钻井工程参数测量系统的设计.docx

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钻井工程参数测量系统的设计

摘要

进入21世纪以来，石油是不可缺少的能源之一，随着国民经济的迅速发展，对地下开采石油量的需求不断增长，现代钻井技术有了新的发展，本文主要研究钻井工程中各个参数的测量。

传统的钻井设备体积庞大、不易安装、输出信号一般为模拟信号，测量精度不高、实时性差、出现故障也不易排除，因此给钻井工作带来了巨大的隐患；本文将在钻井过程中使用双CPU系统测量各个参数，因为各个参数的信号是模拟信号，需要一个CPU一直采集读取，而CPU还有显示跟打印的功作，所以避免测量误差，采取更为方便的CPU测量系统，一个是事务处理CPU，另一个是测量处理的CPU，双CPU都是使用AT89S52型单片机对各参数进行控制，井深的测量是使用了称重传感器跟绞盘编码器一起来进行测量，钻压扭矩的测量也是采用了比较实用的应变片测量方法。

本文的优点就是利用双CPU系统来工作，应变发法测量钻压扭矩，方便快捷的实现了各个参数的测量。

关键字:

单片机；钻压；钻井；扭矩；监测

Abstract

Inthe21century,theoilisoneoftheindispensableenergy,asthenationaleconomyoftherapiddevelopmentofundergroundmining,theamountofoilrisingdemand,moderndrillingtechnologyisanewdevelopment,sothispaperismainlydrillingengineeringresearchinthemeasurementofeachparameter.

Thetraditionaldrillingequipmenthugevolume,noteasyinstallation,theoutputsignaliscommonlyanalogsignals,measurementaccuracyisnothigh,thereal-timefailure,noteasyalsoruledout,sogivedrillingworkbringshugerisks;andThispaperwillbeadrillingprocessusingdualCPUsystemparametermeasurement,becauseeachparameteristhesignaloftheanalogsignal,needaCPUhasbeengathering,andtheCPUandreadwiththeworkthatprint,soavoidmeasurementerrors,takeamoreconvenientCPUmeasurementsystem,isatransactionprocessingCPU,theotherisameasurementprocessingCPU,doubleCPUaretheuseofvariousparametersofAT89S52SCMcontrol,welldepthmeasurementisusedtogetherwiththewinchencoderweighingtransducertomakethemeasurement,themeasurementofdrillingpressuretorqueisusedmorepracticalmeasurementmethodofthestraingauge.

Theadvantagesofthispaperistousethesystemtowork,twinCPUstrainmeasurementhairdrillingpressuretorque,convenientandquicktorealizethemeasurementofeachparameter.

Keyword:

