智能型钻井多参数仪发展现状及趋势.pdf

251 科学管理2023年第9期1 概述钻探是一门系统工程，难度大、风险高、隐蔽性强，且其工作对象是复杂的地球，因此，在钻探工程中，随钻检测与监控钻参仪就显得至关重要。在钻探勘探开发过程中，几乎所有钻机都配备有钻井多参数仪，钻井参数仪伴随着科学技术的不断发展而不断更新1。钻井多参数仪的发展是为适应钻井工艺不断提升而进行的，作为一种仪器，钻井多参数仪器与整体的仪器技术发展息息相关。随着微电子技术的高速发展，微电子技术和微电子技术电子计算机广泛应用于钻井多参数仪器中。该仪器不仅具备传统式仪器的监控功能，而且具有较强的运算判断能力。其资料显示和记录的格式与方法更为多元化，便于应用2。2 钻井多参数仪2.1 钻井参数仪的组成概述早期的钻井参数仪是由指重表和立管压力表组成，个别还配置有机械式泵冲速、转盘转速表等，但无法存储打印，只能在钻台上某些分散位置或司钻操作台表盘显示这些参数。多年来，钻井仪器工作人员一直致力于提高钻井参数仪的性能。随着钻井技术的不断发展，各种新型仪器不断出现，包括之前的6、8参数仪器，现在已经发展成为无线网络。现代钻井参数仪能够实时测量和显示诸如大钩悬架净重、钻压、轮盘扭距、排水立管工作压力、安装扭距、轮盘速率、渣浆泵速率、沙浆逆流等参数的变化。这些参数可以通过钻井仪表盘显示台和远程大队长公司办公室进行实时显示。此外，还有软件仪表盘、标值和曲线图可以即时显示，存储、打印和查看。这个功能不仅可以提供实时监控系统和记录钻井工作中参数的现场服务，还可以为提高钻井和排除常见故障提供依据，并提高钻井参数收集和记录的准确性和安全性，为钻井后提供历史记录。同时，帮助钻井与平台主管了解钻探机的工作环境和地底工作状态。曾经的百重7井区八道湾组所用到的钻头及钻井参数如表1所示。当代的钻井参数仪主要包括净重测量系统、转盘扭矩测量系统、排水立管工作压力测量系统、转盘速率和泵速度测量系统以及沙浆逆流百分数测量系统等。随着科学技术的不断进步，这些钻井参数仪正向智能化、智能化系统、数字化、一体化和无线化方向发展，不再是过去简单的机械和液压仪器设备。现代的钻井参数仪可以集成到钻井实际操作台子上，以表明钻井工作中的参数，同时可以存储、打印和共享这些参数。这些参数可以被传输到监控室以及数百公里外的中央服务器中，以在全球范围内实现信息共享。此外，现代的钻井参数仪还具有自动采集、无线数据传输、实时监控系统、电子计算机分析和打印等服务，大大提高了钻井参数的准确性和安全性，使其更加易用和实用。对于大偏移井、气井和支链井等钻井工程，简单的重表和工作经验不再足够，而灵活地运用钻井参数仪已成为完成安全、高效率和高品质的钻井的重要保障。钻井参数仪将会在不断更新和革新中迎接更加先进的发展。2.2 仪表的功能钻井多参数仪是一款集成化仪器，安装于钻机内，旨在精确测量钻机各系统的工作参数，协助钻井工作，提高钻井效率并保障钻井的安全智能型钻井多参数仪发展现状及趋势杨华 强亮秦川机床集团宝鸡仪表有限公司 陕西 宝鸡 721006摘要：近年来，随着探矿挑战性的提高和不同勘探市场需求的增加，智能型钻井多参数仪在钻探工程中具有一定的研究价值，被选为“钻井工程项目的双眼”。因此，本文旨在掌握传统式钻井多参数仪和智能型钻井多参数仪相关信息，讨论智能型钻井多参数仪的发展状况和发展趋势。关键词：智能型 钻井多参数仪 钻井工程表1 百重7井区八道湾组的钻头及钻井参数井段/m钻头钻进参数水力参数尺寸/mm类型数量/只钻压/kN转速排量泵压/MPa钻头压降/MPa反速（m/s）0-100393.7P1150-800110308.87.00.27-580241.3SH11R2100-120110289.27.10.80科学管理 252 2023年第9期性。该仪器依靠多种传感器测量脉冲信号，并通过数据采集终端进行计算和解析，将数据信号传送至波晶集成化显示模块（或触摸屏显示器）的计算机端。这样，在集中显示时，数据信息可轻松记录。同时，仪器还能利用打印机输出数据信息，方便查询。该仪器具备防腐、防爆、抗震、防水等多项功能。