专利名称：井涌井漏监测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及石油、天然气钻井工程。应用于钻井工程中井涌井漏异常情况的监测。
钻井工程中井喷、井漏往往会造成巨大的经济损失，预防和控制井喷是钻井工程历来十分重视的问题。预防井喷的关键在于能否及时地发现溢流或井漏情况，为实施井控技术提供准确的信息。
当前国内已经在这一技术领域内生产和推广应用了几种类型的报警仪器。可归纳为以下几种1.测量钻井液的进、出口密度。2.测量钻井液的进、出口温度。3.测量钻井液的电导率。4.气测法。5.测量钻井液的进、出口流量。6.测量钻井液的总体积。采用以上方法或其中几种方法组合的仪器，存在的共同缺陷是只能应用于钻井的某一环节，不能对全部钻井过程(钻进、起钻、下钻三部分)进行连续监测，而且测量滞后较大，对指导生产和井控的实用价值受到影响。
其中采用上述第6种类型设计的仪器有美国BAROID公司的CADT综合录井仪，美国TOTCO公司的VISULOGGER录井仪、法国GEOSERVIES公司的TOC综合录井仪、四川石油管理局的BJQ－B泥浆报警器、中原油田的泥浆液面监测仪，这些仪器对井涌、井漏反应比较灵敏，在油气侵入和随钻井液上升过程中就能做出反应，所以在国内外使用较为普通。然而这种仪器只能对钻进过程进行监测，应用范围小。同时与这种仪器配套使用的液位传感器多为电位器式，受钻井液腐蚀、液面波动及浮子粘结泥饼的影响严重，从而使仪器的可靠性和使用寿命下降。配套使用的传感器也有采用电阻——干簧管式的效果比较好，但由于传感器自身结构存在分辨率低、变差大和底部测量盲区大等缺点，使仪器的精度受到了限制。
本实用新型是基于体积测量和体积比较而设计的一种适用于全部钻井过程(钻进、停钻、电测、起钻、下钻等过程)，能够连续监测井涌、井漏异常情况，并能提供溢流量、溢流速度、漏失量、漏失速度等井控参数的仪器。其为一种适合安装于钻井液循环系统内的井涌井漏监测仪。本实用新型具有较高的测量精度，能够满足当前钻井工艺推荐的溢流或漏失钻井液3立方米为井涌井漏的测量精度要求。其目的在于克服现有测量仪器只能在钻井液循环时，即钻进过程中进行监测及测量精度低的缺陷。
本实用新型包括磁干簧管式液位传感器、立柱传感器和由单板机、滤波器、放大器、整形电路组成的信号处理系统及档位开关、报警器、显示器、打印机构成。
图1.井涌井漏监测仪前面板图图2.井涌井漏监测仪后面板图图3.井涌井漏监测仪方框图图4.磁干簧管式液位传感器图5.浮球结构图图6.测量杆结构图图7.立柱传感器结构图图8.滤波器电路图9.放大器电路及整形电路
图10.报警器电路
图11.档位开关电路
图12.放大器、整形电路的滞环效果图
以下结合附图详细说明。如
图1，前面板上设有开关K1、K2、K3、K4，井涌、井漏光报警灯L1、L2，显示器10(LED)，键盘11及复位键J。如图2，后面板上设有扬声器Y、风扇14、风扇开关K5，液位传感器插孔1、2、3、4及立柱传感器电缆插孔5，打印机电缆引出口15，电源线、保险16。如图3，液位传感器1为磁干簧管式与滤波器2和模／数转换板3相接并与单板机4连通。立柱传感器5、放大器6和整形电路7相接并与单板机4的CTC接口连通。单板机4的PIO接口分别与档位开关8、报警器9连接。单板机4还分别连接显示器10、键盘11及与扩展板12相接的打印机13。
液位传感器1为多路，安装在钻机循环系统每个钻井液池内。磁干簧管式液位传感器1将液池内的液位高度转换成0～5V的电压信号，分别由屏蔽缆线送至滤波器2，由滤波器2消除各种干扰信号，尤其是池内液面波动带来的影响，获得稳定的直流电压信号。模／数转换板3定时将各路模拟电压信号转换成数字信号送入单板机4内存。立柱传感器5安装于死绳固定器上，依液压系统的压力变化测量起钻或下钻的立柱数，每从井筒中起出或向内下入一根立柱，该传感器发出一个脉冲信号，由屏蔽电缆线输送到放大器6，放大后的脉冲信号经整形电路7获得能为单板机4CTC接口接收的TTL脉冲信号。单板机4在接收到立柱传感器5的信号和采集到各路液位传感器1的液位信号后，对数据进行处理。如遇到异常情况，即溢流或漏失量超过了设置的报警限，单板机4通过PIO接口驱动报警器9发出声、光报警。为了便于观察和资料储存，主要数据送显示器10进行连续显示，处理的有关数据经扩展板12输送至打印机13打印记录。通过键盘11可以输入和调整报警限、打印时间等参数。
