指重表滑輪系統(tǒng)和死繩固定器對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響及校準(zhǔn)方法研究

陸鳳俠?。ù髴c油田技術(shù)監(jiān)督中心）

?

指重表滑輪系統(tǒng)和死繩固定器對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響及校準(zhǔn)方法研究

陸鳳俠（大慶油田技術(shù)監(jiān)督中心）

指重表是指在石油鉆、修井過程中，用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆具重量和鉆壓的裝置?，F(xiàn)行的校準(zhǔn)方法SY/T 7075—2016《石油鉆修井指重表校準(zhǔn)方法》規(guī)定了實(shí)驗(yàn)室關(guān)于死繩傳感器和重量指示儀的校準(zhǔn)方法。然而，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉆具重量和鉆壓的測(cè)量過程中，整個(gè)懸吊系統(tǒng)的滑輪和死繩固定器的機(jī)械性能會(huì)使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。針對(duì)這個(gè)問題，分析了指重表系統(tǒng)中可能產(chǎn)生誤差的因素和影響，并研制了液壓測(cè)力接頭和使用張力傳感器對(duì)滑輪系統(tǒng)和死繩固定器進(jìn)行校準(zhǔn)，并制定了相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法。

指重表；鉆具重力；死繩張力；現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)

1　概述

指重表［1］是指在鉆、修井施工中，用來測(cè)量鉆具重量和鉆壓的裝置，目的是用來幫助司鉆隨時(shí)掌握鉆具在井下工作狀況，通過鉆具重量和鉆壓的變化，分析鉆具在井下是否有卡阻或脫壓現(xiàn)象，以保證施工安全和工程質(zhì)量。根據(jù)測(cè)量對(duì)象，指重表系統(tǒng)的組成應(yīng)包括滑輪系統(tǒng)（天車和游車）、死繩固定器、液壓傳感器和顯示記錄裝置4個(gè)部分，每個(gè)部分的工作狀態(tài)都直接影響到指重表測(cè)量的準(zhǔn)確性。SY/T 7075—2016《石油鉆修井指重表校準(zhǔn)方法》規(guī)定了液壓傳感器和顯示記錄儀的校準(zhǔn)方法，而忽略了滑輪系統(tǒng)和死繩固定器的影響，在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，滑輪系統(tǒng)的摩擦阻力有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，尤其是在過度磨損和在冬季潤滑不好的情況下誤差更為明顯；死繩固定器也可能在處理過幾次卡鉆事故后，由于過大的拉力而產(chǎn)生變形，或由于保養(yǎng)不及時(shí)造成輪軸生銹，至使死繩固定器力比與出廠設(shè)計(jì)不同，從而導(dǎo)致了較大的測(cè)量誤差。為了保證指重表的測(cè)量結(jié)果能夠正確地指導(dǎo)鉆井施工、鉆井安全和鉆井質(zhì)量，定期對(duì)滑輪系統(tǒng)和死繩固定器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)是十分必要的。

2　測(cè)量原理及誤差分析

2.1測(cè)量原理

指重表的測(cè)量原理是鉆具重量通過滑輪組轉(zhuǎn)換為死繩拉力，死繩拉力通過死繩固定器后，按力臂長(zhǎng)度與繩輪直徑的比值（力臂比）轉(zhuǎn)換為液壓傳感器的拉力，液壓傳感器將拉力轉(zhuǎn)換成液體壓力后，通過傳壓管線傳送到指重顯示記錄儀使彈簧管發(fā)生變形，再通過放大機(jī)構(gòu)將彈簧管的變形量轉(zhuǎn)換為指針的偏轉(zhuǎn)角度，以力的形式在刻度盤上顯示出來。

