一种钻井井控参数智能监测系统的制作方法

专利名称：一种钻井井控参数智能监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及石油安全生产监测仪器，特别涉及一种钻井井控参数智能监测系统。
背景技术：
在油田石油钻探过程中，由于井下地质复杂，特别是进入水层，油气层时，油水气随钻 井液一起带到地面，可使钻井液密度下降，液柱井压降低，井底压力大于液柱井压，油气大 量上返，造成井涌即井喷重大事故发生，而当井底发生断层或溶洞，钻井液漏失而造成井壁 枬塌，发生卡钻事故。因此，实时监测钻井液在钻井过程中的变化量，及时准确地判断是否 发生井涌或井漏现象是十分重要的。
目前，国内外在监测井涌井漏中有采用超声波液位计计量体积，采用泵冲次计量进口流 量，但由于超声波精度较低、且重复稳性差、误报率较高、泵冲计量流量误差太大，对目前 国家规定的一方报警，二方停钻的指标相差太远。迄今为止，尚未发现具有全方位、高清度 的钻井井控监测仪，特别是钻井井控参数智能监测系统装置。

发明内容
本发明的目的是提供一种钻井井控参数智能监测系统，以克服现有监测井涌井漏仪器精 度较低、重复稳性差、误报率较高、泵冲计量流量误差太大等不足。 实现本发明的技术方案如下 一种钻井井控参数智能监测系统，包括
钻井液循环体积监测部分，其包括激光液位计、钻井深度仪、绝对旋转编码器、悬重传 感器、泵压传感器，激光液位计对多个钻井液罐内液位进行测量，从而计算出罐内钻井液体 积，安装在绞车滚筒旁的绝对旋转编码器的信号传至钻井深度仪，由单片机进行数据处理， 计算出游车高度，同时悬重传感器的信号控制钻头位置的变化，从而算出实时的钻头位置和 井深深度，通过这三者的关系，计算出井筒内的钻井液体积，即全程测量，该体积与罐内体 积以及与罐外高压管汇内体积相加算出总体积，以此为标准，与以后每次所采数据相减，多 则为井涌，少则为井漏，如超限则报警；钻井液进出口流量监测部分，其包括井口高压电磁流量计、出口非满管电磁流量计、泵 压传感器，其中非满管电磁流量计一部分是方管电磁流量计，另一部分是冲板式液位计，方 管电磁流量计在非满管时，其电极结构为条形，此时检测的是流速，此流速是在不同液位高 度时的截面积中流过的瞬时流速，其乘积为体积流量，冲板式液位计在检测时冲板靠自重可 以压住水头，起平衡流速的作用，其精度与满管电磁流量计一样，因此，出口流量减去进口 流量之正负差值可得出井涌、井漏值，泵压传感器在这里为判断正常钻进或起钻或下钻时停 泵而引起的逆流多为2 4方，而容易引起报警，此时超限值另存不作为体积变化，从而排除 误报；
钻井液进口密度、出口密度、钻井温度、出口天燃气、H2S浓度监测部分，钻井液进口 密度、出口密度、钻井温度、出口天燃气、H2S浓度的检测可对井涌井漏现象进行预报，如 果密度值低于设计值，则有可能地下水渗入或气体渗入均可引起密度变低，天燃气及H2S浓 度增加，说明已进入油气层，浓度超过设计值，报警采取措施预防事故发生；
井口井筒动液面及转盘扭矩监测部分，包括井口井筒动液面计、转盘扭矩仪，如果井底 空洞，泥浆漏失或流失，上返不到井筒出口 (此时极易发生井壁坍塌，发生卡钻重大事故)， 则转盘扭矩增大，从而判断预测及时处理，防止事故发生；
采集仪部分，前四个部分通过485网线送来的信号进入采集仪输入端，所述采集仪分两 种 一种是一般设备通用配套为单片机采集仪，其参数较少，如只配罐液面体积或进出口流量，另一种如深井等重要大型井深设备，由于参数多，则配置为工业控制计算机，但其功能 都一样，数据送入采集仪后，进行分析比较，判断出井涌、井漏值以及相关超限报警，并通 过显示器进行显示，超限通过高音喇叭报警，同时将所处理好后所有数据，通过数传电台发 送到钻台参数显示器和井队值班室主机；
钻台参数显示器部分，由单片机和高亮大型LED数码管组成，直接放在司钻旁边，其 显示数据均为重要参数，让司钻及时进行事故发生前预警处理，将事故消失在萌芽之前；
主机部分，其收到从采集仪发来的信号接收后进行存储，数据处理，打印，显示，同时 又通过GPRS无线远传到总部指挥中心，他们的通讯方式是双工的，既可发送数据，又可接 收指挥部发来的各种指令，同样，主机也和采集仪一样分通用型和全程型，通用型为单片 机处理器，全程型为工业控制计算机；
GPRS数据传输信息平台，其主要由GPRS数传机以及数据处理软件组成，该软件能够 同时接收多至2048个井队所发的实时信号，如需查看任一井队，只需键入该队编号即可， 另外当任一井队有超限报警信号出现，该机立即将该队画面显示出来，并指出报警部位和参 数等，同时指挥部根据情况可以将处理方案发至井队进行预防处理。