如图4，测量杆A上套装有浮球B，测量杆A上端连接接线盒C，下端连接定位器D。如图5，浮球B内中心轴线上设有浮球导管16，浮球导管16的周围沿轴线均布6 12条磁条17，构成组合磁环。磁力线方向与浮球导管16的轴线垂直，组合磁环的侧壁及两端包围有铁磁质材料制成的多边形及平面的磁屏蔽15。磁屏蔽15的外面至浮球壳18间填充发泡塑料19并被发泡塑料19固定。浮球外壳18与浮球导管16相接处密封。如图6，测量杆A的外护套23内设有线路板保护套25，顶部有密封胶层27，底部有盖24。线路板保护套25内有线路板31，其上设有信号线28、地线29、电源线30。信号线28与电源线30之间跨接干簧管32，每个干簧管32之间距离相等L＝5～15毫米。信号线28的上端串接保护电阻26。电源线30上跨接的每个干簧管32之间分别串接阻值相同的分压电阻21，电源线30下端的电阻为补偿电阻22，最下端处与地线29连接。信号线28、地线29、电源线30分别通过上端的密封胶层27引出至接线盒C。
浮球B内磁条17为对称均布于浮球导管16的周围，由于磁屏蔽15紧贴于磁条17的每个面(除靠浮球导管16的面外)，使各个磁条17的磁力线偏离或折向法线而进入S极，把磁场强度屏蔽起来。由磁屏蔽15构成的套在组合磁环外的多边形罩及上下平面的面板把余下的磁力线再进行一次屏蔽，使组合磁环中心区域的磁场强度最强且分布均匀。浮球B内填充的发泡塑料19固定组合磁环和调节浮球B的密度。浮球外壳18及外护套23由耐腐蚀的、较高强度的非导磁性的材料(如不锈钢材料或塑料)制成，其表面圆整光滑，以避免液体侵入或粘结在表面上。测量杆A内串联在电源线30下端的补偿电阻22的阻值与分压电阻21不同，由测量盲区的大小决定(即浮球B在液体中的浮面与浮球导管16下端面间的距离)，可消除实际应用中浮球B内组合磁环到浮球导管16底面的这一段不能测到的区域，使实测体积与实际体积的一致性更加接近。
如图7，压力传感器35的一端通过电缆连接电缆接头40，另一端通过大小接头36与三通37的F端连接，三通37的E、G端分别连接快速接头39、打油接头38。快速接头39连接在钻机死绳固定器的打油接头上、液压系统的压力信号便可通过快速接头39、三通37、大小接头36传递到压力传感器35，压力传感器35将液压信号线性地转换成电信号，通过电缆及电缆接头40输到放大整形电路。三通37的G端及打油接头38为液压油注入孔，可为立柱传感器5打入液压油做为传递压力的媒介，也可为钻机液压系统补充压油。
如图8，滤波器2的电路。由电阻R1、R2、和电容C1、C2组成二阶低通滤波电路和高输入阻抗集成运算放大器A组成的跟随器，输出端接有电容C3。因钻井现场为保证钻井液性能，在各池内容装了大功率搅拌机，池内液面波动较大，周期较长，成为液位信号的主要干扰源。采用高输入阻抗直流无衰减低通滤波器对输入信号滤波，可使液位信号稳定。针对钻井液池内液面波动较大的特点，设置的滤波器2采用截止频率很低，RC时间常数在2～4秒的直流无衰减低通滤波电路。该电路主要用来消除电磁干扰和液池内液面波动产生的影响，使输出信号平滑稳定。图9为放大器电路及整形电路，虚框内为放大器6的电路。由集成运算放大器A1、A2、A3和电阻R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9组成，A1、A2构成前置一级放大电路并分别串联电阻R7、R9连通二级放大电路A3，A3的输出端与比较器A4的‘－’端连接。整形电路7由比较器A4和电阻R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、RW，电容C4、及二极管D1、与非门T组成，电阻RW、R13与R14、R17组成分压电路，其分压作为比较器的门限电压，加在比较器A4的‘＋’端，调整电阻RW可改变比较器的门限电压。电阻R17可将比较器输出端的输出电压反馈至比较器的‘＋’端，使比较器A4的门限电压随比较器A4的翻转而改变，在比较器A4的输出电压和输入电压之间形成差值为△V的滞环(
