鉆井儀表基礎知識

第十四章鉆井儀表基礎知識

第一節(jié)鉆井儀表基礎知識

鉆井是石油勘探開發(fā)的主要手段，鉆井儀器儀表是鉆井工程的眼

睛,是油氣工程監(jiān)測鉆井過程、進行科學分析和科學決策的重要工具,

是實現安全、優(yōu)質、快速、高效鉆井的重要保障。

一、鉆井儀表的結構、性能及用途

（-）ZCJY-D型鉆井參數監(jiān)測儀

1.系統結構

采用工業(yè)控制領域成熟且應用廣泛的CAN總線技術，將

各防爆傳感器信號經CAN節(jié)點處理盒轉換成總線信號，依次

串連，同時在一條總線上傳輸多項測量參數，直至前后臺計

算機進行采集處理。采集的數據可以在鉆井工程師辦公室、

司鉆控制臺同時實時顯示，可繪制連續(xù)曲線。

ZCJY-D型鉆井參數監(jiān)測儀是我廠為配套鉆機和修井機設計生產

的參數儀表，測量顯示鉆機或修井機在作業(yè)過程中大鉤懸重和鉆壓、

轉盤扭矩、立管壓力、吊鉗扭矩、轉盤轉速、泵沖速、泥漿回流、泥

漿罐體積、泥漿罐總體積、泥漿密度、泥漿溫度、泥漿電導、全燃含

量、硫化氫含量、游車高度、井深、鉆頭位置、鉆時等參數的變化情

況，幫助司鉆掌握鉆機的工作狀態(tài)。

從系統組成上，ZCJY-D型鉆井參數監(jiān)測儀由傳感器、總線節(jié)點、

前臺鉆顯單元（含PC104嵌入式計算機、觸摸式液晶顯示器）和隊長

辦公室電腦終端等組成。前臺鉆顯單元（即司鉆顯示臺）采用觸摸屏

方式，可安裝在鉆臺上或司鉆操作房內。所有傳感器通過總線模塊連

接在CAN總線電纜上，分別在前臺觸摸屏、后臺工控機上實時顯示所

有數據及曲線，并可存儲記錄、打印。

圖1.1ZCJY-D型鉆井參數監(jiān)測儀系統示意圖

2.主要技術指標

(1)工作溫度:-30℃-70℃

(2)相對濕度：0—90%

(3)大鉤懸重和鉆壓

1）測量范圍：0—500X10kN

2）測量誤差：^±1.5%

（4）轉盤扭矩：

1）測量范圍：0—40kN?m（顯示方式0—500刻度）

2）測量誤差：W±1.5%

（5）吊鉗扭矩：

1）測量范圍：0—lOOkN（以尾繩拉力表示）

2）測量誤差：^±1.5%

（6）立管壓力：

1）測量范圍：0-40Mpa

2）測量誤差：W±L5%

（7）鉆深

1）測量范圍：0—9999.9m

2）測量誤差：＜±0.5%

（8）轉盤轉速：

1）測量范圍：0-300RPM

2）測量誤差：W±l.5%

（9）泵沖速：

1）測量范圍：0-200spM

2）測量誤差：^±1.5%

（10）泥漿回流：

1）測量范圍：0-100%

2）測量誤差：W±1.5%

（11）泥漿罐體積：

1）測量范圍：0—80

2）測量誤差：^±1.5%

（12）泥漿密度：

1）測量范圍：0.8-2.Og/cm3

2）測量誤差：一士0.02g/cm3

（13）全燒:

1）測量范圍：0—100%LEL（煌類氣體爆炸下限的濃度）

2）測量誤差：W±5%LEL（F?S）

3）響應時間:小于15秒（90%響應）

4）最遠安裝距離1000米

（14）硫化氫：

1）測量范圍：0—lOOppm

2）測量誤差：W±5%F?S

3）響應時間:小于60秒

4）最遠安裝距離1000米

（15）系統工作電壓：220VAe±20%47-63Hz

3.性能特點

（1）高速，傳輸距離遠

（2）抗干擾能力強

（3）靈活的工作方式：該系統的測量參數可隨時根據用戶的需

求增加監(jiān)測的參數

（二）美國馬丁儀表（Drillwatch及Rigsense）

1.系統結構

數據采集處理器(DAQ)原理框圖

2.性能特點

(1)性能穩(wěn)定可靠

(2)能存儲和解壓縮需要的專用通道數據

(3)具有鉆具組合功能，自動校準井深數據，提高井深測量精度

(4)輸出WITS數據，實現鉆井數據遠傳功能

二、鉆井參數測量

(―)ZCJY-D型鉆井參數監(jiān)測儀

1.指重(鉤載)測量系統

(1)系統組成與工作原理

指重測量系統由指重表傳感器、懸重壓力變送器、總線模擬模塊

盒、連接管線和電纜等組成。

大鉤載荷通過鋼絲繩作用在指重表死繩固定器上，再通過杠桿機

構作用在指重表傳感器上，指重表傳感器獲得的液壓信號驅動壓力變

送器，壓力變送器輸出的電流信號在總線模入模塊盒內處理，再通過

總線電纜送入前臺鉆顯單元和后臺隊長辦公室單元。

（2）安裝、調試與使用：

1）安裝

大鉤懸重傳感器固定安裝在死繩固定器上。安裝完畢后，將液壓

軟管線的自封接頭一頭與傳感器連接，另一頭與顯示表箱和記錄儀上

對應的自封公接頭連接。注意管線走向應合理，不要彎得過急或繃得

太緊，并應避免被其他物體擠壓或切割，最后用尼龍扎帶將液壓軟管

固定在井架桁架上。大鉤懸重指示儀（即指重表）以及阻尼器、排氣

閥均已安裝在儀表箱上。

記錄儀結構見圖2.1。

圖2.1XZJ型記錄儀

1.記錄筆2.筆臂3.微調螺釘4.筆臂轉軸架

5.記錄紙托盤6.記錄紙7.記錄儀殼體8.彈簧管

9.記錄時鐘10.記錄紙壓帽11.記錄儀蓋12.阻尼器

2）調試:

