第十四章钻井仪表基础知识第一节钻井仪表基础知识钻井是石油勘探开发的主要手段，钻井仪器仪表是钻井工程的眼睛,是油气工程监测钻井过程、进行科学分析和科学决策的重要工具，是实现安全、优质、快速、高效钻井的重要保障。
一、钻井仪表的结构、性能及用途（一）ZCJY-D型钻井参数监测仪1.系统结构采用工业控制领域成熟且应用广泛的CAN总线技术，将各防爆传感器信号经CAN节点处理盒转换成总线信号，依次串连，同时在一条总线上传输多项测量参数，直至前后台计算机进行采集处理。
采集的数据可以在钻井工程师办公室、司钻控制台同时实时显示，可绘制连续曲线。
ZCJY-D型钻井参数监测仪是我厂为配套钻机和修井机设计生产的参数仪表，测量显示钻机或修井机在作业过程钩悬重和钻压﹑转盘扭矩﹑立管压力﹑吊钳扭矩﹑转盘转速﹑泵冲速、泥浆回流、泥浆罐体积、泥浆罐总体积、泥浆密度、泥浆温度、泥浆电导、全烃含量、硫化氢含量、游车高度、井深、钻头位置、钻时等参数的变化情况，帮助司钻掌握钻机的工作状态。
从系统组成上，ZCJY-D型钻井参数监测仪由传感器、总线节点、前台钻显单元（含PC104嵌入式计算机、触摸式液晶显示器）和队长办公室电脑终端等组成。
前台钻显单元（即司钻显示台）采用触摸屏方式，可安装在钻台上或司钻操作房。
所有传感器通过总线模块连接在CAN总线电缆上，分别在前台触摸屏、后台工控机上实时显示所有数据及曲线，并可存储记录、打印。
图1.1 ZCJY-D型钻井参数监测仪系统示意图2.主要技术指标（1）工作温度:-30℃－ 70℃（2）相对湿度：0 － 90％（3）大钩悬重和钻压1）测量围：0 － 500×10kN2）测量误差：≤±1.5%（4）转盘扭矩：1）测量围：0 －40kN·m（显示方式0－500刻度）2）测量误差：≤±1.5%（5）吊钳扭矩：1）测量围：0 － 100kN （以尾绳拉力表示）2）测量误差：≤±1.5%（6）立管压力：1）测量围：0 － 40Mpa2）测量误差：≤±1.5%（7）钻深1）测量围：0 － 9999.9m2）测量误差：≤±0.5%（8）转盘转速：1）测量围：0 － 300RPM2）测量误差：≤±1.5%（9）泵冲速：1）测量围：0 － 200SPM2）测量误差：≤±1.5%（10）泥浆回流：1）测量围：0－100%2）测量误差：≤±1.5%（11）泥浆罐体积：1）测量围：0 — 80 m32）测量误差：≤±1.5%（12）泥浆密度：1）测量围：0.8 － 2.0g/cm32）测量误差：≤± 0.02g/cm3（13）全烃：1）测量围：0 － 100%LEL（烃类气体爆炸下限的浓度）2）测量误差：≤±5% LEL（F·S）3）响应时间：小于15秒（90%响应）4）最远安装距离1000米（14）硫化氢：1）测量围：0 － 100ppm2）测量误差：≤±5% F·S3）响应时间：小于60秒4）最远安装距离1000米（15）系统工作电压：220VAC±20% 47-63 Hz3.性能特点（1）高速，传输距离远（2）抗干扰能力强（3）灵活的工作方式：该系统的测量参数可随时根据用户的需求增加监测的参数（二）美国马丁仪表（Drillwatch及Rigsense）1.系统结构2.性能特点（1）性能稳定可靠（2）能存储和解压缩需要的专用通道数据（3）具有钻具组合功能，自动校准井深数据，提高井深测量精度（4）输出WITS数据，实现钻井数据远传功能二、钻井参数测量（一）ZCJY-D型钻井参数监测仪1.指重（钩载）测量系统（1）系统组成与工作原理指重测量系统由指重表传感器、悬重压力变送器、总线模拟模块盒、连接管线和电缆等组成。
