冻土带天然气水合物科学钻探参数检测系统研究

【摘要】：天然气水合物被各国科学家公认为是具有良好前景的重要后续能源。天然气水合物的形成与贮存条件比较特殊，需要低温高压的环境，它的勘探开发技术不仅与常规能源不相同，而且在海洋中和陆地上对水合物的勘探开发技术也不相同。 钻探取样是天然气水合物资源勘探的重要环节，对于获得水合物并准确评估水合物储量具有重要作用，是研究水合物最直接、可靠和有效的方法。天然气水合物形成和存在于低温高压的特殊环境中，其钻探工艺也与常规地质钻探不同，要根据水合物地层的特点和钻探条件，制定符合水合物科学钻探特点的钻探规程。因此，需要在科学钻探过程中准确检测钻探工艺参数，通过钻探工艺参数的归纳总结，最终得到天然气水合物科学钻探规程。 本文针对天然气水合物科学钻探过程的需要和规律，研制了冻土带天然气水合物科学钻探参数检测系统。整个检测控制系统采用两级分布式控制结构，第一级为上位工控机，第二级为下位机，由各种传感器组成。 首先对钻探参数检测系统进行了硬件设计。确定了确定需要检测的27个参数：孔深、钻速、大钩载荷、钻压、立轴转速、回转扭矩、泥浆泵压力、电机功率、泥浆泵流量、循环泥浆体积、循环泥浆增减量、泥浆总体积、#1箱体积、#2箱体积、#3箱体积、井口可燃气体浓度、2#可燃气体浓度、进井泥浆温度、出井泥浆温度、泥浆制冷进口温度、泥浆制冷出口温度、进尺长度、传动轴转速、钻压油压A、钻压油压B、电机电流和电机电压。，并针对不同的参数进行了传感器的选型，选择了10种传感器进行检测。传感器有油压传感器、接近开关传感器、流量传感器、拉绳传感器、电流传感器、气体浓度传感器、功率变送器、超声波液位传感器、温度传感器、拉力传感器。介绍了各种传感器所要测量的参数、工作原理、工作过程和工作方式。此外对上位工控机的进行了硬件设计，主要有硬件结构，硬件配置以及硬件安装要求。由于系统使用环境恶劣，还对检测系统硬件在温度、湿度、日照适应性，防爆技术，信号抗干扰技术，断电、过压、过流、欠压保护技术，抗震、防腐技术的等方面进行了研究。 然后对钻探参数检测系统进行了软件设计。钻探参数检测系统软件基于Windows操作系统设计，利用微软的Visual BASIC可视化开发工具开发。对系统的软件架构、软件的编制与算法实现、软件干扰滤波算法、数据存储于数据库应用、软件功能设计、打印软件6个方面进行了设计。最终系统软件包含了数据采集和人机界面两部分。通过数据采集软件的设计，保证了数据采集的精度，速度，对采集的参数数值通过各种数值滤波计算保证参数的可靠性、准确性、真实性；通过对人机界面的设计，使界面简单、易懂，方便设置，并能实现了数据存储、查询、回放及打印的功能。 本文研制的钻探参数检测系统是针对MK-2冻土带天然气水合物科学钻探井工程的，对MK-2科学钻探井工程的自然地理条件、地表资料和地质情况进行了介绍。依据地质地层情况对对MK-2进行了工程设计，钻孔深度为2300m，终孔直径为Φ77.5,mm，孔身结构为4开，全孔取心，采用绳索取心钻具。对于钻探设备进行了选择，采用HXY-8型钻机，SG-24型钻塔，井控系统以及一系列的配套设备，对天然气水合物泥浆制冷系统的组成、工作原理以及实际的应用效果进行了介绍。特别对钻探参数检测系统在MK-2中的使用情况进行了介绍，包括对现场的安装情况，使用情况，各个参数检测的实际意义进行了叙述。 对冻土带天然气水合物钻探参数检测系统在MK-2科学试验井野外试验取得的数据进行分析研究。主要的分析参数有八个：转速、钻进速度、钻压、扭矩、泥浆泵量、泥浆泵压、可燃气体含量和泥浆温度。研究各个参数在钻进过程中出现的问题及其原因。在钻探过程中，通过可燃气体的检测，预测了含气异常的层位；通过泵压的实时检测，避免了钻杆断裂事故造成重大影响；通过结合班报表和地层资料，研究了地层与转速、钻压之间的关系。还对各个参数之间的相互影响，相互关系进行研究。 通过使用对整个检测系统在野外的实际应用效果做出了的评价：钻探参数检测系统结构合理、测量快速准确、工作稳定可靠，完全可以优质高效的完成天然气水合物钻探过程中钻探参数的检测工作，为科学钻探提供可靠的保障。 【关键词】：天然气水合物 科学钻探 传感器 钻探参数检测 试验研究
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P634
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-30