①安裝完畢后液壓系統必須進行充油和排空氣。將手壓油泵的液壓

管線與傳感器充油接頭相連接，上下搖動搖桿向傳感器泵油。液壓系統

排空氣應根據傳感器和指示儀的高低，按先低后高的順序進行。注意在

充汕過程中油杯內液面高度不得低于汕杯高度的一半。如圖2.2。

圖2.2死繩拉力傳感器及手壓泵

②為了使指示儀和記錄儀既能靈敏地指示和記錄大鉤懸重的變

化，指針和筆臂又不產生強烈擺動，應對指重阻尼器、靈敏阻尼器進

行必要的調節(jié)。首先順時針方向轉動阻尼器T型閥桿，使阻尼器處于

關閉狀態(tài)。然后反時針方向轉動T型閥桿兩圈。觀察指示儀指針擺動

情況。如過于靈敏,應關閉1/3~~1/4圈,如太遲鈍，則打開1/41/3

圈。如此反復調節(jié)，直到調節(jié)出滿意的阻尼效果為止。

③檢查儀器在空載時記錄儀筆尖是否回零，如不回零應查明原

因，必要時拔出指針從新定位，筆尖可通過微調螺絲調零。

3）使用

儀器安裝調試完畢后，便可投入使用。大鉤懸重及鉆壓是鉆井作

業(yè)中必須監(jiān)控的參數。當全部鉆具下到井中，指重表主指針指示值即

為大鉤上的懸重。這時將游動刻度盤的零位對準靈敏指針，然后施加

鉆壓開始鉆進，靈敏指針指示值即為鉆壓。在鉆進過程中，司鉆必須

時刻觀察鉆壓的變化，不斷控制剎把加以校正，

使鉆壓穩(wěn)定，送鉆均勻，從而提高鉆井質量。

在大鉤懸重測量系統使用期間，應經常檢查指重表阻尼器的阻尼

效果，液壓管線有無滴漏，發(fā)現異常或故障應及時排除。記錄儀每

24小時更換一次記錄紙，同時對時鐘上弦，按天文時間將記錄筆尖

應對準記錄紙上的時間坐標，然后上緊記錄紙壓帽。

4）總線模擬模塊盒

①模塊應選擇方便拆卸的安裝場所，便于維護和操作，同時應盡

可能靠近壓力變送器盒，并盡量避免強光直接照射和雨淋。選好安裝

位置后，通過C型鉗將其固定。

②總線模塊插座分布和引腳分布如圖2.3、2.4、2.5所示，將壓

力變送器連接電纜接至模塊的信號輸入插座，CAN總線插座與前后總

線電纜相連，若此模塊是最后一個節(jié)點，則將空閑的CAN總線插座的

密封蓋擰緊，保證模塊的密封性。

CAN總線插座信號輸入插座CAN總線插座

圖2.3總線模塊插座分布示意圖

1：+V+20—25V

2：SIN信號

yo43QJ3：懸空

4：GND地

圖2.4信號輸入插座引腳示意圖

1：GND地

2：+24V+20—25V

3：CANL總線低

\L540/4：CANH總線高

5：屏蔽

圖2.5CAN總線插座引腳示意圖

5）儀器的維護與保養(yǎng)

①儀器在鉆機搬遷時，應卸掉載荷，使表針回到零位，同時關閉

重量指示儀上的緩沖閥，再卸下相關連接管線、接頭及壓力變送器。

②儀器使用的液體應干凈、無沉淀物，以避免管線堵塞，影響儀

器的性能。

③定期將儀器送檢，由專業(yè)維修人員按《JJG（石油）03檢定規(guī)