本发明有益效果本发明首先监测钻井液罐位，采用先进的激光技术，检测精度为lmm， 采用旋转编码器及悬重传感器对深度及钻头位置进行检测，从而计算出井内井筒内钻井液体 积与罐内体积合为一体，称为全程测量，不管是正常钻进还是起钻，下钻均能准确测量，其 总的抖动误差为0.3m3以下，其二，采用电磁流量计作为进出品流量的计量，由于同一类型， 其精度，流量误差均一致，使其差值的精度较高。另外，出口流量计采用非满管检测，使得 在起钻，下钻时小流量均能在0.5级精度范围内检测，其三，采用压差式钻井液进口出口密 度计，对密度进行检测。如低于设置的密度，井涌的可能性增大。其四，在井口出口外，安 装天燃气、H2S有毒气体浓度计,可检测油气层位置、状态、进行超限报警。其五，在井口安 装声波动液面监测仪，预测井漏，同时在转盘内安装方瓦式扭矩仪监测井漏发生可能造成井 壁坍塌、卡钻事故的可能性。从以上五个方面进行综合检测，可有效的预测，防止井涌，井 漏事故的发生，从而保障安全快速优化钻井。同时，本发明从采集仪到主机到钻台参数显示 器均采用数据电台进行半双工双向数据传输，而且传感器到采集仪采用485网线传送，方便 井队安装拆卸，本发明还在主机上加装GPRS数传系统，将数据传输至各上一级指挥中心总 部，形成了一整套无线数传平台，使指挥部与各个井队终端之间实时双向通讯，发现报警上 下一致，共同解决，从而彻底杜绝了事故的发生。


图1是钻井井控参数智能监测系统总体结构图2是钻井井控参数智能监测系统电路原理方框图3是激光液面计结构图4是出口非满管电磁流量计结构图5是钻井液密度计结构图6是进出口流量计安装图7是井口井筒动液面计安装图8是方瓦式转盘扭矩仪结构图9是深度仪电路原理图IO是激光液面计电路原理图11是非满管电磁流量计电路原理图12是采集仪电路原理图13是主机电路原理图14是钻台参数显示器电路原理图15是井口井筒动液面电路方框图；图16是转盘扭矩仪电路原理图17是深度仪程序流程图18是激光液面计程序流程图19是非满管电磁流量计程序流程图20是采集仪程序流程图21是主机程序流程图22是钻台参数显示器程序流程图23是井口井筒动液面测试仪程序流程图24是转盘扭矩仪程序流程图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的结构和实施方式进一步说明
如图1所示，为钻井井控参数智能监测系统总体结构图，其中，钻台参数显示器数传电 台101、钻台参数显示器102安装在钻台司钻房内，深度旋转编码器103安装在绞车滚筒轴 上，方瓦式转盘扭矩仪104安装在转盘方瓦中，转盘扭矩转盘速度接收机105安装在转盘底 部；悬重传感器106安装在钢丝死绳拉力器上；主机数据传电台107、主机GPRS数传电台 108及主机109安装在井队队部值班房内，指挥中心GPRS数据传输电台110和指挥中心主 机111安装在指挥部值班室内，采集仪112和采集数据传输电台113安装在泥浆值班房内， 激光井口动液面监测仪114安装在井口出口槽下上面，天燃气、H2S浓度计115安装在出口 泥浆槽内；出口密度计116、激光测距仪117安装在1号泥浆罐内，非满管电磁流量计118、 激光测距仪119安装在2号罐内，泵压传感器120、进口电磁流量计121安装在进口泥浆高 压管线上，1号泵冲次传感器122、 2号泵冲次传感器123分别安装在1号泵、2号泵传动轮 上，激光液面计124安装在3号罐内，激光液面计125安装在N号罐内(N为每个井队泥浆 罐数量不同而设置激光液面计数量，故定为N),出口泥浆密度计126安装在最后一个罐N 号内。
如图2所示，为钻井井控参数智能监测系统电路原理方框图，深度旋转编码器201和悬 重传感器202的信号进入深度仪203数据处理可得到游车高度、游车三次高度报警、钻头位 置、井深深度、悬重以及井筒泥浆体积等参数；进口电磁流量计204和出口非满管电磁流量 计205的流量信号进入井控流量仪206进行数据处理可得出进口、出口瞬时流量、两个瞬时 流量差值、差值体积流量、井涌、井漏值等；泵压207、井口井筒动液面计208可判断井漏 情况；1号罐激光液面计209、 2号罐激光液面计210、 3号罐激光液面计211、 N (N为根 据各井队泥浆罐数量)号罐激光液面计212的泥浆液面进入采集仪228后算出整个罐泥浆体 积与深度仪203得出的井筒体积以及高压管线内泥浆体积合计为全程总体积，与初始化体积 进行比较得出差值变化，正为井涌，负为井漏；进口密度213、出口密度214两值如变化低 