專利名稱：油氣井灌注泥漿的控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型是一種用于石油、地質、鹽業在油、氣、鹵水鉆探的起鉆過程中，自動向井筒灌注泥漿，自動顯示和記錄泥漿一次灌量、累計灌量等多種功能的可與單板微機配合記錄打印各種顯示量的控制裝置。
在石油、地質、鹽業等行業的鉆井過程中，需要將配制的一定的比重的泥漿，用高壓泥漿泵將其從鉆桿內灌入井底，泥漿從鉆頭的孔眼中流出，流入井筒內壁之間的環形空間，把鉆出的巖石碎屑帶到地面，泥漿又返回泥漿池。在整個鉆井過程中，始終要保持泥漿的循環，只有停鉆時，才停止泥漿循環。由于鉆頭磨損需更換鉆頭或其它原因，需停鉆起出鉆桿。由于井架的高度有限，每次取出鉆桿的長度是有限的。單根鉆桿的長度為10米左右，一般取出的單根鉆桿數為1至5根，每次取出的相連接的鉆桿稱為一根立柱。卸下的每根立柱被立放在鉆井平臺上。靠在井架上，用纜繩栓住。由于鉆桿本身的體積在井內占據一定的空間，及取出鉆桿后泥漿的流失，會使井筒內的泥漿液面下降，為了使泥漿柱壓力與地層壓力保持平衡，在井內泥漿液面下降一定的高度后，須及時補充一定數量的泥漿到井內。尤其是井內遇到高壓產層時，這種壓力平衡作業顯得更加重要，必須準確及時地向井內灌注泥漿。所謂“及時”，即是按規定取出立柱數后，立刻灌注泥漿；所謂“準確”，即是灌注的泥漿量必須達到一定的液位。通常對井內灌注泥漿的控制裝置有三種類型，一種是機械型，這是一種以機械裝置為主，電氣裝置為輔的控制裝置，如四川石油管理局鉆采工藝研究所研制的NG－ZD150／45型自動灌泥漿裝置(見附件1)，該裝置主要由電控柜，鉆臺指示箱，液流傳感器及灌注系統等部分組成。能定時自動灌滿和定時定量自動灌注泥漿。對井涌、井漏在鉆臺顯示箱進行聲光報警和自動記錄灌注泥漿瞬時排量、累積流量等項功能。其缺點是，整機中可調節的及有關的操作開關等主要元器件安裝在電控柜內，電控柜安放在遠離鉆臺作業操作人員的井場工棚內，而顯示各種信號的鉆臺指示箱安放在鉆臺上，兩相脫接，給操作使用者帶來了不便；該裝置實現諸種功能所采用的技術是機械及有觸點電氣控制方式，記錄顯示方式采用傳統的信號指示燈，技術較為落后，自動化程度不高，可靠性低，但價格并不便宜，每臺裝置售價約為一萬五千元。另一種是電子型，這是一種以電氣裝置為主，機械裝置為輔的控制裝置，如四川石油管理局資中鉆采工藝研究所與成都國營前鋒無線電儀器廠共同研制的NY－1型泥漿池液面報警器。該裝置主要由主機，電纜匯接盒，傳感器，報警喇叭電纜等組成，主要用于石油鉆井過程中，監測泥漿池泥漿總量和增減變化量，并依據鉆井工藝要求選定的泥漿溢流和漏失報警值進行報警，還可用于觀察起鉆灌泥漿時的灌入泥漿量。其缺點是，適用范圍較窄，精度較低，可靠性較差，尤其是使用該儀器觀察起鉆灌泥漿的灌入量時誤差較大。還有一種是機械電子型，這是一種大型的綜合性監測鉆井過程各種參數的裝置。如美國馬丁一代克(MARTIN－DECKER) (TTS系列)自動灌泥漿控制裝置，該裝置綜合性功能齊全，能監測鉆速，鉆桿扭矩及起鉆時自動向井筒灌注泥漿，防井噴、井漏等，其缺點是，需專人操作，操作人員必須經過專門培訓，且該裝置價格昂貴，每臺價值高達27萬美元，絕大多數現場的鉆井隊都配備不起。
本實用新型的目的就是要制造一種價格低廉，鉆井工人無需專門培訓便可操作的，用于油氣田及其他鉆井工作起鉆自動灌注、顯示、記錄泥漿量，自動記錄顯示起出立柱數及井內余留立柱數，對起鉆過程中井內溢流量或井漏量進行數字顯示及聲光報警，檢測鉆桿破裂及聲光報警，實現鉆井平衡作業，可與單板機配合記錄打印各種顯示量的控制裝置。
本實用新型是一種由起出立柱數電路，立柱破裂報警電路，選擇立柱數及自動灌漿電路，中溢聲光報警電路，井內立柱數電路，一次灌量電路，井漏聲光報警電路，累計灌量電路，中溢顯示電路，大溢聲光報警電路，穩壓電源電路，泥漿補給罐液位控制電路和單板機接口構成的油氣井灌注泥漿的控制裝置。起出立柱數電路用來記錄顯示鉆井過程中起出的立柱數，當鉆桿的接箍通過在鉆井平臺下，地表層喇叭口套管之上的空間內設置的通直流電的密封線圈(通常也稱為磁電傳感器)時，線圈就會產生一個電流脈沖，表示一根單根鉆桿進入或起出井口，若一根立柱有三根單根鉆桿，起出一根立柱就有三個脈沖，將脈沖放大到計數器所需的電平進行計數，再經譯碼驅動電路送往通常的發光二極管顯示電路進行數字顯示。當鉆桿出現嚴重破裂情況時，鉆桿破裂處通過通直流電的密封線圈，線圈也會產生電流脈沖，立柱破裂報警電路接受此鉆桿破裂信號后，受控起振，放大推動報警喇叭及點亮報警指示燈。選擇立柱數及自動灌漿電路根據現場作業的不同地質條件，選擇確定起出的立柱數目，一根或二根、三根……等，在起出相應的立柱數即對井筒自動灌泥漿。立柱數的選擇是通過一種選擇進位輸出電路進行的，由選擇進位輸出電路輸出的電平信號和井內液面傳感器送來的電平信號同時滿足預定的條件才能打開控制門電路，輸出電平信號去打開輸出泥漿管路上的電磁閥，實現向井筒內灌注泥漿。