• 1.1 本论文研究的目的及意义12-14
• 1.2 冻土带天然气水合物及科学钻探14-20
• 1.2.1 天然气水合物的性质特征14-16
• 1.2.2 冻土带天然气水合物科学钻探16-20
• 1.3 钻探参数检测系统研究现状20-27
• 1.4 研究的主要内容27-28
• 1.5 本章小结28-30
• 第2章 系统硬件设计与研制30-62
• 2.1 参数检测的组成及原理30-33
• 2.1.1 参数检测系统的组成30-31
• 2.1.2 系统设计思路31-33
• 2.2 检测传感器选型分析33-49
• 2.2.1 检测参数及传感器组成33-34
• 2.2.2 钻压测量——油压传感器34-36
• 2.2.3 转速测量——接近开关传感器36-37
• 2.2.4 入口泥浆流量测量——流量传感器37-39
• 2.2.5 泥浆压力测量——压力传感器39-40
• 2.2.6 井深测量——拉绳传感器40-41
• 2.2.7 回转扭矩测量——霍尔式电流传感器41-43
• 2.2.8 可燃气体测量——红外式气体浓度传感器43-45
• 2.2.9 钻机电功率测量——功率变送器45-46
• 2.2.10 泥浆体积测量——超声波液位传感器46-47
• 2.2.11 泥浆温度测量——温度传感器47-48
• 2.2.12 大钩载荷测量——拉力传感器48-49
• 2.3 上位工控机的硬件设计49-53
• 2.3.1 硬件结构49-50
• 2.3.2 硬件配置50-53
• 2.3.3 硬件安装要求53
• 2.4 硬件环境适应性53-60
• 2.4.1 温度、湿度、日照适应性研究54-55
• 2.4.2 防爆技术研究55-57
• 2.4.3 信号抗干扰技术研究57-59
• 2.4.4 断电、过压（流）、欠压保护技术研究59-60
• 2.4.5 抗震、防腐技术研究60
• 2.5 本章小结60-62
• 第3章 系统软件设计与研制62-84
• 3.1 操作系统选择62-64
• 3.2 系统软件编制与调试64-82
• 3.2.1 软件架构64-65
• 3.2.2 软件编制及算法实现65-68
• 3.2.3 软件抗干扰滤波算法68-71
• 3.2.4 数据存储与数据库应用71-74
• 3.2.5 软件功能设计74-80
• 3.2.6 打印软件80-82
• 3.3 本章小结82-84
• 第4章 MK-2 冻土带天然气水合物科学钻探井工程应用84-110
• 4.1 漠河盆地自然概况与地质条件84-85
• 4.1.1 施工区自然地理概况84
• 4.1.2 地质状况84-85
• 4.2 MK-2 井钻探工程设计85-96
• 4.2.1 钻孔设计85-88
• 4.2.2 钻具88-90
• 4.2.3 钻探设备90-96
• 4.3 天然气水合物钻井泥浆制冷系统96-100
• 4.3.1 制冷系统的组成96-99
• 4.3.2 制冷系统工作原理99
• 4.3.3 实际应用效果99-100
• 4.4 钻探参数检测系统野外试验100-106
• 4.4.1 检测系统概况100-102
• 4.4.2 检测系统野外使用102-106
• 4.5 钻探参数检测系统应用效果106-108
• 4.6 本章小结108-110
• 第5章 试验数据及分析110-124
• 5.1 试验背景110-112
• 5.2 试验数据及分析112-122
• 5.2.1 可燃气体浓度分析112
• 5.2.2 泥浆温度分析112-115
• 5.2.3 转速分析115-116
• 5.2.4 钻进速度分析116-117
• 5.2.5 钻压分析117-118
• 5.2.6 扭矩分析118-119
• 5.2.7 泥浆泵量分析119-120
• 5.2.8 泥浆泵压分析120-121
• 5.2.9 综合分析121-122
• 5.3 本章小结122-124
• 第6章 结论与展望124-128
• 6.1 结论124-125
• 6.2 论文创新点125-126
• 6.3 展望126-128
• 参考文献128-138
• 作者简介及科研成果138-140
• 致谢140

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