图12)，电阻R17阻值越大，差值△V越大，在起钻或下钻过程中可消除液压系统压力信号波动引起比较器A4的误翻转。合理调整比较器A4的门限电压十分重要，尤其在起钻的最后阶段和下钻的最初阶段，钻具重量较轻，比较器A4的门限电压设置太高可能造成比较器A4不翻转；门限电压设置太低可能受起下钻遇阻等特殊情况的影响，出现多次翻转产生误差。为此在比较器A4电路部分引入滞环，使比较器A4由低到高翻转的门限电压较高，由高到低翻转的门限电压较低，使比较器A4的输出不受输入信号波动的影响。比较器A4输出端的电压经电阻R15、R16、R17分压送TTL与非门T并输出与CTC接口兼容的脉冲信号，单板机4接收到该信号做进一步处理。为满足钻进和起、下钻过程的监测条件，通过立柱传感器5、放大器6、整形电路7和信号处理系统能够自动累计起、下钻的立柱总体积。由于正常起、下钻情况下每起出或下入一根立柱指重表液压信号就上下波动一次，通过测量大钩负荷的变化量，将压力信号转换成电信号，设置适当的门限电压，经放大和整形可得到脉冲信号，然后经单板机4采用性线处理实现立柱和立柱体积的累加，从而获得起、下钻的立柱总体积。通过起、下钻对井筒内钻具体积的变化量计算出钻井液的正常变量、变化时间及变化速度。若钻井液的变化量超过正常变量为正值时表示发生井涌，其超常值为溢流量。若钻井液的变化量低于正常变量为负值时表示发生井漏，其亏值为漏失量。相应的变化速度即为溢流速度、或漏失速度。正常钻进进尺所需增加的钻井液由补灌池补灌，钻井液池内的补灌量即为钻井液的变化量。
如
图10，PB0、PB1为单板机4PIO接口芯片B口的输出线，分别控制井涌、井漏的声、光报警。井涌光报警电路由二极管D2、电阻R18、三极管BG1、BG2、电阻R20、灯L1组成。井漏光报警电路由二极管D3、电阻R19、二极管BG3、BG4、电阻R21、灯L2组成。井涌井漏声报警电路由时基电路NE555连接电阻R26、R27、R28、R29、R30、R31、R32和三极管BG5、BG6、BG7、二极管D5、电容C5、C6、C7和扬声器Y组成。井涌、井漏光报警电路分别通过二极管D4、D5与井涌、井漏声报警PB0、PB1相接。正常情况下PB0、PB1为低电位；发生井涌时PB0成高电位，BG1、BG2导通L1亮、BG5、BG6导通，R27为BG7提供偏置电压，BG7导通，A点为高电位，时基电路NE555振荡，输出信号驱动扬声器，产生声报警。发生井漏时PB1成高电位，BG3、BG4导通L2亮；同时BG5、BG6、BG7导通，时基电路NE555振荡，输出信号，产生声报警。当PB0、PB1均为低电位时，BG5、BG6截止BG7无偏置电压也处于截止状态，在电阻R31＋R32》R30条件下，A点电位很低，受二极管D6的限制B点电位也较低，振荡电路不能起振。
图11档位开关电路由K1、K2及其控制电路组成。三波段开关1的三档可连接光电耦合器GD1和电阻R33、R34，GD2和R35、R36，GD3和R37、R38构成的光电隔离电路，并连通PIO接口的PB2、PB3、PB4。每个档位的信号送PIO的接口PB2、PB3、和PB4，根据这三档位中的任一位的信号，显示器10可将上述信号连续显示，为工程提供所需的参数。K2为三档互锁琴键开关，控制分别由光电耦合器GD4和电阻R39、R40及GD5和R41、R42，GD6和R43、R44构成的光电隔离电路，并连通PB5、PB6、PB7接口的三条通路，根据所设置的三个档位，仪器可对施工的三种状态(钻进、起钻、下钻)的某一种的液量、液位变化所采集和接收到的信号(数据)进行分析处理。通过K1、K2实现多参数连续显示和三种状态的监测。光电耦合器GD1～GD6隔离和消除外界干扰对仪器的影响，每路信号经光电隔离后输送到PIO的接口PB2 PB7。
