指重表滑轮系统和死绳固定器对测量结果的影响及校准方法研究

陆凤侠　（大庆油田技术监督中心）



指重表滑轮系统和死绳固定器对测量结果的影响及校准方法研究

陆凤侠（大庆油田技术监督中心）

指重表是指在石油钻、修井过程中，用来实时监测钻具重量和钻压的装置。现行的校准方法SY/T 7075—2016《石油钻修井指重表校准方法》规定了实验室关于死绳传感器和重量指示仪的校准方法。然而，在现场对钻具重量和钻压的测量过程中，整个悬吊系统的滑轮和死绳固定器的机械性能会使测量结果产生误差。针对这个问题，分析了指重表系统中可能产生误差的因素和影响，并研制了液压测力接头和使用张力传感器对滑轮系统和死绳固定器进行校准，并制定了相应的现场校准方法。

指重表；钻具重力；死绳张力；现场校准

1　概述

指重表［1］是指在钻、修井施工中，用来测量钻具重量和钻压的装置，目的是用来帮助司钻随时掌握钻具在井下工作状况，通过钻具重量和钻压的变化，分析钻具在井下是否有卡阻或脱压现象，以保证施工安全和工程质量。根据测量对象，指重表系统的组成应包括滑轮系统（天车和游车）、死绳固定器、液压传感器和显示记录装置4个部分，每个部分的工作状态都直接影响到指重表测量的准确性。SY/T 7075—2016《石油钻修井指重表校准方法》规定了液压传感器和显示记录仪的校准方法，而忽略了滑轮系统和死绳固定器的影响，在实际工作中发现，滑轮系统的摩擦阻力有时也会产生较大的测量误差，尤其是在过度磨损和在冬季润滑不好的情况下误差更为明显；死绳固定器也可能在处理过几次卡钻事故后，由于过大的拉力而产生变形，或由于保养不及时造成轮轴生锈，至使死绳固定器力比与出厂设计不同，从而导致了较大的测量误差。为了保证指重表的测量结果能够正确地指导钻井施工、钻井安全和钻井质量，定期对滑轮系统和死绳固定器进行现场校准是十分必要的。

2　测量原理及误差分析

2.1测量原理

指重表的测量原理是钻具重量通过滑轮组转换为死绳拉力，死绳拉力通过死绳固定器后，按力臂长度与绳轮直径的比值（力臂比）转换为液压传感器的拉力，液压传感器将拉力转换成液体压力后，通过传压管线传送到指重显示记录仪使弹簧管发生变形，再通过放大机构将弹簧管的变形量转换为指针的偏转角度，以力的形式在刻度盘上显示出来。

2.2误差分析

2.2.1滑轮系统误差

滑轮系统的误差主要来源于定滑轮（天车滑轮）的摩擦阻力。滑轮受力示意图如图1所示。

图1　滑轮受力示意图

假设天车所有滑轮的摩擦阻力合力为ΔF，则存在以下力的平衡关系：

式中：Fsu——起升时死绳拉力，kN；

Fsd——下放时死绳拉力，kN；

W——大钩悬重，kN；

n——游车滑轮绳数。

从式（1）和式（2）可以看出，所有的滑轮阻力，最终都叠加到死绳上，显示在指重表上，这个阻力会放大。如果足够大，指重表的示值就会表现出起升时悬重减少，而下放时悬重增加的反常现象。这种现象如果出现在处理井下复杂工况或取芯、定向操作中，很容易导致操作人员误判，而影响到井下安全和施工质量。

2.2.2死绳固定器误差

死绳固定器误差产生的原因有以下几个方面：

1）一些陈旧的钻机，死绳固定器上的标识脱落，在更换死绳固定器或指重表时与原钻机设计型号不符。

2）处理过严重卡钻事故，死绳固定器因超载发生变形，绳轮不能自由转动，造成死绳拉力不能完全传递到液压传感器。

3）死绳固定器使用时间较长及缺泛润滑保养，轮轴严重磨损，绳轮运转不灵活。

3　校准方法

3.1滑轮摩擦阻力的校准方法

从理论上讲，在悬重相同的情况下，我们只要测出钻具下放和起升时，死绳拉力的差值，便可计算出滑轮的阻力：

由于钻具与井筒之间的摩擦阻力存在，起升和下放时悬重是不同的，因此，在测量死绳拉力时，需要保持井下钻具是静止的。为此设计了液压测力接头，液压测力接头如图2所示。

液压测力接头的作用是通过接头内的液体压力来判断所测量的上行死绳拉力和下行死绳拉力所对应的真实悬重是否相同。因为，在相同液体压力下，接头所承受的拉力即真实悬重也必然是相同的。