各款钻井多参数仪在实现这些功能的同时，传感器原理、关键结构以及数据显示方法和检测精度基本一致。唯一的区别在于，不同型号的仪器可能存在设计布局、构件构造、可解析参数种类和程序界面等方面的差异。2.3 司钻仪表显示台钻探仪表盘实际上的主要作用是显示各种主要参数。通常包括净重显示屏、排水立管工作压力指示器、轮盘扭矩指示器、安装扭矩指示器、逆流指示器和液晶屏集成化表明模块（或触摸显示屏）。此外，该仪表盘还配备了缓冲阀、加油口、压力变送器、快插接口和报警系统。各种液压传感器通过对应的压力变送器连接到工作压力指示器，最终与各种电感应器输出的电信号连接到数据采集终端进行处理。数据采集器由电源单元、前端处理板、数据采集板和安全防爆栅等组成，负责采集、处理、运算和通讯等工作。处理后的数据一路显示在司钻仪表，并同时记录在电脑终端中。3 智能型钻井多参数仪3.1 主要参数钻参仪主要测量钻机关键参数，其中包括钻压、转速、钻速、泵压、泵量、大钩载荷、大钩高程、机上余尺、主机电流、油缸上下腔压力、钻机手柄位置和钻机重量等。相关测试性能参数如表2所示。表2 智能型钻井多参数仪参数性能序号参数测试范围和精度用途1钻压04T（2%FS）便于调整和监控深孔岩心钻探的钻进压力2转速01500r/min（1%）精确测试回转转速以适应金刚石钻进3泵压015MPa（1%）监控泵的工作状态、钻进工况和钻进泥浆的压力损失4钻速010m/min用于实测不同碎岩工具与岩石的适应能力5机上余尺05m1.5cm直接读取进尺，免人工测算6主机工作电流0200A精度2%监控电流并超限报警7大钩载荷单绳010t精度5%测钻具重量和提升阻力以确保深孔提升安全，设报警8泵量0250L/min精度2%循环液流量监控9二层台监控2m2m便于观察挂摘提引器过程以保安全，减少司钻的仰头率10游动滑车位026m防撞顶；便于起下钻空间位置监控；读余尺11钻机称重04T（2%FS）用于钻机的称重12手柄位置开关量判断手柄的上升、停止、下降和称重3.2 发展历史智能型钻井多参数仪具有高精度的数据采集和实时监测功能，能够对钻进过程中的各种钻井参数进行准确测量，包括钻杆转速、泵压、钻头压力、泥浆流量、井深和大钩位置等，并能对井下地层信息进行分析和判读，提高钻进成功率。同时，该设备采用计算机控制技术，能够利用数据模型和算法对采集到的数据进行处理和分析，输出各种有用的信息和指标，协助钻井工程师决策，优化钻进参数，提高钻进效率和安全性。钻探工程自古以来就经历了一个漫长的发展过程，其中钻井仪器仪表也不断发展。最初的钻探方式是顿钻，在这个时期，司钻只能凭借经验来判断钻井孔底情况。而近些年来，智能仪器仪表也正陆续被研制出来。到了近代，一些先进技术逐渐运用到钻探行业，形成了智能型的钻机和钻井仪器仪表等。从90年代开始，智能型钻井仪器仪表已进入普遍适用的阶段。但就目前而言，设计完善、可靠性高、应用广泛的钻参仪大多应用于钻探行业，对地质勘探行业来说推广还比较缺乏。代表性的钻参仪主要有四种，分别为：（1）监测地层可钻性指数的钻参仪，它可以测量可钻性指数、泵压、钻压和泥浆密度等四个参数，结构简单，功能相对简略；（2）武汉交通科技大学研发的钻井最佳参数实时监控系统，该系统可以实现多种参数的直接和间接检测，例如大钩高度、泵冲、立管压力、悬重、扭矩、转盘转速等，能够用图像分析方法实时监控钻进参数；（3）中国地质大学（武汉）研发的DDW-3微机多功能监测系统，由六路传感器、接口电路、开关电源、工控机微机系统和相关外围设备组成，具备多项功能；（4）由江汉仪器厂研发的SZJ型钻井钻井多参数仪，它可以测量诸多钻参参数，并且具有表头显示和触摸屏显示功能，以及数据存储和历史记录查询功能，能够实现科学化钻井，为钻探现场故障判断和排除提供科学依据。国内外的智能型钻参仪各有优缺点，国外传感器安装简便、采集精度高、适应环境能力强、抗腐蚀性能好、数据采集和通讯系统先进可靠、人机界面续表2 253 科学管理2023年第9期处理美观、应用范围广泛；但是在国内推广尚有困难，异地监控、与国内钻机和表头现场匹配性等方面存在问题，价格也比较高。