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1、钻井仪表钻井仪表n n刘日华n n山东胜利职业学院n n一、钻井仪表的在钻井作业中的意义一、钻井仪表的在钻井作业中的意义n n二、钻井仪表的发展二、钻井仪表的发展n n 1.1.初级阶段初级阶段n n 年代年代MWDMWD、LWDLWDn n 3.3.现在综合测量及自动监控现在综合测量及自动监控n n三、钻井仪表的组成三、钻井仪表的组成n n 传感器、信号接口、数据传输（发射与接传感器、信号接口、数据传输（发射与接 收）收）、数据、数据处理、控制系统和显示器处理、控制系统和显示器CRTCRT、打印机记录仪等。、打印机记录仪等。n n四、主要内容四、主要内容n n 1.1.仪表的基本概念仪表的基
2、本概念n n 2.2.钻井仪表的参数测量钻井仪表的参数测量n n 3.3.钻井中常用的钻井仪表（重点：指重表和测斜仪）钻井中常用的钻井仪表（重点：指重表和测斜仪）绪绪 论论第一章第一章 钻井仪表基础知识钻井仪表基础知识n n仪表的定义：仪表的定义：是指在某个过程或系统中能够进行感应、测量、是指在某个过程或系统中能够进行感应、测量、传递和显示、调节的设备。传递和显示、调节的设备。n n组成：组成：n n自动检测仪表自动检测仪表n n自动显示仪表自动显示仪表n n 包括各种模拟量和数字量的电子式、气动式或液动式指包括各种模拟量和数字量的电子式、气动式或液动式指示、记录和积算仪表以及图像显示以、工业
3、电视。示、记录和积算仪表以及图像显示以、工业电视。n n集中控制仪表集中控制仪表n n自动调节仪表自动调节仪表n n自动执行器（调节机构、调节阀或开关）自动执行器（调节机构、调节阀或开关）第一节 仪表概述第二节第二节 测量与控制测量与控制n n概念：n n测量就是用试验的方法，求出某个量的大小。n n控制就是指挥和调节一个事件的过程或顺序的一种手段或装置。n n工业自动化分类：n n单参数监测n n局部自动化n n综合自动化n n全盘自动化第三节第三节 测量的单位与量纲测量的单位与量纲n n基本量 基本单位n n导出量导出单位n n举例：n n 力 质量加速度 n nP=n n 面积 面积 m
4、 n n =N/m =Pa222第四节第四节 测量过程和测量误差测量过程和测量误差n n一、测量过程一、测量过程n n 是指被测量参数与其相应的测量单位进行比较的是指被测量参数与其相应的测量单位进行比较的过程。过程。n n二、测量误差二、测量误差n n 误差分类：误差分类：n n 系统误差系统误差n n 疏忽误差疏忽误差n n偶然误差偶然误差n n误差的表示方法误差的表示方法n n绝对误差绝对误差=测量值测量值 真实值真实值n n 绝对误差绝对误差n n相对误差相对误差=n n 真实值真实值第五节第五节 测量仪表的品质指标测量仪表的品质指标n n用来衡量测量仪表好坏的品质指标有：准确度、恒定度
5、、灵用来衡量测量仪表好坏的品质指标有：准确度、恒定度、灵敏度、时间常数和阻尼时间。敏度、时间常数和阻尼时间。n n一、准确度（精度）一、准确度（精度）一、准确度（精度）一、准确度（精度）n n在测量过程中，因仪表引起的误差叫仪表误差。它也用绝对在测量过程中，因仪表引起的误差叫仪表误差。它也用绝对误差和相对误差来表示。误差和相对误差来表示。n n绝对误差绝对误差=ab=abn n ab abn n相对误差相对误差=n n b b n n式中式中aa测量是标的示值测量是标的示值n n b b 标志仪表的示值标志仪表的示值n n评价一台仪表仅凭绝对误差和相对误差是不够的。因为量程评价一台仪表仅凭绝对