2.2誤差分析

2.2.1滑輪系統(tǒng)誤差

滑輪系統(tǒng)的誤差主要來源于定滑輪（天車滑輪）的摩擦阻力?；喪芰κ疽鈭D如圖1所示。

圖1　滑輪受力示意圖

假設(shè)天車所有滑輪的摩擦阻力合力為ΔF，則存在以下力的平衡關(guān)系：

式中：Fsu——起升時(shí)死繩拉力，kN；

Fsd——下放時(shí)死繩拉力，kN；

W——大鉤懸重，kN；

n——游車滑輪繩數(shù)。

從式（1）和式（2）可以看出，所有的滑輪阻力，最終都疊加到死繩上，顯示在指重表上，這個(gè)阻力會(huì)放大。如果足夠大，指重表的示值就會(huì)表現(xiàn)出起升時(shí)懸重減少，而下放時(shí)懸重增加的反?，F(xiàn)象。這種現(xiàn)象如果出現(xiàn)在處理井下復(fù)雜工況或取芯、定向操作中，很容易導(dǎo)致操作人員誤判，而影響到井下安全和施工質(zhì)量。

2.2.2死繩固定器誤差

死繩固定器誤差產(chǎn)生的原因有以下幾個(gè)方面：

1）一些陳舊的鉆機(jī)，死繩固定器上的標(biāo)識(shí)脫落，在更換死繩固定器或指重表時(shí)與原鉆機(jī)設(shè)計(jì)型號(hào)不符。

2）處理過嚴(yán)重卡鉆事故，死繩固定器因超載發(fā)生變形，繩輪不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，造成死繩拉力不能完全傳遞到液壓傳感器。

3）死繩固定器使用時(shí)間較長(zhǎng)及缺泛潤滑保養(yǎng)，輪軸嚴(yán)重磨損，繩輪運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活。

3　校準(zhǔn)方法

3.1滑輪摩擦阻力的校準(zhǔn)方法

從理論上講，在懸重相同的情況下，我們只要測(cè)出鉆具下放和起升時(shí)，死繩拉力的差值，便可計(jì)算出滑輪的阻力：

由于鉆具與井筒之間的摩擦阻力存在，起升和下放時(shí)懸重是不同的，因此，在測(cè)量死繩拉力時(shí)，需要保持井下鉆具是靜止的。為此設(shè)計(jì)了液壓測(cè)力接頭，液壓測(cè)力接頭如圖2所示。

液壓測(cè)力接頭的作用是通過接頭內(nèi)的液體壓力來判斷所測(cè)量的上行死繩拉力和下行死繩拉力所對(duì)應(yīng)的真實(shí)懸重是否相同。因?yàn)椋谙嗤后w壓力下，接頭所承受的拉力即真實(shí)懸重也必然是相同的。

測(cè)量方法：將鉆具座卡，在下部鉆具與方鉆桿之間安裝液壓測(cè)力接頭，通過標(biāo)準(zhǔn)壓力表來測(cè)量該接頭的輸出壓力。測(cè)量開始前先將鉆具提離吊卡或卡瓦，此時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)壓力表的示值記為Pmax，然后在示值為0至Pmax之間，確立1個(gè)或多個(gè)測(cè)點(diǎn)。然后從標(biāo)準(zhǔn)壓力表示值為0開始，緩慢起升鉆具至壓力達(dá)到各個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)測(cè)量死繩張力Fsu。達(dá)到最后1個(gè)測(cè)點(diǎn)后，在保持鉆具不動(dòng)的狀態(tài)下繼續(xù)上提一段小的距離，然后，下放鉆具至壓力到達(dá)各個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)測(cè)量死繩張力Fsd。死繩拉力可利用旁壓式鋼絲繩張力測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量。

圖2　液壓測(cè)力接頭示意圖

測(cè)量原理：鋼絲繩穿過傳感器卡槽，通過中間U型卡固定，當(dāng)鋼絲繩受拉后產(chǎn)生的張力作用在導(dǎo)向輪上，導(dǎo)向輪內(nèi)部的應(yīng)力感應(yīng)片將張力信號(hào)傳送至數(shù)字顯示儀，如圖3所示。

圖3　張力傳感器結(jié)構(gòu)原理

數(shù)字顯示儀利用拉力與張力幾何關(guān)系，將張力轉(zhuǎn)換為拉力顯示到屏幕。

3.2死繩固定器力比校準(zhǔn)