但是，在作業當中一旦井內地層有溢出造成井涌，即使起出應該灌注泥漿的立柱數后，井內泥漿液面仍處于標定的中溢液位之上，這時井內液面傳感器送來的電平信號將控制關斷輸出泥漿管路上的電磁閥，同時該電平信號經倒相處理后與指重放大器送來的電平信號一道送入中溢聲光報警電路，經振蕩放大后，發出中溢聲光報警。井內立柱數電路用來顯示井內殘留的立柱數，井內的總柱數作為被減數，靠該電路的預置按鈕置入減法器，井內起出的立柱數作為減數送入減法器進行二進制減法運算，得的差即是井內殘留的立柱數，由該電路的發光二極管顯示出來。一次灌量電路只記錄顯示每一次灌入井內的泥漿量。在作業過程中，每一次起完事先所選擇確定的立柱數后，輸送泥漿管線上的電磁閥被打開，泥漿通過泥漿流量計流向喇叭口的井中，流量變送器將泥漿流量變換成電信號，經放大送往譯碼驅動器，顯示出每一次向井內灌入的泥漿量。當向井內灌入的泥漿量超過作業人員根據需要而設定的一次灌量的理論極限值時，由一次灌量電路輸出的電平信號送入井漏聲光報警電路，經振蕩放大后發出井漏聲光報警。一次灌量的理論極限值根據立柱的體積附加一定的泥漿流失量來確定。累計灌量電路由一個帶計數器的譯碼驅動顯示電路構成，輸送泥漿管線上的電磁閥每次被打開時，泥漿流量計的電平信號經流量變送器送入一次灌量電路的同時也送入累計灌量電路，只是累計灌量的顯示既不清零也不熄滅，是一次次地連續進位累加到最后完成作業為止，其顯示數就是灌入井內泥漿總量。當井內地層有溢出造成井涌，使井內泥漿液面超過中溢液位而低于大溢液位時，井內液面傳感器送來的電平信號控制關斷了輸出泥漿管路上的電磁閥，同時驅動中溢顯示電路顯示出由作業人員事先設定預置的溢流量。如果井涌量使井筒內泥漿液面超過了大溢液位，說明井內處在危險狀態，無需顯示溢流量，液位傳感器發出的電平信號將直接送入大溢聲光報警電路，經振蕩放大后，發出大溢聲光報警。穩壓電源電路為各電路提供電源，可由集成三端穩壓電路外加抗干擾元器件組成，為了防止野外作業出現的短暫停電，還可配備蓄電池組，一旦短暫停電，則由蓄電池組給各電路供電。泥漿補給罐液位控制電路由液位傳感電極，自控開關控制電路和電磁閥組成。補給罐的容積要大于一次灌量的理論極限值，保證避免泥漿泵頻繁起動，又要適于井場作業。補給罐放置的高度應高于喇叭口，其底面可與鉆井平臺相齊。當補給罐的液位低于下部進漿液位時，液位傳感電極輸出的電平信號送入自控開關控制電路，打開電磁閥，啟動泥漿泵向罐內灌注泥漿，直到上部的溢滿液位時，電磁閥關閉，泥漿泵停止工作。泥漿泵不是本實用新型的設備，附屬于鉆井設備內。單板計算機接口可與單板機及微型打印機連用，實現本實用新型各種顯示量的記錄保存。
起出立柱數電路由前置放大電路，同步加法計數電路，計數判別電路，帶計數器的譯碼驅動顯示電路構成。起鉆作業中由磁電傳感器監測到的信號經前置放大電路放大到邏輯門電路所需求的電平后，送入同步加法計數電路。同步加法計數電路由二進制計數器、與門、非門及波段開關組成，其主要作用是確保起出立柱數的計數及每根立柱鉆桿數的選擇，灌注泥漿的起動信號也就取自這些立柱數信號。鉆井作業一開始，該電路就對立柱的鉆桿數進行了選擇，這種選擇由作業人員主觀意識和客觀條件來確定。例如，深井的鉆機井架較高，立得起三根單根鉆桿所組成的一根立柱，立柱的鉆桿數就可以選為3，要是在起鉆末尾時，鉆桿數不能湊成3的整數倍時。就要由該電路來進行另外的選擇，換句話說，該電路可以實現三個脈沖選一或二個脈沖選一。當選定三個單根鉆桿為一根立柱，起鉆時，在三個鉆桿接箍穿過磁電傳感器后，就會出現三個電流脈沖，而該電路只取出一個脈沖送往計數判別電路，為了避免鉆桿中出現的破裂之處通過磁電傳感器感生電流脈沖造成出現接箍的假象，必須同時用指重信號來進行判斷。每當一根立柱起出鉆臺落到方轉盤上待卸扣時，方轉盤這時承受了井內全部鉆桿的負荷，重量傳感器(油田鉆井通常用的是指重計)的指重信號立刻降到最低值，將此信號也送入計數判別電路后，才由帶計數器的譯碼驅動顯示電路顯示出一根立柱數。同步加法計數電路采用了雙四位二進制計數器，計數判別電路由一套門電路組成，邏輯嚴謹，實現了立柱計數的雙保險(長度和重量)功能，又能滿足不同高度井架(深井或淺井)的要求。帶計數器的譯碼驅動顯示電路集計數、譯碼、驅動、顯示于一身，不僅簡化了電路，而且便于制作、安裝和調試。
立柱破裂報警電路由多諧振蕩電路，音頻功率放大電路，聲光報警電路構成。由計數判別電路輸出的鉆桿破裂的電平信號，使多諧振蕩電路受控起振，輸出的電平信號再經音頻功率放大電路放大到足以推動聲光報警電路發出聲光報警。多諧振蕩電路結構簡單，振頻連續可調，音頻功率放大電路可選用能直接為門電路驅動的器件，聲光報警電路中的光報警器采用微型低壓大電流指示燈，從而使電路簡化，驅動功率小而輸出功率大，滿足了野外露天作業對較強的指示燈光報警的要求。
選擇立柱數及自動灌漿電路由選擇立柱數電路，自動灌漿開關電路，井內正常液位監測電路構成。選擇立柱數電路可根據實際的需要在作業前選擇起出若干根立柱后再向井筒內灌漿。例如選擇起出3根立柱后向井筒內灌漿，則當計數判別電路輸出三個電平信號到選擇立柱數電路后，選擇立柱數電路才輸出一個電平信號到自動灌漿開關電路，為了避免井涌，此時還不能自動灌漿，還需要由井內液位的監測信號來判斷，只有當井內的泥漿液面下降到規定的液位時，液位傳感器將監測到的信號送入井內正常液位監測電路轉換成高電平，也送入自動灌漿開關電路，由自動灌漿開關電路發出信號去打開電磁閥控制器，才能向井內自動灌注泥漿。該電路利用較少的元器件就實現了又一種雙保險(起出的立柱數和液位下降到標定值)功能，進一步改善了傳統使用人工的繁瑣操作。