于设置值，则判断出现井涌的可能性；方瓦转盘扭矩仪215通过无线发射到接收机216，转 盘转速传感器217判断井底岩压破碎、水马力以及卡钻现象；H2S天燃气浓度计218判断油 层情况及井喷现象；1号泵冲次219、 2号泵冲次220可计算两台泥浆泵工作状况及进口流量 情况；485通讯网络线221、所有的传感器、 一次仪表均为485输出至网线上进入采集仪228 内进行数据处理，该网线为半双工；指挥中心计算机数据平台222、 GPRS数传电台223可 对所有各油田、各地区的并队终端通过GPRS发来的信号进行接收，同时可以向各井队终端 发出指令，井队主机终端打印机224、主机终端工业控制机225、 GPRS数据电台226与指挥 中心进行数据传输；数据电台227与采集仪228进行无线数传通讯，采集仪228、数传电台 229主要将各传感器各二次仪表通过485网线将信号采集后再进行数学模型进行相关的计算， 特别是分别对泥罐总体积、井筒体积进行监控，判断井涌井漏，同时又通过进出口流量差值 以及进口出口密度值的变化量和H2S天燃气浓度大小、井口井筒内动液面计输出的液面变化 值等，进行综合判断，得出井涌、井漏、是否卡钻等重大事故发生的可能，提前报警，防止事故发生；宽电压开关电源箱230主要是满足井队电压不稳，通常为85-300伏波动，频率不 稳在42-47Hz，使其进行AL220V，频率为50Hz,从而保障传感器及一次仪表的正常准确工 作；钻台参数显示器231、数传电台232接收采集仪228发出的数据，同时对深度仪203送 来的数据进行采集处理，钻台参数显示器231放在司钻前面，将井深深度、钻台位置、游车 高度、悬重、钻压、井筒泥浆体积、进出口流量、体积差值、井口井筒动液面高度泵压、H2S、 天燃气浓度等重要参数直接让司钻观看，出现报警后，第一时间内及时，准确进行事故发生 前的处理，从而杜绝事故发生，安全生产。
如图3所示，激光液位计包括激光传感器302、排风筒303、风机304、安装法兰305及 防爆表头301，防爆表头301将激光传感器302测出的信号通过单片机进行数据处理，得出 泥浆罐内液面高度，同时计算出体积，激光传感器302精度很高，分辨率为lmm，且不受声 音等干扰；由于激光光波受雾气影响，使数据不准，因此，通过风机304、排风筒303将光 线内的雾气吹散，使其正常检测，同时防爆表头301内单片机进行数据处理，发现数据处理 不准，将其风机开启，等数据准确后关掉风机，为自动控制；安装法兰305与泥浆罐罐面法 兰连接。
如图4所示，出口非满管电磁流量计包括液位计401、扇形齿轮传动机构402、冲板403、 斜坡进口槽404、测量槽405、条形电极406、电磁流量计磁场本体407、流量信号处理器408， 当液体通过矩形管内时将冲板403抬高，同时由于冲板403的重量使液体的水头被压住，使 瞬时浪头被压缩，平稳流过电磁流量计的出口槽，而此时液面高度也比较稳定；斜坡进口槽 404的斜坡有利于液体进入测量槽405时进行缓冲，并加快流速，便于流速的测量；条形电 极406是一对长形电板，主要是在切割磁力线产生感应电动势，当管内液面低于中心时，由 于电板为长形， 一直在槽底，所以不论液面高低都能得到出口流速；电磁流量计磁场本体407 在测量槽内产生上下的交变磁场，当介质液体通过测量槽时切割磁力线，使两端电极产生感 应电动势，而该感应电动势与通过测量槽的液体流速成正比，流量信号处理器408产生交变 电源供给线圈产生交变磁场，同时采集两端电板的流速信号，另外，将冲板带动的液面计的 信号与流速信号相乘，即得出瞬时体积流量。
如图5所示，钻井液密度计包括防爆表头501、安装法兰502、连接杆503上、下微压 传感器504、 506、上、下挡板505、 507，表头501将两支高精度微压压力传感器的信号通 过单片机进行处理，可得出密度值，并可设置高，低限报警；法兰502与泥浆罐面法兰相配， 上微压传感器504精度为0.01%,上挡板505主要防止泥浆罐内搅拌机工作时泥浆出现起波 浪，使传感器的输出平稳，上、下微压传感器504、 506的固定安装高度为H,与两传感器 输出压力相减所得差值可将由于液面高度引起的变化减去，得出密度变化值。
如图6所示，为进出口的流量计安装图，该流量计安装在出口泥浆槽中部，水平安装， 其中进口高压管段601直管段为流量计口径的5倍长度；602为进口高压油壬，603为高压 电磁流量计，604为出口高压油壬，605为出口高压管管段，该管605直管段为流量计口径 的3倍长度；606为出口流量槽内进口扩流板；607为泥浆出口槽，608为非满管电磁流量计， 609为出口扩流板。