程》進行維修、保養(yǎng)和檢定。

④為延長儀器的使用壽命，鉆機使用負載的范圍，原則上以不超

過指重表最大負荷80%為準則。

⑤每天在工作前，應清除傳感器上的碎石、泥漿和冰塊；同時檢

查傳感器的法蘭與扶圈的間隙是否符合要求，小于要求時，應立即補

充液體。

⑥定期拆下繩輪中部的端蓋，在軸承上涂鈣基潤滑脂。

6）故障原因及排除辦法

故障原因排除辦法

繩輪轉動不靈

清洗軸承并加潤滑脂。

活

顯示數

值不準傳感器受限制清除外部障礙物，并清洗干凈。

確給傳感器補注液壓油，并在放氣閥上放出氣體和多

液體不足

余液體。

檢查電纜兩端插頭對應插針是否連通或與其他插針

總線電纜斷線

短路；檢查總線模塊的兩個CAN總線插座之間的對

或短路

應插孔是否連通或與其他插孔短路。

用萬用表檢測變送器的工作電壓，應在+20V?+25V

壓力變送器工之間，若超過此范圍應檢查傳感器電纜及插座是否

無顯示

作電壓不正常短路、斷路，或檢查模塊盒內的+24V端及系統電源

模塊的+24V輸出端（在前臺鉆顯單元箱體中）。

壓力變送器感

壓膜片有明顯及時更換。

變形，已損壞

7)注意事項

①在安裝指重表時，應首先檢查鉆機參數與指重表參數是否相符。

A、檢查鉆機額定死繩拉力與指重表的最大死繩拉力是否相符。

B、檢查游車系統的鋼絲繩股數與指重表的繩數是否相符。

②如果使用其它廠家的死繩固定器，請按照其技術要求進行安裝。

③為保證測量精度，液壓管線應安裝在溫差變化較小的地方。

④所有屏蔽電纜不要與其它電源線一起通過導線管或明線槽，也

不可在大功率設備附近穿過。

⑤在防爆場合應切斷電源后再插拔插頭連線。

⑥請勿帶電拆卸儀器。

2.轉盤扭矩測量系統

(1)系統組成與工作原理

機械鉆機轉盤扭矩測量系統由惰輪式轉盤扭矩傳感器、壓力變送

器、總線模擬模塊盒、連接管線和電纜等組成。

鉆井過程中，柴油發(fā)動機通過一系列傳動裝置，經傳動鏈條帶動

絞車和轉盤，轉盤驅動鉆具，實現鉆進。傳動鏈條的張緊程度可對應

于轉盤的扭矩，因此轉盤扭矩測量系統通過測量轉盤驅動鏈條的張緊

力，間接反應轉盤扭矩。將轉盤扭矩傳感器安裝在轉盤驅動鏈條緊邊

下面，傳感器上的惰輪頂起鏈條，形成一個夾角；當轉盤對鉆桿施加

扭矩時，鏈條對惰輪產生一個與轉盤扭矩成正比的向下壓力，此壓力

通過傳感器上的液壓系統產生一個壓強，該液壓信號驅動壓力變送

器，壓力變送器輸出的電流信號在總線模擬模塊盒內處理，再通過總

線電纜送入前臺鉆顯單元和后臺隊長辦公室單元。

對電動鉆機，轉盤扭矩測量系統由霍爾傳感器及電動轉盤扭矩指

示儀組成，霍爾傳感器卡在主電機電源線上，轉盤產生扭矩將反映電

機電流的改變，系統根據電機電流與扭矩的變化關系曲線計算出轉盤

扭矩的具體數值。由于其安裝只需卡在主電機電源線上，比較簡單，

因此以下說明針對機械式轉盤扭矩測量系統。

（2）安裝、調試與使用

鏈條箱在設計時已預留了轉盤扭矩傳感器的安裝位置和檢修窗

口?？梢院芊奖愕刂苯訉鞲衅靼惭b在其內。

圖3.1是轉盤扭矩傳感器在鉆機轉盤驅動鏈條箱內安裝情況。

圖3.1轉盤扭矩傳感器安裝示意圖

轉盤驅動鏈條箱改造完畢后，就可進行傳感器的安裝。具體步驟

如下：

1）螺栓把傳感器前后焊接底板固定在傳感器底座上；

2）將傳感器放在鏈條箱的底板上，使傳感器側面正對檢查窗口，

搖臂自由端朝向主動鏈輪；

3）認真調整傳感器的位置，使惰輪和主從動鏈輪三者的中心在

同一平面內，這時鏈條的兩排滾子應對稱地騎在惰輪的兩凸緣上（這

點十分重要，如果鏈條與惰輪未對齊，鏈條側板會切割惰輪凸緣，急

劇縮短惰輪的使用壽命）。然后用電焊將前后焊接底板點焊在箱體底

板上；

4）卸下傳感器上的四顆固定螺栓，將傳感器移開，用電焊將前

后焊接底板牢固地焊接在箱體底板上。

5）如有必要，再次校正傳感器與鏈條的相對位置，可用螺栓之

間的間隙和傳感器上的兩顆主軸固定螺栓對惰輪的位置進行少量的

調整；

6）擰緊傳感器底座上的四顆固定螺栓，將傳感器牢固地固定在

前后焊接底板上；

7）將已安裝好自封公接頭的液壓彎頭安裝在箱體M27X1.5的螺

孔（或中28的圓孔上），最后按系統圖連接液壓管線。

（3）轉盤扭矩測量系統的調校：

本測量系統的調校主要是傳感器和指示儀的調校。

傳感器的調校按如下步驟進行：

1）將系統按系統圖連接好；

2）提起轉盤驅動鏈條，使其不與傳感器惰輪接觸，此時指示儀

上的讀數應為“0”，然后放下鏈條使其與傳感器惰輪接觸。

3）將注油泵接頭與轉盤扭矩汕路充汕閥聯接，暫不要擰緊聯接螺母。

4）將液壓油倒入注油泵油杯，緩慢地推動注油泵活塞，直到注油

泵與充油閥聯接處無氣泡冒出時再將充油轉換接頭上的聯接螺母擰緊。

5）泵足夠的油進入系統，直到指示儀讀數為60?80。

注意:在充油過程中，注油泵油杯內的油平面高度應保持在一半

以上，以免空氣泵入系統中。

6）鎖上轉盤止動器，小心地合上轉盤離合器，使鏈條產生拉力，

在一個較大的拉力下，指示表讀數應在700?800的范圍內。如果讀

數偏低，應再泵更多的油進入系統，然后再拉鏈條進行試驗；如果讀

數偏高，可通過液壓管線上的自封接頭處放掉一些油，再拉鏈條進行

試驗，如此反復調試，直到指示儀讀數達到以上要求為止。

注意：如果反復調試均達不到以上要求，應重新檢查傳感器的安

裝定位尺寸和鏈條的松緊程度，通常可以用在傳感器底座上加減墊片

的辦法來校正。

調試完畢，從充油閥上卸下注油泵，戴上充油閥護帽。

（4）轉盤扭矩系統的使用：

在一般的鉆井作業(yè)中，本測量系統的最大用處是監(jiān)測鉆頭扭矩的

變化，及時向司鉆提示鉆頭的磨損和地層的變化等井下情況，從而避

免事故發(fā)生。當下鉆完畢，在不對鉆頭施加鉆壓的情況下，以正常鉆

井的轉速轉動鉆桿，轉盤扭矩指示儀指針會偏轉到某一位置，司鉆應

記下刻度盤讀數，然后施加鉆壓進行鉆進，這時指示儀上的指示值與

先前所記讀數之差就是鉆頭上的扭矩，指針在這附近擺動就表明鉆進

扭矩正常。

在此處必須特別說明，本測量系統指示儀讀數是轉盤扭矩的當量

值，其刻度值并不直接以N?m為單位。如要讀出真實扭矩值的大小,

必須借助其它測量儀器，如吊鉗扭矩儀對本測量系統指示儀進行標

定。但這種標定在一般的鉆井工程中，特別是打生產井中意義不大。

（5）轉盤扭矩系統易損件的更換及日常維護：

1）易損件的更換及傳感器的日常維護：

轉盤扭矩傳感器是安裝在鏈條箱內的，因此可以從鏈條潤滑系統

中得到充分的潤滑，但要經常檢查傳感器和鏈條是否對齊，特別是轉

盤因種種原因發(fā)生了位移后。如果惰輪輪緣磨損嚴重，凸緣表面剝落

而失圓，就需要更換惰輪。更換步驟如下：

①卸下轉盤扭矩傳感器搖臂上惰輪主軸端蓋螺釘（每邊各四顆）

和主軸固定螺釘（每邊各一顆）；

②從搖臂上卸下主軸端蓋，使惰輪從搖臂上落下來；

③「向傳感器汕缸內泵油，使搖臂抬高，惰輪便可從搖臂框架中

取出來;

