一种新型钻井泵参数记录仪的研制

李海营

(中石化胜利油田黄河钻井总公司，山东 东营 257513)

一种新型钻井泵参数记录仪的研制

李海营

(中石化胜利油田黄河钻井总公司，山东 东营 257513)

为了解决钻井过程要求定量控制泥浆泵的排量，但目前的钻井参数记录仪表不能定量完成泥浆替换和起下钻定量灌注泥浆的问题，研制了一种新型钻井泵参数记录仪。记录仪采用单片机控制泥浆泵排量，软件程序采用C语言。实际应用表明：该记录仪简单可靠，费用低廉，尤其在机械类钻机行业应用前景广阔。

参数记录仪 泥浆泵 钻井 定量灌注 单片机 C语言

在石油和天然气钻进、完井过程中，泥浆排量的控制一直是钻井技术的重要参数。但是目前钻井队配置的钻井多参数记录仪只能显示泥浆泵的瞬时排量和总排量，不能显示和报警一段时间内的泥浆排量，给钻井起下钻补充定量泥浆和固井时替换泥浆带来困难。井队技术人员只能根据泥浆泵每分钟的泵冲数，然后再乘以时间计算替换泥浆体积，这种人工计算方式精度低且累计误差大。为此，胜利油田黄河钻井总公司研制了一种新型钻井泥浆泵参数记录仪，来解决钻井过程中定量控制泥浆泵排量的问题。

1 设计原理分析①

由于泥浆泵的动力端为曲柄连杆机构，所以泥浆排量不是均匀的，而是呈sinω形式变化的；再由于泥浆泵吸入阀和排出阀一般不能及时关闭，泵阀、活塞和其他密封件有高压液体泄漏，泵缸或液体中含有气体，以及泥浆稠度不同等，导致吸入度不同，实际的计算和设计中均按照平均流量计算。泥浆泵排量Q的计算式为：

Q=ηISπD2/4

(1)

2 仪表硬件结构

钻井泵参数记录仪由主机和传感器两部分组成。主机由操作按钮和液晶显示屏组成，可在室内安装，用于设置并查看钻井泵的当前工作状态；传感器为两个电感式接近开关，分别安装于两台钻井泵上，用于检测当前钻井泵的泵冲信号。

2.1单片机核心电路

钻井泵参数记录仪采用16位超低功耗单片机MSP430F247TPM作为核心处理芯片，温度-40～105℃，价格3.4美元；MSP430F247 16位超低功耗微控制器具有32KByte闪存、4KByte RAM、12位ADC、两个USCI和HW乘法器，具有功耗低、处理速度快及抗干扰性强等特点。

2.2实时时钟电路

仪表的实时时钟电路采用PCF8563时钟芯片，该芯片采用I2C总线与主控制器进行通信，总线最大速度可达400kHz；同时为该芯片配备一个3V钮扣电池，当主机断电时，可由钮扣电池为时钟芯片提供电源，使它继续准确计时。由于该芯片功耗极低，所以钮扣电池在主机断电后仍可至少工作两年。

2.3报警电路

钻井泵参数记录仪设有3个报警继电器，分别为K801、K802和K803，并且均为干接点形式输出。U831为液晶显示屏电源控制继电器，当液晶屏出现故障时用于液晶屏的重新上电启动。

上述4路继电器的驱动均采用ULN2003A控制芯片，该控制芯片内含续流二极管，可以有效抑制因继电器动作、复位等引发的瞬态干扰，从而提高系统的可靠性；采用ULN2003A芯片代替分立元件进行驱动，不但使元件数量减少，也节省了焊接加工成本减少了故障点。

2.4外部快速数据存储电路

为了使钻井泵参数记录仪在断电并重新上电时，能够准确还原它在断电瞬间的工作状态，需要实时记录钻井泵的当前工作状态，这就对外部存储器的存储速度和擦写寿命提出了较高的要求。为了解决以上问题，笔者采用铁电存储器代替E2ROM存储器进行各类钻井泵工作状态参数的存储。

2.5传感器硬件采样电路

传感器硬件采样电路(图1)外接NPN型电感式接近开关，24V(DC)供电，经快速光耦隔离后可将当前接近开关的状态送往单片机检测引脚。当外部接近开关无信号输出时，其信号线呈高电平状态，此时D501二极管截止，快速光耦U501输入端发光管灭，其输出端感光三极管截止，第6脚VO输出高电平到单片机检测引脚；相反，当外部接近开关有信号输出时，U501的第6脚输出低电平到电片机检测引脚。

