指重表現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法研究

陳劍，閆慶武，張靈聰中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司計(jì)量檢定測(cè)試所（黑龍江　大慶　163455）

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指重表現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法研究

陳劍，閆慶武，張靈聰
中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司計(jì)量檢定測(cè)試所（黑龍江大慶163455）

指重表主要用于石油地質(zhì)勘探中各種鉆機(jī)修井機(jī)作業(yè)過(guò)程中，是指示并記錄鉆具懸重和鉆壓變化的一種儀器。現(xiàn)有檢測(cè)方式只能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，存在拆卸搬運(yùn)不便的問(wèn)題。針對(duì)此現(xiàn)狀，提出了指重表現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方法及步驟，試驗(yàn)證明采用該方法能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，方便快捷，提高了效率、降低了工作強(qiáng)度。同時(shí)，闡述了張力傳感器的標(biāo)定方法及應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題。

指重表；張力傳感器；現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)

1　指重表原理及檢測(cè)現(xiàn)狀

指重表又稱大鉤懸重測(cè)量?jī)x，可以使司鉆人員掌握鉆機(jī)在鉆井或修井作業(yè)中的工作參數(shù)，從而判斷鉆具的工作狀態(tài)，為避免事故的發(fā)生和優(yōu)化參數(shù)提供有力幫助。指重表通常由死繩固定器、傳感器、指示儀和記錄儀四部分組成。死繩固定器將鉆機(jī)的死繩拉力通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成液體壓力信號(hào)，傳遞給重力指示儀，迫使彈簧管自由端產(chǎn)生位移，經(jīng)過(guò)放大機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指針，直接在表盤(pán)上指示出懸重及鉆壓值[1]。另一路壓力信號(hào)通過(guò)金屬軟管傳遞到記錄彈簧管，其位移經(jīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，用記錄筆在記錄紙上做出鉆壓與懸重的變化曲線。

根據(jù)石油行業(yè)規(guī)范JJG（石油）03-1999《石油鉆井指重表檢定規(guī)程》的要求[2]，現(xiàn)階段指重表的檢定先進(jìn)行外觀檢查，確定零部件及刻度是否缺失、清晰。然后測(cè)試死繩拉力和死繩固定器拉力比（放松死繩后使用數(shù)字測(cè)力計(jì)進(jìn)行檢測(cè)），再將死繩端傳感器及顯示二次儀表拆卸。實(shí)驗(yàn)室分別檢測(cè)，包括基本誤差檢定、靈敏度檢定、輕敲變動(dòng)量檢定、回程誤差檢定和密封性能等方面的檢測(cè)。

由于井場(chǎng)環(huán)境惡劣，該方法不僅存在拆卸及搬運(yùn)不便、影響現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全等問(wèn)題，而且由于多組件拆裝也會(huì)影響到指重表準(zhǔn)確度等級(jí)，進(jìn)而影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性及可靠性。國(guó)內(nèi)部分專業(yè)人士也提出使用標(biāo)準(zhǔn)器分別對(duì)一次儀表和二次儀表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，即對(duì)儀表施加標(biāo)準(zhǔn)力源，再與儀表顯示值進(jìn)行對(duì)比分析，從而實(shí)現(xiàn)在線校準(zhǔn)指重表。但此方法在實(shí)際操作方面存在一定弊端：大載荷標(biāo)準(zhǔn)力源攜帶、安裝不便；檢測(cè)時(shí)需要鉆機(jī)停止運(yùn)行影響鉆（修）井作業(yè)進(jìn)度等。因此急需提出一套行之有效的現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)方案，在盡量減小對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作影響的前提下，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的同步性、安全性、準(zhǔn)確性及便捷性。