如图7所示，为井口井筒动液面计安装图701为井口表层导管，702为井口井筒动液 面探头，703为信号处理器，704为泥浆出口，该探头702为声波发射头、接收头合为一体 并安装在井口出口管下端，当液体在出口流动时，探头输出为O，其它输出液面低于探头时， 按照声波在固体，液体，空气中的反射原理，综合进行处理，可得出动液面高度，同时还要 对其无用的噪声信号进行了滤除；706为动液面，705为钻杆。
如图8所示，为方瓦式转盘扭矩仪结构图，转盘扭矩仪包括压传感器801、锂充电电池 802、信号采集处理器803、发射天线804、信号接收器805、方瓦806,压传感器801安装 在方瓦806的一侧并将压头露出一点，信号采集处理器803采集信号并无线发射出去，其内 部有一支随动开关，当转盘旋转时将电源接通，停止后切断电源；发射天线804在方瓦806 底部，信号接收机805安装在转盘固定架底部。如图9所示，为深度仪电路原理图，主要是为检测在钻井过程中井底钻头钻进深度以及 钻头位置，这就需要测出游动滑车此时的高度，因为游车与方钻杆及所有钻杆钻具的总长是 己知的，所以以转盘平面为零起点，就可算出钻头位置。此电路原理图采用了旋转编码器测 出绞车滚筒的位置，此时位置与游动滑车高度是一一对应的，通过串口芯片IC2进入单片机 算出滑车位置，通过键盘将钻具总长设置到单片机IC3内，此时Z1是悬重传感器输入口， 当悬重大于游车及大钩负载时，则说明已连上钻具，此时钻头位置与游车高度一起变动。当 钻头位置增加等于井深深度时，说明到底，此时继续钻进，井深深度与钻头位置就增加；当 钻头位置上提，钻头位置减小，而此时井深深度不变；如果当悬重小于大钩负载，此时钻具 已经脱离大钩，钻头位置不变，所以就可以通过单片机IC3同时计算出井深深度、钻头位置、 游车高度、悬重等值，在IC7、 IC8、 IC9，通过LED数码管将其值显示，并同时通过IC4 485 串口进入485网线传入釆集仪。
如图IO所示，为激光液位计电路原理图，从激光传感器并口传过来的数据进入ICUC2， IC3多路选择器将一组一组的数据送入IC6单片机内，进行处理；再通过IC7与LED的数码 管直接显示数据，由于现场情况复杂，如果出现蒸汽影响激光传感器的检测数值，此时相差 太大的数据不要，同时使P1.7 口输出高电平，使继电器J1工作，将风机打开，吹开蒸汽， 使激光传感器的检测数值准确。最后将处理好的数据通过IC8 485进入网线传输到采集仪， 键盘可对需要设置的参数进行设置。
如图11所示，为非满管电磁流量计电路原理图，电磁流量计主要是通过管内产生一交 变磁场，当液体导电率较高时，可认为是导体，在流动时，相当于在切割磁力线，从而在中 心侧两端产生感应电动势，Z1进入IC7， IC6进行放大，输出到IC5AD芯片中进行模数转 换进入单片机进行数据处理；在电磁流量计中，感应信号易受干扰，所以采用脉冲调制的方 式，应用IC13作为时分割乘法器。用IC10产生时脉冲，通过两组与门IC12—方面可减小 干扰，另一方面可补偿磁场变化的影响。IC11与IC9共同组成同步脉冲进行光耦隔离放大， 产生同步交流励磁电流至线圈L产生磁场，IC8为稳压稳流提供IC9电源。另外，由于外满 管时其流过管内的液位高度是变化的，所以在流量计入口处采用挡板来测试液面高度， 一方 面进入入口时起流量水头很大且不稳定，可以压住水头，使其稳流输出；其二，此时挡板位 置刚好是进入两条形电极时的流速值。这一液位传感器的Vr的值也进入IC5，与流速信号一 起传到单片机IC4中进行处理，还通过IC2与数码管显示起瞬时流量及液位值。再通过IC1485 芯片向网线传至采集仪，键盘可进行参数设置。
如图12所示，为采集仪电路原理图，当各个传感器，包括深度仪、液位计、密度计、 电磁流量计、扭矩仪、天燃气口井动液面仪等信号通过485网线传至IC1 485芯片后，通过 IC2串口转换芯片进入单片机IC4进行数学模型处理、运算后输出井深深度、井涌、井漏值、 密度、进出口流量、转盘扭矩、井筒动液面、泵冲次等值后，送入IC5液晶显示屏进行显示， 同时将信号通过无线数传电台Tl传至主机，以及钻台参数显示器中，同时，又通过数据总 线，P0 口对IC6进行操作，使其输出四路超限报警信号， 一路高音喇叭驱动信号。另外，4*4 键盘提供各种需要设置的初始化数据，供单片机进行处理。IC3是A/D转换器，以提供需要 另加传感器使用。在该电路中，采集仪与主机，钻台参数显示器的无线数据传输是半双工形 式，包括设置参数等均是双向通讯的。