死繩固定器力比，即死繩拉力與液壓傳感器所受拉力的比值。

傳感器拉力可通過測(cè)量液壓傳感器的輸出壓力，利用下式計(jì)算得出：式中：Fc——傳感器拉力，MPa；

p——傳感器輸出壓力，kN；

fp——傳感器壓力轉(zhuǎn)換系數(shù)，由傳感器型號(hào)而定，kN/MPa。

死繩固定器力比計(jì)算方法：由于在安裝張力傳感器時(shí)，死繩無法完全放松，初始拉力又無法確定，所以在計(jì)算力比時(shí)，不能直接使用傳感器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，可以使用兩點(diǎn)差值來計(jì)算。計(jì)算公式：

式中：k——死繩固定器力比，無量綱；

Δp——兩個(gè)測(cè)點(diǎn)間傳感器輸出壓力的差值，MPa；

ΔFs——兩個(gè)測(cè)點(diǎn)間死繩拉力的差值，

kN。

3.3校準(zhǔn)情況

1）校準(zhǔn)時(shí)井下應(yīng)保留盡量多的鉆具，最好選擇在完鉆循環(huán)時(shí)進(jìn)行。

2）為排除環(huán)境振動(dòng)和鉆井液循環(huán)壓力波動(dòng)的干擾，校準(zhǔn)時(shí)應(yīng)停止鉆井液循環(huán)。

3）校準(zhǔn)結(jié)果以校準(zhǔn)結(jié)果通知書的形式提交給用戶。

4）死繩固定器的力比如果與出廠設(shè)計(jì)不符，按如下方法處理：如果屬于指重顯示儀與死繩固定器型號(hào)不匹配，更換匹配的指重顯示儀；如果屬于傳感器變形或轉(zhuǎn)動(dòng)不靈，建議用戶更換或維修死繩固定器。

4　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2016年3月，因鉆井隊(duì)反應(yīng)指重表不準(zhǔn)，鉆具上提時(shí)懸重減少，而在下放時(shí)懸重反而增加，借此機(jī)會(huì)在該隊(duì)進(jìn)行了指重表現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法的試驗(yàn)。試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：井深2600m，懸重1350 kN，JZ250型指重表（2400 kN），JZ250型傳感器 （6 MPa），JZG24型死繩固定器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

1）試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該隊(duì)的天車滑輪阻力為3.5 kN，由此產(chǎn)生的測(cè)量誤差為35 kN，測(cè)量時(shí)懸為1200 kN，誤差達(dá)到了2.9%，超出精度等級(jí)約2倍。使用的是5組滑輪，每組滑輪的平均阻力達(dá)到0.7 kN，相當(dāng)于用70 kg的力才可以轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)滑輪，實(shí)際檢查天車的結(jié)果，也是如此，一個(gè)人轉(zhuǎn)動(dòng)滑輪非常吃力。

2）死繩固定器力比的檢測(cè)結(jié)果，符合死繩固定器的實(shí)際情況，繩輪潤滑良好。

表1　指重表現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5　結(jié)論

1）滑輪組的摩擦阻力以繩數(shù)的倍數(shù)被放大，且每個(gè)滑輪的阻力最后都疊加到死繩拉力上，因而，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響是很大的，有必要對(duì)滑輪系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

2）應(yīng)用液壓測(cè)力接頭和旁壓式鋼絲繩張力測(cè)試儀進(jìn)行指重表現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的方法，解決了實(shí)驗(yàn)室無法校準(zhǔn)滑輪系統(tǒng)和死繩固定器的問題，是對(duì)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)方法的補(bǔ)充和完善。試驗(yàn)證明，校準(zhǔn)方法是有效的，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)指重表的校準(zhǔn)具有很好的指導(dǎo)意義。

［1］石油工業(yè)專業(yè)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).石油鉆井指重表檢定規(guī)程：JJG（石油）03—1999［S］.北京：中國計(jì)量出版社，1999：3-5.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.023

2016-07-15

（編輯賈洪來）

陸鳳俠，工程師，2004年畢業(yè)于清華大學(xué)（經(jīng)濟(jì)學(xué)專業(yè)），從事計(jì)量管理工作，E-mail：lufeng_xia@sina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市讓胡路區(qū)西賓路552號(hào)大慶油田技術(shù)監(jiān)督中心，163455。