吊钳扭矩、泥浆泵冲速、泥浆泵泵压、立管压力、转盘转速、转盘扭矩、游车高度、泥浆罐体积等多种参数的变化状态[1]，辅助操作人员和技术人员者及时了解钻井工况，保障钻机安全运行，避免安全事故的发生，进一步为工程人员分析钻井地质结构提供技术支撑。

钻井监测系统常见的模拟传感器有压力传感器、接近开关、编码器、超声波泥浆罐体积传感器。

2 压力变送器

压力变送器一般由对压力较敏感的元件和信号处理单元构成[2]，依照元件受压的规律把压力信号转变成可以远程传输电信号的器件。常见的悬重、吊钳扭矩、泥浆泵泵压、立管压力参数采用压力变送器，如图1 所示。

图1 压力变送器

2.1 工作原理

大钩载荷的变化通过指重表传感器探测的液压信号驱动悬重压力变送器输出电流信号，实现悬重参数的测量。

吊钳扭矩压力变送器安装在吊钳尾部，当钻具上扣时，大钳尾绳上作用于与上扣扭矩成正比的拉力[3]，通过活塞传递液压信号驱动吊扭矩压力变送器输出电信号。

立管管汇的泥浆压力作用于传感器连接的胶杯，转达到液压油上，液压信号施加到压力变送器输出电信号[4]。

2.2 安装方式

拆卸指重传感器注油口的自封接头，连接三通接头，一端连接自封接头，当传感器注油时采用，一端接压力变送器。安装前应在压力变送器接头处缠上密封胶带，应尽量将变送器安装在通风干燥处，避免强光直接照射和雨淋，否则将降低变送器的性能并影响其寿命。

将吊钳扭矩变送器放置于吊钳的尾绳上与钻台固定装置连接的一端。在传感器受力时，尾绳中心线尽量处于水平状态，并与吊钳臂成90°夹角。

在泥浆管汇上开一个圆孔，焊上一个带有2”NPT 公螺纹的短节，焊缝应密封牢固。在短节上缠上聚四氟乙烯薄膜带，将立管传感器上的公由壬装在短节上。

2.3 技术性能

钻井监测系统压力变送器技术指标如表1 所示。

表1 压力变送器技术性能

3 接近开关

泥浆泵泵速和转盘转速传感器采用接近开关测量，接近开关是一种非接触式传感器。当被测的金属物体靠近接近开关时，接近开关能输出电信号。接近开关如图2 所示。

3.1 工作原理

金属物体逐渐靠近传感器时，接近开关形成脉冲信号，通过转速比推算，实现转盘转速或泥浆泵泵冲测量。

3.2 安装方式

通常在转盘或泥浆泵的传动轴上适当地方焊接一个金属感应块（例如小平头螺丝），传感器固定在支架上，使其对准目标感应块，保持感应距离5～10 mm 之间。旋转传动轴，确保传感器与感应块不会碰上。

图2 接近开关

3.3 技术性能

泥浆泵泵冲和转盘转速技术性能如表2 所示。

4 编码器

增量式光电编码器在转动过程中，每转动一个角度就输出相应的脉冲信号，一般为A 相、B 相和Z 相输出。编码器如图3 所示。

4.1 工作原理

滚筒式传感器通常采用增量式光电编码器，光电编码器安装在绞车的滚筒轴上，当大钩移动式带动滚筒转动，光电编码器将大钩移动的变化转变为两组相位差为90 的电脉冲信号，由数据采集单元采集处理，计算出游车高度工程值。

表2 接近开关技术性能

图3 编码器

4.2 安装方式

先将滚筒轴端面的护罩及导气龙头的气动接头拆卸后，将滚筒传感器的G3/4 英寸的管牙接上，再拧紧气动接头，将不锈钢架附件与气动线卡接牢靠固定后，装上护罩，最后将传感器输出电缆接至数据采集器。

4.3 技术性能

滚筒编码器技术性能如表3 所示。

表3 滚筒编码器技术性能表

5 超声波泥浆罐体积传感器

超声波的频率高于20 000 Hz，泥浆是无法透过光线的介质，超声波遇到泥浆液面表面时会发生反射，常用的超声波泥浆罐体积传感器如图4 所示。

5.1 工作原理

超声波在泥浆罐内部传播，当声波遇被测介质表面时，声波会沿着发射路径进行反射，反射的声波有部分被超声波液位计接收，并通过电子器件转换成4～20 mA 信号[5]。

5.2 安装方式

超声波有盲区，安装时必须预留超声波液位计安装位置与泥浆罐顶部的距离。泥浆罐体积传感器通过厂家提供的安装支架固定在泥浆罐上，安装前需要在罐面开一个直径200 mm 左右的圆孔，以备超声波通过。

图4 超声波泥浆罐体积传感器

5.3 技术性能

泥浆罐超声波液位计技术性能如表4 所示。

表4 泥浆罐超声波液位计技术性能

6 结语

中国作为全球的制造业大国，钻修井装备逐渐走向海外市场，制造业的产业升级对配套设备的传感器技术提出了新的要求，本文介绍了钻井监测系统中常见的压力传感器、接近开关、编码器、液位传感器，期望对钻机配套仪表起到一定的参考作用。