鉆進過程監測與控制硬件系統研究及應用

摘 要：隨著社會經濟的不斷發展與進步，科學技術的不斷改革與創新，鉆探行業發展得到了質的飛躍。鉆進過程監測與控制硬件系統作為現代鉆掘作業過程的重中之重，是一個必不可缺的關鍵部分，直接關系到鉆進工作的質量和效率。因此，要想實現鉆探工業的科學化、自動化以及數字化的發展，就必須加強對鉆進過程監測與控制方法的研究分析，不斷提高鉆井水平，有效降低相關工作人員的任務量，達到事半功倍的良好效果。文章將進一步對鉆進過程監測與控制硬件系統研究與應用展開分析與探討。

關鍵詞：鉆進過程監測；控制硬件系統；實踐應用

引言

當前是一個科學技術時代，鉆探行業發展要與時俱進，跟上時代前進的腳步。鉆進過程監測與控制硬件系統作為工作人員在鉆井過程進行科學分析決策的重要工具，它可以有效全面反映出鉆井的實際情況，讓鉆井技術人員充分掌握了解到各項鉆井信息數據，從而保障鉆井的安全可靠性和高效性。因此，現代計算機技術與通訊技術輔助下，鉆進工程企業要加大對鉆進過程檢查與控制硬件系統的研究分析，實現傳統系統的創新轉變，逐漸轉換為數字化、智能化以及網絡化的系統，大大提高鉆井的工作效率和質量，在最低成本下創造出最大的經濟效益和社會效益。

1 鉆進參數監控系統的主要內容

1.1 過程監控系統的工作原理

過程監控系統又被稱為測試系統，它通過利用計算機去實現對鉆進過程的檢測目的，獲取相關的測量數據。

過程監控系統的工作原理是在獲取到相關參數后，在傳感器的作用下實現將參數轉換成模擬信號，通過模擬輸入通道進行信號的調理和數據的采集，再有效轉換成數字形式經過計算機處理，儲存到相對應的存儲器當中，這樣有利于之后工作人員的數據提出和分析。為了保障對測量過程的實時監測[1]，在模擬輸出通道輔助下，能夠有效將處理后的數據以模擬信號的方式顯示在模擬顯示器上，工作人員能夠隨時隨刻觀察到相關數據。此外，一旦測量過程的參數超過標準限度時，計算機會自動發出報警信號。

1.2 系統傳感器的主要類型和選用原則

當前市場傳感器的種類多種多樣，根據測量對象的不同，大致可以分為以下幾種類型：（1）熱工量的測量傳感器，包括了常見的壓力傳感器、液位傳感器以及流速傳感器等；（2）機械量的測量傳感

器，包括了應力傳感器、加速度傳感器、力矩以及位移等；（3）物理化學量的測量傳感器，包括了濕度傳感器、化學成分傳感器以及氣體或者液體密度等。

工作人員在選擇傳感器上，要綜合考慮到各種問題因素，例如傳感器的占用體積是否滿足被測區域的相關要求、安裝方式決定是采取非接觸式還是接觸式、傳感器的成本價格以及根據信號的引出方式選擇是無線還是有限測量等。在全面考慮到上述問題后，工作人員才能去關注到傳感器的其他選用因素，比如傳感器的靈敏度、頻率響應特性以及線性范圍等，這些都是傳感器重要選擇標準。

1.3 鉆進參數監測系統

鉆進參數指的是在鉆進過程中表征鉆進特性的多種與鉆進過程相關的化學和物理參數，參數的獲得有利于工作人員進行科學的分析決策，有針對性的選用鉆井方式。當前市場的鉆進參數系統能夠保證在同一時間段對幾十種數據進行監測，這些參數主要涵蓋了鉆壓、泵壓、泵量、鉆速以及大鉤負荷等，所有參數的分析有利于工作人員總結發現鉆進過程的整體發展規律特征，從而進行合理的優化調整，改進完善鉆進方式，達到安全高效的鉆井目的，在最低成本下創造出最大的收益[2]。

2 控制硬件系統的相關設計

2.1 鉆壓控制

步進電動機作為一種廣泛應用的電動機，它通過利用電脈沖進行控制，并且有效將電脈沖信號轉換成對應的線位移或者角位移。只要保持在非超載的狀況下，電機的轉速、停止的位置完全取決于脈沖數和脈沖信號的實際頻率，不會受到負載變化的影響。工作人員只需要往步進電動機內有效輸入一個電脈沖，就能夠使其前進一步，最后輸出的角位移會與輸入的脈沖數成正比例關系，轉速也會與脈沖頻率成正比例關系。在鉆壓控制系統中，步進電動機與計算機之間存在著密切關系，在計算機技術輔助下，步進電動機能夠有效驅動調壓閥開啟壓力的大小，從而控制鉆機液壓系統的壓力，實現最終的控制鉆壓的目標。

2.2 轉速控制

三相異步電動機作為被普遍應用的異步電動機，其轉速公式為：

三相異步電動機存在多種調速方法，主要包括了以下幾種類型：（1）通過改變旋轉磁通勢同步轉速進行調速，包括去改變供電電源頻率f1、改變定子繞組極對數P等方式；（2）改變轉差率S進行調速，包括去降低電源電壓、繞線式異步電動機轉子回路串電阻等方法。通過應用變頻調速系統去控制鉆機的轉速是完全可行的，通過將變頻器與計算機建立安全聯系，利用計算機向變頻器發布控制信號，然后改變輸送給三相異步電機的頻率，這樣就可以有效改變它的轉速，從而有效實現控制鉆機轉速的目的。

3 鉆進監測與控制系統的實踐應用

當工作人員將各個系統傳感器準確安裝完畢后，連接好所有信號，就能夠進行現場的鉆井試驗。比如進行鉆機空轉、不下鉆桿的試驗，在鉆進過程中可以發現系統開啟后，頻率脈沖信號能夠及時讀取數據，然而模擬信號通道卻無法穩定作業。并且系統受到外界信號的嚴重干擾，信號不穩定。工作人員根據問題原因分析得出，針對此現象要采取多元化的信號抗干擾模式，要合理的縮短信號線的長度，把信號線穿過細鋼管等，這樣可以有效避免外界環境因素對信號的干擾；當進行擴孔鉆進作業時，在上述應對措施采取后，發現輸出信號較為穩定，根據信號實際輸出情況，分析得出軟件部分需要得到優化調整[3]。

4 結束語

綜上所述，社會的發展離不開各項能源的開發利用，現代鉆進技術的創新優化已經成為了人類社會可持續發展急需解決的問題。因此，鉆探行業必須加強計算機技術、通訊技術以及電子技術與鉆井作業的結合，有效開發出完善的智能化、數字化以及集成化的鉆進過程監測與控制硬件系統，不斷提高鉆井的安全穩定性和高效性，為社會帶來更多的現實價值，推動國民經濟穩定持續的發展。

參考文獻

[1]王果，劉剛，賈國玉，等.鉆井試驗裝置鉆壓伺服控制系統的設計與仿真[J].石油機械，2012，34（6）：50-53.

[2]郭李艷，何萍，李美蓮. 一種應用 TMS320F2812 和編碼器測量電機轉速的方法[J].桂林航天工業高等專科學校學報，2014，3：13-15.

[3]Heisig G，Sancho J， Macpherson J D.Down hole diagnosis of drilling dynamics data provides new level drilling process[J].2013，5（2）：38-39.

作者簡介：劉宇譯（1986-），男，漢族，江蘇鹽城人，本科，西安石油大學，研究方向：機械制造及其自動化。