中溢聲光報警電路由控制門電路，振蕩控制電路，音頻功率放大電路，聲光報警電路構成。當井內出現井涌，使泥漿液位超過中溢液位而低于大溢液位時，由液位傳感器輸出溢流信號送入控制門電路，由控制門電路發出報警啟動信號送入振蕩控制電路，使其受控起振，輸出電平信號經音頻功率放大電路放大后推動聲光報警電路發出中溢聲光報警。該電路可選用大規模集成電路器件，能發出復合頻率的特殊音響報警聲，明顯地區別于立柱破裂報警電路。
井內立柱數電路由預置立柱數電路，限位計數電路，減法電路，譯碼驅動顯示電路構成。預置立柱數電路是一個脈沖信號發生器，它的作用是產生人為接箍脈沖信號，在作業之前，將井內總柱數作為被減數置入限位計數電路，再由限位計數電路輸出信號將總柱數存入減法電路中，起鉆后，每起出一根立柱，計數判別電路將其作為減數送入減法電路中，由已送入減法電路中的總柱數減去一后，送往譯碼驅動顯示電路中將井內殘留的立柱數隨時顯示出來。該電路不依靠微型計算機作減法運算，去掉計算機也能完全實現整機自動化及顯示井內立柱數，操作維修方便，因此，特別適合于文化程度較低的現場井隊工人操作。
一次灌量電路由同步加法計數電路，撥盤開關，譯碼驅動顯示電路，自動關斷一次灌量電路構成。為了敘述清楚一次灌量電路，先簡要地介紹一下泥漿流量計和流量變送器。泥漿流量計是一種液流傳感器，它的作用是把輸送泥漿管線的泥漿液流量變成可以利用的電信號。流量變送器的作用是把泥漿流量計送來的電信號放大轉換到計數電路所能接受的電平。這兩種裝置不是本實用新型的組成部分，為一般鉆井機架所配備。在沒有井涌或井漏的正常情況下，起鉆后，井內液位下降，這時自動灌漿電路將打開輸送泥漿管線上的電磁閥，自動向井內灌注泥漿，當泥漿灌注到正常液位時，泥漿會自動停灌。由泥漿流量計傳送的電信號經流量變送器送入一次灌量的同步加法計數電路對流量信號進行計數，再送入譯碼驅動顯示電路，將計數轉換成一次灌量數值，由數碼管顯示出一次灌量值。撥盤開關和相應的二極管，電阻等組成一個輸入端可以選擇的與邏輯門，它可以預先設定井漏量的數值，當井內出現井漏時，撥盤開關輸出電平信號，打開同步加法計數電路的控制門，封鎖計數器的輸入端，使計數器狀態停留在井漏量的控制數值上，同步加法計數電路控制門輸出的電平信號同時送入自動關斷一次灌量電路，自動關斷一次灌量電路切斷電磁閥的供電，使電磁閥關閉，不再往井內灌漿。一旦解除井漏這種自然事故之后，可采用人工合閘的方式打開電磁閥，向井內灌漿，泥漿灌到規定的正常液位后，液位傳感器將輸出電平信號到同步加法計數電路，對計數器清零，以備下次作業時對灌漿的一次灌量進行記錄。撥盤開關所設置的井漏量，是根據選定的起出立柱數的體積所相當的泥漿量，再由技術人員按照現場作業情況換算出的相應的井漏量。該電路實現了一次灌量的數字顯示，井漏時還能自動關斷灌注泥漿的電磁閥，既減輕了操作人員的體力勞動，又減少了寶貴的泥漿的流失。
井漏聲光報警電路由多諧振蕩電路，前置放大電路，音頻功率放大電路，聲光報警電路構成。在發生井漏時，一次灌量的同步加法計數電路控制門輸出的電平信號送入多諧振蕩電路，多諧振蕩電路因此受控起振，輸出音頻信號送入前置放大電路放大后，送入音頻功率放大電路再放大一次，最后送入聲光報警電路，發出井漏聲光報警。該電路具有二次放大電路，輸出的功率較大，因此，在音頻功率放大電路的輸入端可設置音量電位器，使井漏的報警聲量大小可調，更適合現場作業的需要。
中溢顯示電路由同步加法計數電路，譯碼驅動顯示電路構成。同步加法計數電路通過脈沖發生器預先由操作人員置入一個溢流量，此溢流量與一次灌量有關。當井內出現井涌，井內泥漿液位超過中溢液位時，井內正常液位監測電路輸出的電平信號送入譯碼驅動顯示電路，將事先置入的溢流量顯示出來。譯碼驅動顯示電路中設置有調光電路，在不出現中溢時，可使事先置入的溢流量的數字呈微弱亮度的顯示或完全熄滅，而中溢出現時，接受受控的電平信號后才使溢流量的數字明亮地顯示出來，便于操作人員觀察和處理。該電路結構簡單，自成一體，既可與微機相配合實現記錄，也能獨立地完成中溢顯示。
大溢聲光報警電路由串聯振蕩電路，音頻功率放大電路，聲光報警電路構成。該電路不設大溢數字顯示，因為大溢是一種危險狀態，當井內出現這種情況時，由液位傳感器送來的電平信號送入串聯振蕩電路，使串聯振蕩電路受控振蕩，輸出電平信號經音頻功率放大電路放大后，送入聲光報警電路發出大溢聲光報警。該電路無大溢顯示，減少了電路的元器件，能使液位傳感器監測到的電平信號經最少的電路環節直接發出大溢聲光報警，串連振蕩電路還能產生復合頻率音響的控制信號，使聲光報警電路發出與前述各種報警電路不同的復合頻率音響，以特別警示操作人員對大溢事故作緊急處理。