综上所述，井涌井漏监测仪，包括显示器、键盘、扩展板、打印机，其特征在于本实用新型由磁干簧管式液位传感器1、立柱传感器5、档位开关8、报警器9和信号处理系统组成。其中信号处理系统由滤波器2、模／数转换板3、放大器6、整形电路7、单板机4组成。信号处理系统的滤波器2连接模／数转换板3再连通单板机4、放大器6连接整形电路7再连通单板机4的PIO接口；报警器9、档位开关8与单板机4的PIO接口相接；显示器10、键盘11、及与扩展板12相接的打印机13分别与单板机4相接。磁干簧管式液位传感器1为多路并通过电缆与信号处理系统的滤波器2相接，立柱传感器5通过电缆接头40与信号处理系统的放大器6相接，所述的磁干簧管式液位传感器1的浮球导管16周围沿轴线均布6～12条磁条17，构成组合磁环，磁力线方向与浮球导管16的轴线垂直，组合磁环的侧壁及两端包围有铁磁质材料制成的多边形及平面的磁屏蔽15，其外面至浮球壳18间填充发泡塑料19并被发泡塑料19固定，浮球外壳18与浮球导管16相接处密封，测量杆A内电源线30下端的电阻为补偿电阻22，所述的立柱传感器5由压力传器35的一端通过电缆连接电缆接头40，另一端通过大小接头36与三通37的F端连接，三通37的E、G端分别连接快速接头39、打油接头38。快速接头39连接在钻机死绳固定器的打油接头上，所述的放大器6的电路由集成运算放大器和电阻组成，A1、A2构成前置一级放大电路并分别串联电阻R7、R9连通二级放大电路的集成运算放大器A3，放大器6通过电阻R12与整形电路7的比较器A4的‘－’端相接，整形电路7由比较器A4和电阻、电容、二极管、与非门T组成，其中R11＋RW和R12构成分压电路与A4的‘＋’端相接，比较器A4的输出端与电阻R15、R16、R17构成的分压电路及与非门T相接，所述的报警器9电路的PB0、PB1为单板机4PIO接口芯片B口的输出线，光报警电路的二极管、电阻串联电路一端与其相接，另一端与三极管BG1的基极相接，电阻与报警灯L的串联电路与三极管BG1、BG2的集电极相接，声报警电路的二极管、电阻串联电路一端分别与PB0、PB1相接，另一端与三极管BG5的基极相接，三极管BG5、BG6的集电极与电阻、三极管BG7组成的偏置电路相接，偏置电路的三极管BG7的集电极与电阻、电容、二极管、时基电路NE555构成的振荡电路及扬声器Y相接，所述的档位开关K1、K2各自分别与三组光电耦合器及电阻构成的光电隔离电路相接，继而与单板机4的PIO接口一一对应。
实施例使用本实用新型在于采用对钻进(包括停钻、电测)、起钻、下钻等钻井过程分别监测，从而实现对全部钻井过程中任何环节发生的井涌、井漏异常情况的及时报警。
根据钻井工艺的特点，在钻进、停钻、电测过程中，循环系统钻井液池内的钻井液总体积应稳定不变(排除补充钻井液和加药品的影响)，受进尺增加和钻井液失水的影响，池内的钻井液总体积会有所减少，但速度非常缓慢。当油气侵入井筒时，返出井口的钻井液量增加，池内的钻井液总体积突然增多，依此可断定井底发生了井涌，钻井液总体积的增量即为溢流量；当井底发生漏失时，返出井口的钻井液量减少，池内的钻井液总体积也随之突然下降，依此可断定井底发生了井漏，钻井液总体积的减少量即为漏失量。池内钻井液总体积的变化量准确、及时地反映了井底的涌漏异常情况。所以，钻井过程中监测钻井液总体积的变化量可达到监测井涌井漏的目的。
钻井施工时，将磁干簧管式液位传感器1悬置于钻井液槽箱内；将立柱传感器5连接在钻机死绳固定器的打油接头上；并将上述传感器的信号输出端通过电缆线与信号处理系统相接，信号处理系统再分别与档位开关8、报警器9、显示器10、键盘11及打印机13等相接。钻井液量的变化通过浮球B随液面升降而上下浮动，吸合测量杆A对应高度上的干簧管，使信号线与该点接通，将该点的电阻分压通过信号线输出。在信号处理系统为输入阻抗较高的条件下，传感器的输出信号和液位高度值是线性比例关系。磁干簧管式液位传感器1输出的液位信号经滤波器2、模／数转换板3输至单板机4。立柱传感器5通过死绳将钻机液压系统的变化，经放大器6及整形电路7、与非门T输出与单板机4、CTC接口兼容的脉冲信号，上述信号经单板机4处理后通过显示器10连续显示，或经扩展板12由打印机13打印。键盘11控制可调整、输入报警限。档位开关8的开关K1、K2分别根据所设置的三个档位对不同的施工状态进行信号采集和监测。前面板上的K3为声报警停止开关，K4为井涌井漏监测仪电源总开关。