SCM;Drillingpressure;torque;drilling;monitoring

第1章绪论

1.1钻井工程技术发展的背景

在经济全球化的大背景下，结合当前国际石油背景，全球油价的居高不下，引起世界各国对石油勘探开发热潮，对钻井的要求越来越高，钻井的工作量也越来越大。

这也为我国高端的钻井技术的发展提供了一个很好机遇，并产生了巨大的推动作用。

从我国的情况来看，西部地区石油资源近70%埋藏在深部地层。

东部地区浅层和中深层的勘探程度较高，深部地层尚有50多亿吨的石油储量可供勘探。

中部地区是天然气富集区，有超过一半的天然气资源量在深部地层，所以未来我国的勘探开发潜力主要在深层，必须靠深井和超深井进行勘探开发。

而且深井、超深井钻井技术是一个国家钻井技术水平的重要标志之一。

目前我国的钻井技术还不是特别的先进，有很多还没有克服的难题，比如钻井过程中的上喷下漏等出现的复杂情况。

所以设计出一个实时性高，精确度高的测量井深、钻压等参数的系统是很有必要的。

1.2国内外钻井技术的发展概况

钻井技术从上世纪末至今已经历了经验钻井、科学化钻井、自动化智能钻井3个发展阶段。

美国、西欧等西方等发达国家一直处于钻井技术的前沿，完成了大批超深井、高难度定向井、水平井、径向井、分枝井。

与之相配套的各种工艺技术，如化学处理剂应用开发。

冶金铸造技术、工具设计制造、精密仪器的研制加工等都有了长足的进步，从而有力推动了地球科学、石油工业及其他有关行业的发展。

目前美国Intelliserv公司设计出了一个有缆钻杆，即所谓的智能钻杆。

他的主要特点是数据传输高速、大容量、实时：

真正的实现了双向通信；适用于包括欠平衡钻井、气体钻井在内的任何井况下的数据传输。

长期以来，勘探钻井需要使用陆地钻机或海上钻井平台，还要使用钻杆、泥浆、套管和水泥，势必造成勘探钻井费用居高不下，勘探风险很大。

要想从根本上降低勘探钻井费用和勘探风险，就必须摒弃现行的钻井方式，另辟蹊径，开发一种完全不同的钻井方式。

挪威的獾式钻探器公司正在研制的獾式钻探器正是这种崭新的钻井方式。

獾式钻探器是一种无钻机的井下自动钻探机，长约25米，设计钻深能力超过3000米。

它的主要特点就是不用陆地钻机或海上钻井平台，可大幅度减少作业人员和后勤保障工作，还能避开海洋环境对钻井作业的干扰；显著降低勘探钻井费用和勘探风险；实现远程控制和自动化钻井等。

目前我国研制出多参数随钻测井系统，该系统是集钻井、测井和油藏工程技术为一体，并且该系统可以同时测量仪器周围的侧向环形电阻率、方位电阻率以及方位自然伽马等地层地质参数，以及无线随钻测量系统测量的井斜、方位、工具面等井眼工程参数。

1.3自动控制技术在钻井中的应用

近几年，国产电驱动钻机发展迅速，控制水平从早期的模拟控制上升到目前国际流行的典型三级控制，既上位监控级、PLC过程控制级、全数字级构成通信网络。

我国石油钻机在标准化水平、技术制造水平及研究开发能力、产品质量和品种等方面有了较大的提高和发展，自动控制技术在钻机上的应用已达到20世纪90年代中期国际钻机先进水平，电传动系统达到美国20世纪90年代第四代产品水平。

钻机自动控系统所用的元器件的关键件仍是采用优良的原装进口件，大部分元器件采用了合资企业生产的产品，控制系统性能参数基本稳定可靠。

自动控制技术在机械驱动清醒钻机主机上的使用，成熟技术主要有电子控制汽油喷射装置、电子控制自动变速器、大钩限重级天车防碰自动控制系统、电子司钻、电视监控系统。

电子控制汽油喷射装置不仅能稳定、可靠，而且价格比同类普通产品要低，值得推广。

电子控制自动变速器由机械系统、液压系统、气压系统、电气控制系统组成。

大钩限重及天车防碰自动控制系统广泛用于各类钻机。

在中、大型电驱动石油钻机上已有应用，但此系统在轻型电驱动钻机上还从没有配置过。

电子司钻广泛应用于所有钻机，主要由高精度调节阀、电磁阀、高性能的计算机系统、高级的HMJ设备构成，它可以提供可靠高效的钻机控制。

电子司钻在复杂的钻井过程和钻井条件下，可根据不同地质结构，在保证钻压恒定的情况下提供最大的钻井速率，比人工司钻可节约大约37%的钻井时间。

电视监控系统不管是机械驱动钻机还是电驱动钻机，都可以配该系统。

它采用新型先进的摄像机和监视器，并配有温度控制、压力控制、空气过滤器等设备，以满足恶劣环境使用和防爆要求。

1.4本文研究的内容

本文主要是研究勘探一个油井时所测量的诸多参数，如测量井深，测量钻压，测量扭矩等参数。

在测量井深的时候需要准确地测量出钻杆的数量、大钩距离钻杆的距离、钻杆的单根长度，再根据公式：

钻井深度=钻杆数量×单根钻杆长度-大钩距地面高度来测量出井深，具体的各个钻杆参数会在后面具体测量，测量钻压主要是应用应变片法来测量的钻头附近所受压力，扭矩的测量方法跟钻压的大致相同，也是利用应变片来测量的，后面会提到具体的测量公式。

本文主要采用的是双CPU的方法测量各个参数的，具体要知道各个CPU的选型，每个CPU都是怎么去工作的，都有什么优点，而且测量还需要各个传感器来测量参数，有大钩悬重传感器，钻压扭距传感器，要确定每个传感器的选型，跟测量的大小范围、优点等。