大钩载荷通过钢丝绳作用在指重表死绳固定器上，再通过杠杆机构作用在指重表传感器上，指重表传感器获得的液压信号驱动压力变送器，压力变送器输出的电流信号在总线模入模块盒处理，再通过总线电缆送入前台钻显单元和后台队长办公室单元。
（2）安装、调试与使用:1）安装大钩悬重传感器固定安装在死绳固定器上。
安装完毕后，将液压软管线的自封接头一头与传感器连接，另一头与显示表箱和记录仪上对应的自封公接头连接。
注意管线走向应合理，不要弯得过急或绷得太紧，并应避免被其他物体挤压或切割，最后用尼龙扎带将液压软管固定在井架桁架上。
大钩悬重指示仪（即指重表）以及阻尼器、排气阀均已安装在仪表箱上。
记录仪结构见图2.1。
图2.1 XZJ型记录仪1.记录笔2. 笔臂3. 微调螺钉4. 笔臂转轴架5.记录纸托盘6. 记录纸7. 记录仪壳体8. 弹簧管9.记录时钟 10.记录纸压帽 11.记录仪盖 12.阻尼器2）调试:①安装完毕后液压系统必须进行充油和排空气。
将手压油泵的液压管线与传感器充油接头相连接，上下摇动摇杆向传感器泵油。
液压系统排空气应根据传感器和指示仪的高低，按先低后高的顺序进行。
注意在充油过程中油杯液面高度不得低于油杯高度的一半。
如图2.2。
图2.2 死绳拉力传感器及手压泵②为了使指示仪和记录仪既能灵敏地指示和记录大钩悬重的变化，指针和笔臂又不产生强烈摆动，应对指重阻尼器、灵敏阻尼器进行必要的调节。
首先顺时针方向转动阻尼器T型阀杆，使阻尼器处于关闭状态。
然后反时针方向转动T型阀杆两圈。
观察指示仪指针摆动情况。
如过于灵敏，应关闭1/3~~1/4圈，如太迟钝，则打开1/4~1/3圈。
如此反复调节，直到调节出满意的阻尼效果为止。
③检查仪器在空载时记录仪笔尖是否回零，如不回零应查明原因，必要时拔出指针从新定位，笔尖可通过微调螺丝调零。
3）使用仪器安装调试完毕后，便可投入使用。
大钩悬重及钻压是钻井作业中必须监控的参数。
当全部钻具下到井中，指重表主指针指示值即为大钩上的悬重。
这时将游动刻度盘的零位对准灵敏指针，然后施加钻压开始钻进，灵敏指针指示值即为钻压。
在钻进过程中，司钻必须时刻观察钻压的变化，不断控制刹把加以校正，使钻压稳定，送钻均匀，从而提高钻井质量。
在大钩悬重测量系统使用期间，应经常检查指重表阻尼器的阻尼效果，液压管线有无滴漏，发现异常或故障应及时排除。
记录仪每24小时更换一次记录纸，同时对时钟上弦，按天文时间将记录笔尖应对准记录纸上的时间坐标，然后上紧记录纸压帽。
4）总线模拟模块盒①模块应选择方便拆卸的安装场所，便于维护和操作，同时应尽可能靠近压力变送器盒，并尽量避免强光直接照射和雨淋。
选好安装位置后，通过C 型钳将其固定。
②总线模块插座分布和引脚分布如图2.3、2.4、2.5所示，将压力变送器连接电缆接至模块的信号输入插座，CAN 总线插座与前后总线电缆相连，若此模块是最后一个节点，则将空闲的CAN 总线插座的密封盖拧紧，保证模块的密封性。
CAN 总线插座 信号输入插座 CAN 总线插座图2.3 总线模块插座分布示意图图2.5 CAN 总线插座引脚示意图5）仪器的维护与保养①仪器在钻机搬迁时，应卸掉载荷，使表针回到零位，同时关闭重量指示仪上的缓冲阀，再卸下相关连接管线、接头及压力变送器。
