专利名称：钻井液井涌、井漏、气浸报警仪的制作方法
技术领域：
本发明钻井液井涌、井漏、气浸报警仪涉及钻井技术领域，广泛适用于石油、地矿、盐业钻井和油罐、水罐、水库大坝以及河床的液位监测等。
在油气田勘探开发过程中，如何通过井内液柱压力来平衡地层压力，如果这种平衡一旦被破坏时，要求操作人员能够及时发现和处理，这是关系着提高钻井速度，防止发生井喷着火事故，消除油气污染都具有重要的经济意义和社会效益。现有由美国生产的马丁代克(CTTS型)泥浆液面检测仪，它的结构是由传感器，主机和显示部分组成，其缺点是1，检测井涌、井漏的传感器采用的是多圈电位器，显示系统采用指针式存在着精度低、误差大的情况，而且浮球和钻井液容易发生粘接卡死的问题;2，该仪器只能在值班窒里进行单声报警，存在着操作使用都比较复杂;3，这种检测仪在钻井过程中不能有效地监测可燃气体，缺乏功能切换和随机调整的作用;4，检测井涌、井漏的准确度为2.5%不能满足泥浆液面检测的高要求。
本发明钻井液井涌、井漏、气浸报警仪的目的，是提供一种可广泛用于石油钻井，能够有效地监测报警井涌、井漏和气浸的发生，达到防止井喷、硫化氢或天然气中毒，避免火灾事故，起到安全、优质钻井的目的。
本发明钻井液井涌、井漏、气浸报警仪的构思(
图1)是由传感器单元、微机(主机)、显示及报警部分组成，即传感器单元由浮球系统、格雷码传感器、移位整形器、分配器、光电隔离器，气浸传感单元(包括气敏元件)组成;微机选用TP801型单板机(包括打印机)组成;显示及报警部分由时间显示器、参数显示器、声光报警器组成，以及电源电路、断电保护电路构成整机报警仪。
本发明构思的报警仪主要是用来监测泥浆的总量及变化量，由于泥浆罐的容积是固定的，只要能测量出泥浆面的高低，即可算出泥浆的体积。一般在生产过程中泥浆的总量及变化量都不是一个常量，它是随时间变化的，这就需要随时对液面的变化进行监测，本发明的发明点是应用体积稍大的浮子带动计算机编码的码盘(条)来监测液面的变化。由图1浮球系统是安装在钻井液泥浆罐里，並将液面位移传递给格雷码传感器，同时转换为格雷码电信号，送入移位整形器经整形后进入分配器，再经长传输电缆线送入接口电路的光电耦合隔离器，起到将输入的数码脉冲信号转换为光信号，然后又输出0～5V的脉冲信号，进入微机(TP801型单板机)，经过程序处理后，如果该测试数据能够达到井涌或井漏报警指令，通过连接口电路分别送到声光报警器和微机TP801型的参数显示，时间显示打印机，分别进行声光报警和打印出日期、时间，报警内容，参数变化量，同时还在井场上显示声光报警信号。
气浸传感单元由高低罐中安装有伞板和气敏探头中的QN-01B型半导体气敏元件，当它探测到可燃性气体时，即输出一定的电流，此电流与可燃性气体的浓度成正比，然后经过电缆线送入气浸单元电路，再经接口电路进入主机，经主机鉴别后发出气浸指令经接口电路输入声光报警器进行气浸报警和强弱显示、时间显示打印。
微机(主机)选用TP801型单板机(包括打印机)，也可选用其他型号的微机;电源电路采用现有整流滤波电路、调整电路、基准电源电路、取样电路、放大电路组成，仪器中直流5V供计算机及TTL电路，12V供报警器、气浸电路，交流36V供井场、报警灯;同时考虑仪器在井队使用环境条件差的情况，为了保证安全，本仪器还构思了断电保护器电路，这样便构成本发明的整机报警仪。
本发明的主要技术指标为测量范围n×(3-42)m3，准确度为0.25%，报警灵敏度为0.1m3，气体含量≤0.5%。