事务处理的CPU还要连接存储器，LCD显示器，键盘，实时时钟，打印机，所以要研究每一个芯片的选型跟作用和优缺点。

第2章方案论证

2.1方案论证

由于本文测量了一个小型的油井，但是也要有1000米左右的深度，不能只用一个钻头就能实现工作的，所以本设计选择了一些器件，有绞盘编码器，大钩悬重传感器等。

为了准确测量井深和钻压扭矩，井深测量必须一直监视大钩悬重信号和绞盘的编码器信号。

编码器信号是数字信号，可以采用中断方式接收，但悬重信号是模拟信号，必须由CPU一直采样测量并监视。

在仪器运行过程中，还有一些信号需要CPU及时相应，如打印机送数据、LCD显示状态的查询、键盘的处理、管理计算机通信的响应等。

显然，当CPU结构响应其他工作请求时，就有可能漏掉对悬重信号的监测。

为此，本设计还采用了双CPU结构，一个CPU负责测量，一个CPU负责事物处理。

在传感器选择方面，由于在钻井的过程中，由于要用到很多根钻杆，尤其是在提升钻杆的过程中，大钩要吊起地下所有钻杆的重量，因此悬重传感器的量程需要很大，但另外一方面当钻杆数量很少时，增加或减少一根钻杆可能会引起很小的变化，这就需要悬重传感器有很高的精度，统计钻杆数量关键是检测到当前是在增加或是在减少钻杆，而增加或减少钻杆又是由大钩的位置和悬重确定的，若大钩的载荷为零，说明钻杆被卡座卡住，要进行增加、减少钻杆的操作。

若大钩载荷变为零时大钩的位置在井架的底部，表明要增加一根钻杆；因此大钩更多情况下是检测载荷是否为0，因此这就要求悬重传感器有足够的精度能检测到一根钻杆的变化。

2.2测量井深原理

由于井深大约有几千米深，不可能像机械加工那样用一根钻头完成钻井工作全过程。

图2.1是钻井系统结构示意图。

实际的钻井动力驱动机构有绞盘、大钩、多节钻杆和钻头组成。

在向下钻探的过程中，当钻杆下降到卡座位置时，大钩与钻杆脱离，向上提升到一钻杆的高度，接入一根钻杆，再将大钩与钻杆重新连接，继续向下钻探一根钻杆的深度。

如此反复，可完成几百、上千米的钻井任务。

因此，钻井深度的测量公式为：

钻井深度=钻杆数量×单根钻杆长度-大钩距地面高度（1-1）

图2.1钻井系统结构示意图

当需要向上提升钻头时，有大钩向上提升出一根完整的钻杆，然后由井架底部的卡座加紧地下的其他钻杆和钻头，这时候就可以将地面上的钻杆移去。

地面上的钻杆移去后，大钩向下运动，与卡座夹住的钻杆连接，再松开卡座，于是又可向上提升钻头。

重复这一过程就可以把地下很深的钻头提升到地面。

从式（1.1）可以看出，测量井深的关键在于统计井下钻杆的数量。

因为工作现场的特殊性，更换钻杆的数量不能由人工输入到计算机，只能由测量仪器自动判断。

由于钻井过程复杂，在实际操作过程中会出现多次加钻杆、减钻杆的操作。

因此准确判断增加、减少钻杆的操作是确保统计井下钻杆数量的关键。

根据上面介绍，可以通过大钩的位置和载荷来判断是否在进行增加、减少钻杆的操作：

若大钩的载荷为零，说明钻杆被卡座卡住，要进行增加、减少钻杆的操作。

若大钩载荷变为零时大钩的位置在井架的底部，表明要增加一根钻杆；若大钩载荷变为零时大钩的位置在井架的上部，表明要移去一根钻杆。

大钩与绞盘上的绞绳相连接，绞盘转动控制绞绳的收放，从而实现大钩的升降。

在一台特定的井架中，绞盘的直径D，绞绳的直径、每层能缠绕的圈数是固定的。

因此，通过测绞盘的转动圈数与转动位置，即可测量出大钩的实际高度。

2.3测量钻压原理

钻压测量，实际上就是对作用于钻头上方的集中力进行测量，常用应变测试法。

测量钻压时，工作应变片贴在需要测量载荷的弹性元件上，温度补偿应变片贴在不产生应变的其他地方，用来进行温度影响的校正和偏移的校正，要求两类应变片有相同的环境温度和散热条件，温度补偿应变片贴在和需要测量载荷的弹性元件材料相一致的材料上测量，工作应变片应变

