一种随钻测井地面传感信号模拟器的制作方法

本实用新型涉及一种模拟器，尤其涉及一种随钻测井地面传感信号模拟器。

背景技术：

随钻测井系统主要由井下仪器﹑地面传感器(立管传感器﹑钩载传感器﹑绞车传感器)﹑地面数据采集箱体﹑计算机组成，如图1所示。井下仪器工作在几千米的井下，在随钻测井遇到故障时，问题是在井下仪器还是地面系统，需要尽快判断并排除。

目前最常用的办法就是分别更换地面数据采集箱体﹑工控机、地面传感器、井场通讯电缆等，反复测试，逐一排除。系统多次拆装不但增加了仪器损伤的风险，而且故障排除效率也大为降低，甚至误判断为井下仪故障造成起下钻，不但影响钻井效率，而且会直接造成钻井队数万元的经济损失。

技术实现要素：

本实用新型为了解决上述技术问题，提供了一种随钻测井地面传感信号模拟器，可针对不同类型的随钻测井仪器快速判断故障部位，提高钻井效率。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种随钻测井地面传感信号模拟器，包括钩载信号模拟电路、绞车信号编码器、立管信号模拟电路和脉冲发生器电路；所述的脉冲发生器电路与脉冲转换整形电路相连，脉冲转换整形电路与立管信号模拟电路相连，立管信号模拟电路上连接有电压表和电流表，钩载信号模拟电路、绞车信号编码器和立管信号模拟电路均与信号输出插座相连。

所述的信号输出插座与地面数据采集箱体相连。

所述的绞车信号编码器为内部装有检测开关和一片铁质的齿片的绞车信号编码器。

所述的钩载信号模拟电路包括空载R11、半载R12和满载R13，电源通过开关与空载R11、半载R12或满载R13相接通。

所述的脉冲发生器电路包括NE555芯片、二极管D1、二极管D2和滑动电阻器Rw1、Rw2；电容C1和电容C2并联后一端与NE555芯片的管脚1相接，另一端接滑动电阻器Rw2一端，滑动电阻器Rw2滑动端分别接NE555芯片的管脚6和管脚2，滑动电阻器Rw2的另一端接滑动电阻器Rw1的滑动端，滑动电阻器Rw1固定端的一端通过二极管D2、电阻R2和电阻R1后接NE555芯片的RD端和VCC端，滑动电阻器Rw1固定端的另一端通过二极管D1连接到NE555芯片的Ct端，NE555芯片的Vc端通过电容C3接地，电容C4一端接NE555芯片的管脚1，另一端接NE555芯片的VCC端，NE555芯片的管脚1接地。

所述的脉冲转换整形电路包括直流电压转换器U1、直流电压转换器U2、继电器J1、反相器U4A和反相器U4B；NE555芯片的管脚1与继电器J1相连，继电器J1的1脚与NE555芯片的管脚3相连，直流电压转换器U1的输出端接NE555芯片的VCC端，直流电压转换器U1输入端与直流电压转换器U2输入端相接，直流电压转换器U2输出端与电阻R5相连，电阻R5通过电阻R3和二极管D3后与继电器J1上的管脚4相接，直流电压转换器U1的输入端和直流电压转换器U2的输入端均接直流电压，电阻R5和电阻R3之间分两路，一路通过电阻R4和电容C5后接地，另一路通过反相器U4A、反相器U4B和电阻R6后与立管信号模拟电路相接。

所述的立管信号模拟电路包括光电隔离器；脉冲转换整形电路中的电阻R6与光电隔离器相接，光电隔离器与开关K2-2，电阻R7与光电隔离器的4脚相连，滑动电阻器Rw3与电阻R8串联后与光电隔离器的4脚相连，滑动 电阻器Rw4与电阻R9串联后与光电隔离器的4脚相连，滑动电阻器Rw5与电阻R10串联后与光电隔离器的4脚相连，电源通过开关K1和电压表与开关K2-1相连，开关K2-1分别与电阻R7或滑动电阻器Rw3、Rw4、Rw5相接，开关K2-2分别与滑动电阻器Rw3、Rw4或Rw5相接，光电隔离器的4脚通过电流表与立管通道相连。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型提供的随钻测井地面传感信号模拟器，是一种标准的地面系统测试装置，可以模拟立管传感器、钩载传感器、绞车传感器的输出信号，直接送到地面数据采集箱体，通过观测计算机显示界面的立管信号﹑钩载负荷﹑深度BPI计数，判断地面仪器的好坏，进而快速准确的判断故障部位是在井下仪器还是地面系统，提高钻井效率。且该装置还可用于不同公司、不同类型的随钻测井仪器。