④在新惰輪上裝上軸承、主軸和端蓋，并在軸承室內注滿鈣基潤

滑脂；

⑤將新惰輪放到傳感器搖臂之下，降低搖臂或抬高惰輪，重新裝

上惰輪主軸端蓋，擰緊端蓋螺釘；

⑥檢查惰輪與鏈條是否對齊，必要時按傳感器的安裝步驟②?⑤

所述方法進行調整，最后擰緊主軸螺釘；

⑦按本節(jié)所述步驟重新對傳感器進行調校。

2）指示儀的日常維護：

指示儀不需要特別的維護保養(yǎng)，僅需保持表面的清潔，以利觀察。

3）液壓管線的檢查維護：

用肉眼經常檢查管線接頭是否滲漏，對漏油的接頭如果通過擰緊

仍無效果，就應更換液壓軟管和接頭。

（6）總線模擬模塊盒的安裝可參見指重測量系統的相應部分。

3.立管壓力測量系統

（1）系統組成與工作原理

立管壓力測量系統由立管壓力傳感器、立管壓力變送器、總線模

擬模塊盒、連接管線和電纜等組成。

立管內的泥漿壓力通過傳感器中的膠杯作用在液壓油上，油壓傳

遞到立管壓力變送器上，壓力變送器輸出的電流信號在總線模擬模塊

盒內處理，再通過總線電纜送入前臺鉆顯單元和后臺隊長辦公室單

Ho

（2）安裝、調試與使用

1）傳感器的安裝：立管壓力傳感器的結構見圖4.1。

立管壓力傳感器應安裝在立管上離鉆臺平面約2米高，而且安

裝、拆卸都較為方便的地方，其方向應豎直向上。在傳感器與立管之

間應安裝一個高壓角式截止閥。為方便現場安裝，我廠成套儀表均配

備有高壓角式截止閥和焊接短節(jié)，安裝示意見圖4.2。

1.螺套2.翼形螺母3.單向四

4.缸體5.膠杯6.液壓管線

7.壓帽8.密封圈

圖4.1立管壓力傳感器圖4.2立管壓力傳感器安裝

具體安裝步驟：

①放空立管內的鉆井液，在確認無壓力之后，在立管上選定安

裝傳感器的地方用氣割槍割一個直徑50毫米的圓孔；

②正對圓孔水平地將焊接短節(jié)焊在立管上，必須保證焊縫的密

封和牢固；

③在高壓角式截止閥的兩圓錐螺紋上纏繞上聚四氟乙烯薄膜，

將高壓角式截止閥水平地擰緊在焊接短節(jié)上，要求閥中部的圓錐螺紋

垂直向上；

④卸下傳感器上的螺套，用管鉗將其牢固安裝在角式截止閥中

部的圓錐螺紋上；

⑤檢查傳感器內液壓油是否合適。當傳感器與顯示表臺連通后,

通過傳感器缸體底部的孔洞觀察膠杯。液壓油合適時，膠杯是癟的，

側壁剛好互相接觸。如果膠杯是圓的，則表示液壓油不足，應充油后

再安裝；

⑥傳感器翼形螺母螺紋涂上鉛油后，將缸體和翼形螺母安裝在

螺套上，用錘子敲緊翼形螺母，注意不要敲擊缸體及其上的部件。

傳感器安裝完畢后，按系統圖連好液壓軟管線。注意軟管線的走

向，避免彎得過急或繃得太緊，也不要被其它物體擠壓或切割。管線

連好后，應用尼龍扎帶在各處將其與井架或桁架固定。

2）調試：

系統充油：

當系統無油或缺油時，應對系統充油，具體操作步驟如下：

①傳感器移至顯示表臺附近，并將傳感器的液壓管線與顯示表臺

連接。

②傳感器缸體底部向上，將注油泵與充油閥連接（暫不擰緊聯結

螺母），將液壓油倒入注油泵油杯，緩慢地推動注油柱塞，直到注油

泵與充油閥連接處無氣泡冒出時一，立即將聯結螺母擰緊。

③顯示表油路排空氣時一，應先找到顯示表臺內導流板上與立管壓

力管線相對應的堵頭，并將堵頭松開，往復推動注油泵柱塞，直到堵

頭處無氣泡冒出時擰緊堵頭。

注意：在充汕的全過程中，注油泵汕杯內的油平面高度應保持在

一半以上，以免空氣泵入系統中。

④繼續(xù)往系統泵油，直到傳感器膠杯壓癟，側壁剛好相互接觸

立即停止泵油。

注意：絕對不要向系統過多充油.以免損壞膠杯。

⑤卸下注油泵，戴上充油閥護帽。

⑥將傳感器缸體安裝到螺套上，重新聯接和固定液壓軟管。

⑦顯示表調節(jié)：

顯示表出廠時一，已經調節(jié)準確。只有在顯示表經長期使用后，才

需要進行調?！，F場一般采用與高一級精度的儀表比對的方式進行。

方法如下：當系統處于工作狀態(tài)時，調節(jié)顯示表后面的調節(jié)螺桿，使

顯示表的指針讀數與泥漿泵處的壓力表的讀書相同即可。

如果調節(jié)顯示表后面的螺桿時，指針不動，則表明顯示表可能已

損壞，應更換新的顯示表，并按上面的調節(jié)方法進行調整。如顯示表

仍不能正常工作，則表明整個系統處于異常狀態(tài)，應請專業(yè)維修人員

進行維修和調整。

3）總線模入模塊盒的安裝可參見指重測量系統的相應部分。

4）儀器的維護與保養(yǎng)

