ZPEC-2000钻井参数仪的设计与开发

ZPEC-2000钻井参数仪的设计与开发

摘要：在石油勘探中，安全钻井显得越来越重要，钻井技术人员要求随时掌握钻井过程中各种参数的变化，以便更好地实施科学钻进，达到保护油气资源、完善钻井质量的目的。为了更好地适应形势，地质录井处科技人员结合最新的科技、材料及工艺发展水平，研制了ZPEC-2000钻井参数仪。与其他设备相比，ZPEC-2000钻井参数仪设计思想先进，集中了现今石油行业的最新科研成果，具有全防爆、数据动态传输与分配、钻具振动分析、实时数据远程共享（浏览器B/S模式）、钻井系统工程应用程序包等功能。现场应用表明，ZPEC-2000钻井参数仪是一种具有领先技术的现场钻井监测服务系统。

引言

在石油勘探中，安全钻井显得越来越重要，钻井技术人员要求随时掌握钻井过程中各种参数的变化，以便更好地实施科学钻进，达到保护油气资源、完善钻井质量的目的。为了更好地适应形势，地质录井处科技人员结合最新的科技、材料及工艺发展水平，研制了ZPEC-2000钻井参数仪。ZPEC-2000钻井参数仪研制是中原石油勘探局2001年度重点科技攻关项目（项目编号：2001315B），项目于2001年6月立项，2002年7月通过验收。该项目正在申请国家专利，专利申请号022470859。与其他设备相比，ZPEC-2000钻井参数仪设计思想先进，集中了现今石油行业的最新科研成果。

一、设计思路

ZPEC-2000钻井参数仪是为了满足现场安全优质钻井的需要而设计的，为了适应现场恶劣的环境，最大限度的发挥功能，我们在设计方案中力求达

到以下目标：

1、系统全隔离防爆设计

从传感器到采集处理接口、计算机系统、显示监控系统，全部采用隔离防爆设计，适合Class 1、Div 2、Group C、D区域作业，满足钻井现场全防爆的要求；

2、硫化氢防护及报警功能

系统最多可以安装四只硫化氢传感器，实时监测井下的硫化氢气体，并提供声光报警功能，加强钻井作业的安全性；

3、系统防腐、防震设计

系统的制作材料经过防腐、防震设计，能够适应现场恶劣的环境；

4、系统宽工作温度范围设计

整套系统可以工作在-20℃~+65℃宽温度范围内。

5、采用最新的计算机网络技术，共享数据资源

采用远程自动化管理技术，基于TCP/IP协议，实现数据的网络共享，可以通过局域网配置多台计算机，并可实现远程控制；

6、具有实时钻井工程异常事故预报功能；

7、具有实时钻具振动监测功能；

8、信号处理简单，减少可能的故障环节；

9、具有良好的可扩展性；

10、安装、操作过程简便，维修过程方便，减少维修时间。

二、系统组成

ZPEC-2000钻井参数仪主要由以下部分组成：（1）信号拾取系统（2）信号处理系统（3）计算机采集与处理系统（4）司钻操作台总成（5）远程监测

与控制系统。

图1 ZPEC-2000钻井参数仪系统功能组成示意图

三、工作原理

ZPEC-2000钻井参数仪的整体结构由以下部分组成：

（1）传感器组（2）接线箱（3）防爆箱（4）隔离模块（5）采集服务器（包含触摸屏）（6）司钻操作台总成（7）远程监控机或第三方远程终端。

其中隔离模块、采集服务器安装在防爆箱内，触摸屏位于防爆箱的前面板端。司钻操作台总成安装在司钻区域，包括防爆显示器和机械仪表总成。远程监控机可以是多个远程终端，又可以和采集服务器同属于一台计算机。

一）工作流程

传感器组采集的原始信号经由接线箱传输至隔离模块。采集服务器对隔离模块采集的信号进行计算、处理后发送到主台、司钻操作台总成、远程监控机及第三方远程终端，并接受主台、司钻操作台总成、远程监控机及第三方远程终端反馈的控制信号。

