鉆井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器應(yīng)用淺析＊

劉佳

（廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510900）

1 引言

鉆井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是鉆修井作業(yè)中實(shí)時(shí)測(cè)量鉆機(jī)運(yùn)行工況，包括懸重、吊鉗扭矩、泥漿泵沖速、泥漿泵泵壓、立管壓力、轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩、游車高度、泥漿罐體積等多種參數(shù)的變化狀態(tài)[1]，輔助操作人員和技術(shù)人員者及時(shí)了解鉆井工況，保障鉆機(jī)安全運(yùn)行，避免安全事故的發(fā)生，進(jìn)一步為工程人員分析鉆井地質(zhì)結(jié)構(gòu)提供技術(shù)支撐。

鉆井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常見(jiàn)的模擬傳感器有壓力傳感器、接近開(kāi)關(guān)、編碼器、超聲波泥漿罐體積傳感器。

2 壓力變送器

壓力變送器一般由對(duì)壓力較敏感的元件和信號(hào)處理單元構(gòu)成[2]，依照元件受壓的規(guī)律把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成可以遠(yuǎn)程傳輸電信號(hào)的器件。常見(jiàn)的懸重、吊鉗扭矩、泥漿泵泵壓、立管壓力參數(shù)采用壓力變送器，如圖1 所示。

圖1 壓力變送器

2.1 工作原理

大鉤載荷的變化通過(guò)指重表傳感器探測(cè)的液壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)懸重壓力變送器輸出電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)懸重參數(shù)的測(cè)量。

吊鉗扭矩壓力變送器安裝在吊鉗尾部，當(dāng)鉆具上扣時(shí)，大鉗尾繩上作用于與上扣扭矩成正比的拉力[3]，通過(guò)活塞傳遞液壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)吊扭矩壓力變送器輸出電信號(hào)。

立管管匯的泥漿壓力作用于傳感器連接的膠杯，轉(zhuǎn)達(dá)到液壓油上，液壓信號(hào)施加到壓力變送器輸出電信號(hào)[4]。

2.2 安裝方式

拆卸指重傳感器注油口的自封接頭，連接三通接頭，一端連接自封接頭，當(dāng)傳感器注油時(shí)采用，一端接壓力變送器。安裝前應(yīng)在壓力變送器接頭處纏上密封膠帶，應(yīng)盡量將變送器安裝在通風(fēng)干燥處，避免強(qiáng)光直接照射和雨淋，否則將降低變送器的性能并影響其壽命。

將吊鉗扭矩變送器放置于吊鉗的尾繩上與鉆臺(tái)固定裝置連接的一端。在傳感器受力時(shí)，尾繩中心線盡量處于水平狀態(tài)，并與吊鉗臂成90°夾角。

在泥漿管匯上開(kāi)一個(gè)圓孔，焊上一個(gè)帶有2”NPT 公螺紋的短節(jié)，焊縫應(yīng)密封牢固。在短節(jié)上纏上聚四氟乙烯薄膜帶，將立管傳感器上的公由壬裝在短節(jié)上。

2.3 技術(shù)性能

鉆井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)壓力變送器技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 壓力變送器技術(shù)性能

3 接近開(kāi)關(guān)

泥漿泵泵速和轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速傳感器采用接近開(kāi)關(guān)測(cè)量，接近開(kāi)關(guān)是一種非接觸式傳感器。當(dāng)被測(cè)的金屬物體靠近接近開(kāi)關(guān)時(shí)，接近開(kāi)關(guān)能輸出電信號(hào)。接近開(kāi)關(guān)如圖2 所示。

3.1 工作原理

金屬物體逐漸靠近傳感器時(shí)，接近開(kāi)關(guān)形成脈沖信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)速比推算，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速或泥漿泵泵沖測(cè)量。

3.2 安裝方式

通常在轉(zhuǎn)盤(pán)或泥漿泵的傳動(dòng)軸上適當(dāng)?shù)胤胶附右粋€(gè)金屬感應(yīng)塊（例如小平頭螺絲），傳感器固定在支架上，使其對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)感應(yīng)塊，保持感應(yīng)距離5～10 mm 之間。旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸，確保傳感器與感應(yīng)塊不會(huì)碰上。

圖2 接近開(kāi)關(guān)

3.3 技術(shù)性能

泥漿泵泵沖和轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速技術(shù)性能如表2 所示。

4 編碼器

增量式光電編碼器在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度就輸出相應(yīng)的脈沖信號(hào)，一般為A 相、B 相和Z 相輸出。編碼器如圖3 所示。

4.1 工作原理

滾筒式傳感器通常采用增量式光電編碼器，光電編碼器安裝在絞車的滾筒軸上，當(dāng)大鉤移動(dòng)式帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，光電編碼器將大鉤移動(dòng)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)閮山M相位差為90 的電脈沖信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集單元采集處理，計(jì)算出游車高度工程值。

表2 接近開(kāi)關(guān)技術(shù)性能

圖3 編碼器

4.2 安裝方式

先將滾筒軸端面的護(hù)罩及導(dǎo)氣龍頭的氣動(dòng)接頭拆卸后，將滾筒傳感器的G3/4 英寸的管牙接上，再擰緊氣動(dòng)接頭，將不銹鋼架附件與氣動(dòng)線卡接牢靠固定后，裝上護(hù)罩，最后將傳感器輸出電纜接至數(shù)據(jù)采集器。

4.3 技術(shù)性能

滾筒編碼器技術(shù)性能如表3 所示。

表3 滾筒編碼器技術(shù)性能表

5 超聲波泥漿罐體積傳感器

超聲波的頻率高于20 000 Hz，泥漿是無(wú)法透過(guò)光線的介質(zhì)，超聲波遇到泥漿液面表面時(shí)會(huì)發(fā)生反射，常用的超聲波泥漿罐體積傳感器如圖4 所示。

5.1 工作原理

超聲波在泥漿罐內(nèi)部傳播，當(dāng)聲波遇被測(cè)介質(zhì)表面時(shí)，聲波會(huì)沿著發(fā)射路徑進(jìn)行反射，反射的聲波有部分被超聲波液位計(jì)接收，并通過(guò)電子器件轉(zhuǎn)換成4～20 mA 信號(hào)[5]。

5.2 安裝方式

超聲波有盲區(qū)，安裝時(shí)必須預(yù)留超聲波液位計(jì)安裝位置與泥漿罐頂部的距離。泥漿罐體積傳感器通過(guò)廠家提供的安裝支架固定在泥漿罐上，安裝前需要在罐面開(kāi)一個(gè)直徑200 mm 左右的圓孔，以備超聲波通過(guò)。

圖4 超聲波泥漿罐體積傳感器

5.3 技術(shù)性能

泥漿罐超聲波液位計(jì)技術(shù)性能如表4 所示。

表4 泥漿罐超聲波液位計(jì)技術(shù)性能

6 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)作為全球的制造業(yè)大國(guó)，鉆修井裝備逐漸走向海外市場(chǎng)，制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)對(duì)配套設(shè)備的傳感器技術(shù)提出了新的要求，本文介紹了鉆井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中常見(jiàn)的壓力傳感器、接近開(kāi)關(guān)、編碼器、液位傳感器，期望對(duì)鉆機(jī)配套儀表起到一定的參考作用。