指重表现场校准方法研究

陈剑，闫庆武，张灵聪中国石油大庆油田有限责任公司计量检定测试所（黑龙江　大庆　163455）



指重表现场校准方法研究

陈剑，闫庆武，张灵聪
中国石油大庆油田有限责任公司计量检定测试所（黑龙江大庆163455）

指重表主要用于石油地质勘探中各种钻机修井机作业过程中，是指示并记录钻具悬重和钻压变化的一种仪器。现有检测方式只能进行实验室检测，存在拆卸搬运不便的问题。针对此现状，提出了指重表现场校准的实现方法及步骤，试验证明采用该方法能够实现现场校准，方便快捷，提高了效率、降低了工作强度。同时，阐述了张力传感器的标定方法及应用过程中应注意的问题。

指重表；张力传感器；现场校准

1　指重表原理及检测现状

指重表又称大钩悬重测量仪，可以使司钻人员掌握钻机在钻井或修井作业中的工作参数，从而判断钻具的工作状态，为避免事故的发生和优化参数提供有力帮助。指重表通常由死绳固定器、传感器、指示仪和记录仪四部分组成。死绳固定器将钻机的死绳拉力通过传感器转换成液体压力信号，传递给重力指示仪，迫使弹簧管自由端产生位移，经过放大机构带动指针，直接在表盘上指示出悬重及钻压值[1]。另一路压力信号通过金属软管传递到记录弹簧管，其位移经联动机构，用记录笔在记录纸上做出钻压与悬重的变化曲线。

根据石油行业规范JJG（石油）03-1999《石油钻井指重表检定规程》的要求[2]，现阶段指重表的检定先进行外观检查，确定零部件及刻度是否缺失、清晰。然后测试死绳拉力和死绳固定器拉力比（放松死绳后使用数字测力计进行检测），再将死绳端传感器及显示二次仪表拆卸。实验室分别检测，包括基本误差检定、灵敏度检定、轻敲变动量检定、回程误差检定和密封性能等方面的检测。

由于井场环境恶劣，该方法不仅存在拆卸及搬运不便、影响现场作业安全等问题，而且由于多组件拆装也会影响到指重表准确度等级，进而影响检测结果的准确性及可靠性。国内部分专业人士也提出使用标准器分别对一次仪表和二次仪表进行现场检测，即对仪表施加标准力源，再与仪表显示值进行对比分析，从而实现在线校准指重表。但此方法在实际操作方面存在一定弊端：大载荷标准力源携带、安装不便；检测时需要钻机停止运行影响钻（修）井作业进度等。因此急需提出一套行之有效的现场在线检测方案，在尽量减小对现场工作影响的前提下，实现检测的同步性、安全性、准确性及便捷性。

2　现场检测技术的可行性分析及方法选择

2.1吊具端检测法

通过死绳与滑轮组连接，对吊具上负载产生的力进行测量。在吊具下方串接电子吊秤，电子吊秤上的载荷传感器通过无线传输，将信号传送到接收装置上，指重表系统的数据显示端可以安装一个摄像头，通过软件控制实时记录指重表系统的检测数据。吊具端检测法如图1所示。

图1　吊具端检测法示意图

这种检测方法不需要对游车作业系统做任何改动，解决了拆卸指重表部件可能遇到的安全问题和准确度问题，同时简单易行、便于操作，可以在工作过程中同步检测。电子吊秤量程可达120t，相当于1 176kN，准确度等级可以达到国际OIMLⅢ级标准，换算成最大允许误差为0.075%，可进行信号无线传输[3]。吊具端检测法虽然简单方便，但必须在作业车开始作业后才能检测；其次吊具端检测法仅仅是将电子吊秤和指重表显示系统进行比对；同时，现场的恶劣条件对于标准仪器来说是一个考验，所以推荐在每年使用吊具端检测法现场检测外，还可以在作业车开始作业前，使用检衡车对作业车的指重表统一进行一次检测，保证现场施工的安全。

本方法测量准确度高，但由于现场环境限制、标准器本身体积及重量较大，在电子吊秤的运输和安装上存在一定问题，与之相配合的衡车检测法也使检测过程复杂化。

2.2形变测量法

在死绳上固定一个旁压式张力传感器，当修井车井架进行负载时，钢丝绳受力发生形变，导致张力传感器产生信号，信号通过数据线传送至接收装置，将装置显示的数据与指重表的数据进行比对，即可实现在线检测[4]。形变测量法如图2所示。