①儀器在鉆機搬遷時，應關閉泥漿泵，將傳感器卸下，清洗膠杯

內的泥漿。

②經常檢查管線是否漏油。

③傳感器膠杯是易損件。更換時，應先關閉泥漿泵，用專用扳手

從傳感器中卸下壓蓋，取出舊膠杯，清洗缸體，然后把新膠杯裝入缸

體（不要劃傷膠杯），再裝上壓蓋，使壓蓋端面與缸體端面平齊。

5）故障原因及排除辦法

故障原因排除辦法

卸下傳感器上的母由壬，清洗膠杯，如

泥漿沉淀

顯示值過低發(fā)現膠杯破爛，應更換膠杯。

液體不足給傳感器補注液壓油，見圖2.7。

檢查電纜兩端插頭對應插針是否連通或

與其他插針短路；檢查總線模塊的兩個

總線電纜斷線或短路

CAN總線插座之間的對應插孔是否連通

或與其他插孔短路。

用萬用表檢測變送器工作電壓，應在

+20V?+25V之間，若超過此范圍應檢查

無顯示

壓力變送器工作電壓傳感器電纜及插座是否短路、斷路，或

不正常檢查模塊盒內的+24V端及系統電源模塊

的+24V輸出端（在前臺鉆顯單元箱體

中）。

壓力變送器感壓膜片

及時更換。

有明顯變形，已損壞

4.深度測量系統

(1)系統組成與工作原理

深度測量系統由深度傳感器、總線深度模塊盒和傳輸線組成。

滾筒式傳感器主要由光電編碼器組成，光電編碼器安裝在滾筒軸

上，當滾筒轉動時，光電編碼器將輸出兩組相位差為90。的電脈沖信

號，由微處理器進行采集。

(2)安裝、調試與使用

1)安裝

井深傳感器安裝在絞車軸導氣龍頭一端。多數鉆機導起龍頭處都

有一個螺紋直徑為G3/4"接頭，如圖5.1所示。井深傳感器兩端的

接頭尺寸分別為G3/4"外螺紋和G3/4"內螺紋。安裝時，只須將絞

車軸上G3/4"接頭卸下，將傳感器G3/4"外螺紋擰入絞車軸上

G3/4"內螺紋，然后將G3/4"接頭擰入傳感器上G3/4"內螺紋上,

傳感器即告安裝完畢。

圖5.1井深傳感器的安裝示意圖

2)總線深度模塊盒

①模塊應選擇好的安裝場所，便于維護和操作，同時應盡可能靠

近傳感器，并盡量避免強光直接照射和雨淋。選好安裝位置后，用模

塊上的C型鉗將其固定。

②總線模塊插座分布和插座引腳分布如圖5.2、5.3所示，將光

電編碼器電纜接至模塊的信號輸入插座，CAN總線插座與前后總線電

纜相連，若此模塊是最后一個節(jié)點，則將空閑的CAN總線插座的密封

蓋擰緊，保證模塊的密封性。

CAN總線插座信號輸入插座CAN總線插座

圖5.2總線模塊插座分布示意圖

1：GND地

2：

3：+V滾筒式傳感器電源

4：PBB相信號

5：PAA相信號

6?7：懸空

圖5.3信號輸入插座引腳示意圖

CAN總線插座引腳定義可參見指重測量系統的相應部分。

3）儀器的維護與保養(yǎng)

①經常檢查電纜是否損壞，各接頭是否松動。

②經常檢查轉動部件是否轉動靈活。

5.轉盤轉速和泵沖速測量系統

(1)系統組成與工作原理

轉盤轉速和泵沖速采用無接觸方式測量，系統由接近式感應開關、

總線泵沖轉速模塊盒和電纜等組成。

金屬物體在傳感器的感應面附近劃過，產生脈沖信號，通過電纜

送入總線泵沖轉速模塊盒，由后者處理、計算出當前泵沖速、轉盤轉

速，在司鉆臺和隊長辦公室顯示。

泵沖速測量系統的組成和工作原理與轉盤轉速測量系統相同。

(2)安裝、調試與使用

1)泵沖傳感器的安裝

泵沖次傳感器安裝示意見圖6.Io

8~12

圖6.1泵沖次傳感器安裝圖

泵沖傳感器要求安裝在泵的主動軸上，具體安裝在主動軸的哪一

邊要視不同的泥漿泵而定。軸上焊接或固定的感應凸塊長寬各為30

毫米，高度為40毫米。傳感器配有專用安裝支架，可以很方便地固

定在軸的護罩上。也可在泵體的適當位置焊一塊鋼板，然后將傳感器

支架夾緊在所焊的鋼板上即可。安裝時應注意：傳感器感應頭與泵軸

上所焊的凸塊必須對正！安裝好后，還應立即調整傳感器感應頭與凸

塊的距離，應控制在8~12毫米以內。當傳感器感應頭與凸塊對正時,

傳感器上的指示燈應發(fā)光，可以通過這一現象來判斷傳感器感應頭與

凸塊的距離是否調整好。以相同方法安裝第二個泵沖次傳感器。

各部件安裝好后，按系統連接圖進行電纜的敷設和連接，要求走

線符合井場規(guī)范，并在多處用尼龍扎帶固定，然后即可投入使用。

2）轉速傳感器的安裝

轉盤轉速傳感器應安裝在轉盤驅動電機和變速箱之后的轉盤輸

入軸上，其安裝方法與泵沖次傳感器的安裝方法相同。主要應考慮安

裝維修比較方便，具體位置要根據鉆機情況在現場確定。其安裝方法

與泵沖次傳感器的安裝方法相同。傳感器安裝好后，按系統連接圖敷

設和連接電纜，要求符合井場的規(guī)范，并在多處用尼龍扎帶將電纜線

固定，然后即可投入使用。

3）常見故障的處理：

①如果泵沖傳感器在正常狀態(tài)下使用，無信號輸出，首先檢查電

纜是否短路或斷路。

②確定電纜正常后，則測試傳感器的工作電壓。

③如工作電壓正常，可用金屬物體靠近傳感器的端面，檢查傳感

器有無輸出信號，用以判別傳感器是否損壞。

④如傳感器無損壞，應調整傳感器與被測物體之間距離在8~1

2毫米內。

⑤總線泵沖轉速模塊盒的安裝可參見指重測量系統的相應部分，

信號輸入插座引腳分布如圖6.2所示，CAN總線插座引腳分布和定義

與指重測量系統的相同。

1：+V+8.5—9.5V,傳感器電源

2：SIN信號

3：懸空

4：GND地

圖6.2信號輸入插座引腳示意圖

（3）儀器的維護與保養(yǎng)