二）传感器组

按照传感器输出信号类型，可将传感器分为两类：

1、模拟量传感器：包括体积、大钩负荷、立管压力、转盘扭矩、出口流

量、硫化氢传感器，该类传感器为标准的两线制，输出信号均为4-20mA。

2、数字量传感器：包括绞车、转盘转速、泵冲传感器，其中绞车传感器为霍尔感应型，转盘转速、泵冲传感器为临近开关型，输出TTL电平信号。

本系统接线箱分为钻井液罐区和钻台区两个，其中钻井液罐区包括以下传感器：池体积传感器（包括起下钻罐）、泵冲传感器、硫化氢传感器；钻台区包括以下传感器：大钩负荷、绞车、转盘转速、立（套）管压力、转盘扭矩、出口流量、硫化氢传感器。

二）信号采集处理系统

信号采集处理系统包括隔离模块、采集服务器、触摸屏及电源系统，统一封装在防爆箱内。

隔离模块为一种标准的信号处理装置，本系统隔离模块共分为三种型号，分别为：AM-T-I4P/U5、AM-T-U/D-4、ZY-T-1。其中AM-T-I4P/U5处理模拟量传感器传输的4-20mA信号，并将该信号处理为0-5V输出信号供A/D卡采集。数字量传感器输出的信号经数字调理电路（AM-T-U/D-4和ZY-T-1）归整为0-5V TTL电平信号，由A/D变换器的计数端口计数后送给计算机采集处理。

本系统采用CYBF001型防爆计算机作为采集服务器，内含两块DM5416 A/D 转换器（1#和2#）。每块A/D转换器有16路通道，1# A/D转换器通道号为0-15，2# A/D转换器通道号为16-31。

计算机对A/D变换器定时采集D值，对采集的D值进行反转换，计算出对应的物理量及一些派生参数，并接受用户输入的信息，实现实时监控。

1、模拟量传感器

信号处理单元（隔离模块）将传感器输出的4~20mA信号变换为0~5V的电压信号送往A/D变换器，供采集服务器采集处理。通过Ａ/Ｄ变换器，原来

的模拟电压变成了二进制数。对12位的Ａ/Ｄ来说，这个二进制数的长度为12位，对于满量程+5V，12位全为1的D值为4095。D值表示可用下式来计算：

D值=4095*VI/5V （VI为实测电压值，单位：V）

对4mA（对应于物理量的0）、20mA（对应于物理量的最大值）进行标定，便可得到一条标定曲线。这样对采样来的任意Ｄ值按该曲线即可反算出相应物理量值。例如立管压力传感器为一模拟量传感器，输出信号为4-20mA，经隔离模块、A/D采集卡送到采集服务器，采集范围为0-5V，对应于物理量的0-50MPa。假设采集服务器采集的立管压力通道D值为2000，则其电压值为：VI=D*5V/4095=2000*5/4095=2.44V

因此对应的立管压力物理量应为：

立管压力（MPa）=（2.44V/5V）*50MPa=24.4MPa

2、数字量传感器

数字量传感器输出的信号经数字调理电路（AM-T-U/D-4和ZY-T-1）归整为0-5V TTL电平信号，由A/D变换器的计数端口计数后送给计算机采集处理。

1）绞车传感器

绞车传感器安装在绞车滚筒轴上，绞车滚筒转动时，传感器的输出端就得到具有90°相位差的两组脉冲信号，它代表绞车滚筒的角位移。绞车滚筒转动一圈，传感器输出24个脉冲信号。利用绞车传感器将滚筒转动的角度变换为脉冲的数量，用鉴相电路把从传感器来的两路相位相差90度的脉冲分离为记数脉冲和方向控制电平(即上行和下行)。用一可加减16位计数器(能计量的脉冲数为65536个,当使用十二齿绞车传感器时,大钩由零升到最高，鉴相器能输出1万余个脉冲)，记录绞车滚筒转动的过程。计数器中的脉冲总数

与大钩的高度成正比。确定滚筒上各层结束时脉冲总数，并用采集来的脉冲总数相比较，确定现在滚筒上最外层的层数。根据层数的判断结果，将脉冲总数换算为大钩的现在高度。根据两次采集大钩高度的变化量,可以计算出井深和钻头位置。