2　現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)的可行性分析及方法選擇

2.1吊具端檢測(cè)法

通過(guò)死繩與滑輪組連接，對(duì)吊具上負(fù)載產(chǎn)生的力進(jìn)行測(cè)量。在吊具下方串接電子吊秤，電子吊秤上的載荷傳感器通過(guò)無(wú)線傳輸，將信號(hào)傳送到接收裝置上，指重表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示端可以安裝一個(gè)攝像頭，通過(guò)軟件控制實(shí)時(shí)記錄指重表系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。吊具端檢測(cè)法如圖1所示。

圖1　吊具端檢測(cè)法示意圖

這種檢測(cè)方法不需要對(duì)游車(chē)作業(yè)系統(tǒng)做任何改動(dòng)，解決了拆卸指重表部件可能遇到的安全問(wèn)題和準(zhǔn)確度問(wèn)題，同時(shí)簡(jiǎn)單易行、便于操作，可以在工作過(guò)程中同步檢測(cè)。電子吊秤量程可達(dá)120t，相當(dāng)于1 176kN，準(zhǔn)確度等級(jí)可以達(dá)到國(guó)際OIMLⅢ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，換算成最大允許誤差為0.075%，可進(jìn)行信號(hào)無(wú)線傳輸[3]。吊具端檢測(cè)法雖然簡(jiǎn)單方便，但必須在作業(yè)車(chē)開(kāi)始作業(yè)后才能檢測(cè)；其次吊具端檢測(cè)法僅僅是將電子吊秤和指重表顯示系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)；同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的惡劣條件對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)儀器來(lái)說(shuō)是一個(gè)考驗(yàn)，所以推薦在每年使用吊具端檢測(cè)法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)外，還可以在作業(yè)車(chē)開(kāi)始作業(yè)前，使用檢衡車(chē)對(duì)作業(yè)車(chē)的指重表統(tǒng)一進(jìn)行一次檢測(cè)，保證現(xiàn)場(chǎng)施工的安全。

本方法測(cè)量準(zhǔn)確度高，但由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境限制、標(biāo)準(zhǔn)器本身體積及重量較大，在電子吊秤的運(yùn)輸和安裝上存在一定問(wèn)題，與之相配合的衡車(chē)檢測(cè)法也使檢測(cè)過(guò)程復(fù)雜化。

2.2形變測(cè)量法

在死繩上固定一個(gè)旁壓式張力傳感器，當(dāng)修井車(chē)井架進(jìn)行負(fù)載時(shí)，鋼絲繩受力發(fā)生形變，導(dǎo)致張力傳感器產(chǎn)生信號(hào)，信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)線傳送至接收裝置，將裝置顯示的數(shù)據(jù)與指重表的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，即可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)[4]。形變測(cè)量法如圖2所示。

旁壓式張力傳感器專用于測(cè)量鋼絲繩的張力，鋼絲繩通過(guò)U形螺栓固定在傳感器上，當(dāng)鋼絲繩受拉力時(shí)，力通過(guò)導(dǎo)向輪作用在傳感器上。張力傳感器一般分為晶體張力傳感器和應(yīng)變電阻傳感器兩種。前者是利用晶體各向異性、非晶體各向同性的特點(diǎn)，某些晶體介質(zhì)，沿著一定方向受到機(jī)械力作用發(fā)生變形時(shí)，就產(chǎn)生了極化效應(yīng)；當(dāng)機(jī)械力撤掉之后，又會(huì)重新回到不帶電的狀態(tài)，也就是受到張力或壓力的時(shí)候，某些晶體可能產(chǎn)生電效應(yīng)，這就是所謂的極化效應(yīng)。后者是應(yīng)變電阻受外力作用阻值發(fā)生變化，用應(yīng)變電阻組成一個(gè)電橋，通過(guò)電橋的配比實(shí)現(xiàn)外力和電阻的線性變化，此乃目前張力傳感器使用非常普遍的一種，也是旁壓式張力傳感器的工作理論。

旁壓式張力傳感器具有安裝方便、操作簡(jiǎn)單、維修容易、互換性好、使用便捷等特點(diǎn)，但測(cè)量精度易受多方面因素影響，準(zhǔn)確度不易控制。

