專利名稱：智能指重表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于油田鉆井自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域。
目前油田使用的懸重、鉆壓測(cè)量?jī)x表是機(jī)械式指重表。其工作原理為先由傳感器將懸重變化轉(zhuǎn)換為液壓變化，再用彈簧管(波登管)測(cè)量液壓并帶動(dòng)表頭指針及機(jī)械筆進(jìn)行懸重指示和記錄。該表靈敏度低，指示及記錄精度低，判讀誤差大，尤其是在夜間或光線暗時(shí)無法看清指示，也無法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，且功能單一，可靠性和可維護(hù)性差，體積大而笨重，無法適應(yīng)油田鉆井現(xiàn)代化的要求。
本發(fā)明采用現(xiàn)代電子技術(shù)，在生產(chǎn)成本相當(dāng)?shù)那闆r下，有效地解決了上述問題。該發(fā)明檢測(cè)靈敏度與精度高，顯示清晰直觀，無判讀誤差，尤其在夜間十分醒目，亦可方便地實(shí)現(xiàn)鉆井?dāng)?shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。該發(fā)明功能強(qiáng)，除具備原機(jī)械指重表之功能外，尚能顯示遇阻遇卡值、根據(jù)懸重變化計(jì)算時(shí)效參數(shù)、懸重變化量突然超過某個(gè)范圍時(shí)報(bào)警等功能。由于系統(tǒng)采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，處理數(shù)據(jù)十分靈活，可方便地進(jìn)行功能擴(kuò)展。而且該系統(tǒng)可靠性高，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，易于安裝及維修。
說明書附圖中，給出了系統(tǒng)的組成和信號(hào)處理流程。其中，附

圖1是系統(tǒng)原理框圖。
附圖2是中央處理/控制單元電路原理框圖。
附圖3是中央處理/控制單元軟件流程圖。
附圖4是驅(qū)動(dòng)顯示部分電路原理框圖。
附圖5是通訊適配器發(fā)送部分電路原理圖。
附圖6是通訊適配器接收部分電路原理圖。
附圖7是記錄儀軟件流程圖。
本系統(tǒng)由傳感器(或稱一次表)、前置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、中央處理/控制單元、譯碼驅(qū)動(dòng)器、懸重鉆壓顯示器、通訊適配器、記錄儀、D/A轉(zhuǎn)換器、比較驅(qū)動(dòng)器、趨勢(shì)顯示器及電源共十二部分組成，見附圖1。
由電阻應(yīng)變式拉力傳感器敏感鉆具懸重，轉(zhuǎn)換成橋路輸出電壓，經(jīng)前置放大器放大，又經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，量化后的信號(hào)由中央處理控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并由此獲得懸重、鉆壓、懸重變化趨勢(shì)等信息。然后分三路供給不同的終端進(jìn)行顯示和記錄其一經(jīng)譯碼驅(qū)動(dòng)后，將中央處理/控制單元已獲得的懸重和鉆壓值分別以四位和三位十進(jìn)制數(shù)的方式用紅色七段數(shù)碼管顯示出來;其二是將懸重信息經(jīng)由通訊適配器送往記錄儀以懸重曲線的形式記錄;而趨勢(shì)信息則由D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量后再送往比較驅(qū)動(dòng)器以驅(qū)動(dòng)趨勢(shì)顯示器工作。
系統(tǒng)電源部分是將50Hz，220V市電經(jīng)交流穩(wěn)壓、變壓、整流，再經(jīng)直流穩(wěn)壓后分四路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電(-15V、±15V、+5V)。另外，系統(tǒng)使用了UPS技術(shù)。
系統(tǒng)之核心為中央處理/控制單元、驅(qū)動(dòng)顯示部分和記錄儀。
1、中央處理/控制單元參見附圖2、3。
中央處理/控制單元采用8031單片機(jī)及其外圍芯片組成，在其監(jiān)控程序控制下完成一系列預(yù)定功能。它的工作原理和過程如下(1)8031的P1.0口每秒10次通過單穩(wěn)觸發(fā)器LS122向A/D芯片發(fā)出啟動(dòng)脈沖，A/D芯片開始對(duì)輸入的模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，32ns后轉(zhuǎn)換結(jié)束，并將得到的數(shù)據(jù)鎖存在緩沖器中。8031通過其數(shù)據(jù)總線PO口分兩次從該緩沖器中讀取變換結(jié)果(一次讀高四位、再次讀低八位)。讀入后，利用軟件濾波方式去除噪聲，此即為該時(shí)刻的動(dòng)態(tài)懸重值。