如图13所示，为主机电路原理图，由采集仪通过无线数传电台送来的数据，由T1数传 电台接收后，进入单片机IC2后，稍加处理后直接通过数据总线PO 口，地址总线P2口，及 控制总线P3 口送往IC3USB转换模块，将数据存入USBU盘存储器内，送往IC4 300*240 液晶显示器内显示数据，送往IC5微型热敏打印机可分定时、超限、自动实时打印其数据。 送往IC6转换芯片PB 口显示信号及超限报警音响信号，同时IC6 口有4*4+3键盘将所需设 置的初始化数据等送往单片机IC2进行处理，另外，IC2将所有参数也同时通过P1.2 口^到 IC1串口转发送到GPRS数据电台送入移动通讯网送到总部中心站。总部中心站可接收来自 各个井口终端所发的数据，当某一终端出现井涌井漏报警，中心站显示器立即显示该井队终端画面并报警。同时，中心站可根据情况直接下达处理方案，也通过GPRS进行双向传送。
如图14所示，为钻台参数显示器的电路原理图，由采集仪送来的数据通过无线数传电 台Tl接收到后进入串口到单片机IC3将所需的数据进行存储，同时又通过IC1 485总线送来 的深度仪及悬重信号经IC2串口转换芯片，经P1 口等送到单片机IC3，此时将两路送来的数 据经P2.0、 P2.1、 P2.2送往IC4、 IC5、 IC6、 IC7、 IC8、 IC9显示芯片，由LEDO数码管显示 进口流量、出口流量、流量差值、钻井液体积、体积差值、泵压、悬重、井深深度、H2S浓 度、游车高度、钻头位置、天燃气浓度的实时数据，同时输出井涌、井漏、游动滑车防碰三 次报警、荷载、到底及气体超限等。8种报警信号灯， 一种超限报警由高音扬声器发出报警, 使司钻进行预防及直接处理。另外，由采集仪或主机送来的对深度仪进行修正设置的参数通 过数传机接收后，又通过IC1 485传送到深度仪中，对其进行修改
如图15所示，为井口井筒动液面电路方框图，由于在钻进过程中，泥浆循环时出现井 底熔洞，及断层，大量泥浆漏失，此时如漏失量大，井筒内上返泥浆返不上去，则出现至井 口一段泥浆空洞。此时，体积差值有可能来不及反应，就会引起误差，因此采用声波对井筒 内动液面进行监测也是非常必要的。声波探头为发射头FS与接收头JS组成一体进行探测， 单片机CPU发出一闸门时间T去触发信号发生器，使之发出一固定的声波频率，通过放大 器A进行放大，去驱动发射探头FS产生声波信号至井筒内，由于探头安装在出口泥浆槽上 部，当有泥浆流出时，探头在盲区内没有反射信号，当低于出口时，声波发至液面后被反射 到接收探头，探头收到后，至信号放大器放大后，进入高通滤波器和带通滤波器，将与发射 频率信号不同的杂波信号全部滤除，再送到单片机CPU内进行软件滤波、数学归纳法等处 理，算出真正的动液面高度，然后通过CRT进行显示，485串口送入网线，键盘KEY进行 初始化设置及参数预处理。
如图16所示，为转盘扭矩仪电路原理图，Zl为方瓦式扭矩压传感器，输出到IC1电压/ 频率转换器成0-10KHZ频率，再经电台T1发射出去，E为锂充电电池，K为随动开关，IC2 是小型计压开关电源模块，当转盘转达动时，K接通电池，传感器工作。T2为接收机，将频 率信号收到后直接通过光耦IC3，传送到IC6单片机TO。 Z2是转盘转速传感器，也经IC3 光耦到IC6单片机T1， IC4,IC5是时钟芯片输出秒信号至INTO,产生中断，单片机IC6收 到扭矩，转速信号后经计算处理后，得出转盘扭矩，转盘转速送到IC7，数码管显示，同时 经IC8 485芯片送到485总线上，键盘可以进行初始化参数设置。
如图17所示，为深度仪程序流程图程序开始，程序初始化，这一过程包括处理器 的各个参数设置、读出本机地址、读出上次停电前保存的数据(第一次上电则各个数据为零)， 初始化各个外围芯片；初始化完毕，判断是否有设置键盘按下，有则进入各个参数设置，设 置完毕，保存各个参数，退出设置程序，无则直接进入下一阶段程序；读取编码器数据，根 据先前设置的参数，计算当前的游车高度；读取悬重，计算当前悬重值并跟先前设置的初始 值比较，发现当前悬重超过设置的初始值则点亮挂载指示灯，并计算新的钻头位置。未超值 则直接进入下一阶段程序；根据钻头位置是否到井底，来计算新的井深。钻头到底，计算新 井深，否则直接进入程序下一阶段；数码管显示游车高度、当前悬重、钻头位置、井深深度； 在程序运行过程中，检测外部串行中断，根据读入的命令，判断所需做的工作；命令a、请 求发送数据，则给总线发送数据；命令b、修改本机的参数，则修改本机参数并保存；检测 键盘，有査看编码器数据按键按下的，则显示编码器数据。保存各个参数，防止停电时数据 丢失；返回程序开头，进入下一轮主循环。