1）儀器搬遷過程中，請關掉電源后，再從傳感器上卸下所有電

纜并擰上護帽。

2）電纜的鋪設，以不防礙井場工作人員的現場操作和不易被砸

碰、損壞且架設安全、可靠為原則。

3）經常檢查感應面與感應片的距離，避免因振動過松碰壞感應面。

4）經常檢查各接頭是否松動，電纜線是否破裂。

5）應注意不使金屬屑或帶有金屬屑的油污玷污感應面，以免造

成磁短路而造成傳感器誤動作。安裝點盡量避免陽光直射，以提高其

可靠性。

（4）故障原因及排除辦法

故障原因排除辦法

電纜線未連接好連接好電纜線，接通電源。

檢查電纜兩端插頭對應插針是否連通或與其

總線電纜斷線或他插針短路；檢查總線模塊的CAN兩個總線

短路插座之間的對應插孔是否連通或與其他插孔

短路。

用萬用表檢測傳感器工作電壓，應在+8.5V

無顯示

-+9.5V之間，若超過此范圍應檢查傳感器

傳感器工作電壓

電纜及插座是否短路、斷路，或檢查模塊盒

不正常

內的+V端及系統電源模塊的+24V輸出端（在

前臺鉆顯單元箱體中）。

感應面與感應片調整傳感器與感應片之間的距離在10mm以

的距離不合適內。

傳感器損壞及時更換。

6.泥漿回流測量系統

（1）鉆井液出口流量傳感器的安裝：

泥漿出口排量傳感器是一種靶式流量傳感器。主要由靶葉片、傳

動機構、旋轉電位器、平衡錘、調零機構等組成。構成見圖7.1。

圖7.1鉆井液出口流量傳感器

鉆井液出口流量傳感器在各型鉆機上的安裝基本相同，安裝位置

均在泥漿出口回流管上，但必須距鉆井液出口處2米以上且便于安裝

的地方，安裝步驟如下：

1）在選好的鉆井液出口管的正上方用氣割槍切割傳感器底座安

裝孔，切割尺寸見圖11;

2）將傳感器底座放在切口處對齊，然后用電焊焊接平整，不得

滲漏水；

3）根據鉆井液出口管的大小調整葉片的合適位置，使傳感器裝

好后，葉片距管底的距離約為20?50毫米；

4）根據管內泥漿回流量的大小，調整平衡錘在滑桿上的位置。

流量較大時，平衡錘向外調整。海量較小時，平衡錘向內調整?？傊?

要使葉片在正常回流量時，有一個合適的擺角，以確保流量變化時,

葉片前后有一個適當的擺動空間，以便及時反應回流量的變化。

圖2.16鉆井液出口回流管切割孔尺寸

5)轉動靶葉片，檢查傳感器各傳動部件是否靈活，如發(fā)現有卡

阻現象，應及時排除；

6)在底座上墊上膠墊后，將傳感器用螺栓固定在底座上，并按

系統連接圖將電纜與總線模擬節(jié)點的與對應插座相連。電纜的敷設應

符合井場規(guī)范，中間各處用尼龍扎帶固定。

(2)總線模擬模塊盒安裝可參見指重測量系統的相應部分。

(3)常見故障及排除：

如果流量傳感器在正常使用中，無信號輸出，應檢查電纜有無斷

線或短路。檢查流量傳感器的故障，可將傳感器從泥漿槽中取出，用

萬用表的電阻檔測量密封插頭的1、2腳應有470Q的阻值，1、2腳

或2,3腳的阻值在0?470Q隨擋板角度的改變有相應的變化。如

果不正常，可用相同規(guī)格的變阻器掉換原用的變阻器；如擋板有卡滯

現象，不改變角度，應拆開上部不銹鋼鋼罩，檢查內部機械部件，排

除機械傳動部分的故障后，在活動的機械部位加注潤滑汕。

7.泥漿罐體積測量系統

泥漿罐體積測量系統均采用無接觸測量方式。系統由超聲波液面

探測器、總線模擬模塊盒和傳輸電纜線等組成。

隨著泥漿罐內泥漿液面的變化，由超聲波液面探測器發(fā)出的脈沖

聲波，經液體表面反射折回，反射回波被同一探測器接收，探測器可

將脈沖發(fā)送和接收的時間差轉換成電信號，通過微處理器處理后顯示

并輸出電流信號，該信號在總線模擬模塊盒內處理，再通過總線電纜

送入前臺鉆顯單元和后臺隊長辦公室單元。

（1）安裝、調試與使用

1）泥漿罐體積傳感器的安裝

泥漿池體積傳感器是一個超聲波傳感器。選一個泥漿液面較平穩(wěn)

的位置，在泥漿罐頂面割一200nlm的圓孔，再固定傳感器安裝架，安

裝法蘭盤后，裝上超聲波傳感器，見圖2.17。

圖2.17泥漿罐體積傳感器安裝示意圖

2）總線模擬模塊盒安裝可參見指重測量系統的相應部分。

3）儀器的維護與保養(yǎng)

①儀器搬遷過程中，請關掉電源后，再從節(jié)點盒上卸下各傳感器

電纜插頭，擰上護帽，將電纜盤繞在傳感器上，然后從安裝架上卸下

整個傳感器，放到可靠位置；

②經常檢查各接頭是否松動，電纜線是否破裂。

③泥漿粘附于傳感器的端面時，應及時清洗，保證傳感器可靠地

運行。

4）故障原因及排除辦法

故障原因排除辦法

檢查電纜兩端插頭對應插針是否連通或與

總線電纜斷線或其他插針短路；檢查總線模塊的兩個CAN

短路總線插座之間的對應插孔是否連通或與其

他插孔短路。

無顯示用萬用表檢測傳感器工作電壓，應在+20V?