=

，温度补偿应变片应变占：

=0。

为了使偏心载荷引起的弯曲应变力更加平均地被消除，常常串联更多的应变片，在相对180°的两个面上沿着弹性元件的轴线，分别贴了两片工作应变片Rl和R2，两片温度补偿应变片R3和R4在不产生应变的垂直于轴线的方向上。

在Rl和R2中，由钻压应力产生的电阻变化大小相等、符号相同，而由弯曲应力产生的电阻变化大小相等、符号相反，这样，形成了全桥四应变片测量方法，使用的两个纵向应变片和两个横向应变片采用全桥接法，如图2.2所示。

图2.2钻压测量原理示意图

根据弹性元件界面所受的作用力等于元件的截面面积和应力乘积的关系，轴向力的计算公式为：

（2-2）

式中：

P一弹性元件界面所受的作用力，N；

一应力，Pa；

A一弹性元件截面面积，

；

E一弹性模量，Pa。

根据所测轴向力的大小，就可以得到钻压。

2.4测量扭矩的原理

为了排除弯曲应力的干扰，在测量扭矩时，采用全桥四应变片法，应变片R1，R3与轴线成45°粘贴，应变片R2，R4与轴线成135°粘贴。

以Rl，R2为例，当弹性元件两端有拉压力作用时，沿轴线方向的应变为

；垂直于轴线方向的应变为

；在与轴线成45°方向上的应变为与轴线成135°方向上的应变也为此值，既在与轴线成45°和135°方向上R1和R2内产生的应变大小相等、符号相同。

当弹性元件承受弯曲时，轴的表面也受到拉压应变，在R1内和R2内产生的应变大小相等、符号相同，这种布片方案也可以排除弯曲应力的干扰。

R3，R4的受力情况和R1，R2相似。

再根据扭矩的计算公式就可以计算出扭矩了。

2.3扭矩测量原理

2.5现有钻压扭矩测量技术比较

目前有代表性的钻压扭矩测量技术仍是法国石油研究院与斯伦贝谢公司的两类专利技术，其他技术或多或少是基于这两个专利进行改进的，下面分析这些测量技术的优缺点。

法国石油研究院和贝克休斯公司的专利就是基本的拉压、扭矩测量原理加上不同结构的井下仪器保护套、不同的测量电路与传感器连接方式。

这两个专利共同的缺点是保护套与传感器部分的密封比较困难，特别是在井下钻铤的工作过程中，由于弯矩的作用常常会使泥浆侵入传感器部分而导致测量电路无法正常工作，为此贝克休斯公司在保护套与传感部分、转换电路的密封方面开展了大量的工作，一定程度地解决了该问题。

斯伦贝谢和APS公司对该技术进行了进一步的改进，通过在钻铤径向钻一定直径、一定深度的孔，将应变片粘贴在钻孔内，然后用高压密封盖板将应变片密封在内部，应变片的电极引线通过钻孔之间的内部连接通道进行互连，最后与安装在钻铤中间的抗压筒内或者安装在钻铤壁槽内的测量电路相连。

二者的共同点是解决了保护套的密封问题，不同之处在于径向孔的布置方式、应变片引线的连接方式及其与二次转换电路的连接方式等方面&。

这种技术的缺点也很明显：

首先是内部引线孔加工比较困难，往往需要分别加工，然后再焊接到一起，或者采用特制工具进行加工；其次是由于径向孔的直径不能太大，给应变片的粘贴造成了很大困难；第三，这种传感器的测量特性也表现出一定的非线性，必须经过地面刻度与校验之后才能应用于实际的测量当中。

本文测量钻压扭矩的方法就是采用了应变片粘贴的方法来测量的。

2.6整体框图

图2.4系统的整体框图

2.7CPU的选型

CPU有很多型号，例如AT89S51、AT89S52等，AT89S52单片机是一种低功耗、CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程FLASH存储器，使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上FLASH允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH，使用AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活。