6、误差和相对误差是不够的。因为量程不同，即使有同一个绝对误差也可能有不同的准确度。为了不同，即使有同一个绝对误差也可能有不同的准确度。为了更好地反映仪表的准确度，应该采用相对百分误差。更好地反映仪表的准确度，应该采用相对百分误差。n n a-b a-bn n相对百分误差相对百分误差=100%=100%n n 标尺上限值标尺上限值标尺下限值标尺下限值n n式中式中aa被测参数的测量值；被测参数的测量值；n n b b被测参数的标准值。被测参数的标准值。n n实际上国家规定：用仪表的最大百分误差，用仪表的最大相对百分误差，去实际上国家规定：用仪表的最大百分误差，用仪表的最大相对百分误差，去掉掉%后的
7、数值后的数值就是仪表的精度等级，常用就是仪表的精度等级，常用 和和 等符号标在等符号标在仪表板面上。仪表板面上。n n我国常用仪表的精度等级如下：我国常用仪表的精度等级如下：级标准仪表：，级标准仪表：，；级仪表：级仪表：0.1,0.2,0.35 0.1,0.2,0.35，；一般一般 仪表：仪表：1,1.5 1,1.5，2.5 2.5，4.0 4.0。另外，仪表的基本误差，是指仪表在正常工作条件下的最大相对百分误差。另外，仪表的基本误差，是指仪表在正常工作条件下的最大相对百分误差。仪表的附加误差，是指不在规定的正常条件下使用，由于外界条件的影响引仪表的附加误差，是指不在规定的正常条件下使用，由于
8、外界条件的影响引起的额外误差。起的额外误差。n n二、测量仪表的恒定度二、测量仪表的恒定度n n恒定度常用变差来表示。恒定度常用变差来表示。n n变差变差在外界条件不变的情况下，用同一个仪表对某个参数在外界条件不变的情况下，用同一个仪表对某个参数进行正、反行程测量时，其指示值间蚕在的差值。进行正、反行程测量时，其指示值间蚕在的差值。n n造成变差的原因很多，如传动机构的间隙、运动部件的摩擦、造成变差的原因很多，如传动机构的间隙、运动部件的摩擦、弹性元件的弹性之后的影响等。弹性元件的弹性之后的影响等。n n变差的表示：用同一仪表测量同一参数时，正反行程示值间的变差的表示：用同一仪表测量同一参数时
9、，正反行程示值间的最大绝对误差与该仪表标尺范围（即量程）之比的百分数来表最大绝对误差与该仪表标尺范围（即量程）之比的百分数来表示。示。n n n n 正反行程示值最大绝对误差正反行程示值最大绝对误差n n变差变差=100%=100%n n 标尺上限值标尺上限值标尺下线值标尺下线值n n注意：仪表的变差不得超过其精度，否则应予检修。注意：仪表的变差不得超过其精度，否则应予检修。n n三、测量仪表的灵敏度与灵敏限n n灵敏度的表示灵敏度的表示灵敏度的表示灵敏度的表示：用仪表输出的变化量（与指针的线位移或角位：用仪表输出的变化量（与指针的线位移或角位移）移）与引起的此变化的被测参数是的变化量与引起的
10、此变化的被测参数是的变化量xx之比来表之比来表示。示。n n n n 灵敏度灵敏度=n n x xn n灵敏限灵敏限灵敏限灵敏限（也称始动灵敏度），是指能引起仪表指针发生动作的（也称始动灵敏度），是指能引起仪表指针发生动作的被侧参数的最小变化量。被侧参数的最小变化量。n n通常，仪表的灵敏限数值不大于基本误差绝对值的一半。通常，仪表的灵敏限数值不大于基本误差绝对值的一半。n n四、测量仪表的反应时间四、测量仪表的反应时间四、测量仪表的反应时间四、测量仪表的反应时间n n当仪表进行测量时，可以观察到仪表显示的被测参数值总要经当仪表进行测量时，可以观察到仪表显示的被测参数值总要经过一段时间以后，才
