鉆井泵在線監(jiān)控系統(tǒng)研究

呂治忠 鐘功祥 林 寧 唐順東

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院1，四川 成都 610500;川慶鉆探安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢查研究院2，四川 德陽(yáng) 618300)

0 引言

目前，鉆井過程中鉆井泵的參數(shù)監(jiān)控僅有泵沖，缺乏對(duì)鉆井泵工作性能的了解。鉆井泵是石油鉆機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其主要作用是在高壓下向井底輸送高黏度、高密度和較高含沙量的液體，以便冷卻鉆頭，攜帶出巖屑，輔助鉆頭鉆進(jìn)，并可作為井底動(dòng)力鉆具的動(dòng)力液［1］。鉆井泵的工況復(fù)雜，環(huán)境惡劣，保養(yǎng)條件極差［2］，尤其液力端故障率高，檢修周期短。

鉆井泵在線監(jiān)控系統(tǒng)能對(duì)鉆井泵的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并計(jì)算出工作中的相關(guān)派生參數(shù)，及時(shí)預(yù)防和處理工作中可能出現(xiàn)的故障，提高鉆井泵工作的可靠性和安全性，保證鉆井過程的順利進(jìn)行。鉆井泵在線監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了就地和遠(yuǎn)程監(jiān)控的結(jié)合，大大提高了監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化程度，減少了工作量［3］。

1 鉆井泵監(jiān)控參數(shù)的確定

在工作過程中，鉆井泵的檢測(cè)參數(shù)較多，為保障現(xiàn)有鉆井泵監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝，經(jīng)分析后選擇了對(duì)鉆井泵工作影響較大、測(cè)試方便的重要參數(shù)。

通過對(duì)鉆井泵的結(jié)構(gòu)、工作情況及工作參數(shù)的研究，分析出主要的測(cè)試參數(shù)有:液力端出口壓力、流量，泵沖，動(dòng)力端主軸承溫度、滑油壓力、溫度，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓、電流等。派生的相關(guān)參數(shù)有:水功率、泵效率、泵閥工作情況、總實(shí)際效率、理論效率等。

1.1 出口流量測(cè)量

由于鉆井泵工作的壓力高，介質(zhì)成分復(fù)雜，在液相介質(zhì)中含有大量固體顆粒，因此出口流量測(cè)量采用的是多普勒超聲波流量計(jì)。該流量計(jì)能對(duì)液體、液固等二相流進(jìn)行檢測(cè)，并完全克服了溫度影響［4］，簡(jiǎn)化了流量傳感器的安裝。使用時(shí)只需要將超聲波探頭夾持在現(xiàn)有的鉆井泵出液口的高壓金屬上便能實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量。

1.2 出口壓力測(cè)量

鉆井泵的液力端出口壓力是鉆井泵工作的一個(gè)重要參數(shù)。該參數(shù)直接反映了泥漿輸送壓力的高低，是計(jì)算水功率、理論水功率、泵效等的必需參數(shù)。測(cè)量出口壓力采用的是抗震壓力變送器。

1.3 滑潤(rùn)油溫度壓力測(cè)量

潤(rùn)滑油的工作壓力和溫度是判斷動(dòng)力端軸承、齒輪工作情況的重要指標(biāo)之一。如果動(dòng)力端工作性能不好，將會(huì)引起潤(rùn)滑油溫度的上升速率增加;如果潤(rùn)滑系統(tǒng)管路堵塞，將會(huì)引起管路壓力上升;如果潤(rùn)滑油液位太低，潤(rùn)滑油工作壓力會(huì)降到零。測(cè)試時(shí)采用的是溫壓變送器，同時(shí)進(jìn)行溫度、壓力測(cè)試。

1.4 主軸承溫度測(cè)量

主軸承溫度是直接測(cè)量主軸承工作情況的重要參數(shù)。鉆井泵動(dòng)力端的主軸承受力如圖1所示。由圖1可以看出，軸承正下端受到的力最大，故該處溫升也是最快速的，該處的溫度變化情況直接反映了主軸承的工作情況。軸承溫度測(cè)量采用的是特殊訂制的溫度變送器。由于該處離軸承發(fā)熱處最近，因此其溫度近似與軸承底部溫度相同。

圖1 主軸承受力分析圖Fig.1 Main bearing force analysis

1.5 泵沖測(cè)量

泵沖測(cè)量采用周期測(cè)量的方法［5－6］，通過直接測(cè)量?jī)蓚€(gè)泵沖信號(hào)間的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算泵沖。該方法能準(zhǔn)確測(cè)量出泵沖，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，對(duì)鉆井泵相關(guān)派生參數(shù)的計(jì)算將更準(zhǔn)確，提高了對(duì)鉆井泵性能測(cè)試的實(shí)時(shí)性。泵沖測(cè)量采用的是接近開關(guān)。

1.6 電參數(shù)測(cè)量

電參數(shù)測(cè)量主要是測(cè)量電驅(qū)鉆井泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓、電流、功率因數(shù)等，主要測(cè)試鉆井泵工作時(shí)電驅(qū)系統(tǒng)的輸入功率，并計(jì)算出鉆井泵的總效率，從而分析得出電機(jī)與鉆井泵的匹配情況。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成

鉆井泵在線監(jiān)控系統(tǒng)的硬件主要由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、ZigBee傳輸模塊、單片機(jī)監(jiān)控器、感應(yīng)供電模塊及傳感器等組成，如圖2所示。

圖2 鉆井泵在線監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成Fig.2 Hardware composition of the drilling pump online monitoring system