图1 传感器硬件采集电路

3 程序设计

钻井泵参数记录仪的软件编程采用C语言，程序结构采用顺序结构，算法以1号泵的瞬时泵冲为关键因子，瞬时排量采用乘法(式(1))和浮点运算计算，累计排量采用累加瞬时排量计算。瞬时泵冲算法采用中断方式接收传感器脉冲信号，当检测到接近开关动作信号时，启用1μs的时钟定时器；当接近开关复位后又检测到新的动作信号时暂停该定时器，并计算两次动作间的时长，这个时间便是泵冲一次的时间，根据此时间即可计算出瞬时泵冲(图2)。

计算瞬时泵冲时间的程序如下：

void Pump_1(void)

{ unsigned long Temp;

P2IFG &=～BIT0;//手动清除中断标志

P2IES^=BIT0;

Pump_1_Info.H_L_Flag=Pump1_DI_Value();//获取当前接近开关状态,1=>高电平,0=>低电平

图2 钻井泵参数记录仪的程序流程

if(Pump_1_Info.H_L_Count==0)//检测到开机后第1个脉冲的高电平信号

{ if(Pump_1_Info.H_L_Flag==1)//如果检测到高电平,则开始检测脉冲宽度

{Pump_1_Info.H_Start_Time=TBR;//记录高电平发生时间,TBR单位μs

Pump_1_Info.H_L_Count=1;//已经检测到第1个高电平信号

Pump_1_Info.OverFlow_Time_Count=0;//超时溢出计数器清0,该变量值为当前超时ms数

Pump_1_Info.L_Start_Time=0;//低电平发生时间清0

Pump_1_Info.L_Stop_Time=0;} }//低电平停止时间清0

else} //如果当前已经检测到有效的高电平,则检测低电平发生时间

4 应用

新型钻井泵参数记录仪的操作面板由8寸彩色显示屏、5个功能按钮、一个电源开关按钮和一个声光报警器组成；在设备的下方设有4个航空插头，分别用于外接220V(AC)电源、泵1传感器、泵2传感器主报警输出。

当系统未启动统计功能时，此时间显示“2000.00.00 00:00:00”，此时1、2号泵工作状态将正常显示，泥浆排量预警功能、历史记录保存功能失效。如果此时按下“清除/设定”按钮，1、2号泵的工作状态信息清0，当前排量值清0，统计时间自动设置为当前时间，启动泥浆排量预警功能、历史记录保存功能，进入统计功能状态。

当出现泥浆报警后，按下确认键予以消警，使报警继电器和声光报警器复位。

当系统正处于统计功能状态，且要保存当前记录时，按下“清除/设定”按钮，该条记录将被保存，同时将1号泵、2号泵、当前排量和统计时间参数清零，开始重新显示。

目前该套装置已经被胜利工程公司黄河钻井内部的6支钻井队使用。在钻井过程中，起下钻需要定量灌注泥浆，通过参数设定需要灌注泥浆量，有效防止了井下地层压力不均衡而导致的井漏、井涌等复杂的井下事故；在固井过程中定量注入水泥替代井下泥浆，精准确定水泥量的返高位置，通过此套装置能精确方便的固水泥，有效保证了固井的质量。图3为该记录仪在胜利工程公司40570和40666队运行时的在线监测结果，检测两台泥浆泵的累计泵冲数、瞬时泵冲数及时段内的累计排量等，并自动保存当前的工作信息，方便日后的查询统计。

图3 新型钻井泵参数记录仪的在线监测结果

5 结束语

新型钻井泵参数记录仪设计简单，制造成本低廉，费用仅两千元左右。相比传统的钻井泵参数记录仪表，能够准确显示和报警一段时间内的泥浆排量，给钻井起下钻补充定量泥浆和固井时替换泥浆带来有效控制，方便准确完成钻井泥浆泵入出控制。胜利油田黄河钻井总公司钻井队使用该套设备前在东辛地区的固井合格率为96%，使用该套设备后固井合格率达到了99%，有效地提高了固井质量。

TH89

B

1000-3932(2016)10-1116-03

2016-06-27(修改稿)