油氣井灌注泥漿控制裝置是一種專為地質勘探，油氣田及其他所有鉆井工作起鉆防噴而設計的一種井控安全設備，操作人員無需專門培訓，在作業之前只需作一次性簡單的操作，就能根據不同的井架高度和現場作業的地質條件選擇不同的立柱數，及時、準確、定量地向井內灌注泥漿，實現近井平衡作業。還能自動記錄并顯示起鉆的立柱數和井內所剩的立柱數，自動記錄并顯示一次泥漿灌量及累計灌量，自動記錄并顯示井內溢流量及自動聲光報警，還能對井漏進行顯示并自動聲光報警，還能現場探測鉆桿的線破裂并進行聲光報警。本實用新型配單板微機后，能自動記錄打印上述各項顯示記錄數據。本實用新型電路結構先進，合理，性能穩定安全可靠。本實用新型成本低廉，一臺價格僅1.5萬元人民幣，遠遠低于同類型的其他國家的產品。本實用新型的全部電子電路裝在一臺主機中，大小僅與一臺手提式四喇叭收錄機相仿，尤如行李般可不費勁地隨鉆井隊安全搬遷，重復使用。由于本實用新型具有如此多種功能，因此可以廣泛地使用在油田、氣田、地質勘探部門的鉆井隊，也可用于海上鉆井、鹽井鉆井、金屬礦藏鉆井，以及有關工程地質的深井鉆探。


和實施例如下圖1油氣井灌注泥漿控制裝置原理框圖編號1、起出立柱數電路2、立柱破裂報警電路3、選擇立柱數及自動灌漿電路4、中溢聲光報警電路5、井內立柱數電路
6一次灌量電路7井漏聲光報警電路8累計灌量電路9中溢顯示電路10大溢聲光報警電路11穩壓電源電路12泥漿補給罐液位控制電路45泥漿流量計46流量變送器P1大溢液位傳感器P2中溢液位傳感器P3泥漿補給罐液位傳感器注虛線框內裝置是鉆井設備的附屬設備。
以后均同。
圖2起出立柱數電路原理框圖編號13前置放大電路14同步加法計數電路15計數判別電路16帶計數器的譯碼驅動顯示電路47磁電傳感器48重量傳感器圖3立柱破裂報警電路原理框圖編號17多諧振蕩電路18音頻功率放大電路19聲光報警電路圖4選擇立柱數及自動灌漿電路原理框圖編號20選擇立柱數電路21自動灌漿開關電路22井內正常液位監測電路P2中溢液位傳感器圖5中溢聲光報警電路原理框圖編號23控制門電路24振蕩控制電路25音頻功率放大電路26聲光報警電路圖6井內立柱數電路原理框圖編號27預置立柱數電路28限位計數電路29減法電路30譯碼驅動顯示電路圖7一次灌量電路原理框圖編號31同步加法計數電路32撥盤開關33譯碼驅動顯示電路34自動關斷一次灌量電路45泥漿流量計46流量變送器圖8井漏聲光報警電路原理框圖編號35多諧振蕩電路36前置放大電路37音頻功率放大電路38聲光報警電路圖9累計灌量電路原理框圖編號39帶計數器的譯碼驅動顯示電路45泥漿流量計46流量變送器圖10中溢顯示電路原理框圖編號40同步加法計數電路41譯碼驅動顯示電路圖11大溢聲光報警電路原理框圖編號42串聯振蕩電路43音頻功率放大電路44聲光報警電路P1大溢液位傳感器圖12起出立柱數電路原理圖圖13立柱破裂報警電路原理圖圖14選擇立柱數及自動灌漿電路原理圖圖15中溢聲光報警電路原理圖圖16井內立柱數電路原理圖圖17一次灌量電路原理圖圖18井漏聲光報警電路原理圖圖19累計灌量原理圖圖20中溢顯示電路原理圖圖21大溢聲光報警電路原理圖圖22泥漿補給罐液位控制電路原理圖圖23穩壓電源電路原理圖圖24油氣井灌注泥漿控制裝置結構示意圖圖12－圖24是本實用新型的一個實施例。
圖12中，元件IC15，W2，R15－R19，C6，C7組成前置放大電路。元件IC14的B半邊，R4，R13，R14，R20，R24，R62，C8，C27，N5組成同步加法計數電路。元件IC16－IC18，SW1組成計數判別電路，元件IC10－IC12組成譯碼驅動顯示電路。磁電傳感器T1監測到起出鉆桿接頭信號脈沖，輸入到由IC15集成運放所組成的具有高增益，高穩定性的前置放大器。IC15選用型號為LM111 CMOS集成電路，只要磁電傳感器的輸出電壓大于幾個毫伏就可以工作，運放IC15的輸出可以直接驅動CMOS門電路。W2用以調平衡，在無信號輸入時，調平衡至零輸出。R15及R16提供偏置電壓。由IC15第7腳輸出的鉆桿接頭信號送入IC14的10腳允許端EN，IC14選用CD4520B CMOS集成電路，是雙4位二進制同步加法計數器，僅用1／2(B邊)，另外1／2(A邊)用于井內立柱數電路。時鐘CP端接零電平，在EN端輸入脈沖下降沿計數；輸出端Q1、Q2、Q3、Q4的四位二進制數要照主機的操作需要，分別起不同的作用。16腳VDD接電源，8腳VSS接地，R為高電平時Q1、Q2、Q3、Q4全為零。此三個腳的接法在本裝置電路中所有的計數器及CL組合電路均如此，以后不再贅述。若一根立柱為三根單根鉆桿連接而成時，SW1四刀雙擲開關置于3位置。在正常情況下，IC14的10腳EN端輸入三個脈沖后，輸出端的狀態為Q4＝0，Q3＝0，Q2＝1，Q1＝1。此時與非門G6，G8，均不起作用，Q2＝1，Q1＝1兩個高電平同時輸入與門G1的C1，D1輸入端，門G1是由CMOS集成電路CD4082B組成的四輸入端雙與門，它和本圖中其它門電路一起構成判別電路。當一根立柱起出待卸時，和指重表(表1)并聯的電接點壓力表(表2)的指針接通低電平(注指重表和電接點壓力表是本實施例的重量傳感器)，低電平經G7與非門反相成高電平送往G1門的A1，B1輸入端，會同C1，D1端的高電平把G1門打開，Y1輸出高電平到IC12的時鐘端CP，顯示加1的計數。