权利要求1.井涌井漏监测仪，包括显示器、键盘、扩展板、打印机，其特征在于本实用新型由磁干簧管式液位传感器1、立柱传感器5、档位开关8、报警器9和信号处理系统组成，其中信号处理系统由滤波器2、模/数转换板3、放大器6、整形电路7、单板机4组成，信号处理系统的滤波器2连接模/数转换板3再连通单板机4，放大器6连接整形电路7再连通单板机4的PIO接口，报警器9、档位开关8与单板机4的PIO接口相接，显示器10、键盘11及与扩展板12相接的打印机13分别与单板机4相接，磁干簧管式液位传感器1为多路并通过通过电缆与信号处理系统的滤波器2相接，立柱传感器5通过电缆接头40与信号处理系统的放大器6相接，所述的磁干簧管式液位传感器1的浮球导管16周围沿轴线均布6～12条磁条17，构成组合磁环，磁力线方向与浮球导管16的轴线垂直，组合磁环的侧壁及两端包围有铁磁质材料制成的多边形及平面的磁屏蔽15，其外面至浮球壳18间填充发泡塑料19并被发泡塑料19固定，浮球外壳18与浮球导管16相接处密封，测量杆A内电源线30下端的电阻为补偿电阻22，所述的立柱传感器5由压力传感器35的一端通过电缆连接电缆接头40，另一端通过大小接头36与三通37的F端连接，三通37的E、G端分别连接快速接头39、打油接头38，所述的放大器6的电路由集成运算放大器和电阻组成，A1、A2构成前置一级放大电路并分别串联电阻R7、R9连通二级放大电路的集成运算放大器A3，放大器6通过电阻R12与整形电路7的比较器A4的‘-’端相接，整形电路7由比较器A4和电阻、电容、二极管、与非门T组成，其中R11+RW和R12构成分压电路与A4的‘+’端相接，比较器A4的输出端与电阻R15、R16、R17构成的分压电路及与非门T相接，所述的报警器9电路的PB0、PB1为单板机4PIO接口芯片B口的输出线，光报警电路的二极管、电阻串联电路一端与其相接，另一端与三极管BG1的基极相接，电阻与报警灯L的串联电路与三极管BG1、BG2的集电极相接，声报警电路的二极管、电阻串联电路一端分别与PB0、PB1相接，另一端与三极管BG5的基极相接，三极管BG5、BG6的集电极与电阻、三极管BG7组成的偏置电路相接，偏置电路的三极管BG7的集电极与电阻、电容、二极管、时基电路NE555构成的振荡电路及扬声器Y相接，所述的档位开关8的K1、K2各自分别与三组光电耦合器及电阻构成的光电隔离电路相接，继而与单板机4的PIO接口一一对应。
2.根据权利要求1所述的井涌井漏监测仪，其特征在于磁干簧管式液位传感器1的测量杆A内每相邻的干簧管32之间等距L＝5～15毫米。
3.根据权利要求1所述的井涌井漏监测仪，其特征在于磁干簧管式液位传感器1的浮球外壳18及测量杆A外护套23由不锈钢或塑料材料制成。
4.根据权利要求1所述的井涌井漏监测仪，其特征在于滤波器2电路为RC时间常数24秒的低通滤波电路。
专利摘要一种应用于石油、天然气钻井工程的井涌井漏监测仪，其主要由磁干簧管式液位传感器、立柱传感器、信号处理系统及报警器、挡位开关、显示器、打字机等组成。可对钻井施工的不同状态钻进(包括停钻、电测)、起钻、下钻等过程分别监测，从而实现对全部钻井过程中发生的井涌、井漏异常情况进行监测并能及时报警，能够随时提供溢流量、溢流速度或漏失量、漏失速度等重要的井控参数。
文档编号E21B21/08GK2055532SQ89208768
公开日1990年4月4日 申请日期1989年6月27日 优先权日1989年6月27日
发明者何强, 邢志友, 李莘 申请人:中原石油勘探局钻井工艺研究所