(2)自動(dòng)判斷懸重變化過程中動(dòng)態(tài)懸重值等于靜態(tài)懸重值時(shí)的特征點(diǎn)，記下此時(shí)的動(dòng)態(tài)懸重值作為此次鉆井操作循環(huán)過程的靜態(tài)懸重值，并計(jì)算鉆壓、判斷懸重變化趨勢(shì)。
判斷特征點(diǎn)的方法是求懸重變化之斜率，另設(shè)定懸重幅值門限、時(shí)間門限和斜率門限，符合三個(gè)門限判據(jù)的點(diǎn)即視為特征點(diǎn)。一定數(shù)目的特征點(diǎn)之算術(shù)平均值即為靜態(tài)懸重值。
從物理角度上講，尋找特征點(diǎn)的過程實(shí)際上就是尋找懸重變化曲線的平坦段，即鉆具勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的懸重曲線段的過程。由此可見，這樣得到的所謂靜態(tài)懸重實(shí)際上還包含磨擦力的成份，但因摩擦力遠(yuǎn)小于懸重值，可忽略不計(jì)，故仍稱其為靜態(tài)懸重。
鉆壓及懸重變化趨勢(shì)的計(jì)算及判決原理為鉆壓等于鉆具懸重的減小量。即P＝F-F′式中P為鉆壓，F(xiàn)為鉆具靜態(tài)懸重，F(xiàn)′為鉆具動(dòng)態(tài)懸重。
P為正時(shí)的值為鉆壓(或遇阻)值，P為負(fù)時(shí)的值則包含提鉆時(shí)的附加摩擦力和遇卡值。遇阻遇卡由本系統(tǒng)的趨勢(shì)顯示讀出。
如上所述，靜態(tài)懸重值由系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別并記憶，而動(dòng)態(tài)懸重值則由系統(tǒng)以每秒10次的速度進(jìn)行采樣，這樣就可以計(jì)算出某個(gè)時(shí)刻的鉆壓值并判斷出懸重變化的趨勢(shì)。
(3)將采樣到的靜態(tài)懸重值和計(jì)算所得的鉆壓值根據(jù)F′變化快慢，以不同的速度送懸重、鉆壓顯示器顯示。
(4)將采樣到的動(dòng)態(tài)懸重值以每15秒一次的速度以約定的格式經(jīng)由通訊適配器串行送往記錄儀以縱軸為懸重值，橫軸為相對(duì)時(shí)間值的曲線形式記錄下來。
2、驅(qū)動(dòng)顯示部分參見附圖4。
(1)懸重、鉆壓顯示器選用3吋紅色七段數(shù)碼管，用4511作為其譯碼驅(qū)動(dòng)片，以掃描方式顯示四位懸重值和三位遇阻、遇卡值(打鉆時(shí)為鉆壓值)。即七個(gè)4511全部掛在BOD碼總線上，三根地址線經(jīng)由三-八譯碼器譯碼后控制每片4511的LE端以令其分時(shí)工作。
(2)趨勢(shì)顯示器趨勢(shì)顯示器反映的是懸重變化量F的直觀值及正負(fù)情況，由遇阻顯示器和遇卡顯示器組成，它們是兩排發(fā)光二極管。當(dāng)F為正時(shí)，遇阻顯示器工作，P為負(fù)時(shí)，遇卡顯示器工作，表示當(dāng)前的遇阻遇卡情況。
由中央處理/控制單元輸出的動(dòng)態(tài)懸重值經(jīng)D/A進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后，根據(jù)此時(shí)P的正負(fù)情況送往某一組趨勢(shì)顯示器的比較驅(qū)動(dòng)器以驅(qū)動(dòng)顯示和報(bào)警。
3、記錄儀(1)硬件結(jié)構(gòu)與主機(jī)的通訊采用非標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口，并在發(fā)送與接收部分采用光耦器件TIL117進(jìn)行光電隔離，傳輸線用雙絞電纜。參見附圖5、6。
記錄儀選用PF-40打印繪圖機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)。
(2)軟件部分參見附圖7。
經(jīng)重新編制的PP-40打印繪圖機(jī)的軟件主要完成兩項(xiàng)功能其一是以約定格式與主機(jī)進(jìn)行串行通訊，接收懸重?cái)?shù)據(jù);其次是管理打印機(jī)本身以縱軸為懸重值，橫軸為相對(duì)時(shí)間值的曲線形式將懸重變化曲線記錄下來。
該軟件采用了容錯(cuò)技術(shù)以保證記錄儀的可靠性。
權(quán)利要求
1.一種油田鉆井自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其特征是上述系統(tǒng)由傳感器(或稱一次表)、前置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、中央處理/控制單元、譯碼驅(qū)動(dòng)器、懸重鉆壓顯示器、通訊適配器、記錄儀、D/A轉(zhuǎn)換器、比較驅(qū)動(dòng)器、趨勢(shì)顯示器和電源部分組成。