附图说明

图1为现有技术中随钻测井系统框图；

图2为绞车编码器工作原理图；

图3为随钻测井地面传感信号模拟器功能电路结构框图；

图4为随钻测井地面传感信号模拟器电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

参见图2至图4，一种随钻测井地面传感信号模拟器，包括钩载信号模拟电路、绞车信号编码器、立管信号模拟电路和脉冲发生器电路；所述的脉冲发生器电路与脉冲转换整形电路相连，脉冲转换整形电路与立管信号模拟电路相连，立管信号模拟电路上连接有电压表和电流表，钩载信号模拟电路、绞车信号编码器和立管信号模拟电路均与信号输出插座相连，所述的信号输 出插座与地面数据采集箱体相连。

具体的，所述的绞车信号编码器为内部装有检测开关和一片铁质的齿片的绞车信号编码器。

具体的，参见图4，所述的脉冲发生器电路包括NE555芯片、二极管D1、二极管D2和滑动电阻器Rw1、Rw2；电容C1和电容C2并联后一端与NE555芯片的管脚1相接，另一端接滑动电阻器Rw2一端，滑动电阻器Rw2滑动端分别接NE555芯片的管脚6和管脚2，滑动电阻器Rw2的另一端接滑动电阻器Rw1的滑动端，滑动电阻器Rw1固定端的一端通过二极管D2、电阻R2和电阻R1后接NE555芯片的RD端和VCC端，滑动电阻器Rw1固定端的另一端通过二极管D1连接到NE555芯片的Ct端，NE555芯片的Vc端通过电容C3接地，电容C4一端接NE555芯片的管脚1，另一端接NE555芯片的VCC端，NE555芯片的管脚1接地；所述的脉冲转换整形电路包括直流电压转换器U1、直流电压转换器U2、继电器J1、反相器U4A和反相器U4B；NE555芯片的管脚1与继电器J1相连，继电器J1的1脚与NE555芯片的管脚3相连，直流电压转换器U1的输出端接NE555芯片的VCC端，直流电压转换器U1输入端与直流电压转换器U2输入端相接，直流电压转换器U1的输入端和直流电压转换器U2的输入端均接直流电压，直流电压转换器U2输出端与电阻R5相连，电阻R5通过电阻R3和二极管D3后与继电器J1上的管脚4相接，直流电压转换器U1、直流电压转换器U2的接地端均接地，电阻R5和电阻R3之间分两路，一路通过电阻R4和电容C5后接地，另一路通过反相器U4A、反相器U4B和电阻R6后与立管信号模拟电路相接。

所述的立管信号模拟电路包括光电隔离器；脉冲转换整形电路中的电阻R6与光电隔离器相接，光电隔离器与开关K2-2，电阻R7与光电隔离器的4脚相连，滑动电阻器Rw3与电阻R8串联后与光电隔离器的4脚相连，滑动电阻器Rw4与电阻R9串联后与光电隔离器的4脚相连，滑动电阻器Rw5 与电阻R10串联后与光电隔离器的4脚相连，电源通过开关K1和电压表与开关K2-1相连，开关K2-1分别与电阻R7或滑动电阻器Rw3、Rw4、Rw5相接，开关K2-2分别与滑动电阻器Rw3、Rw4或Rw5相接，光电隔离器的4脚通过电流表与立管通道相连。所述的钩载信号模拟电路包括空载R11、半载R12和满载R13，电源通过开关K4与空载R11、半载R12或满载R13相接通；所述的绞车信号编码器与开关K3-1和K3-2相连。

需要说明的是，图中的绞车编码器为绞车信号编码器。

进一步地，具体的：

立管传感器输出信号模拟

立管传感器感应立管压力和井下仪器产生的压力波，输出为一个4～20mA直流电流混合叠加信号。

1.立管传感器压力信号模拟

在图四随钻测井地面传感信号模拟器电路原理图中，K1闭合。

当旋钮K2-1接到0Mpa位置时，立管通道的回路电流为：

I＝24V/R7＝24/6＝4mA

当旋钮K2-1接到10Mpa位置时，调节RW3＝2.941kΩ，立管通道的回路电流为：

I＝24V/(RW3+R8)＝24/(2.941+0.059)＝8mA

当旋钮K2-1接到20Mpa位置时，调节RW4＝1.973kΩ，立管通道的回路电流为：

I＝24V/(RW4+R9)＝24/(1.973+0.027)＝12mA

当旋钮K2-1接到30Mpa位置时，调节RW5＝1.486kΩ，立管通道的回路电流为：

I＝24V/(RW5+R10)＝24/(1.486+0.014)＝16mA

通过旋钮在不同位置，产生不同的直流电流，送到数据采集箱体，达到 了模拟立管传感器电流输出的目的。

2.井下仪器信号模拟

井下仪器信号：打开泥浆泵，放置在井下几千米的井下仪器开始工作，产生一串幅度约为100psi压力波，脉宽和周期由井下仪器设置，立管传感器检测到这个压力波并转换成电流变化，送给数据采集箱体。