本发明钻井液井涌、井漏、气浸报警仪的效果是与现有马丁代克泥浆液面检测仪相比1、该发明的报警仪安装在井队使用时，由于传感器采用格雷码条，经微机技术处理与数字显示系统，其报警准确度为0.25%，提高了仪器的精度，具有精度高、误差小，精确到0.1m3的优点以及减轻值班人员的劳动负荷的效果;2、具有可将年月日，时分，起始量，预置报警量等参数输入微机，並打印在纸带上的作用;3、本发明的最大特点是具有对硫化氢。天然气等有毒易燃性气体能够进行监测，並能发出报警信号，其灵敏度≤(含量的0.5%);4、浮球与钻井液不易发生粘接卡死的情况，並能在值班窒、井场和钻台进行三色三音调方式报警的效果;适用于油基、水基性泥浆的任意比重和粘度，均不怕泥浆结饼的优点;5、具有随着正常变化量随机调整的功能，能够连接多个泥浆罐中安装多个传感器或切换某罐监测的作用，是一种维修方便，操作使用简单的仪器。
图1是本发明钻井液井涌、井漏、气浸报警仪的方框图;
图2是图1中的安装图;
图3是图1中浮球系统主视图;
图4是图1中浮球系统左视图;
图5是图3中传感器(5)的主视图;
图6是图5中的左视图;
图7是图5中A-A方向视图;
图8是图5中B-B方向视图;
图9是图5中Ⅰ部放大图;
图10是图5的俯视图;
图11是图5中C-C方向视图;
图12是传感器单元电路图;
图13是分配器接线图;
图14是光电隔离电路图;
图15是伞板结构图;
图16是气浸传感单元电路图;
图17是时间显示器电路图;
图18是声光报警器电路图。
本发明钻井液井涌、井漏、气浸报警仪的实施例是以图2安装为例，其中泥浆罐、1＃传感器按监测1路控制，本发明可根据需要设计多个泥浆罐中安装多个传感器的报警仪。
1、传感器单元浮球系统由图3～11浮球(1)，导向杆(2)导向架(3)，传感绳(4)组成。浮球(1)采用GB708型，1.2mm厚的冷轧钢板焊接而成，上下为圆锥体，中部为圆柱体，外圆为φ300mm，高为270mm，顶部焊有一个φ8×φ12×1.5mm的绳环，在中部圆柱体的外径上焊接有两个圆短节与导向杆(2)连接，浮球的作用是感测泥浆液面的变化(升或降)传递给传感绳，导向杆(2)是用φ14×2×2200mm的无缝钢管制作，一端通过四颗φ3mm的开口销子连接在浮球的两个圆短节上，另一端穿入导向架(3)的立连板的四个端部的四组滑轮中。其作用是与导向架一起组成浮球的导向，使浮球只能随液面的升降，作垂直运动，防止浮球旋转，漂移和泥浆对导向活动部位发生粘接或卡死的情况。
导向架(3)由立连板、滑轮、横连板、固定板组成，外形尺寸为390×330mm，采用5mm厚的钢板制作。立连板的四个端部分别装有四组φ32×16mm的钢制滑轮，两块立连板的中心距为375mm，导向架通过固定板用M16的螺钉紧固在底座上。
传感绳(4)选用市售测量绳，一端与浮球顶部的绳环连接，另一端通过传感器的滑轮、滑块连接，其作用是通过浮球将泥浆液位变化的信号传递给传感器上的滑块。传感器(5)主要由φ32×16mm的滑轮，135×30×25mm的滑块，70×45×2mm的铍青铜双重采样刷，480×80×2mm的格雷码印刷板，12×12×580mm的不锈钢导向方柱，160×50×25mm的钢质平衡锤，500×110×3mm的有机玻璃面板，用0.75mm厚的普通钢板制成外壳，其外形尺寸为813×155×85mm，焊接在φ70×158×5mm的油管上，插入底座(6)内，用M10的螺钉固定，底座焊接在泥浆罐上。
格雷码印刷板(图5、9)上的多条格雷码数字信号，通过φ0.5mm多股胶质铜线与移位整形器的输入端连接，传感器的作用是通过浮球和传感绳将泥浆的液位变化转换为格雷码数字信号，其动作过程是当泥浆液位发生变化，由浮球感测到信号传递给传感绳，又通过滑轮传递到滑块，滑块上紧固的双重采样刷在格雷码印刷板上也随之进行变化而转换为格雷数字信号，对应连接在图12的R1-R9上，由两片74LS166集成块並联组成输入移位整形器，电路中的12个电阻即为器件输入端的接地电阻12×3KΩ，输出连接74LS14集成块组成斯米特电路，由12脚输出连接3DG101C的基极，由发射极输出经长电缆线传输到图13的分配器的1脚，由3脚经长电缆线输入连接图14中的GT1(GO102型)光电管，输出连接74LS14隔离器的1脚，由2脚输出PA7。本实施例图13、14的光电管电路和分配器为四路，可在四个泥浆罐中安装浮球和格雷码条，甚致可扩展为多个罐中安装。