如图18所示，为激光液面计程序流程图由于仪器应用在可能存在雾气的场合，所以 加装了驱雾风扇。上电后，仪器经过预热，对各部件进行初始化工作，开启风扇，激光传感 器进入到待发射模，设置AD工作状态，485通讯设置为接收状态，面板上显示"01234"， 然后进入工作状态。工作时，微处理器STC12C5412AD首先检验"INT"键是否按下，如按 下则进入参数设置，进行通讯地址，通讯波特率，工作模式，修正距离，总距离，风扇参数， 报警限值，切除值等各种参数的设置，设置完毕后，所有设置参数存入微处理器内置的EEPROM中。然后，控制激光连续发射，设置P2.5、 P2.6和P2.7可以选择导通IC1和IC2 的0 4通道，0 4通道依次对应距离数值的十米位、米位、分米位、厘米位和毫米位，设 置P2.2和P2.3使得IC3的0 3通道依次选通，检测到IC3选通通道的电压小于IV时，获 取此时IC1和IC2选通通道的电压值，这样IC3的0 3通道依次选择完后，会得到一个标 识码，通过与码表的对比，可以得到当前位显示的数字，当IC1和IC2的0 5通道依次选 通后，就会得到激光传感器与液面的距离值。经过与修正距离值的修正后得到实际距离，如 果仪器的工作模式为高度模式，则总距离减去实际距离得到液面高度。接下来判断所得的距 离或者高度值是否符合报警要求，并显示数据和报警状态。假如得到的数值存在错误，如风 扇已停止，则开启风扇。 一旦长时间数据错误则仪器会显示错误标记。然后不断重复运行整 个工作过程。仪器上电连续工作一段时间后，数据一直未出现错误的话，风扇会自动关闭。 但是在正常工作时，每隔一段时间风扇会开启一小会儿，以帮助判断数据的正确性。在仪器 正常工作的过程中，串口中断被允许触发， 一旦有数据被接收到，则触发中断，进入通讯中 断子程序。依次检验起始字节，地址字节，结束字节和crc校验字节，如有任一项不符合则 退出中断子程序，当所有条件符合时，则把液位高度或者距离转换为指定格式发送出去，发 送完毕后，退出中断子程序。
如图19所示，为非满管电磁流量计程序流程图上电后，仪器经过预热，对各部件进 行初始化工作，设置AD7705工作状态，485通讯设置为接收状态，仪器上显示"01234567"， 即进入工作状态。工作时，微处理器STC12C5412AD首先检验"INT"键是否按下，如按下 则进入参数设置，进行通讯地址，通讯波特率，修正系数，流量计口径，报警限值等各种参 数的设置，设置完毕后，所有设置参数存入微处理器内置的EEPROM中。通过AD7705分 别获得管内液位和管内液体流速，进而结合流量计口径和修正系数计算出实时流量，结合脉 冲计数计算出累计流量，接下来与报警限值比较，显示实时流量、累计流量和报警状态。然 后不断重复运行整个工作过程。在仪器正常工作的过程中，串口中断被允许触发， 一旦有数 据被接收到，则触发中断，进入通讯中断子程序。依次检验起始字节，地址字节，结束字节 和crc校验字节，如有任一项不符合则退出中断子程序，当所有条件符合时，则把实时流量 和累计流量转换为指定格式发送出去，发送完毕后，退出中断子程序。
如图20所示，为采集仪程序流程图上电后，仪器经过预热，对各部件进行初始化工 作，485通讯设置为接收状态，设置通讯方式，电台复位，仪器显示数据显示界面，即进入 工作状态。工作时，微处理器STC89C58RD+首先检验是否需要确定基准，如果需要，则确 定基准，确定基准完毕后，设置485通讯状态为发送，与传感器逐一通讯，获取传感器数据， 获取数据完毕后，计算当前钻并液总量，然后发送数据至钻台参数仪，然后进行并涌并漏等 各种报警状态的判断，接下来显示各种数据与报警状态，显示完毕后，检测"设置"键是否 按下，如按下则进入参数设置，进行各种参数的设置，设置完毕后，所有设置参数存入微处 理器内置的EEPROM中。接下来，检测是否有主机发送的更改参数命令，如有，则更新当 前设置参数并存入EEPROM。然后不断重复运行整个工作过程。在仪器正常工作的过程中， 串口中断被允许触发， 一旦有数据被接收到，则触发中断，进入通讯中断子程序。依次检验 起始字节，地址字节，结束字节和crc校验字节，如有任一项不符合则退出中断子程序，当 所有条件符合时，则依据命令字不同，发送参数更新确认字或者全部采集和计算数据，发送 完毕后，退出中断子程序。