2）泵冲和转速

钻井液泵动作一次（或者转盘转动一圈），则在传感器上产生一次电平信号的高低变化，计算机通过A/D变换器的计数通道采集这种变化，从而计算出每分钟的泵冲数和转速。

三）司钻操作台总成

包括机械仪表总成、防爆显示器、不锈钢键盘等，司钻可根据现场情况确定和设置调整各种参数，以期达到安全、高效的钻井目的。

四）远程数据共享及远程控制

本系统使用远程自动化技术，基于TCP/IP协议或网络支持的其他协议，采用分布式处理技术，在石油钻探现场信息处理技术领域引入采集服务器和远程终端的概念。采集服务器为公共接口部分（底层），采集原始信号，通过网线发送到远程主机进行计算、处理。远程主机可以与采集服务器同属一台计算机，又可以为任何一台远程终端，它将处理后的信息发送回公共接口部分，然后由公共接口部分通过网络发布到各远程终端。各远程终端接收公共接口部分（底层）发布的信息，又可将自己的信息通过公共接口部分发布给其它远程终端。

四、系统功能

本系统可测量的主要参数有：大钩负荷、钻压、超拉力、井深、钻头位置、钻时、井空、大钩高度、垂直井深、立（套）压、出口流量、入口流量、

泵冲、转速、转盘扭矩、分池体积、总体积、起下钻罐、可燃气及H2S等参数。

可设置的报警参数有: 各种参数的高低限报警,超拉力超正限和负限.井涌报警,井漏报警,出口流量变化超限,池体积差值超限,总体积超限,可燃气及H2S超限报警等。

本系统采用最新的计算机网络技术，以先进的网络结构方式来分配各节点，通过网络加以连接，可挂接多个网络终端，并可通过WEB页浏览方式（图4），使本仪器提供的数据成为共享资源，能被网络上所有需要处理监测数据的计算机所识别和处理，方便了监测数据的应用，并依不同的权限而进行数据采集、系统控制、数据监控、数据存储、数据打印、历史数据浏览。

图2 WEB数据浏览

软件中设置网络通讯功能，监督或具有钻井生产指挥权的人员可通过计

算机终端下达一些简单生产指令，指令可被安全及时送达到指定工位，并以醒目方式显示出来。比如监督或带班队长可通过计算机终端下达改变钻井参数的指令到司钻的显示器。

设置专用的司钻控制台，司钻可根据现场情况确定和设置各种报警门限值以及调整各种参数，以期达到安全、高效的钻井目的。

配置钻具振动监测分析功能，对扭矩、转速、大钩负荷和立压传感器信号以高于10Hz的频率进行采集，利用傅立叶方程对所采集的信号进行处理，绘制能谱图显示钻具振动分析结果。当钻具发生有害振动时，报警装置提醒人们改变钻井参数，以防止井下钻具损伤，避免钻井事故。

图3 钻具振动监测分析

具有井眼轨迹跟踪技术，根据MWD系统或者人工输入提供的井斜数据，系统可以实时显示井眼设计轨迹及实际轨迹，实现了对井眼轨迹的自动跟踪，用于指导定向钻进。

图4 井眼轨迹跟踪图

硬件设计采用通用组件，尽量采用标准部件，非标准设备少，减少自行机械设计及非标准生产的工作量，便于维护和保养。

整套设备采用流行的分体设计，设备体积小，便于做防爆处理，又便于安装使用。

ZPEC-2000钻井参数仪全部设备达到防爆安全指标，所有设备均适用于钻井现场的恶劣工作环境，能测量除泥浆性能参数外的所有钻井工程参数，具备室内室外报警功能，所有采集参数可保存在终端上，并能打印出来。

五、关键技术

本系统主要解决了以下几个方面的关键技术：

1）计算机采集及显示系统的防爆技术

我们采用了计算机系统的仪表化设计，整个计算机采集及显示系统放置

在钻台上，因此要求它们具有钻井现场1区、2区全防爆的能力。通过充分调研和精心设计，我们解决了这个问题，并取得了“ExdiIIBT4”防爆证书。我们已对这种结构体系设计申报了国家专利（专利申请号022470859）。

2）网络数据的动态传输及分配技术

根据设计要求，采集服务器安装在钻台上，其他计算机或终端位于网络的任何位置，并通过网络获取采集服务器的数据和向采集服务器传送计算数据，网络可以是局域网也可以是Internet网。我们借鉴了国外一些先进软件的设计思想，利用微软提供的“远程自动化访问”技术，采用“分布式计算”软件设计思想，成功解决了网络数据的动态传输及分配问题。分布式应用引入了一个全新的设计和扩展概念，它增加了软件产品的复杂性，但是带来了可观的回报。