2.由權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中傳感器采用電阻應(yīng)變式大拉力傳感器。
3.由權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其A/D轉(zhuǎn)換器、中央處理/控制單元、譯碼驅(qū)動(dòng)器、懸重鉆壓顯示器、通訊適配器、D/A轉(zhuǎn)換器、比較驅(qū)動(dòng)器、趨勢(shì)顯示器和電源部分安置在同一箱體內(nèi)，稱主機(jī)(或二次表)。
4.由權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中記錄儀與主機(jī)通過非標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口進(jìn)行遠(yuǎn)距串行有線通訊。通訊中采用光耦器件TIC117進(jìn)行光電隔離、雙絞電纜屏蔽。
5.由權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其記錄儀采用熱敏筆畫線，在單片機(jī)控制下以縱軸為懸重值，橫軸為相對(duì)時(shí)間值的曲線形式記錄懸重變化。
6.由權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是由于其功能多由軟件實(shí)現(xiàn)，致使系統(tǒng)功能擴(kuò)展簡(jiǎn)捷方便。如可立即擴(kuò)展的功能有測(cè)量鉆桿立柱數(shù)、遇阻遇卡的聲報(bào)警，并可作為溜鉆自動(dòng)控制等系統(tǒng)，或可用作自動(dòng)鉆井系統(tǒng)的一個(gè)檢測(cè)-控制量反饋環(huán)節(jié)。
7.由權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是只需將其信號(hào)處理技術(shù)稍加改動(dòng)，必要時(shí)更換其傳感器，便可用于其它領(lǐng)域。如用于運(yùn)輸業(yè)或其它行業(yè)中的貨物裝卸計(jì)數(shù)(噸位計(jì)數(shù))等。
8.由權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是UPS供電方式。
9.一種電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)方法，其特征是使設(shè)備能在野外和一些惡劣環(huán)境下工作。
10.由權(quán)利要求9所述的方法，其特征是機(jī)箱為內(nèi)、外箱雙體結(jié)構(gòu)，內(nèi)箱密封。
11.由權(quán)利要求9所述的方法，其特征是傳感器與前置放大器全密封在一起，并能在低溫-35℃下正常工作。
12.一種使發(fā)光器件在強(qiáng)光及露天下顯示清晰的方法，其特征是內(nèi)箱體前面板與數(shù)碼管之間形成一黑洞，稍側(cè)光放置時(shí)，顯示器在該光線條件下亦顯示清晰，即所謂黑洞遮光技術(shù)。
13.一種信號(hào)處理技術(shù)，其特征是中央處理/控制單元接收經(jīng)轉(zhuǎn)換、放大并量化后的懸重信息，軟件處理后，同時(shí)控制顯示器和記錄儀等終端的工作。
14.由權(quán)利要求13所述的技術(shù)，其特征是利用軟件方法先求出懸重變化的斜率，并設(shè)置懸重幅度門限、時(shí)間門限和斜率門限以尋找懸重曲線特征點(diǎn)來自動(dòng)記憶鉆具靜態(tài)懸重值，并由此基礎(chǔ)計(jì)算鉆壓值、判斷懸重變化趨勢(shì)。
15.由權(quán)利要求13所述的技術(shù)，其特征是采用了定時(shí)及順序容錯(cuò)措施。
全文摘要
該項(xiàng)發(fā)明解決了石油、地質(zhì)勘探鉆井中鉆具懸重、鉆壓等檢測(cè)儀表的智能化、多功能問題，還解決了信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸問題。它具有將敏感到的懸重信息自動(dòng)換算成鉆壓、懸重變化趨勢(shì)并以數(shù)字方式顯示，同時(shí)控制記錄儀記錄懸重變化曲線，且能根據(jù)懸重變化量的大小確定顯示速度，根據(jù)預(yù)定值進(jìn)行報(bào)警，從記錄曲線計(jì)算出時(shí)效參數(shù)等功能，且功能擴(kuò)展余地大。本發(fā)明為鉆井自動(dòng)化奠定了良好的基礎(chǔ)，是現(xiàn)用鉆井檢測(cè)儀表的更新?lián)Q代產(chǎn)品。
文檔編號(hào)E21B44/00GK1044695SQ9010062
公開日1990年8月15日 申請(qǐng)日期1990年2月12日 優(yōu)先權(quán)日1990年2月12日
發(fā)明者李方鎖, 諸一江, 許桂如, 岳步江, 馮錦才, 傅建斌, 王興民 申請(qǐng)人:空軍后勤部物資部