IC12是型號為CL102的CMOS－LED組合電路(簡稱CL組件)，它是用磷砷化鎵 (LED)數碼管和計數、鎖存、譯碼、顯示驅動合成一個集成組件的電路，還帶有BCD代碼輸出。本電路的起出立柱的最大示數為999，CL組件的最佳工作電壓為5伏，能在4－15伏間工作而無需接口，因為計數速度不高，把CL組件接成三級串聯形式，工作中累計記數，無需清零。對于IC14的B邊計數器來說，每起完一根立柱后必須自動清零，以備下次起鉆時重新計數，以避免兩次測量結果疊加。下次起鉆時，表2指針接電源端，在變成高電平的瞬間通過電容器C27使R62接收到一個高電平，迫使IC14計數器自動清零。隨后，由于C27經R62充電，C27兩端產生壓降，R62端變成低電平，這和C8、R20所組成的開機清零電路的原理是一樣的。N5按鈕為手動清零。SW1開關撥向2位置時，表示作業中選擇兩根單根鉆桿相互連接作為一根立柱計數。IC14的10腳EN端輸入二個脈沖后，輸出端的狀態為Q4＝0，Q3＝0，Q2＝1，Q1＝0，Q2的高電平仍直接送往G1門，而Q1的低電平必須經與非門倒相成高電平后才送往G1門，不論SW1撥向3或2位置，G1門的輸出端y1還將這個高電平送往IC8計數器作減量計數。本電路圖引出連接線共10根，0、1號線與正5伏電源連接(見圖23)。2、3、4號引線與圖16中的2、3、4號線相連，井內立柱數電路中的BCD代碼即由此送入微機接口。5號線將起出立柱數脈沖送往減法器(IC2，IC5，IC8，見圖16)。13號線將撥盤開關KG4輸出的預定立柱數信號送往兩個雙保險控制門G3，G4的輸入端A1及A2(見圖14)。18號線將立柱破裂報警信號送入立柱破裂報警電路(見圖13)。
圖13中，元件IC40，二極管D17，D18，電阻R21，R22，電容C9，電位器W3組成多諧振蕩電路。場效應晶體管BG3，BG4組成音頻功率放大電路。電阻R23，開關K1，喇叭YD1，指示燈ZD3組成聲光報警電路。W3用于調節振蕩頻率，振頻f0取決于R·C9，通過改變W3及C9振頻可在4HZ－25HZ范圍調整。當G2門輸出高電平時，門G11，G12組成的振蕩器受控起振工作，由G12門的Y2輸出振蕩頻率，經BG3，BG4分別放大后作聲光報警。在SW1開關處于位置3，一根立柱中的鉆桿出現一處或一處以上的破裂時，鉆桿破裂處也在磁電傳感器中產生脈沖，則IC14的Q3端就會出現高電平1，在計數狀態達到Q4＝0，Q3＝0，Q2＝1，Q1＝1時，門G1無法打開，因為此時鉆桿仍處于上提之中，表2指針接高電平，致使G1門的A1，B1輸入端為低電平，Y1仍處于低電平，IC12不計數。當起完一根立柱出現四個脈沖待卸時，表2的指針狀態轉換使G1門的A1，B1轉為高電平，這時IC14的計數狀態又轉為Q4＝0，Q3＝1，Q2＝0，Q1＝0，G1門仍然無法打開。Q3＝1的高電平將通過SW1a開關直接送入IC12的CP端計數，同時送往IC8作減1計數。Q3的高電平同時還通過SW1a開關接與門G2的C2，D2端，因A2，B2巳處于高電平，G2門打開Y2輸出高電平去驅動立柱破裂報警電路作聲光報警。該圖中的3根引出線與圖12中編號相同的線相連。
圖14中，門G3、G4(IC17)，門G9(IC18)，與圖12中的KG4(撥盤開關)，二極管D13－D16，IC13，R63，R64，C28，C29共同組成選擇立柱數電路。元件IC17的G5門，場效應晶體管BG2，電阻R10－R12，電容C4，C5，電位器W1，指示燈ZD2組成正常液位監測電路。晶體管BG17，二極管D29，電阻R61，繼電器J1組成自動灌漿開關電路。本電路具備選擇不同立柱數起完后即自行灌注泥漿的功能，可以在起出1－5根立柱數中進行任意選擇。由IC14計數器的A邊及小型撥盤開關KG4，D13－D16所組成的自動開關電路來實現選擇的。門G1或G6經SW1開關送往IC12的立柱數計數信號同時也送往IC14A邊計數器的輸入允許端ENA。當KG4設定的數字和IC14A邊計數器狀態相同時，KG4輸出高電平。若需起完三根立柱后自行灌漿，則撥盤開關撥到數字“3”，計數器狀態為AQ4＝0，AQ3＝0，AQ2＝1，AQ1＝1時，KG4輸出的高電平引至門G3的A1端，B1端早巳是高電平，門G3打開后輸出高電平到BG17的基極使其導通，J1繼電器吸合，打開電磁閥D1F1100，泥漿由補給罐通過電磁閥控制的管道向井內灌漿。在正常情況下，只要提起鉆桿，井內泥漿液位即開始下降，P2液位處的兩個電極(液位傳感器)形成開路，門G5的A3變成低電平，Y3輸出低電平經與非門G9倒相成高電平送往G3的B1。這里打開電磁閥D1F1的充分必要條件是一、P2處兩電極監測到井內液位下降。二、巳起完所選定的立柱數。當P2液位處灌滿泥漿，兩個電極通過漿液而導電，則G5門輸出高電平，門G3的B1變成低電平而使D1F1電磁閥關閉，停止灌漿。同時G5門的高電平送到BG2功率管點亮液滿指示燈ZD2。KG4輸出的高電平，經由三個斯密特觸發器(IC13)，以及C28，R64，C29，R63所組成的可調延時電路，延時約15秒后引向IC14A邊作清零。IC13由CMOS集成電路CD40106所組成，它是6只斯密特電路，只用了其中3只。清零脈沖的寬度由R63、C69決定。延遲時間可通過電位器R64調節。本圖中編號為0、1、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、31、32的18根引線分別與圖12、圖15、圖16、圖17、圖22、圖23中編號相同的線相連。
