指重表滑輪系統和死繩固定器對測量結果的影響及校準方法研究

陸鳳俠　（大慶油田技術監督中心）

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指重表滑輪系統和死繩固定器對測量結果的影響及校準方法研究

陸鳳俠（大慶油田技術監督中心）

指重表是指在石油鉆、修井過程中，用來實時監測鉆具重量和鉆壓的裝置。現行的校準方法SY/T 7075—2016《石油鉆修井指重表校準方法》規定了實驗室關于死繩傳感器和重量指示儀的校準方法。然而，在現場對鉆具重量和鉆壓的測量過程中，整個懸吊系統的滑輪和死繩固定器的機械性能會使測量結果產生誤差。針對這個問題，分析了指重表系統中可能產生誤差的因素和影響，并研制了液壓測力接頭和使用張力傳感器對滑輪系統和死繩固定器進行校準，并制定了相應的現場校準方法。

指重表；鉆具重力；死繩張力；現場校準

1　概述

指重表［1］是指在鉆、修井施工中，用來測量鉆具重量和鉆壓的裝置，目的是用來幫助司鉆隨時掌握鉆具在井下工作狀況，通過鉆具重量和鉆壓的變化，分析鉆具在井下是否有卡阻或脫壓現象，以保證施工安全和工程質量。根據測量對象，指重表系統的組成應包括滑輪系統（天車和游車）、死繩固定器、液壓傳感器和顯示記錄裝置4個部分，每個部分的工作狀態都直接影響到指重表測量的準確性。SY/T 7075—2016《石油鉆修井指重表校準方法》規定了液壓傳感器和顯示記錄儀的校準方法，而忽略了滑輪系統和死繩固定器的影響，在實際工作中發現，滑輪系統的摩擦阻力有時也會產生較大的測量誤差，尤其是在過度磨損和在冬季潤滑不好的情況下誤差更為明顯；死繩固定器也可能在處理過幾次卡鉆事故后，由于過大的拉力而產生變形，或由于保養不及時造成輪軸生銹，至使死繩固定器力比與出廠設計不同，從而導致了較大的測量誤差。為了保證指重表的測量結果能夠正確地指導鉆井施工、鉆井安全和鉆井質量，定期對滑輪系統和死繩固定器進行現場校準是十分必要的。

2　測量原理及誤差分析

2.1測量原理

指重表的測量原理是鉆具重量通過滑輪組轉換為死繩拉力，死繩拉力通過死繩固定器后，按力臂長度與繩輪直徑的比值（力臂比）轉換為液壓傳感器的拉力，液壓傳感器將拉力轉換成液體壓力后，通過傳壓管線傳送到指重顯示記錄儀使彈簧管發生變形，再通過放大機構將彈簧管的變形量轉換為指針的偏轉角度，以力的形式在刻度盤上顯示出來。

2.2誤差分析

2.2.1滑輪系統誤差

滑輪系統的誤差主要來源于定滑輪（天車滑輪）的摩擦阻力。滑輪受力示意圖如圖1所示。

圖1　滑輪受力示意圖

假設天車所有滑輪的摩擦阻力合力為ΔF，則存在以下力的平衡關系：

式中：Fsu——起升時死繩拉力，kN；

Fsd——下放時死繩拉力，kN；

W——大鉤懸重，kN；

n——游車滑輪繩數。

從式（1）和式（2）可以看出，所有的滑輪阻力，最終都疊加到死繩上，顯示在指重表上，這個阻力會放大。如果足夠大，指重表的示值就會表現出起升時懸重減少，而下放時懸重增加的反常現象。這種現象如果出現在處理井下復雜工況或取芯、定向操作中，很容易導致操作人員誤判，而影響到井下安全和施工質量。

2.2.2死繩固定器誤差

死繩固定器誤差產生的原因有以下幾個方面：

1）一些陳舊的鉆機，死繩固定器上的標識脫落，在更換死繩固定器或指重表時與原鉆機設計型號不符。

2）處理過嚴重卡鉆事故，死繩固定器因超載發生變形，繩輪不能自由轉動，造成死繩拉力不能完全傳遞到液壓傳感器。

3）死繩固定器使用時間較長及缺泛潤滑保養，輪軸嚴重磨損，繩輪運轉不靈活。

3　校準方法

3.1滑輪摩擦阻力的校準方法

從理論上講，在懸重相同的情況下，我們只要測出鉆具下放和起升時，死繩拉力的差值，便可計算出滑輪的阻力：

由于鉆具與井筒之間的摩擦阻力存在，起升和下放時懸重是不同的，因此，在測量死繩拉力時，需要保持井下鉆具是靜止的。為此設計了液壓測力接頭，液壓測力接頭如圖2所示。

液壓測力接頭的作用是通過接頭內的液體壓力來判斷所測量的上行死繩拉力和下行死繩拉力所對應的真實懸重是否相同。因為，在相同液體壓力下，接頭所承受的拉力即真實懸重也必然是相同的。