11、能准确地指示出来，这是因为仪表本身存过一段时间以后，才能准确地指示出来，这是因为仪表本身存在一个反应时间的缘故。在一个反应时间的缘故。n n有两种情况（分析并举例）：有两种情况（分析并举例）：n nn nn n一台仪表能不能尽快地反映出被测参数来，也是很重要的品质一台仪表能不能尽快地反映出被测参数来，也是很重要的品质指标指标仪表的动态特性仪表的动态特性。n n仪表的反应时间长短，表示了仪表动态特性的好坏。为了衡量仪表的反应时间长短，表示了仪表动态特性的好坏。为了衡量仪表的动态特性，对于上述两种情况，采用了方法。仪表的动态特性，对于上述两种情况，采用了方法。n n对应的第一种情况用对应的第一种情
12、况用“时间常数时间常数”来衡量，对于第二种情况则来衡量，对于第二种情况则用用“阻尼时间阻尼时间”来衡量。来衡量。n n时间常数时间常数时间常数时间常数是指被测参数值在发生阶跃变化后，仪表指示值是指被测参数值在发生阶跃变化后，仪表指示值达到参数变化值的达到参数变化值的63.2%63.2%时所需要的时间。时所需要的时间。n n仪表不能立即反映客观实际变化的上述情况仪表不能立即反映客观实际变化的上述情况仪表的滞后现仪表的滞后现象。象。n n阻尼时间阻尼时间阻尼时间阻尼时间是指从对仪表突然输入一个标尺一半的相应参数是指从对仪表突然输入一个标尺一半的相应参数值开始，到仪表指示值与输入参数值之差，为该标尺
13、范围的值开始，到仪表指示值与输入参数值之差，为该标尺范围的1%1%时所需要的时间。时所需要的时间。第六节第六节 钻井仪表基本概念及测量参数钻井仪表基本概念及测量参数n n一、钻井仪表基本概念一、钻井仪表基本概念一、钻井仪表基本概念一、钻井仪表基本概念n n就是在钻井过程中对各种参数进行感应、测量、传输和调节的设备及就是在钻井过程中对各种参数进行感应、测量、传输和调节的设备及装置。装置。n n钻井仪表的发展，从单一参数仪表到多参数仪表；从单纯的测量到自动控制钻井仪表的发展，从单一参数仪表到多参数仪表；从单纯的测量到自动控制调节；从局部自动化到综合自动化调节；从局部自动化到综合自动化经历了将近一个
14、世纪的时间。经历了将近一个世纪的时间。n n二、钻井仪表的组成二、钻井仪表的组成二、钻井仪表的组成二、钻井仪表的组成n n可分为三大部分：信号监测部分、信号转换部分、指示和记录部分。可分为三大部分：信号监测部分、信号转换部分、指示和记录部分。n n三、钻井仪表的测量及控制参数三、钻井仪表的测量及控制参数三、钻井仪表的测量及控制参数三、钻井仪表的测量及控制参数n n1 1、与钻井液有关的参数、与钻井液有关的参数n n 钻井液体积、固相含量、可燃气体含量、钻井液体积、固相含量、可燃气体含量、H2SH2S含量、含量、CO2CO2含量、钻井液含量、钻井液密度、返出钻井液流量、泥浆池钻井液液面、钻井液温
15、度、钻井液流变参数、密度、返出钻井液流量、泥浆池钻井液液面、钻井液温度、钻井液流变参数、电导率等等。电导率等等。n n2 2、水力参数、水力参数n n泵压、泵排量、立管压力、套管压力、喷射速度、环空流速、泵冲数、等等。泵压、泵排量、立管压力、套管压力、喷射速度、环空流速、泵冲数、等等。n n3.3.钻井参数钻井参数n n钻压、转速、扭矩、钻速、进尺、井深、钻压、转速、扭矩、钻速、进尺、井深、dcdc指数、起下钻及钻进时间、井斜指数、起下钻及钻进时间、井斜角、方位角、工具面方向、磁场强度、地磁倾角、井下扭矩、振动强度、底角、方位角、工具面方向、磁场强度、地磁倾角、井下扭矩、振动强度、底层放射性、