圖2　形變測(cè)量法示意圖

綜上所述，現(xiàn)擬選用旁壓式張力傳感器對(duì)指重表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)在線校準(zhǔn)，需要分析傳感器檢測(cè)不同直徑鋼絲繩所得結(jié)論之間的相互聯(lián)系。

3　現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法分析及關(guān)鍵問(wèn)題的解決方案

3.1現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法

利用旁壓式張力傳感器對(duì)指重表現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，主要分2個(gè)步驟。

首先根據(jù)調(diào)研確定現(xiàn)場(chǎng)使用的鋼絲繩規(guī)格，主要有直徑22mm和26mm兩種規(guī)格。制作兩種不同規(guī)格的鋼絲繩吊具，利用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)拉緊吊具模擬現(xiàn)場(chǎng)載荷情況，對(duì)傳感器在兩種規(guī)格鋼絲繩吊具受載荷的情況下記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算擬合獲得換算公式，完成標(biāo)定工作[5]。

然后使用標(biāo)定好的張力傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)指重表檢測(cè)，記錄顯示值，通過(guò)換算公式獲得標(biāo)準(zhǔn)載荷值，再與被檢表示值比較，得到檢測(cè)結(jié)果。

3.2關(guān)鍵問(wèn)題的解決方案

1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)計(jì)加工直徑22mm和26mm兩種鋼絲繩吊具，模擬現(xiàn)場(chǎng)受力情況。通過(guò)定制限位緊固螺栓，固定傳感器受力角度，提高傳感器穩(wěn)定性。

2）通過(guò)進(jìn)行模擬受力試驗(yàn)，對(duì)不同直徑鋼絲繩下傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)采集，通過(guò)數(shù)據(jù)分析擬合獲得對(duì)應(yīng)計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量。部分模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

將模擬試驗(yàn)中傳感器的顯示值與試驗(yàn)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合后得到相應(yīng)的換算公式，通過(guò)公式能夠?qū)鞲衅鞯娘@示值轉(zhuǎn)換為實(shí)際對(duì)應(yīng)的載荷值，公式（1）如下：

式中：y為傳感器顯示值所對(duì)應(yīng)的實(shí)際力值，kN; x為傳感器顯示值，kN。

再將每一組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)換算成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，計(jì)算引用誤差。引用誤差見(jiàn)表2。

表1　22mm吊具傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)

表2　引用誤差

傳感器實(shí)際載荷數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算得到的引用誤差均不超過(guò)1%，確定為1.0級(jí)。

4　現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)效果

對(duì)2.0級(jí)指重表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

5　結(jié)束語(yǔ)

利用旁壓式張力傳感器對(duì)指重表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法研究，對(duì)計(jì)量?jī)x表在線檢測(cè)進(jìn)行了新的嘗試。在線檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用具有很高的實(shí)用價(jià)值，是計(jì)量?jī)x表檢測(cè)的發(fā)展方向，應(yīng)不斷完善以上校準(zhǔn)方法，進(jìn)一步提高旁壓式張力傳感器的準(zhǔn)校準(zhǔn)質(zhì)量。

表3　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

[1]陳世超，田小泉，朱可加.石油鉆井指重表檢定裝置的研制[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù), 2008, 33(6):130-132.

[2]石油工業(yè)計(jì)量專業(yè)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:石油工業(yè)出版社，2001.

[3]劉穎琪，苗彥清.鉆井指重表在線檢測(cè)方法[J].技術(shù)監(jiān)督縱橫, 2000（5）：4.

[4]張蔚，姚文斌.鋼絲繩張力傳感器標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)的研制[J].農(nóng)機(jī)化研究，2004 (5):148-150.

[5]潘忠元.整體吊鉤秤傳感器的設(shè)計(jì)[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

陳劍（1979-），男，工程師，現(xiàn)從事計(jì)量管理工作。

本文編輯：左學(xué)敏2015-12-10