+25V之間，若超過此范圍應檢查傳感器電

超聲波傳感器工

纜及插座是否短路、斷路，或檢查模塊盒內

作電壓不正常

的+24V端及系統電源模塊的+24V輸出端

（在前臺鉆顯單元箱體中）。

傳感器損壞及時更換。

8.泥漿密度測量系統

（1）系統組成與工作原理

密度測量系統主要采用電容式/壓力、差壓原理監(jiān)測鉆井過程中，

出口泥漿和入口泥漿密度。它主要由密度傳感器、總線模擬模塊盒和

電纜線等組成。

工作原理：

介質產生的壓力通過隔離膜片和硅油傳遞給位于8室中心的測

量膜片，測量膜片是一個張緊的彈性元件，它隨兩邊的壓力差而產生

相對位移。測量膜片的位移與壓力差成正比，最大位移為0.1mm,由

它兩側的電容極板檢測，再由電子線路把測量膜片和電容極板之間的

差動電容轉換為二線制4?20mA的DC輸出信號，該信號由取樣電阻

轉換成電壓信號，供A/D轉換和CPU進行采集、處理、傳輸給總線。

理論公式如下：

△p=P,g,Ah

△p（單位:Pa）、g（重力加速度:9.8m/s2）＞Ah（單位:m）、

P為密度

原理框圖2.18所示:

—

一+24VCANH

密度(A/D+CPU)

傳感器4?20mA節(jié)點盒CANL

圖2.18密度檢測系統原理框圖總線

（2）安裝、調試與使用

1）密度傳感器

密度傳感器應安裝在泥漿出、入口處的泥漿罐內，傳感器總長約

2米，兩個測量膜片之間距離為0.6米，安裝時，應保證傳感器的垂

直性，防止兩個測量膜片觸碰其它堅硬物體而導致傳感器損壞。通電

預熱2小時后，傳感器輸出基本穩(wěn)定。

2）總線模擬模塊盒的安裝可參見指重測量系統的相應部分。

3）儀器的維護與保養(yǎng)

①安裝時請注意不要碰壞傳感器的測量膜片。

②在聯機測試和使用時，請檢查傳感器和節(jié)點盒的接線是否正

確，以免損壞儀器。

③經常檢查各接頭是否松動，電纜線是否破裂。

④傳感器從泥漿罐中取出時，應及時清洗，以免泥漿在測量膜片

上結垢而影響測量膜片的靈敏度。清洗測量膜片時應小心，以免損壞

膜片。

4）故障原因及排除辦法

故障現象原因排除辦法

導壓管堵塞或壓力容

清除導壓管或壓力容器室的雜質

器室有雜質

顯示值

傳感器電路故障更換電路板或返回廠家維修

過高

檢查總線模塊信號輸入插座的電源引腳，

總線模塊電源故障

正常電壓在+20?+25V之間。

變送器接線故障檢查變送器供電是否正常

顯示值

插座接觸不良檢查插座是否清潔，有無虛焊

不穩(wěn)定

變送器電路故障更換電路板或返回廠家維修

回路接線故障檢查供電是否正常，短路，極性正確否

導壓管或壓力容器室擰緊導壓管或壓力容器室各接頭，保證密

顯示值過低有泄露封可靠。

或無顯示

電氣連接故障清洗插座，檢查接插件。

變送器電路故障更換電路板或返回廠家維修

9.全煌含量和H2s含量檢測系統

(1)系統組成與工作原理

全烽含量檢測系統主要用于監(jiān)測鉆井過程中，鉆井液返回地面

時一，夾雜的可燃性氣體向空氣中擴散時濃度的變化，及時顯示、報警,

預防事故的發(fā)生。它主要由可燃氣體檢測探頭、總線模擬模塊盒和電

纜線等組成。

可燃氣體檢測探頭由兩種元件組成：一種為檢測元件；另一種為

補償元件。兩種元件都具有電熱效應，分別構成電橋的兩個橋臂，當

氣體接觸到傳感器時，檢測元件開始催化燃燒，補償元件保持不變，

因而電橋的橋臂電阻發(fā)生變化，產生一個失衡電壓，該電壓的大小與

可燃性氣體的濃度成正比，經電路的預處理變成4?20mA的電流輸

出，該電流信號送到全燒含量變送器節(jié)點進行A/D轉換，采集處理，

最后通過CAN總線送入前臺計算機控制單元處理、顯示、數據保存。

原理框圖2.19所示：

圖2.19全燃氣體檢測系統原理框圖總線

氣體傳感器在通電預熱2小時后，探頭輸出基本穩(wěn)定。

H2s含量檢測系統組成與全煌含量檢測系統組成類似，也是由氣

體檢測探頭、總線模入模塊盒和傳輸線組成。區(qū)別在于氣體檢測探頭

不同。H2s氣體檢測采用電化學氣體傳感器，它由膜電極和電解液灌

封而成，在一個塑料制成的筒狀池體內，安裝工作電極、測量電極和

參考電極，在電極之間充滿電解液，由多孔聚四氟乙烯做成的隔膜，

在頂部封裝。氣體濃度信號將電解液分解成陰陽帶電離子，導致電極

的平衡電位發(fā)生變化，變化值與氣體濃度成正比，通過電極將信號輸

出，前置放大器與傳感器電極連接，輸出4?20mA的電流信號，氣體

檢測探頭與節(jié)點之間采用兩線制連接，傳輸距離可達1000米。其它

與全煌氣體檢測方法相同。

由于傳感器需要極化時間，因此在傳感器通電8小時后，探頭輸

出基本穩(wěn)定。

（2）安裝、調試與使用

H2s含量檢測系統安裝與全烽含量檢測系統相同，下面以全煌含

量檢測系統安裝為例進行說明：

1）氣體檢測探頭

全燃氣體檢測器應安裝在泥漿出口管處附近1米范圍內，以保證

探頭反應的靈敏性。待安裝位置選定后，將氣體檢測器固定，應保證

探頭防護罩的圓柱面垂直指向地面。通電預熱2小時后，傳感器的輸

出基本穩(wěn)定。

2）總線模擬模塊盒安裝可參見指重測量系統的相應部分。

3）維護與保養(yǎng)