测量方法：将钻具座卡，在下部钻具与方钻杆之间安装液压测力接头，通过标准压力表来测量该接头的输出压力。测量开始前先将钻具提离吊卡或卡瓦，此时，标准压力表的示值记为Pmax，然后在示值为0至Pmax之间，确立1个或多个测点。然后从标准压力表示值为0开始，缓慢起升钻具至压力达到各个测点时测量死绳张力Fsu。达到最后1个测点后，在保持钻具不动的状态下继续上提一段小的距离，然后，下放钻具至压力到达各个测点时测量死绳张力Fsd。死绳拉力可利用旁压式钢丝绳张力测试仪进行测量。

图2　液压测力接头示意图

测量原理：钢丝绳穿过传感器卡槽，通过中间U型卡固定，当钢丝绳受拉后产生的张力作用在导向轮上，导向轮内部的应力感应片将张力信号传送至数字显示仪，如图3所示。

图3　张力传感器结构原理

数字显示仪利用拉力与张力几何关系，将张力转换为拉力显示到屏幕。

3.2死绳固定器力比校准

死绳固定器力比，即死绳拉力与液压传感器所受拉力的比值。

传感器拉力可通过测量液压传感器的输出压力，利用下式计算得出：式中：Fc——传感器拉力，MPa；

p——传感器输出压力，kN；

fp——传感器压力转换系数，由传感器型号而定，kN/MPa。

死绳固定器力比计算方法：由于在安装张力传感器时，死绳无法完全放松，初始拉力又无法确定，所以在计算力比时，不能直接使用传感器的测量结果进行计算，可以使用两点差值来计算。计算公式：

式中：k——死绳固定器力比，无量纲；

Δp——两个测点间传感器输出压力的差值，MPa；

ΔFs——两个测点间死绳拉力的差值，

kN。

3.3校准情况

1）校准时井下应保留尽量多的钻具，最好选择在完钻循环时进行。

2）为排除环境振动和钻井液循环压力波动的干扰，校准时应停止钻井液循环。

3）校准结果以校准结果通知书的形式提交给用户。

4）死绳固定器的力比如果与出厂设计不符，按如下方法处理：如果属于指重显示仪与死绳固定器型号不匹配，更换匹配的指重显示仪；如果属于传感器变形或转动不灵，建议用户更换或维修死绳固定器。

4　现场试验

2016年3月，因钻井队反应指重表不准，钻具上提时悬重减少，而在下放时悬重反而增加，借此机会在该队进行了指重表现场校准方法的试验。试验基础数据：井深2600m，悬重1350 kN，JZ250型指重表（2400 kN），JZ250型传感器 （6 MPa），JZG24型死绳固定器，实验结果见表1。

1）试验数据表明，该队的天车滑轮阻力为3.5 kN，由此产生的测量误差为35 kN，测量时悬为1200 kN，误差达到了2.9%，超出精度等级约2倍。使用的是5组滑轮，每组滑轮的平均阻力达到0.7 kN，相当于用70 kg的力才可以转动一个滑轮，实际检查天车的结果，也是如此，一个人转动滑轮非常吃力。

2）死绳固定器力比的检测结果，符合死绳固定器的实际情况，绳轮润滑良好。

表1　指重表现场校准方法试验数据

5　结论

1）滑轮组的摩擦阻力以绳数的倍数被放大，且每个滑轮的阻力最后都叠加到死绳拉力上，因而，对测量结果影响是很大的，有必要对滑轮系统进行校准。

2）应用液压测力接头和旁压式钢丝绳张力测试仪进行指重表现场校准的方法，解决了实验室无法校准滑轮系统和死绳固定器的问题，是对实验室校准方法的补充和完善。试验证明，校准方法是有效的，对现场指重表的校准具有很好的指导意义。

［1］石油工业专业计量标准化技术委员会.石油钻井指重表检定规程：JJG（石油）03—1999［S］.北京：中国计量出版社，1999：3-5.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.023

2016-07-15

（编辑贾洪来）

陆凤侠，工程师，2004年毕业于清华大学（经济学专业），从事计量管理工作，E-mail：lufeng_xia@sina.com.cn，地址：黑龙江省大庆市让胡路区西宾路552号大庆油田技术监督中心，163455。