一種新型鉆井泵參數(shù)記錄儀的研制

李海營

(中石化勝利油田黃河鉆井總公司，山東 東營 257513)

一種新型鉆井泵參數(shù)記錄儀的研制

李海營

(中石化勝利油田黃河鉆井總公司，山東 東營 257513)

為了解決鉆井過程要求定量控制泥漿泵的排量，但目前的鉆井參數(shù)記錄儀表不能定量完成泥漿替換和起下鉆定量灌注泥漿的問題，研制了一種新型鉆井泵參數(shù)記錄儀。記錄儀采用單片機控制泥漿泵排量，軟件程序采用C語言。實際應用表明：該記錄儀簡單可靠，費用低廉，尤其在機械類鉆機行業(yè)應用前景廣闊。

參數(shù)記錄儀 泥漿泵 鉆井 定量灌注 單片機 C語言

在石油和天然氣鉆進、完井過程中，泥漿排量的控制一直是鉆井技術的重要參數(shù)。但是目前鉆井隊配置的鉆井多參數(shù)記錄儀只能顯示泥漿泵的瞬時排量和總排量，不能顯示和報警一段時間內的泥漿排量，給鉆井起下鉆補充定量泥漿和固井時替換泥漿帶來困難。井隊技術人員只能根據(jù)泥漿泵每分鐘的泵沖數(shù)，然后再乘以時間計算替換泥漿體積，這種人工計算方式精度低且累計誤差大。為此，勝利油田黃河鉆井總公司研制了一種新型鉆井泥漿泵參數(shù)記錄儀，來解決鉆井過程中定量控制泥漿泵排量的問題。

1 設計原理分析①

由于泥漿泵的動力端為曲柄連桿機構，所以泥漿排量不是均勻的，而是呈sinω形式變化的；再由于泥漿泵吸入閥和排出閥一般不能及時關閉，泵閥、活塞和其他密封件有高壓液體泄漏，泵缸或液體中含有氣體，以及泥漿稠度不同等，導致吸入度不同，實際的計算和設計中均按照平均流量計算。泥漿泵排量Q的計算式為：

Q=ηISπD2/4

(1)

2 儀表硬件結構

鉆井泵參數(shù)記錄儀由主機和傳感器兩部分組成。主機由操作按鈕和液晶顯示屏組成，可在室內安裝，用于設置并查看鉆井泵的當前工作狀態(tài)；傳感器為兩個電感式接近開關，分別安裝于兩臺鉆井泵上，用于檢測當前鉆井泵的泵沖信號。

2.1單片機核心電路

鉆井泵參數(shù)記錄儀采用16位超低功耗單片機MSP430F247TPM作為核心處理芯片，溫度-40～105℃，價格3.4美元；MSP430F247 16位超低功耗微控制器具有32KByte閃存、4KByte RAM、12位ADC、兩個USCI和HW乘法器，具有功耗低、處理速度快及抗干擾性強等特點。

2.2實時時鐘電路

儀表的實時時鐘電路采用PCF8563時鐘芯片，該芯片采用I2C總線與主控制器進行通信，總線最大速度可達400kHz；同時為該芯片配備一個3V鈕扣電池，當主機斷電時，可由鈕扣電池為時鐘芯片提供電源，使它繼續(xù)準確計時。由于該芯片功耗極低，所以鈕扣電池在主機斷電后仍可至少工作兩年。

2.3報警電路

鉆井泵參數(shù)記錄儀設有3個報警繼電器，分別為K801、K802和K803，并且均為干接點形式輸出。U831為液晶顯示屏電源控制繼電器，當液晶屏出現(xiàn)故障時用于液晶屏的重新上電啟動。

上述4路繼電器的驅動均采用ULN2003A控制芯片，該控制芯片內含續(xù)流二極管，可以有效抑制因繼電器動作、復位等引發(fā)的瞬態(tài)干擾，從而提高系統(tǒng)的可靠性；采用ULN2003A芯片代替分立元件進行驅動，不但使元件數(shù)量減少，也節(jié)省了焊接加工成本減少了故障點。

2.4外部快速數(shù)據(jù)存儲電路

為了使鉆井泵參數(shù)記錄儀在斷電并重新上電時，能夠準確還原它在斷電瞬間的工作狀態(tài)，需要實時記錄鉆井泵的當前工作狀態(tài)，這就對外部存儲器的存儲速度和擦寫壽命提出了較高的要求。為了解決以上問題，筆者采用鐵電存儲器代替E2ROM存儲器進行各類鉆井泵工作狀態(tài)參數(shù)的存儲。

2.5傳感器硬件采樣電路

傳感器硬件采樣電路(圖1)外接NPN型電感式接近開關，24V(DC)供電，經快速光耦隔離后可將當前接近開關的狀態(tài)送往單片機檢測引腳。當外部接近開關無信號輸出時，其信號線呈高電平狀態(tài)，此時D501二極管截止，快速光耦U501輸入端發(fā)光管滅，其輸出端感光三極管截止，第6腳VO輸出高電平到單片機檢測引腳；相反，當外部接近開關有信號輸出時，U501的第6腳輸出低電平到電片機檢測引腳。