圖15中，IC18的G14門組成控制門電路；IC20，電阻R26，R27組成振蕩控制電路；BG5，BG19，R25組成音頻功率放大電路；R67，YD2，ZD4，K2組成聲光報警電路。起完預定的立柱后，P2處液位仍未下降，兩個電極繼續導通，則G5門的Y3輸出的高電平送往與門G4的B2端，而A2端巳接收到起完預定立柱后，由KG4送來的高電平，G4門被打開，輸出高電平到與非門G14，其Y5輸出低電平，IC20接收到低電平后起振，發出救護車聲響的振頻，經BG19、BG5放大后驅動聲光報警，表示井內巳有中等程度溢流，提醒作業人員采取措施，排除井內隱患。IC20選用的集成塊型號為CW9561。該圖中的3根引線0、1、15號，分別與圖15、圖23中編號相同的線相連。
圖14中，元件IC41，R8，R9，C3，N1組成預置立柱數電路；圖14中的元件IC18的G10門，IC19，BG1，R6R7，C2，N4，ZD1，及圖16中的元件IC3，IC6，IC9，KG1－KG3，R1－R3，N2共同組成限位計數電路；圖16中的元件IC2，IC5，IC8，C1，R5，N3組成減法電路；圖16中的元件IC1，IC4，IC7組成譯碼驅動顯示電路。IC41采用時基電路NE555，構成占空因數為50％的多諧振蕩器，當IC41的輸出端為高電平時，輸出電壓通過R9對C3充電，C3上端的電壓上升到上限閥值電壓時，IC41電路輸出翻轉成低電平，C3放電，C3上端電壓下降到下限閥值電壓時，電路輸出又變成高電平，通過改變C3的容量可以改變振蕩頻率。IC3、IC6、IC9是型號為C180的CMOS集成電路，采用串行級聯形式，將低位的Q4端連到高位的輸入允許端EN，信號由低位EN輸入。時鐘脈沖的上升沿觸發，除低位CP端外各位CP端保持“0”電平。Cr為清零端，當Cr端上加“1”電平或正脈沖時，計數器各輸出端Q1－Q4為“0”電平。計數器各位輸出端通過二極管D1－D12分別和三位撥盤開關的四個輸入端相近，每一位撥盤開關預先撥到一位十進制數碼，三位最大數值為999。各位的代碼分別與相應的計數器的輸出狀態的代碼相同時，則各位撥盤開關KG1、KG2、KG3將同時輸出高電平到與門G13的輸入端，將與門G13打開。G13的Y1輸出高電平，分兩路，一路到BG1的基極使其導通點亮指示燈ZD1，表示三位計數器所設置的數巳到位。Y1高電平的另一路送往低位計數器的CP端，封住計數器，使其不能再計數，Y1高電平同時輸入與非門G10，轉換成低電平，通過多觸點預置控制鍵N2，將設置的數置入到減法器中。IC2、IC5、IC8是可預置BCD加／減計數器，其型號為CD40192B，各有D1－D4四個8421代碼置數端，接收從IC3、IC6、IC9送來的相應代碼。預置數時，只要在預置控制端PE和Cr端上加一低電平或負脈沖即可將接在D1－D4上的預置數傳送到各位計數器的輸出端Q1－Q4，然后PE恢復成高電平，這時計數器就可以在預置數的基礎上作減1計數。IC1、IC4、IC7的型號為CL002，是不帶計數器的CL組合電路。它包括鎖存、譯碼、驅動及LED顯示在內，兼具BCD代碼輸出。其數據輸入端是A′、B′、C′、D′。R為復零輸入端。A1、B1、C1、D1、A2、B2、C2、D2、A3、B3、C3、D3分別為各位BCD代碼輸出端。減法器預置的數送入CL002鎖存，譯碼成十進制數經內部驅動電路點亮七段紅色發光二極管LED。按下預置數鍵N1，由IC41時鐘脈沖發生器產生的置數脈沖置入到IC3、IC6、IC9計數器內，這個數也就是巳下入井內的立柱總數。它是通過KG1、KG2、KG3撥盤開關以十進制數設置好的。用手按住按鍵N1，一直到ZD1指示燈點亮，則表示IC3、IC6、IC9計數器中的計數巳設置好，可以放手松開按鍵N1。然后按動一次按鈕N2，使IC2、IC5、IC8接收到預置的數，并送到其輸出端，讓IC1、IC4、IC7的數據輸入端接收到代碼，經鎖存、譯碼、驅動顯示出井內的總立柱數。起鉆作業中起出的立柱數由G1門送出，輸入IC8作減1計數，直至作業完成為止。N4為IC3、IC6、IC9計數器的手動清零鍵。N3為IC2、IC5、IC8減法器的清零鍵。C1、R5及C2、R6組成開機清零電路。圖16中的14根引出線分別與圖12、圖14、圖23中相應編號的線相連。