2、气浸传感单元由图2、15、16，气浸传感单元由高低罐、伞板(图15)，气敏探头，抽气筒组成。高低罐由外形尺寸为810×1500×5mm的钢质罐体构成，罐体上部焊有φ100×300×3mm的钢制抽气筒。气敏探头采用市售 QN-B型半导体气敏元件，用M3螺钉固定在探头架上，探头架外圆焊接在抽气筒内圆的底部上，伞板的表面上焊接有多根φ8mm的圆钢制成的撞针，伞板外形为圆锥体，其尺寸为φ800×400mm，外圆焊接在高低罐的内壁上。工作过程是如果在溢流管口中夹杂着天然气气泡的泥浆流入高低罐内，撞击在伞板的撞针上，气泡被刺破，泥浆和气体进行自然分离，泥浆从伞板下面流入振动筛。气体上升经过QN-B型气敏元件检测並转换为直流电信号，经四芯屏蔽电缆线输入气浸电路，经气浸强、气浸弱两个阀值电路鉴别后送入接口电路，再输入主机处理后，分别进行打印记录和气浸强或气浸弱的报警显示。即由图16气敏元件输出连接电位器W1为22K串联电阻R2为510Ω，从电位器中心输出(约0.7V)一路经220Ω到BG3(3DK7)的基极，集电极连接 1/2 CH4010集成块、与非门YF3、YF4输出高电平，並由连接CH4010集成块转换为送至PIO计算机;另一端连接两级CH4010集成块经隔离后，连接BG5(3DK7)的基极，並导通使发光二极管BG6发光。
当气体的浓度增大时，如果W1中心点电压约为2.8V，则BG4(3DK7)的基极並导通，集电极连接CH4010集成块，与非门YF1输出低电平，关闭YF3，从YF2得到高电平经CH4010集成块变换连接主机PIO上。
3、时间显示器，由图17选用现有技术的电子数字钟，利用计算机的有利条件，从CTC的CZ/TO端直接得到秒信号，用两片74LS390集成块接成两个60进制的计数器，用于计时间的秒和分，再用一片74LS390集成块接成24进制，用于计小时。
时间显示由计数器74LS390集成块输出BCD码点燃LED数字码作参数显示。
送给计算机的时间记录信号经八级缓冲器74LS244型集成块后，加在计算机的数据总线上，计算机通过74LS244型集成块片选端Q适时读取时间数据。
4、声光报警器由图18是当计算机检测到发生井涌、井漏、或气浸时发出报警信号，该信号一是用来启动打印机将发生报警的时刻及有关参数记录下来，二是用来开启报警电路，给出声光报警信号。由计算机输出。连接BG1(3D101C)的基极，发射极串接BG2(2CP12)、BG3(3CG4E)倒相，由两级F555作振荡器，对井涌取C1为4.7μf，C2为1μf，对井漏取C1为10μf，对气浸取C1为22μf，调制振荡信号连接变压器B耦合到BG12(3DG182)和BG13(3DD4)组成达林顿电路进行功放推动Y1、Y2扬声器。
由BG3发射极连接CO36A组成压控振荡器，用来控制闪光频率，並由BG7、BG9(3DG101C)组成达林顿放大电路，触发双向可控硅SCR点燃报警灯ZDo，同时串接BG9、BG8(LED)也给出闪光信号。
电源用直流5V供计算机、TTL电路，12V供报警电路、气浸电路，交流36V供井场、报警灯，以及断电保护器电路组成本发明的报警仪。
5、微机选用现有技术的TP801型单板机，包括打印机，也可采用其他型号的微机或集成块电路制成单板机(图2)，各电路与计算机的连接是(1)，计算机与传感器的连接输出通过PB6输出时钟，PB5输出移位信号至传感器。
输入PA7分别输入到传感器泥浆罐的串出。