測量方法：將鉆具座卡，在下部鉆具與方鉆桿之間安裝液壓測力接頭，通過標準壓力表來測量該接頭的輸出壓力。測量開始前先將鉆具提離吊卡或卡瓦，此時，標準壓力表的示值記為Pmax，然后在示值為0至Pmax之間，確立1個或多個測點。然后從標準壓力表示值為0開始，緩慢起升鉆具至壓力達到各個測點時測量死繩張力Fsu。達到最后1個測點后，在保持鉆具不動的狀態下繼續上提一段小的距離，然后，下放鉆具至壓力到達各個測點時測量死繩張力Fsd。死繩拉力可利用旁壓式鋼絲繩張力測試儀進行測量。

圖2　液壓測力接頭示意圖

測量原理：鋼絲繩穿過傳感器卡槽，通過中間U型卡固定，當鋼絲繩受拉后產生的張力作用在導向輪上，導向輪內部的應力感應片將張力信號傳送至數字顯示儀，如圖3所示。

圖3　張力傳感器結構原理

數字顯示儀利用拉力與張力幾何關系，將張力轉換為拉力顯示到屏幕。

3.2死繩固定器力比校準

死繩固定器力比，即死繩拉力與液壓傳感器所受拉力的比值。

傳感器拉力可通過測量液壓傳感器的輸出壓力，利用下式計算得出：式中：Fc——傳感器拉力，MPa；

p——傳感器輸出壓力，kN；

fp——傳感器壓力轉換系數，由傳感器型號而定，kN/MPa。

死繩固定器力比計算方法：由于在安裝張力傳感器時，死繩無法完全放松，初始拉力又無法確定，所以在計算力比時，不能直接使用傳感器的測量結果進行計算，可以使用兩點差值來計算。計算公式：

式中：k——死繩固定器力比，無量綱；

Δp——兩個測點間傳感器輸出壓力的差值，MPa；

ΔFs——兩個測點間死繩拉力的差值，

kN。

3.3校準情況

1）校準時井下應保留盡量多的鉆具，最好選擇在完鉆循環時進行。

2）為排除環境振動和鉆井液循環壓力波動的干擾，校準時應停止鉆井液循環。

3）校準結果以校準結果通知書的形式提交給用戶。

4）死繩固定器的力比如果與出廠設計不符，按如下方法處理：如果屬于指重顯示儀與死繩固定器型號不匹配，更換匹配的指重顯示儀；如果屬于傳感器變形或轉動不靈，建議用戶更換或維修死繩固定器。

4　現場試驗

2016年3月，因鉆井隊反應指重表不準，鉆具上提時懸重減少，而在下放時懸重反而增加，借此機會在該隊進行了指重表現場校準方法的試驗。試驗基礎數據：井深2600m，懸重1350 kN，JZ250型指重表（2400 kN），JZ250型傳感器 （6 MPa），JZG24型死繩固定器，實驗結果見表1。

1）試驗數據表明，該隊的天車滑輪阻力為3.5 kN，由此產生的測量誤差為35 kN，測量時懸為1200 kN，誤差達到了2.9%，超出精度等級約2倍。使用的是5組滑輪，每組滑輪的平均阻力達到0.7 kN，相當于用70 kg的力才可以轉動一個滑輪，實際檢查天車的結果，也是如此，一個人轉動滑輪非常吃力。

2）死繩固定器力比的檢測結果，符合死繩固定器的實際情況，繩輪潤滑良好。

表1　指重表現場校準方法試驗數據

5　結論

1）滑輪組的摩擦阻力以繩數的倍數被放大，且每個滑輪的阻力最后都疊加到死繩拉力上，因而，對測量結果影響是很大的，有必要對滑輪系統進行校準。

2）應用液壓測力接頭和旁壓式鋼絲繩張力測試儀進行指重表現場校準的方法，解決了實驗室無法校準滑輪系統和死繩固定器的問題，是對實驗室校準方法的補充和完善。試驗證明，校準方法是有效的，對現場指重表的校準具有很好的指導意義。

［1］石油工業專業計量標準化技術委員會.石油鉆井指重表檢定規程：JJG（石油）03—1999［S］.北京：中國計量出版社，1999：3-5.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.023

2016-07-15

（編輯賈洪來）

陸鳳俠，工程師，2004年畢業于清華大學（經濟學專業），從事計量管理工作，E-mail：lufeng_xia@sina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市讓胡路區西賓路552號大慶油田技術監督中心，163455。