圖17中，元件IC27，IC28，IC31，R29－R31，C11，N7組成同步加法計數電路；KG5，KG6，D19－D26組成撥盤開關；IC25，IC26組成譯碼驅動顯示電路；BG18，D30，R66，J3組成自動關斷一次灌量電路。IC27，IC28是型號為C180的CMOS集成電路，是BCD同步加法計數器。IC31是型號為CD4081B的二輸入端四與門CMOS集成電路。KG5、KG6是型號為KL4－8421碼撥盤開關。IC25、IC26是型號為CL002的CMOS－LED組合電路。起鉆作業開始之前，根據鉆桿的直徑及每一次預定起出的立柱數等參數，估算出一次灌入量的最大允許值，通過撥盤開關KG5、KG6將此值設置在電路中。在正常情況下，流量電信號脈沖由泥漿流量計經流量變送器送到一次灌量的低位計數器IC28，兩位計數器IC27、IC28作成串行級聯，各自的輸出分別送往IC25、IC26作鎖存、譯碼、驅動及顯示出一次灌量的數值。IC25、IC26兼具BCD代碼輸出，由A1、B1、C1、D1及A2、B2、C2、D2送往微機內存，以備打印記錄。在非正常情況下，一次灌量巳達到所設置的最大值，則IC27、IC28的計數狀態和撥盤開關的設定值一致，兩位撥盤開關輸出高電平引到與門G19(IC31)，打開門G19，輸出高電平引向低位計數器IC28，封鎖住計數器。同時此高電平還引去BG18的基極，使其導通，負載上的繼電器J3吸合，兩組常閉觸點J3a、J3b斷開，切斷電磁閥D1F1的供電，不再往井內灌漿以待事故處理。在井內堵漏的故障處理中，若需向井內灌漿，可用手動開關K5(見圖14)來給電磁閥通電。一旦排除井漏故障，也靠K5合上，給井內灌漿至P2液位處，指示燈ZD2點亮后，切斷K5，主機又恢復原來的自動進程。一次灌量計數可以用按鍵N7清零，C11R11組成開機清零電路。該圖中的9根引出線分別與圖12、圖14、圖18、圖23中編號相同的線相連。
圖18中，元件IC29，R32－R36，C12，C13組成多諧振蕩電路；BG6，R37－R39，C14，C15，C20，W4組成前置放大電路；IC30，R40－42，C16，C17，C21組成音頻功率放大電路；R43，R44，C18，C19，BG7，K3，ZD5，YD3組成聲光報警電路。IC29采用時基電路NE555。IC30為CMOS集成功放電路，型號為LM2002。當一次灌量達井漏值時，G19門打開送出的高電平通過R36引入IC29，時基電路所組成的振蕩器受控起振，輸出音頻信號經C14注入BG6前置射隨放大器，再經IC30放大后推動喇叭發出報警聲響。ZD5指示燈則因BG7導通而點亮。報警喇叭可以通過開關K3切斷，排除故障后再斷開K3。該圖中的3根引線分別與圖17、圖23中編號相同的線相連。
圖19中，元件IC21－IC24，R28，C10，N6組成累計灌量電路。IC21－IC24為CMOS－LED組合電路，型號為CL102，采用串行級聯形式。前述的流量脈沖信號其中一路還送到低位CL組合電路IC24的允許端進行計數。低位的進位輸出端連到高一位的允許端，每位計數均由CL組合電路內部鎖存、譯碼、驅動直到完成累計灌量的顯示。CL組合電路兼具BCD代碼輸出，由各位的A1、B1、C1、D1－A4、B4、C4、D4送往微機內存，以備打印記錄。N6為手動清零鍵。C10、R28組成開機清零電路。該圖中共有6根引出線，0、1號線與正5伏電源相連(見圖23)，21、22、23、24號線將累計量示數的BCD碼送入微機接口(見圖12)。
圖20中，元件IC35－IC37，R65，C30，N9組成同步加法計數電路；IC32－IC34，BG8－BG13，R45－R50，K6組成譯碼驅動顯示電路。本實施例中，為檢修維護方便，為中溢顯示電路單獨設置了預置電路，因為器件NE555價格不貴，不會影響整機的成本。當然不設置此預置電路，也可用井內立柱數電路中的預置立柱數電路(見圖14)來預置中溢量。圖20中的元件IC38，R51，R52，C22，D31，D32，W5，N8組成中溢量預置電路。IC35－IC37是型號為C180的BCD同步加法計數器CMOS集成電路，采用串行級聯。IC32－IC34是型號為CL002的CMOS－LED組合電路。IC38采用時基電路NE555。作業開始時，手按預置數按鍵N8，向IC38供電，使其產生的脈沖輸入計數器IC37的允許端計數。從CL組合電路的LED顯示器上可以看到所置數值的變化，直到所要設定的溢流值時，放開N8鍵。此時K6是合上的，各位CL組合電路的V端通過BG8、BG10、BG12導通至地而使示數點亮。一旦發生溢流，門G4(見圖14)送來的高電平驅使BG9、BG11、BG13導通，從而又加亮中溢溢流量示數。該圖共有7根引出線，0、1、15號線分別與圖14、圖23中編號相同的線相連；27、28、29號線將中溢溢流量示數的BCD碼送往微機接口。
圖21中，元件IC39，R53－R57，C23，C24組成串聯振蕩電路；BG14，BG15組成音頻功率放大電路；R58，ZD6，YD4，K4組成聲光報警電路。IC39為2輸入端四與非門CMOS集成電路，型號是CD4011B，組成兩個串聯振蕩器。與非門G15、G16組成的振蕩器的振頻是100HZ，與非門G17、G18組成的振蕩器的振頻是2千HZ。兩個振蕩器均需受控起振。當P1液位處充滿泥漿后，兩個電極導通，使門G15的輸入端受控起振。其振頻輸出到門G17的受控輸入端，又使門G17、G18起振。振蕩器產生的是方波，2千HZ的方波被100HZ的方波所調制，形成雙音響，經大功率場效應管BG14、BG15放大后，推動YD6、ZD6發出雙音響聲光報警。K4合上可切斷喇叭聲響，待排除事故后再斷開復原。該圖中只有0、1號兩根引出線與正5伏電源相連(見圖23)。