①安裝時請注意不要碰壞氣體檢測探頭。

②在聯機測試和使用前，請檢查探頭和節(jié)點盒的接線是否正確，

以免損壞儀器。

③經常檢查各接頭是否松動，電纜線是否破裂。

④探頭的防護罩和防塵網要定期進行清洗（請使用壓縮空氣吹

掃），否則，會造成防護孔堵塞而使探頭的靈敏度下降。

4）故障原因及排除辦法

故障現象原因排除辦法

接線錯誤重新接線

液晶無顯示

電路故障返回廠家維修或更換

傳感器接線故障檢查傳感器供電是否正常

顯示值

插座接觸不良檢查插座是否清潔，有無虛焊

不穩(wěn)定

傳感器電路故障更換電路板或返回廠家維修

標定錯誤重新標定

故障報警零點過低重新調零

傳感器失效返回廠家維修或更換

10.總線盒

（1）主要組成

根據處理信號的不同，共有A、B、C三類模塊，因此相應有三種

總線盒（也稱之為節(jié)點盒），A類總線盒主要處理4-20mA電流信號，

如懸重、立管壓力等，也稱為CAN模擬模塊盒；B類總線盒處理脈沖

信號，如轉盤轉速、泵沖速等，也稱為CAN泵沖模塊盒；C類總線盒

用于脈沖判向和脈沖計數，如游車位置、井深等，也稱為CAN深度模

塊盒。

A、B、C類總線盒均由一塊電路板、兩個總線插座，一個信號輸

入插座和總線盒等組成。

（2）各部分說明

1）電路板

①XS1為電路板上的信號輸入插座，總線盒上的信號輸入插座與

其相連。

②XS2為電路板上的總線輸入/輸出插座，與總線盒上的一個總

線插座相連。

2）總線節(jié)點地址選擇開關。

總線模入模塊盒中，8位撥碼開關D2的1-7位用來選擇節(jié)點地

址，可定義27=128個地址,具體定義如下:

D2.7D2.6D2.5D2.4D2.3D2.2D2.1

00H0000000

01H0000001

02H0000010

03H0000011

04H0000100

05H0000101

06H0000110

07H0000111

08H0001000

09H0001001

OAH0001010

OBH0001011

OCH0001100

ODH0001101

OEH0001110

OFH0001111

10H0010000

依次類推，可定義的地址范圍為OOH-7FH,共128個地址。

總線泵沖和總線深度模塊盒中8位撥碼開關SA1的1-5位用來選

擇節(jié)點地址，可定義25=32個地址，具體定義如下:

SA1.5SA1.4SA1.3SA1.2SAI.1

00H00000

01H00001

02H00010

03H00011

04H00100

05H00101

06H00110

07H00111

08H01000

09H01001

OAH01010

OBH01011

OCH01100

ODH01101

OEH01110

OFH01111

10H10000

依次類推，可定義的地址范圍為OOH-1FH,共32個地址。

以上三種總線模塊盒撥碼開關的0、1定義是相同的，定義如下:

撥碼開關鍵的位置數值定義

0N0

OFF1

3）指示燈

電路板上共有3個指示燈，分別為電源指示燈、總線發(fā)送指示燈、

總線接收指示燈，具體說明見下表:

名稱說明

HL1燈亮表示CPU電源正常

HL2燈亮表示正在發(fā)送

HL3燈亮表示正在接收

由于總線的發(fā)送器在頻繁發(fā)送的同時也通過頻繁接收來監(jiān)視總

線的狀態(tài)，所以在發(fā)送時發(fā)送指示燈和接收指示燈都會閃爍，在接收

時只有接收指示燈閃爍。

電路板的CPU電源是外接電源經DC/DC模塊轉換得到的，若電源

指示燈滅，可能的故障是DC/DC模塊損壞，需要更換。

4）插座

兩個總線插座-XS1和-XS2分別與上一總線盒和下一總線盒的總

線插座相連，若該節(jié)點是系統中的最后一個節(jié)點，則應將總線輸出插

座的密封蓋擰緊，保證總線盒的密封性。信號輸入插座XS3與變送器

信號輸出插座相連。

（3）儀器的維護與保養(yǎng)

儀器搬遷過程中，請卸下總線盒殼體上的電纜，擦拭干凈，并和

相應的傳感器單元放在一起。

（4）注意事項

1）請按總線盒上的標識連接信號輸入電纜和總線電纜?。。?；

2）請勿擅自打開、拆卸總線盒，發(fā)生故障時可先檢查各插座是

否松動或斷線，若不是以上原因，則應請專業(yè)人員檢查維修，以免擴

大故障；

3）總線盒中的撥碼開關位置在出廠前已設置好，請勿隨意撥動,

否則將導致總線故障，使儀器無法正常工作；

4）如用戶需要總線盒內的電路板或總線盒，請告知該總線模塊

測試的參數，以免總線盒類型不對或地址設置有誤影響整個系統?。?！

5）請勿帶電拆卸總線盒，在防爆場合應切斷電源再插拔插頭連

線。

參數節(jié)點地址分配表

節(jié)點地址設置

參數

附址87654321

懸重03HONONONONONONOFFOFF

立管壓力04HONONONONONOFFONON

轉盤扭矩06HONONONONONOFFOFFON

游車高度07HONONONONONOFFOFFOFF

轉盤轉速08HONONONONOFFONONON

1#泵沖速09HONONONONOFFONONOFF

2#泵沖速OAHONONONONOFFONOFFON

3#泵沖速OBHONONONONOFFONOFFOFF

泥漿回流OCHONONONONOFFOFFONON

H2s含量ODHONONONONOFFOFFONOFF

全燃含量OEHONONONONOFFOFFOFFON

1#泥漿罐OFHONONONONOFFOFFOFFOFF

2#泥漿罐10HONONONOFFONONONON

3#泥漿罐11HONONONOFFONONONOFF

4#泥漿罐12HONONONOFFONONOFFON

5#泥漿罐13HONONONOFFONONOFFOFF

6#泥漿罐14HONONONOFFONOFFONON

7#泥漿罐15HONONO.\OFFONOFFONOFF

8#泥漿罐16HONONONOFFONOFFOFFON

入口泥漿溫度17HONONOXOFFONOFFOFFOFF

入口泥漿密度18HONONOXOFFOFF0\ONON

出口泥漿溫度19HONONONOFFOFFONONOFF

出口泥漿密度1AHONON0\OFFOFF0\OFFON

大鉗扭