通过模拟电流变化实现井下仪器的信号模拟。

在图四随钻测井地面传感信号模拟器电路原理图中，由NE555信号发生器电路的3脚，输出一个脉宽1s、周期3s、幅度为12V的脉冲信号到继电器JI的线包，当信号为高电平时，继电器的4脚与8脚相通(悬空)，当信号为低电平时，继电器的4脚与6脚相通(接地)，这样在U4A的1脚得到一个脉宽1s、周期3s、幅度为5V的脉冲信号，经过U4A和U4B反相器的整形处理，使4N25的输入二极管和输出三极管在高电平时导通，低电平时截止。

当K2-2旋到10Mpa位置时，R8并接在4N25的输出三极管集电极、发射极两端，三极管导通时，R8短路，立管通道的回路电流为：

I＝24V/(RW3+R8)＝24/(2.941+0)＝8.16mA

三极管截止时，立管通道的回路电流为：

I＝24V/(RW3+R8)＝24/(2.941+0.059)＝8mA

每个1s脉宽的脉冲使立管通道产生0.16mA的电流变化，在立管回路中会产生脉宽1s、周期3s、幅度为0.16mA的脉冲信号。

同理，当K2-2旋到20Mpa和30Mpa位置时，R9和R10分别并接在4N25的输出三极管集电极、发射极两端，三极管导通、截止时，同样会在立管通道产生脉宽1s、周期3s、幅度为0.16mA的脉冲信号。而且这个电流变化是叠加在一个恒定的电流(代表立管压力)上，实现了立管传感器输出信号模拟。

二.钩载负荷模拟

钩载负荷：钩载传感器测量钻井过程中的钻压，输出4～20mA电流信号送到地面数据采集箱体，通过对信号的整形和处理，在计算机上进行钩载负荷的显示。

根据实际应用模拟4mA(空载)、12mA(半载)、20mA(空载)三个电流，在图四随钻测井地面传感信号模拟器电路原理图中，K4闭合，24V直流电源供电，由欧姆定律可知，对应的三个电阻值为：6kΩ、2kΩ、1.2kΩ，实现钩载负荷模拟。

三.绞车传感器信号模拟

绞车传感器信号：绞车传感器监测整个钻进过程中绞车轴转动所产生的角位移，输出两路相位差为90°的电脉冲信号，此信号送入地面数据采集箱体，经识别处理后就可以得到相应的角位移方向和变化值，进而得到钻进深度。

绞车编码器模拟绞车传感器输出信号，内部装有检测开关和一片铁质的齿片，旋转绞车编码器转速旋钮，齿片随轴转动时，齿片会分别穿过两只相位差为90°的检测开关采样通道，从而发出两组相位差为90°的电脉冲信号，实现绞车传感器输出信号的模拟，绞车编码器的工作原理见附图二所示，图2中，1为空，2为供电9V，3为信号A，4为信号B，5为临近探测头；6为转子部件:

本实用新型提供的随钻测井地面传感信号模拟器，是一种标准的地面系统测试装置，可以模拟立管传感器、钩载传感器、绞车传感器的输出信号，直接送到地面数据采集箱体，通过观测计算机显示界面的立管信号﹑钩载负荷﹑深度BPI计数，判断地面仪器的好坏，进而快速准确的判断故障部位是在井下仪器还是地面系统，提高钻井效率。且该装置还可用于不同公司、不同类型的随钻测井仪器。

随钻测井地面传感信号模拟器，模拟随钻测井地面传感器的输出信号， 在测井施工中，遇到系统出现故障时，将该装置与地面系统连接测试，判断地面系统是否正常，故障是在井下仪器还是地面仪器。

本实用新型还具有以下有益效果：

一.随钻测井地面传感信号模拟器模拟地面传感器的输出信号，对地面系统进行测试，快速判断故障部位，避免误判造成的钻井作业时间延误和不必要的经济损失，提高钻井效率。

二.井场通讯电缆在现场是架空布线，如果有故障，一是不易判断，二是更换需要重新布线非常误事。随钻测井地面传感信号模拟器不需要外接电源，直接连在井场通讯电缆钻井平台一端，为地面系统提供传感器模拟信号，通过观测计算机显示界面的立管信号﹑钩载负荷﹑深度BPI计数，判断井场通讯电缆是否有问题、哪根线有问题。

三.随钻测井地面传感信号模拟器可以通过仪器测试电缆，直接和数据采集箱体连接，测试地面系统，避免了过去必须连接井下仪器、综合测试箱体、众多测试电缆才能进行地面测试的不足。

四.随钻测井地面传感信号模拟器，适用于国内外各种随钻测井地面系统，测试时只需要将模拟器输出信号的插座和需要连接的地面仪器匹配即可。

五.随钻测井地面传感信号模拟器的设计与实现填补了国内外在这方面的空白。

六、随钻测井地面传感信号模拟器的研制成功，为随钻测井仪地面系统的测试和故障判断提供了一种快速测试装置，因其体积小，造价低，使用方便，便于携带，可形成随钻测井仪器的配套产品。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进 都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。