超有效的解决方案。

所以两个CPU都选用AT89S52，现在两种单片如何实现通信，由于两个CPU都是地面且距离很近，所以就直接通过引脚RXD（P3.0，串行数据接收端）和引脚TXD（P3.1，串行数据发送端）实现两个CPU之间的通信。

第3章硬件系统设计

硬件电路设计包括主机及其最小系统的设计，传感器的选型，显示器存储器的选型等。

3.1主机及其最小系统的设计

在本设计中事物处理CPU和测量CPU都采用的是ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为下位机节点的微处理器。

AT89S52是一个8k字节可编程EEPROM的高性能微控制器。

具有内存较大，功能强，抗干扰能力强、软硬件资源都比较丰富等特点，其外围接口电路简单，具有很高的性价比，成本低，其价格仅是DSP的五分之一，而且它经过多年的发展，技术也相当的成熟。

它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。

AT89S52的引脚如图3-1所示：

图3.1AT89S52引脚图

AT89S52具有以下标准功能：

8K字节FLASH，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0HZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节点模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切停止工作，直到下一个中断或硬件复位为止。

AT89S52性能简介：

1）主电源引脚VCC接电源端。

GND是接地端。

2）XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3）RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间

4）ALE/

：

当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出电平用于锁存地址的低位字节。

在FLASH编程期间，引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在（SFR）8EH地址置0。

此时，LE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。

5）

：

外部程序存储器的读选通信号。

由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。

6）

/VP：

外部访问允许端。

当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H～FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，将内部锁RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚用于施加12V编程电源（VPP）。

7）P0端口（P0.0～P0.7）：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个引脚吸收8个TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入端。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。

8）P1端口（P1.0～P1.7）：

P1口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口的缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P1口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P1口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

9）P2端口（P2.0～P2.7）：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部电阻上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

事物处理CPU系统以AT89S52单片机为核心构成。

详细说明如下各小节介绍。

3.1.1单片机最小系统

单片机最小系统包括两部分，复位系统和时钟系统。

因为本设计两个CPU都是选用的AT89S52，所有两个CPU的最小系统是一样的。

在该系统里，复位系统有外部硬件复位和内部看门狗复位两种，外部复位采用按键复位方式，具体电路说明如下：

上电后，电源对对电容进行充电，此时电阻R1中有电流通过，通过电阻R1的钳位作用，使RST端一直维持高电平，即处于复位状态；当电容充满电后，由于供电电压是直流，所以电路中此时没有电流流过，处于断路状态，复位输入端RST为低电平，复位结束。

当按键S0被按下时，电阻R1中有电流通过，电阻R1的钳位作用，使RST端一直维持在高电平，即处于复位状态；当按键S0被松开时，电阻R1中没有电流通过，处于断路状态，RST引脚的电平与地一致，

3.2复位系统时钟系统与单片机接线

此时复位结束，这就构成了按键复位电路。

由于单片机复位需要RST引脚上至少出现10ms的高电平，通过公式T=RC，计算出图中的R、C的值（复位时间为20ms）符合要求,取R=10K,C=47uf。

内部看门狗复位是通过软件将看门狗启动起来，它有一定的复位时间，当单片机死机时，看门狗就会将单片机复位，从而解决这一问题；需要注意的是，当启动看门狗之后，需要定时喂狗，如果不喂狗，看门狗就会定时将单片机复位，使系统无法工作。

系统的时钟有内部时钟和外部时钟两种方式，这里采用外部时钟，即由晶振来产生，采用的晶振频率为12MHZ由于MCS-51一般晶振的选择范围为1-24MHZ，但是单片机对时间的要求比较高，能够精确的定时一秒，所以也是为了方便计算选择12MHZ的晶振。

如下是单片机的最小系统电路实时时钟。

井深仪需要记录各类时间发生的时间，因此在仪器中需要有实时时钟芯片，设计中选择了DS12887。

DS12887是DALLAS公司制造的并行接口实时时钟芯片，具有日历时钟、报警时钟、实时时钟功能，内部带有114字节不易失性静态RAM，目前在单片机系统中得到广泛的应用。

图3.3DS12887与单片机接线

使用DS12887时需要注意以下几点：

VCC正常情况下为5V，当VCC降至4.