圖1 傳感器硬件采集電路

3 程序設計

鉆井泵參數(shù)記錄儀的軟件編程采用C語言，程序結構采用順序結構，算法以1號泵的瞬時泵沖為關鍵因子，瞬時排量采用乘法(式(1))和浮點運算計算，累計排量采用累加瞬時排量計算。瞬時泵沖算法采用中斷方式接收傳感器脈沖信號，當檢測到接近開關動作信號時，啟用1μs的時鐘定時器；當接近開關復位后又檢測到新的動作信號時暫停該定時器，并計算兩次動作間的時長，這個時間便是泵沖一次的時間，根據(jù)此時間即可計算出瞬時泵沖(圖2)。

計算瞬時泵沖時間的程序如下：

void Pump_1(void)

{ unsigned long Temp;

P2IFG &=～BIT0;//手動清除中斷標志

P2IES^=BIT0;

Pump_1_Info.H_L_Flag=Pump1_DI_Value();//獲取當前接近開關狀態(tài),1=>高電平,0=>低電平

圖2 鉆井泵參數(shù)記錄儀的程序流程

if(Pump_1_Info.H_L_Count==0)//檢測到開機后第1個脈沖的高電平信號

{ if(Pump_1_Info.H_L_Flag==1)//如果檢測到高電平,則開始檢測脈沖寬度

{Pump_1_Info.H_Start_Time=TBR;//記錄高電平發(fā)生時間,TBR單位μs

Pump_1_Info.H_L_Count=1;//已經檢測到第1個高電平信號

Pump_1_Info.OverFlow_Time_Count=0;//超時溢出計數(shù)器清0,該變量值為當前超時ms數(shù)

Pump_1_Info.L_Start_Time=0;//低電平發(fā)生時間清0

Pump_1_Info.L_Stop_Time=0;} }//低電平停止時間清0

else} //如果當前已經檢測到有效的高電平,則檢測低電平發(fā)生時間

4 應用

新型鉆井泵參數(shù)記錄儀的操作面板由8寸彩色顯示屏、5個功能按鈕、一個電源開關按鈕和一個聲光報警器組成；在設備的下方設有4個航空插頭，分別用于外接220V(AC)電源、泵1傳感器、泵2傳感器主報警輸出。

當系統(tǒng)未啟動統(tǒng)計功能時，此時間顯示“2000.00.00 00:00:00”，此時1、2號泵工作狀態(tài)將正常顯示，泥漿排量預警功能、歷史記錄保存功能失效。如果此時按下“清除/設定”按鈕，1、2號泵的工作狀態(tài)信息清0，當前排量值清0，統(tǒng)計時間自動設置為當前時間，啟動泥漿排量預警功能、歷史記錄保存功能，進入統(tǒng)計功能狀態(tài)。

當出現(xiàn)泥漿報警后，按下確認鍵予以消警，使報警繼電器和聲光報警器復位。

當系統(tǒng)正處于統(tǒng)計功能狀態(tài)，且要保存當前記錄時，按下“清除/設定”按鈕，該條記錄將被保存，同時將1號泵、2號泵、當前排量和統(tǒng)計時間參數(shù)清零，開始重新顯示。

目前該套裝置已經被勝利工程公司黃河鉆井內部的6支鉆井隊使用。在鉆井過程中，起下鉆需要定量灌注泥漿，通過參數(shù)設定需要灌注泥漿量，有效防止了井下地層壓力不均衡而導致的井漏、井涌等復雜的井下事故；在固井過程中定量注入水泥替代井下泥漿，精準確定水泥量的返高位置，通過此套裝置能精確方便的固水泥，有效保證了固井的質量。圖3為該記錄儀在勝利工程公司40570和40666隊運行時的在線監(jiān)測結果，檢測兩臺泥漿泵的累計泵沖數(shù)、瞬時泵沖數(shù)及時段內的累計排量等，并自動保存當前的工作信息，方便日后的查詢統(tǒng)計。

圖3 新型鉆井泵參數(shù)記錄儀的在線監(jiān)測結果

5 結束語

新型鉆井泵參數(shù)記錄儀設計簡單，制造成本低廉，費用僅兩千元左右。相比傳統(tǒng)的鉆井泵參數(shù)記錄儀表，能夠準確顯示和報警一段時間內的泥漿排量，給鉆井起下鉆補充定量泥漿和固井時替換泥漿帶來有效控制，方便準確完成鉆井泥漿泵入出控制。勝利油田黃河鉆井總公司鉆井隊使用該套設備前在東辛地區(qū)的固井合格率為96%，使用該套設備后固井合格率達到了99%，有效地提高了固井質量。

TH89

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1000-3932(2016)10-1116-03

2016-06-27(修改稿)