16、电阻率、弯曲力矩向量、合力向量、井径、环空温度、空隙度等层放射性、电阻率、弯曲力矩向量、合力向量、井径、环空温度、空隙度等等。等。第七节第七节 钻井仪表的分类及构成钻井仪表的分类及构成n n一、钻井仪表的分类一、钻井仪表的分类一、钻井仪表的分类一、钻井仪表的分类n n1.1.1.1.按所用动力按所用动力按所用动力按所用动力 n n液动仪表液动仪表 如泵压、指重表；如泵压、指重表；n n电动仪表电动仪表 如电动转速表、电动压力变送器；如电动转速表、电动压力变送器；n n气动仪表气动仪表 如气动记录仪等。如气动记录仪等。n n2.2.2.2.按用途按用途按用途按用途 各种钻井参数测量、检测仪表等。
17、各种钻井参数测量、检测仪表等。n n3.3.3.3.按自动化程度按自动化程度按自动化程度按自动化程度n n单参数检测仪表单参数检测仪表n n成套钻井参数测量仪表成套钻井参数测量仪表n n用微机控制的钻井数据记录仪用微机控制的钻井数据记录仪n n钻井数据集中遥测和分析系统钻井数据集中遥测和分析系统n n二、钻井仪表的构成二、钻井仪表的构成二、钻井仪表的构成二、钻井仪表的构成n n钻井仪表系统构成：传感器（一次仪表）、信号处理器（放大钻井仪表系统构成：传感器（一次仪表）、信号处理器（放大器、校正器）、显示仪、微机、打印机、报警器。器、校正器）、显示仪、微机、打印机、报警器。二、钻井仪表的构成二、钻
18、井仪表的构成n n1.1.传感器（一次仪表）传感器（一次仪表）n n其功能：其功能：能够感受待测参数的变化；能够感受待测参数的变化；能够变换和传输参数。能够变换和传输参数。n n传感器的信号来源于钻机的三大系统：传感器的信号来源于钻机的三大系统：n n循环系统：钻井液密度、钻井液出口温度、钻井液出口流量、循环系统：钻井液密度、钻井液出口温度、钻井液出口流量、地面钻井液体积、泵压及其超压停泵报警装置、泵排量。地面钻井液体积、泵压及其超压停泵报警装置、泵排量。n n吊升系统：指重、钻压、进尺、防碰天车和防墩转盘装置、自吊升系统：指重、钻压、进尺、防碰天车和防墩转盘装置、自动送钻装置。动送钻装置。n
19、 n旋转系统：转盘转速、转盘扭矩等。旋转系统：转盘转速、转盘扭矩等。n n2.2.信号处理器信号处理器n n功能包括：信号放大、校正、阻尼、滤波、数模转换。功能包括：信号放大、校正、阻尼、滤波、数模转换。n n3.3.显示和记录。显示和记录。n n4.4.微机微机n n功能：数据存储、分析分析、运算、下达指令。功能：数据存储、分析分析、运算、下达指令。n n5.5.控制调节装置和报警器。控制调节装置和报警器。第八节第八节 传感器传感器n n一、概念一、概念一、概念一、概念n n从广义上讲，凡是能够感受一切形式的激励，如温度、压力、流量、光、声、从广义上讲，凡是能够感受一切形式的激励，如温度、压
20、力、流量、光、声、从广义上讲，凡是能够感受一切形式的激励，如温度、压力、流量、光、声、从广义上讲，凡是能够感受一切形式的激励，如温度、压力、流量、光、声、电、波等等的变化，并能把这些变化转变成对信号收集系统有用的输入信号，电、波等等的变化，并能把这些变化转变成对信号收集系统有用的输入信号，电、波等等的变化，并能把这些变化转变成对信号收集系统有用的输入信号，电、波等等的变化，并能把这些变化转变成对信号收集系统有用的输入信号，如电压、电流等的所有装置都可以称为传感器。如电压、电流等的所有装置都可以称为传感器。如电压、电流等的所有装置都可以称为传感器。如电压、电流等的所有装置都可以称为传感器。n n