如图21所示，为主机程序流程图；上电后，仪器经过预热，对各部件进行初始化工作， 设置通讯方式，电台复位，仪器显示数据显示界面，即进入工作状态。工作时，微处理器 STC89C58RD+首先检测是否有键按下，如有则执行对应键的子程序，如果运行了修改参数 的子程序则进入参数设置，进行各种参数的设置，设置完毕后，所有设置参数存入微处理器 内置的EEPROM中。键处理完毕后，检测是否有打印指令，如有则进行数据的打印。接下 来检查是否需要为采集仪发送设置参数，如需要则向采集仪发送设置参数，只有当采集仪返 回设置参数确认字且到达获取数据的时间时，主机通过电台向采集仪发送要数命令，然后等待采集仪返回数据，返回数据或者无数据返回后，显示数据和各种通讯与报警状态，显示完 毕后，把所有数据写入U盘中，存储完毕后，通过GPRS发送至中心站服务器。然后不断重 复运行整个工作过程。
如图22所示，为钻台参数显示器程序流程图上电后，仪器经过预热，对各部件进行
初始化工作，设置AD7705工作状态，485通讯设置为接收状态，电台复位，仪器上所有显 示全开，即进入工作状态。工作时，微处理器STC12C5412AD首先检验是否有更新设置的 标识，如有设置485通讯设置为发送状态，向深度仪发送设置参数，深度仪返回设置参数确 认后，向深度仪发送要数据命令，深度仪返回数据后，显示所有数据。然后不断重复运行整 个工作过程。在仪器正常工作的过程中，串口中断被允许触发， 一旦有数据被接收到，则触 发中断，进入通讯中断子程序。依次检验起始字节，地址字节，结束字节和crc校验字节， 如有任一项不符合则退出中断子程序，当所有条件符合时，则依据命令字不同，发送参数更 新确认字或者全部数据，发送完毕后，退出中断子程序。
如图23所示，为井口井筒动液测试仪程序流程图上电后，仪器经过预热，对各部件 进行初始化工作，485通讯设置为接收状态，设置通讯方式，仪器显示"01234567"，即进入 工作状态。工作时，微处理器STC12C5412AD首先检验"INT"键是否按下，如按下则进入 参数设置，进行通讯地址，通讯波特率，修正距离，温度系数，报警限值等各种参数的设置， 设置完毕后，所有设置参数存入微处理器内置的EEPROM中。然后，启动超声波传感器发 射超声波，同时启动内部定时器T0开始计时。当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回， 微处理器不停的扫描INTO引脚，如果INTO接收的信号由高电平变为低电平，此时表明信号 已经返回，微处理器进入中断关闭定时器，再把定时器中的数据经过换算再结合设置参数中 的修正距离和温度系数就可以得出超声波传感器与障碍物之间的正确距离，接着把显示距离 和报警状态。然后不断重复运行整个工作过程。在仪器正常工作的过程中，串口中断被允许 触发， 一旦有数据被接收到，则触发中断，进入通讯中断子程序。依次检验起始字节，地址 字节，结束字节和crc校验字节，如有任一项不符合则退出中断子程序，当所有条件符合时， 则把当前动液面距离转换为指定格式发送出去，发送完毕后，退出中断子程序。
如图24所示，为转盘扭矩仪程序流程图上电后，仪器经过预热，对各部件进行初始 化工作，设置定时器工作状态，485通讯设置为接收状态，开INT0中断，当INTO发生中断 时，开T0和Tl计数器，仪器上显示"01234567"，即进入工作状态。工作时，微处理器 STC12C5412AD首先检验"INT"键是否按下，如按下则进入参数设置，进行通讯地址，通 讯波特率，修正系数，报警限值等各种参数的设置，设置完毕后，所有设置参数存入微处理 器内置的EEPROM中。当有INTO中断发生时，读取T0和Tl计数器的值，然后清零，重 新开始计数，用读取的值结合修正系数计算出转速和扭矩，判断报警状态后，显示转速、扭 矩和报警状态。然后不断重复运行整个工作过程。在仪器正常工作的过程中，串口中断被允 许触发， 一旦有数据被接收到，则触发中断，进入通讯中断子程序。依次检验起始字节，地 址字节，结束字节和crc校验字节，如有任一项不符合则退出中断子程序，当所有条件符合 时，则把转速和扭矩转换为指定格式发送出去，发送完毕后，退出中断子程序。
权利要求