②仪器使用的液体应干净、无沉淀物，以避免管线堵塞，影响仪器的性能。
③定期将仪器送检，由专业维修人员按《JJG（石油）03检定规程》进行维修、保养和检定。
④为延长仪器的使用寿命，钻机使用负载的围，原则上以不超过指重表最大负荷80%为准则。
⑤每天在工作前，应清除传感器上的碎石、泥浆和冰块；同时检查传感器的法兰与扶圈的间隙是否符合要求，小于要求时，应立即补充液体。
⑥定期拆下绳轮中部的端盖，在轴承上涂钙基润滑脂。
6）故障原因及排除办法7）注意事项①在安装指重表时，应首先检查钻机参数与指重表参数是否相符。
A、检查钻机额定死绳拉力与指重表的最大死绳拉力是否相符。
B、检查游车系统的钢丝绳股数与指重表的绳数是否相符。
②如果使用其它厂家的死绳固定器，请按照其技术要求进行安装。
③为保证测量精度，液压管线应安装在温差变化较小的地方。
④所有屏蔽电缆不要与其它电源线一起通过导线管或明线槽，也不可在大功率设备附近穿过。
⑤在防爆场合应切断电源后再插拔插头连线。
⑥请勿带电拆卸仪器。
2.转盘扭矩测量系统（1）系统组成与工作原理机械钻机转盘扭矩测量系统由惰轮式转盘扭矩传感器、压力变送器、总线模拟模块盒、连接管线和电缆等组成。
钻井过程中，柴油发动机通过一系列传动装置，经传动链条带动绞车和转盘，转盘驱动钻具，实现钻进。
传动链条的紧程度可对应于转盘的扭矩，因此转盘扭矩测量系统通过测量转盘驱动链条的紧力，间接反应转盘扭矩。
将转盘扭矩传感器安装在转盘驱动链条紧边下面，传感器上的惰轮顶起链条，形成一个夹角；当转盘对钻杆施加扭矩时，链条对惰轮产生一个与转盘扭矩成正比的向下压力，此压力通过传感器上的液压系统产生一个压强，该液压信号驱动压力变送器，压力变送器输出的电流信号在总线模拟模块盒处理，再通过总线电缆送入前台钻显单元和后台队长办公室单元。
对电动钻机，转盘扭矩测量系统由霍尔传感器及电动转盘扭矩指示仪组成，霍尔传感器卡在主电机电源线上，转盘产生扭矩将反映电机电流的改变，系统根据电机电流与扭矩的变化关系曲线计算出转盘扭矩的具体数值。
由于其安装只需卡在主电机电源线上，比较简单，因此以下说明针对机械式转盘扭矩测量系统。
（2）安装、调试与使用链条箱在设计时已预留了转盘扭矩传感器的安装位置和检修窗口。
可以很方便地直接将传感器安装在其。
图3.1是转盘扭矩传感器在钻机转盘驱动链条箱安装情况。
图 3.1 转盘扭矩传感器安装示意图转盘驱动链条箱改造完毕后，就可进行传感器的安装。
具体步骤如下：1）螺栓把传感器前后焊接底板固定在传感器底座上；2）将传感器放在链条箱的底板上，使传感器侧面正对检查窗口，摇臂自由端朝向主动链轮；3）认真调整传感器的位置，使惰轮和主从动链轮三者的中心在同一平面，这时链条的两排滚子应对称地骑在惰轮的两凸缘上(这点十分重要，如果链条与惰轮未对齐，链条侧板会切割惰轮凸缘，急剧缩短惰轮的使用寿命)。
然后用电焊将前后焊接底板点焊在箱体底板上；4）卸下传感器上的四颗固定螺栓，将传感器移开，用电焊将前后焊接底板牢固地焊接在箱体底板上。
5）如有必要，再次校正传感器与链条的相对位置，可用螺栓之间的间隙和传感器上的两颗主轴固定螺栓对惰轮的位置进行少量的调整；6）拧紧传感器底座上的四颗固定螺栓，将传感器牢固地固定在前后焊接底板上；7）将已安装好自封公接头的液压弯头安装在箱体M27×1.5的螺孔(或Φ28的圆孔上)，最后按系统图连接液压管线。
（3）转盘扭矩测量系统的调校:本测量系统的调校主要是传感器和指示仪的调校。