21、 其中，能够把所有信号转变成电信号的传感器，是应用最广泛的一种传感其中，能够把所有信号转变成电信号的传感器，是应用最广泛的一种传感其中，能够把所有信号转变成电信号的传感器，是应用最广泛的一种传感其中，能够把所有信号转变成电信号的传感器，是应用最广泛的一种传感器器器器也叫作也叫作也叫作也叫作“电子敏感元件电子敏感元件电子敏感元件电子敏感元件”n n其工作原理：物理学中的声光电磁原理。其工作原理：物理学中的声光电磁原理。其工作原理：物理学中的声光电磁原理。其工作原理：物理学中的声光电磁原理。n n二、分类二、分类二、分类二、分类n n1 1 1 1、基本型：热敏、光敏、磁敏、力敏、湿敏和气敏等、基
22、本型：热敏、光敏、磁敏、力敏、湿敏和气敏等、基本型：热敏、光敏、磁敏、力敏、湿敏和气敏等、基本型：热敏、光敏、磁敏、力敏、湿敏和气敏等6 6 6 6种。种。种。种。n n2 2 2 2、应用型：电压敏、静电敏、射线敏、色敏、视敏、触敏、应用型：电压敏、静电敏、射线敏、色敏、视敏、触敏、应用型：电压敏、静电敏、射线敏、色敏、视敏、触敏、应用型：电压敏、静电敏、射线敏、色敏、视敏、触敏 、思敏、味敏等、思敏、味敏等、思敏、味敏等、思敏、味敏等9 9 9 9种。种。种。种。n n三、力敏元件三、力敏元件三、力敏元件三、力敏元件n n可以测量的物理量有：力、压力、加速度、速度、扭矩、位移、振动、流量，
23、可以测量的物理量有：力、压力、加速度、速度、扭矩、位移、振动、流量，可以测量的物理量有：力、压力、加速度、速度、扭矩、位移、振动、流量，可以测量的物理量有：力、压力、加速度、速度、扭矩、位移、振动、流量，等等。等等。等等。等等。n n1.1.1.1.力敏元件的分类：力敏元件的分类：力敏元件的分类：力敏元件的分类：n n电阻式：电位计式、金属应变计式、热丝计式、电阻式：电位计式、金属应变计式、热丝计式、电阻式：电位计式、金属应变计式、热丝计式、电阻式：电位计式、金属应变计式、热丝计式、半导体压阻式半导体压阻式半导体压阻式半导体压阻式。n n电容式：可变电容式、可变介质式。电容式：可变电容式、可变
24、介质式。电容式：可变电容式、可变介质式。电容式：可变电容式、可变介质式。n n电感式：磁路式、磁阻式、差分变压器式、涡流式、磁致伸缩式。电感式：磁路式、磁阻式、差分变压器式、涡流式、磁致伸缩式。电感式：磁路式、磁阻式、差分变压器式、涡流式、磁致伸缩式。电感式：磁路式、磁阻式、差分变压器式、涡流式、磁致伸缩式。n n2.2.扩散型半导体压力传感器扩散型半导体压力传感器n n扩散型半导体压力传感器大都采用扩散型半导体压力传感器大都采用单晶硅单晶硅单晶硅单晶硅和和半导体半导体工艺制成。一工艺制成。一般以般以N N型硅片型硅片为衬底，采用为衬底，采用氧化、光刻、扩散氧化、光刻、扩散等工艺将等工艺将硼原
25、子硼原子沿沿给定晶向扩散到给定晶向扩散到N N型硅衬底型硅衬底材料中，形成材料中，形成P P型扩散层型扩散层。n n结果硼扩散区便形成应变电阻，与硅衬底成为一个整体，结果硼扩散区便形成应变电阻，与硅衬底成为一个整体，硅片本硅片本身作为感压膜片身作为感压膜片。在。在P P型扩散层型扩散层表面做出欧姆接触，引出电极，表面做出欧姆接触，引出电极，形成形成扩散型半导体应变片扩散型半导体应变片。金属引出线金属引出线金属外壳压力敏感区N型硅P型扩散去四、磁传感器简介四、磁传感器简介工作原理：如图突起磁铁线圈永久磁铁思考题思考题n n1、何谓传感器？n n2、电子敏感元件是如何分类的?n n3、简述磁传感器的工作原理。n n4、试述扩散型半导体压力传感器的制作与构造。