1、一种钻井井控参数智能监测系统，其特征在于包括以下部分钻井液循环体积监测部分，其包括激光液位计、钻井深度仪、绝对旋转编码器、悬重传感器、泵压传感器，激光液位计对多个钻井液罐内液位进行测量，从而计算出罐内钻井液体积，安装在绞车滚筒旁的绝对旋转编码器的信号传至钻井深度仪，由单片机进行数据处理，计算出游车高度，同时悬重传感器的信号控制钻台位置的变化，从而算出实时的钻头位置和井深深度，通过这三者的关系，计算出井筒内的钻井液体积，该体积与罐内体积以及与罐外高压管汇内体积相加算出总体积；钻井液进出口流量监测部分，其包括井口高压电磁流量计、出口非满管电磁流量计、泵压传感器，其中非满管电磁流量计一部分是方管电磁流量计，另一部分是冲板式液位计，方管电磁流量计在非满管时其电极结构为条形，此时检测的是流速，此流速是在不同液位高度时的截面积中流过的瞬时流速，其乘积为体积流量；钻井液进口密度、出口密度、钻井温度、出口天燃气、H2S浓度监测部分；井口井筒动液面及转盘扭矩监测部分，包括井口井筒动液面计、转盘扭矩仪；采集仪部分，上述四个部分通过485网线送来的信号进入采集仪输入端，所述采集仪为单片机采集仪或工业控制计算机，数据送入采集仪后，进行分析比较，判断出井涌、井漏值以及相关超限报警并通过显示器进行显示，超限通过高音喇叭报警，同时将所处理好后所有数据，通过数传电台发送到钻台参数显示器和主机；钻台参数显示器，直接放在司钻旁边，由单片机和高亮大型LED数码管组成；主机，其收到从采集仪发来的信号接收后进行存储，数据处理，打印，显示，同时又通过GPRS无线远传到总部指挥中心，他们的通讯方式是双工的，既可发送数据，又可接收指挥部发来的各种指令；GPRS数据传输信息平台，其主要包括GPRS数传机，能够同时接收多至2048个井队所发的实时信号，当任一井队有超限报警信号出现，该机立即将该队画面显示出来，并指出报警部位和参数。
2、如权利要求1所述的钻井井控参数智能监测系统，其特征在于激光液位计包括激 光传感器、排风筒、风机、安装法兰及防爆表头，防爆表头将激光传感器测出的信号通过单 片机进行数据处理得出泥浆罐内液面高度，同时计算出体积；风机、排风筒将光线内的雾气吹散以其正常检测，同时防爆表头内单片机进行数据处理，安装法兰与泥浆罐罐面法兰连接。
3、如权利要求l所述的钻井井控参数智能监测系统，其特征在于非满管电磁流量计包括液位计、扇形齿轮传动机构、冲板、斜坡进口槽、测量槽、条形电极、电磁流量计磁场本 体、流量信号处理器，当液体通过矩形管内时将冲板抬高，同时由于冲板的重量使液体的水 头被压住，使瞬时浪头被压縮，平稳流过电磁流量计的出口槽；条形电极是一对长形电板， 主要是在切割磁力线产生感应电动势；电磁流量计磁场本体在测量槽内产生上下的交变磁 场，当介质液体通过测量槽时切割磁力线，使两端电极产生感应电动势，而该感应电动势与 通过测量槽的液体流速成正比，流量信号处理器产生交变电源供给线圈产生交变磁场，同时 采集两端电板的流速信号，另外，将冲板带动的液面计的信号与流速信号相乘，即得出瞬时 体积流量。
4、 如权利要求1所述的钻井井控参数智能监测系统，其特征在于密度计包括防爆表头、 安装法兰、连接杆上、下微压传感器、上、下挡板，防爆表头将两支高精度微压压力传感器 的信号通过单片机进行处理，可得出密度值，并可设置高，低限报警；安装法兰与泥浆罐面 法兰相配，上、下微压传感器的固定安装高度为H。
5、 如权利要求1所述的钻井井控参数智能监测系统，其特征在于井筒动液面计包括井 口探头，该探头为声波发射头、接收头合为一体并安装在井口出口管下端；转盘扭矩仪包括 压传感器、锂充电电池、信号采集处理器、发射天线、信号接收器、方瓦，其中压传感器安 装在方瓦的一侧并将压头露出，信号采集处理器采集信号并无线发射出去，其内部有一支随 动开关，发射天线在方瓦的底部，信号接收机安装在转盘固定架底部。
6、 如权利要求书1所述的钻井井控参数智能监测系统，其特征在于井深深度仪包括 旋转编码器，安装在钻机绞车滚筒轴上；悬重传感器，安装在高压立管上；旋转编码器及悬 重信号送进深度仪内进行数据处理，得出井深深度、钻头位置、井筒体积等参数，进行显示 并通过485将数据传输到钻台参数显示器。
全文摘要
本发明涉及一种钻井井控参数智能监测系统，包括钻井液循环体积监测部分；钻井液进出口流量监测部分；钻井液进口密度、出口密度、钻井温度、出口天燃气、H₂S浓度监测部分；井口井筒动液面及转盘扭矩监测部分；采集仪部分，以上所有信号通过RS485网线传到采集仪中被采集，并经过数据处理后，通过无线数传机将数据传输到钻台参数显示器和中心站主机，主机则进行数据存储、显示、打印，同时通过GPRS数据传输仪，上传到上一级指挥中心数据平台处理器，对所有井队井控参数进行遥控实时处理、监控。本发明有益效果实现全方位、远距离及时对钻井井控、安全生产、预防井涌、井漏、井喷等事故发生起到了更好的作用。
文档编号E21B44/00GK101446191SQ20081017189
公开日2009年6月3日 申请日期2008年11月17日 优先权日2008年11月17日
发明者华 文, 文必用 申请人:文必用;文 华