(2)，计算机与时间、气浸电路的连接输出计算机附加一片74LS138集成块，通过Y.、Y1输出读时、读分控制信号;由CTC的ZC/TO输出秒信号至时间电路的计数端。
输入时间电路74LS244集成块的输出接至计算机的数据总线上，供计算机读入时间;
气浸检测电路的输出按计算机的PAo，PA1。
(3)，计算机与报警电路的连接输出计算机的PB0～PB3分别输出井涌、井漏、气浸、出错错报警号至报警电路。
(4)，计算机与其他连接计算机所需电源由电源电路供给，计算机的PA2接至井选开关，PA3接至定时开关。
权利要求
1.一种钻井液井涌、井漏、气浸报警仪，由传感器单元，微机(主机)，显示及报警部分组成，其特征是浮球系统安装在钻井液泥浆罐中，将液面的变化传递给格雷码传感器，並转换为格雷码电信号，送入移位整形器，连接分配器，再经长传输电缆线送入接口电路的光电耦合器，进入微机(TP801型单板机)发生井涌、井漏报警指令，通过连接接口电路分别连接声光报警器和微机的参数显示，时间显示，打印机记录各参数；由高低罐中安装的伞板和气敏探头中的气敏元件输出电流，经长电缆线连接气浸单元电路，经接口电路连接微机发出气浸指令，经接口电路连接声光报警器和微机的参数显示，时间显示，打印机记录各参数构成报警仪。
2.根据权利要求1所述的报警仪，其特征是浮球系统由浮球(1)导向杆(2)，导向架(3)，传感绳(4)组成，浮球上下为圆锥体，顶部焊有绳环，中部圆柱体的外径上焊有两个圆短节与导向杆(2)连接，导向杆的一端通过四颗销子连接浮球上的两个圆短节上，另一端穿入导向架(3)的立连板的四个端部的四组滑轮中，导向架通过固定板用螺钉紧固在底座(6)上，传感绳一端与浮球顶部的绳环连接，另一端通过传感器(5)的滑轮、滑块、铍青铜双重采样刷，格雷码印刷板，导向方柱，平衡锤构成的外壳连接。
3.根据权利要求2所述的报警仪，其特征是格雷码印刷板由多条格雷码数字信号，通过φ0.5mm的多股胶质铜线连接在R1～R9上，由两片74LS166集成块组成並联输入移位整形器，输出连接74LS14集成块，由12脚输出连接3DG101C的基极，发射极连接分配器的1脚，由3脚输出经长电缆连接GT1(GO102)光电管，输出连接74LS14隔离器的1脚，由2脚输出连接微机PT801型的PA7。
4.根据权利要求1所述的报警仪，其特征是气浸单元电路由QN-B型气敏元件，用M3固定在探头架上，探头架外圆焊接在抽气筒内圆的底部上，气敏元件输出连接电位器W1、电阻R2，从W1中心输出一路连接R3为220Ω到BG3的基极，集电极连接 1/2 CH4010集成块，YF3、YF4，输出连接CH4010再转送到PIO，另一路连接两级CH4010集成块隔离后，连接BG6的基极，並导通使BG7发光;W1中心点连接BG4的基极，並导通，集电极连接 1/2 CH4010集成块，YF1，关闭YF3，从YF2连接CH4010集成块，並转换连接PIO上。
5.根据权利要求1所述的报警仪，其特征是伞板的表面上焊接有多根钢制撞针，伞板外形为圆锥体，外圆焊接在高低罐的内壁上。
全文摘要
本发明公开了一种钻井液井涌、井漏、气浸报警仪，由传感器单元，微机(主机)显示，打印及报警部分组成，适用于石油、地矿、盐业钻井和油罐、水罐、水库大坝以及河床的液位监测。由于传感器采用格雷码条、微机技术处理，仪器具有精度高、误差小、浮球与钻井液不易粘接卡死的优点，能够对有毒气体进行监测，并能发出三色三音调报警信号，同时将报警时的各参数打印记录下来，是一种维修方便，操作使用简单的仪器。
文档编号E21B47/10GK1076759SQ9311087
公开日1993年9月29日 申请日期1993年2月16日 优先权日1993年2月16日
发明者杨启洪, 杨爱民, 辛国斌 申请人:四川石油管理局川西南矿区机械厂