圖22中的所有元器件構成泥漿補給罐液位控制電路，除補給罐、電磁閥和P3電極外的其余元件構成自控開關控制電路。補給罐中插入三根長短不一，直徑為10－20毫米的不銹鋼電極，排列成一字形，與罐壁和相互之間是絕緣的。三根電極的長度應根據補給罐的實際尺寸來選取。當補給罐內初始液位低于b位置線時，由于B、C電極沒接觸到泥漿液，使晶體管BG16基極無偏流而截止，繼電器J2不動作，J2的常閉觸點接通電磁閥D2F2，電磁閥及泵打開向罐內灌漿，綠色指示燈點亮；罐內液位逐漸升高，當液位升到b位置線時，漿液接觸到B電極，但此時J2的常開觸點是斷開的，BG16仍舊截止，繼續灌漿。當漿液升高到C位置線時，C電極也接觸到漿液，BG16的基極通過電位器W6，常閉按鈕N11，R60，C、A電極間的漿液電阻，從電源變壓器T2的3，4端繞組中獲得偏流，于是BG16導通，J2吸合，常閉觸點斷開，電磁閥D2F2關閉，停泵，停止向補給罐內灌漿。此時，常開觸點閉合，ZD8紅色指示燈亮(圖22中下面的那個)，電極C、B因常開觸點閉合而被短路連通。停泵一段時間后，即使由罐內向喇叭口井內供漿使補給罐液位下降至C線以下，只要不低于b線，BG16的基極仍繼續獲得偏流。當補給罐的液位降到b線以下時，BG16基極失去偏流截止，電磁閥D2F2獲電，泵又開啟向罐內灌漿。以后重復上述過程，自動完成補給罐內液位控制。按鈕N10、N11用來維修或調試電路。該圖共有4根引出線，19、20號線不與任何電路連接，僅作維修檢查電路的測試點；16、17號線與圖14中編號相同的線相連。
圖23中各元件構成穩壓電源電路，其特點是選用了集成穩壓電路IC42、IC43，型號為LM396，它是三端集成穩壓器。為其余各電路提供5V和12V兩種直流電源。
圖24是本實用新型結構示意圖，底板及面板采用5毫米厚的合金鋁板，面板表面噴砂氧化，框架及內部襯板及兩側襯板采用2毫米厚的鍍鋅鐵板或合金鋁板。其長、寬、高外形尺寸為300×600×330。本實用新型的電子元器件絕大部分裝在PB1－PB4四塊印刷電路板上，起出立柱數電路、立柱破裂報警電路、選擇立柱數及自動灌漿電路、中溢聲光報警電路、井內立柱數電路裝在PB1板上；一次灌量電路、井漏聲光報警電路、累計灌量電路裝在PB2板上；中溢顯示電路(及附屬的中溢量預置電路)、大溢聲光報警電路裝在PB3板上；穩壓電源電路裝置在PB4板上。這四塊板放在機座下層，上層可放置微機及微型打印機。面板上的數字顯示從左至右是井內立柱數示數、起出立柱數示數、累計灌量示數、一次灌量示數、中溢顯示示數。泥漿補給罐液位控制電路組裝在一只小盒內，安放在泥漿補給罐上。本實施例選用TP801單板機接口，與同型號單板機及微型打印機連用。
權利要求1.一種油氣井灌注泥漿的控制裝置，其特征在于由起出立柱數電路，立柱破裂報警電路，選擇立柱數及自動灌漿電路，中溢聲光報警電路，井內立柱數電路，一次灌量電路，井漏聲光報警電路，累計灌量電路，中溢顯示電路，大溢聲光報警電路，穩壓電源電路，泥漿補給罐液位控制電路和單板機接口構成。
2.如權利要求1所述的控制裝置，其特征在于起出立柱數電路由前置放大電路，同步加法計數電路，計數判別電路，帶計數器的譯碼驅動顯示電路構成。
3.如權利要求2所述的控制裝置，其特征在于立柱破裂報警電路由多諧振蕩電路，音頻功率放大電路，聲光報警電路構成。
4.如權利要求1，2，3所述的控制裝置，其特征在于選擇立柱數及自動灌漿電路由選擇立柱數電路，自動灌漿開關電路，井內正常液位監測電路構成。
5.如權利要求4所述的控制裝置，其特征在于中溢聲光報警電路由控制門電路，振蕩控制電路，音頻功率放大電路，聲光報警電路構成。
6.如權利要求5所述的控制裝置，其特征在于井內立柱數電路由預置立柱數電路，限位計數電路，減法電路，譯碼驅動顯示電路構成。
7.如權利要求6所述的控制裝置，其特征在于一次灌量電路由同步加法計數電路，撥盤開關，譯碼驅動顯示電路，自動關斷一次灌量電路構成。
8.如權利要求7所述的控制裝置，其特征在于井漏聲光報警電路由多諧振蕩電路，前置放大電路，音頻功率放大電路，聲光報警電路構成。
9.如權利要求8所述的控制裝置，其特征在于中溢顯示電路由同步加法計數電路，譯碼驅動顯示電路構成。
10.如權利要求9所述的控制裝置，其特征在于大溢聲光報警電路由串聯振蕩電路，音頻功率放大電路，聲光報警電路構成。
專利摘要本實用新型是一種專為地質勘探，油氣田及其他所有鉆井起鉆防噴而設計的一種井控安全設備，由起出立柱數電路，立柱破裂報警電路，選擇立柱數及自動灌漿電路，中溢聲光報警電路，井內立柱數電路，一次灌量電路，井漏聲光報警電路，累計灌量電路，中溢顯示電路，大溢聲光報警電路，穩壓電源電路，泥漿補給罐液位控制電路和單板機接口構成。電路原理簡單，可靠性高，能實現多種記錄、顯示及井涌、井漏及鉆桿破裂等聲光報警。
文檔編號E21B33/13GK2039344SQ8821282
公開日1989年6月14日 申請日期1988年3月28日 優先權日1988年3月28日
發明者梅盼和 申請人:四川省石油管理局地質勘探開發研究院