4 钻井多参数仪的智能型发展4.1 实现智能钻井智能钻井的核心在于监测和决策系统。监测系统起到实时监控井下情况的关键作用，能够及时收集和反馈钻进过程中的各种参数信息，如钻压、转速、泵压、钻头位置、地层岩性等。而决策系统则根据监测得到的数据进行分析和处理，并据此生成钻机设置和运行决策，协助钻机操作员和钻井工程师做出高效且安全的钻井决策。决策系统在整个智能型钻井系统中扮演着关键角色，它包括了专家系统、在线建模、优化模型等实用功能。在系统设置方面，优秀的研发和生产中心或研究院等专业钻机队伍可以与决策系统合作，优化决策系统的设置，并将其与钻机系统无缝连接。智能型石油钻机型式及基本参数如表3所示。表3 智能型石油钻机型式及基本参数钻机级别10/60015/90020/135030/170040/225050/315070/4500120/9000名义钻探范围127mm钻杆50080070014001100180015002500200032002800450040006000 700010000114mm钻杆500100080015001200200016003000250040003500500045007000 750012000最大钩载600（60）900（90）1350（135）1700（170）2250（225）3150（315）4500（450）9000（900）绞车额定功率kW110200257330330400400550735110014702940hp（150270）（350450）（450550）（550750）（1000）（1500）（2000）（4000）游动系统绳数钻井绳数68888101012最多绳数6881010121216钻井钢丝绳直径mm2226293232353852in（7/8）（1）（1%）（1%）（1%）（1%）（1%）（2）钻井泵单台功率不小于kW260370590735960118016hp（350）（500）（800）（1000）（1300）（1600）52转盘开口直径mm381，445445，520，7007，009，501，260（2）in（15，17%）（17%，20%，27%）（27%，37%，49%）1470钻台高度3，44，55，6，7.57.5，9，10.5，12（2000）井架各级钻机均采用可提升28m立柱的井架；对10/60，15/900，20/1350三级钻机也可采用提升19m立柱的井架，对120/9000一级钻机也可采用提升37m立柱的井架。4.2 加强智能操作培训随着新技术的应用不断推广，钻探操作人员必须不断创新自己的专业技能，因此需要改进他们的培训和教育。传统的教学手段，如理论课、工程图纸和视频教育已经无法满足现代科技教育的需求。因此创新的培训形式成为了钻探机智能技术发展必不可少的一部分。这将直接影响钻井作业的质量，因此企业必须通过不断革新培训形式来加强员工技能培训。对于培训形式的创新，企业可以采用先进的虚拟现实技术来模拟钻机工作环境，让操作人员在培训中亲自感受到实际操作时的环境场景，这有助于提高操作人员的操作技能和应对问题的能力，减少操作中的失误。这种培训方式不仅可以提高企业在钻机科技方面的学习和培训效率，还可以提高钻机操作的准确性和质量。然而，智能技术的终极目标是促进自动化操作，即操作人员只需按下按钮，就能自动执行整个钻机过程。5 结束语钻井参数仪的功能设置应考虑实际需求，在尽量满足用户需求的前提下，要简便易用、工作稳定、安装简单易扩充。需要进一步研发围绕系统稳定、方便使用、安装简便、易于功能扩展等具体要求。信息传输无线化、智能接驳、功能齐全、工作稳定是现代钻井参数仪的发展方向。参考文献1关生，陈悍，邢路添，钟志华，黄俊莲.钻井三参数仪的研制与应用 J.西部探矿工程，2023，35（4）：109-112.2 关生，钟志华，周文君，肖刚，周俊，刘斌，王晶，柴生杰，汤长青.钻井液多参数集成化传感器的研制与应用 J.录井工程，2018，29（1）：88-91+113.作者简介杨华（1987），男，汉，陕西宝鸡市人，工程师，硕士研究生，主要从事石油特种仪器仪表研发和油气田开发理论研究。