分布式应用与它们的非分布式版本比起来具有更大的可扩展性。如果整个复杂应用的逻辑结构可以用一个简单的模型来表示，那么仅仅只有一种方法来增加系统的工作效率：用更快的机器，而无需的应用本身进行调整。虽然现在的服务器和操作系统升级很快，但是买一个同样性能的机器还是比将服务器的速度升级为原来的两倍所花的钱少。有了一个设计适当的分布式应用系统，一台功能不怎么强大的服务器就能够运行所有的组件。当负载增加时，可以将一些组件扩展到价格便宜的附加的机器上。现在我们可以在网络上任何一台或几台计算机上进行数据计算并把计算结果送回到采集服务器上，也可以在任何一台或几台计算机上控制采集服务器的运行。

3）WINDOWS环境下数据采集编程技术

WINDOWS环境不同于单用户的DOS环境，由于各种保护和限制，使得在WINDOWS环境下的数据采集编程异常困难，我们通过对WINDOWS环境下硬件管

理机制和硬件编程机制的研究，掌握了WINDOWS环境下A/D采集单元，计数单元以及I/O单元的编程技巧，并编制了适合高级语言程序调用的动态连接库，成功解决了WINDOWS环境下数据采集的编程问题。

4）WINDOWS环境下的实时曲线打印记录技术

WINDOWS环境提供的打印功能无法完成实时长图打印，只能按页打印，而最大的页长度也只有200cm,无法满足钻井参数曲线的实时记录要求。要进行连续无缝的记录曲线打印必须开发能在WINDOWS下运行的打印驱动程序。我们避开了WINDOWS打印程序，自行开发了长图打印驱动程序，直接对打印口和打印机编程成功解决了WINDOWS环境下的实时曲线打印记录问题。

首先，我们利用EPSON的ESC/P2打印机控制代码编制了记录曲线生成程序，再利用I/O编程技术直接将打印数据发往打印端口，用EPSON 1520彩色喷墨打印机完成钻井实时曲线的记录。

图5 ZPEC-2000钻井参数仪记录曲线图

5）钻具振动监测系统的快速数据采集技术

钻具振动监测系统需要大量数据进行分析，因此要求使用高速数据采集技术对大钩负荷、钻盘扭矩、钻盘转速、立压等数据进行快速采集分析。为

此，我们通过调研对比选择了一种330KHz具有DMA传送方式的高速A/D采集卡，经实际使用，效果很好，解决了快速数据采集问题。

6）WEB页浏览技术

通过对油田各种勘探开发实地环境的深入了解和分析，结合目前国内油田现有的网络状况及最新的通信手段，本着合理利用网络资源和通信资源、尽可能采用就近接入的原则，我们从目前众多的通信技术方案中优选了五种适合于录井数据远程传输的技术手段（分别是：无线扩频技术、GPRS技术、卫星通信技术、电话技术、无线电台技术），并针对不同的勘探开发地理环境分别做了详细的实地功能测试，取得了可靠的技术性能指标。在B/S工作模式下，采用COM技术开发出了网络实时数据动态曲线显示的ActiveX图形控件，实现了网上录井数据信息图形化实时浏览、查询和比对技术。采用ActiveX 技术实现了终端数据打印输出功能。

六、应用效果

与传统的钻井仪表相比，ZPEC-2000钻井参数仪具有以下优点：

1、对采集参数进行计算机化处理，计算派生参数，极大的丰富了信息量。

2、钻井数据界面采用可视化设计，即可多画面显示不同参数，又可进行参数组合选择。

3、实时监控系统使操作人员可以准确掌握钻井过程中的各种信息，保证安全、优质的钻井生产。

4、采用远程自动化技术，实现了分布式处理，有效利用计算机资源。

5、以有线或无线方式，实现了远程监测与控制、远程信息共享，为钻井现场决策提供依据。

6、软件采取开放式结构，充分共享数据资源，可以挂接第三方软件。

查新报告、测试报告及现场实验表明，ZPEC-2000钻井参数仪在技术上属领先水平。目前，ZPEC-2000钻井参数仪已开发20多台套，广泛分布于中原油田、贵州、塔里木石油探区、西北局、西指等地市场，发挥着重要的作用。