旁压式张力传感器专用于测量钢丝绳的张力，钢丝绳通过U形螺栓固定在传感器上，当钢丝绳受拉力时，力通过导向轮作用在传感器上。张力传感器一般分为晶体张力传感器和应变电阻传感器两种。前者是利用晶体各向异性、非晶体各向同性的特点，某些晶体介质，沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到张力或压力的时候，某些晶体可能产生电效应，这就是所谓的极化效应。后者是应变电阻受外力作用阻值发生变化，用应变电阻组成一个电桥，通过电桥的配比实现外力和电阻的线性变化，此乃目前张力传感器使用非常普遍的一种，也是旁压式张力传感器的工作理论。

旁压式张力传感器具有安装方便、操作简单、维修容易、互换性好、使用便捷等特点，但测量精度易受多方面因素影响，准确度不易控制。

图2　形变测量法示意图

综上所述，现拟选用旁压式张力传感器对指重表进行现场在线校准，需要分析传感器检测不同直径钢丝绳所得结论之间的相互联系。

3　现场检测方法分析及关键问题的解决方案

3.1现场检测方法

利用旁压式张力传感器对指重表现场校准，主要分2个步骤。

首先根据调研确定现场使用的钢丝绳规格，主要有直径22mm和26mm两种规格。制作两种不同规格的钢丝绳吊具，利用万能材料试验机拉紧吊具模拟现场载荷情况，对传感器在两种规格钢丝绳吊具受载荷的情况下记录试验数据，通过对试验数据计算拟合获得换算公式，完成标定工作[5]。

然后使用标定好的张力传感器对现场指重表检测，记录显示值，通过换算公式获得标准载荷值，再与被检表示值比较，得到检测结果。

3.2关键问题的解决方案

1）根据现场情况设计加工直径22mm和26mm两种钢丝绳吊具，模拟现场受力情况。通过定制限位紧固螺栓，固定传感器受力角度，提高传感器稳定性。

2）通过进行模拟受力试验，对不同直径钢丝绳下传感器数据进行重复采集，通过数据分析拟合获得对应计算公式，实现现场直接测量。部分模拟试验数据见表1。

将模拟试验中传感器的显示值与试验机标准值进行数据拟合后得到相应的换算公式，通过公式能够将传感器的显示值转换为实际对应的载荷值，公式（1）如下：

式中：y为传感器显示值所对应的实际力值，kN; x为传感器显示值，kN。

再将每一组的试验数据换算成标准数据，计算引用误差。引用误差见表2。

表1　22mm吊具传感器标定数据

表2　引用误差

传感器实际载荷数据经计算得到的引用误差均不超过1%，确定为1.0级。

4　现场检测效果

对2.0级指重表进行现场检测试验，检测结果见表3。

5　结束语

利用旁压式张力传感器对指重表进行现场校准方法研究，对计量仪表在线检测进行了新的尝试。在线检测技术的应用具有很高的实用价值，是计量仪表检测的发展方向，应不断完善以上校准方法，进一步提高旁压式张力传感器的准校准质量。

表3　现场试验数据

[1]陈世超，田小泉，朱可加.石油钻井指重表检定装置的研制[J].中国测试技术, 2008, 33(6):130-132.

[2]石油工业计量专业标准化技术委员会.石油钻井指重表检定规程:JJG（石油）03-1999[S].北京:石油工业出版社，2001.

[3]刘颖琪，苗彦清.钻井指重表在线检测方法[J].技术监督纵横, 2000（5）：4.

[4]张蔚，姚文斌.钢丝绳张力传感器标定试验台的研制[J].农机化研究，2004 (5):148-150.

[5]潘忠元.整体吊钩秤传感器的设计[J].衡器，2006，35(5):18-19.

The weight indicator is mainly used in various drilling rigs, workover rigs, and it is an instrument for indicating and recording the variation of drill string weight and drill pressure. The calibration of the weight indicator using existing calibration methods can only finished out in laboratory, but the handlingand removingof the weight indicator is inconvenient. For this reason, afield calibration meth⁃od of weight indicator and its steps are put forward. The test proved that the method can realize the field calibration of the weight indica⁃tor, fast and convenient, and it improves the efficiency and reduces work intensity. At the same time, the calibration method of the ten⁃sion sensor is introduced and the problems that should be paid attention to in the application process of it are presented.

weighy indicator; tension sensor; field calibration

陈剑（1979-），男，工程师，现从事计量管理工作。

本文编辑：左学敏2015-12-10