2.1 傳感器的選擇

鉆井泵在工作過程中，由于機(jī)械振動(dòng)很強(qiáng)，所選擇的傳感器均是抗震強(qiáng)度高的防爆變送器，且傳感器采用小體積封裝，有效解決了強(qiáng)震狀態(tài)下傳感器損壞的問題。鉆井泵實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)采用的傳感器較多，測(cè)量的主要參數(shù)、傳感器類型及技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 傳感器技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Specifications of the sensor

2.2 感應(yīng)供電模塊

感應(yīng)供電模塊是利用安裝在鉆井泵旋轉(zhuǎn)軸上的磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電，在鉆井泵動(dòng)力端工作時(shí)，感應(yīng)供電模塊可給蓄電池充電及為在線監(jiān)控系統(tǒng)提供電源。當(dāng)鉆井泵停止工作、單片機(jī)監(jiān)控器檢測(cè)到泵停轉(zhuǎn)時(shí)，保存相關(guān)數(shù)據(jù)并自動(dòng)關(guān)閉系統(tǒng)。

2.3 單片機(jī)監(jiān)控器

本文選用STM32單片機(jī)對(duì)單片機(jī)監(jiān)控器進(jìn)行設(shè)計(jì)。該監(jiān)控器可以保證對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試參數(shù)的精確、高速采樣。同時(shí)，顯示采用2組4位“8”字LED數(shù)碼管，分別對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)參數(shù)和計(jì)算的派生參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)輪流顯示。

2.4 ZigBee模塊

系統(tǒng)配置有ZigBee模塊。該模塊供單片機(jī)監(jiān)控器將檢測(cè)到的參數(shù)、計(jì)算的派生參數(shù)、報(bào)警情況直接傳輸?shù)奖O(jiān)控室的計(jì)算機(jī)上。監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)接收現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)，也可以修改監(jiān)控器的相關(guān)參數(shù)及消除報(bào)警信息等。

2.5 監(jiān)控計(jì)算機(jī)

監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過ZigBee模塊與鉆井泵監(jiān)控器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 鉆井泵在線監(jiān)控上位機(jī)軟件

3.1 軟件組成

軟件采用Visual Studio Basic 6.0開發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)使用Microsoft Access。軟件通過串行通信口讀取鉆井泵實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和派生數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控器的全部數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上。監(jiān)控軟件模塊組成框圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)控軟件模塊組成Fig.3 The monitoring software modules composition

上位機(jī)監(jiān)控軟件重要模塊的功能具體介紹如下。

①通信模塊:主要通過串行口上連接的ZigBee模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)與鉆井泵實(shí)時(shí)監(jiān)控器的直接通信，其流程圖如圖4所示。

圖4 串行通信流程圖Fig.4 Flowchart of serial communication

②設(shè)備診斷模塊:故障診斷包括硬件系統(tǒng)在測(cè)試中的串口通信和傳感器故障，以及監(jiān)控器故障的自動(dòng)診斷功能。

軟件模塊中，由于各模塊功能相差較大，軟件流程圖也相差較大，因此，須根據(jù)模塊功能設(shè)計(jì)相應(yīng)程序流程。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)需要進(jìn)行功能程序調(diào)用即可［5－6］。

3.2 軟件界面

計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件界面較多，主要有監(jiān)控主界面、報(bào)警界面、鉆井泵故障預(yù)診斷界面等。監(jiān)控主界面主要是以現(xiàn)場(chǎng)鉆井泵工作流程圖形式顯示，并在其測(cè)試位置顯示實(shí)時(shí)值。報(bào)警界面主要是在異常時(shí)給出紅色提醒信息，提醒用戶對(duì)相關(guān)測(cè)試部位進(jìn)行檢查，如主軸承溫度超限、泵壓超限等。鉆井泵故障預(yù)診斷界面主要是根據(jù)鉆井泵工作中各參數(shù)的檢測(cè)值，對(duì)綜合分析得出的鉆井泵工作中的可能發(fā)生的一些故障進(jìn)行預(yù)診斷，如軸承溫升斜率超過正常斜率時(shí)，可能是軸承磨損嚴(yán)重。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過寶雞石油機(jī)械股份有限公司(成都)的鉆井泵出廠試壓臺(tái)測(cè)試以及四川鉆井公司一鉆井泵的試用，鉆井泵在線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)量出鉆井泵工作中的各種參數(shù)，計(jì)算后得到的派生參數(shù)同鉆井泵實(shí)際工作參數(shù)相符。該系統(tǒng)無(wú)線通信傳送距離遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)通信良好，達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)就地監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控的目標(biāo)。鉆井泵在線監(jiān)控系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、工作性能穩(wěn)定、功能完善、人機(jī)界面友好，滿足鉆井泵的現(xiàn)代化管理及智能化需求。該系統(tǒng)不僅提供了鉆井泵工作中各參數(shù)的監(jiān)控，還實(shí)現(xiàn)了鉆井泵工作中故障的前期預(yù)診斷，為研究鉆井泵結(jié)構(gòu)改進(jìn)及的故障診斷提供了有利條件，為鉆井生產(chǎn)的安全提供了保障。

［1］周明高，李相方，隋秀香，等.鉆井泵工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)新方法［J］.中國(guó)海上油氣(工程)，2002(10):25－27.

［2］張明洪，張萬(wàn)福，孟坤六，等.鉆井泵性能參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，1994(4):8－13.

［3］李峰飛，蔣國(guó)盛，張?chǎng)纹?，?泥漿泵參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究［J］.礦山機(jī)械，2008(23):78－81.

［4］邵無(wú)興.超聲多普勒流量積算器［J］.浙江絲綢工學(xué)院學(xué)報(bào)，1991(6):46－49.

［5］呂治忠，朱克軍，鐘功祥.鉆井泵沖數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量方法研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2010，29(24):77 －79.

［6］蔡科濤，周強(qiáng)，任建.基于ZigBee的鉆井泵實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2011(9):167.