石油钻井指重表检定装置的研制_陈世超

第３３卷第６期２００７年１１月

中国测试技术

ＣＨＩＮＡＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．６Ｎｏｖ．２００７

石油钻井指重表检定装置的研制

陈世超，田小泉，朱可加

（中国测试技术研究院，四川成都６１００６１）

摘

要：石油钻井指重表是石油钻井专用的检测仪器，近年来国内同行一直在寻找和摸索一种准确有效的检测方

法。本文针对石油钻井指重表检定的特殊情况和要求，从检测方法、检测手段入手，研制了一套使用方便、有效的石油钻井指重表检定装置，对国内石油行业指重表检测方法的研究具有重要的促进作用。关键词：石油钻井指重表；标准装置；不确定度；自由度中图分类号：ＴＥ２５４＋．１

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７２－４９８４（２００７）０６－０１３０－０３

Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｆｏｒｐｅｔｒｏｌｅｕｍｄｒｉｌｌｉｎｇｗｅｉｇｈｔｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ

ＣＨＥＮＳｈｉ－ｃｈａｏ，ＴＩＡＮＸｉａｏ－ｑｕａｎ，ＺＨＵＫｅ－ｊｉａ

（ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＴｅｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００６１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｅｔｒｏｌｅｕｍｄｒｉｌｌｉｎｇｗｅｉｇｈｔｉｎｄｉｃａｔｏｒｉｓａｓｐｅｃｉａｌｄｅｔｅｃｔｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｆｏｒｐｅｔｒｏｌｅｕｍｄｒｉｌｌｉｎｇ，ａｎｄｍａｎｙｄｏｍｅｓｔｉｃｃｏｕｎｔｅｒｐａｒｔｓｈａｖｅｂｅｅｎｓｅｅｋｉｎｇａｎｄｔｒｙｉｎｇｔｏｆｉｎｄｏｕｔａｎａｃｃｕｒａｔｅａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｏｓｅｙｅａｒｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｏｓｅｐａｒｔｉｃｕｌａｒｉｔｉｅｓａｎｄｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｖｅｒｉｆｙｉｎｇｐｅｔｒｏｌｅｕｍｄｒｉｌｌｉｎｇｗｅｉｇｈｔｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ，ａｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｆｏｒｐｅｔｒｏｌｅｕｍｄｒｉｌｌｉｎｇｗｅｉｇｈｔｉｎｄｉｃａｔｏｒｗａｓｐｒｅｐａｒｅｄｗｉｔｈｒｅｇａｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｉｒｄｅｔｅｃｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｗａｙｓ．Ｉｔｓｈｏｕｌｄｐｌａｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｐｅｔｒｏｌｅｕｍｄｒｉｌｌｉｎｇｗｅｉｇｈｔｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍｄｒｉｌｌｉｎｇｗｅｉｇｈｔｉｎｄｉｃａｔｏｒ；Ｓｔａｎｄａｒｄｄｅｖｉｃｅ；Ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ；Ｄｅｇｒｅｅｏｆｆｒｅｅｄｏｍ

１引言

为使指重表检定工作能够满足指重表各项技术指标检定的要求，确保量值传递的准确和可靠，有效避免因中间环节的引入所带来的不确定度因素。在我们的方案中对测量过程进行了优化。

石油钻井指重表是石油钻井过程专用计量仪表，属国家依法管理强制性检定（安全类）的计量器具，是石油天然气钻探过程中监测井下压力波动、钻头卡钻等异常状况唯一的监视手段，是预防井喷等重大事故发生最有效的方法。近几年国内多次发生井喷事故，给人民的生命财产造成重大损失，足见指重表检定工作的重要性。

２．１．１一次仪表检定

死绳固定器实际上是一个杠杆，它将其输入端

的死绳拉力按一固定的杠杆比例减小，在输出端传递给指重表拉力传感器。死绳固定器的转换系数就是其杠杆比。在此，我们直接采用两台０．１级标准测力仪，分别连接到死绳固定器输入、输出端，测出输入端力值增量ΔＦ及所对应的输出端力值增量ΔＦ１，计算出死绳固定器转换系数ｄ２值，原理图见图１。数学关系式为：

２

２．１

指重表检定装置的研制

指重表检定装置工作原理

石油钻井指重表属工作测力仪范畴，由于其使

用的特殊性和各部件不同的技术要求，给直接检定带来了很大的难度。因此，有别于工作测力仪的检定，在石油钻井指重表检定规程中，将指重表的检定分一次仪表检定和二次仪表检定两部分为：一次仪表检定即现场检定死绳固定器转换系数；二次仪表检定主要检定指重表示值的各项误差值。

收稿日期：２００７－０３－１１；收到修改稿日期：２００７－０５－１７作者简介：陈世超（１９６５－），男，四川成都市人，高级工程师，主要从事计量测试研究及管理工作。

Ｆｄ２＝Δ

ΔＦ１

２．１．２二次仪表检定

二次仪表检定，规程中提出了两种方法：（１）以力为准，用拉力源造力，再经传感器转换成压力对二次仪表进行检定；（２）以压力为准，以压力表校验器直接造压对二次仪表进行检定。我们认为采用第一

第３３卷第６期陈世超等：

石油钻井指重表检定装置的研制

１３１

表１项

指重表的基本误差目

允许误差

新制造

修理后和使用中

—

死绳固定器满量程输出压力（６±０．０７）ＭＰａ悬重、钻压指示仪基本误差

记录仪基本误差

图１

一次仪表检定原理图

表２

±１％±２．５％

±１．５％±２．５％

钻压指示仪的灵敏限

种方法更直接，然而规程中，对该方法所用力源的力值波动性没有作要求，普通力源难以输出稳定力值，且增加了通过传感器转换成压力的试验过程，二者均提高了检定工作的难度。在此，我们采用叠加式拉力标准机，直接为传感器提供准确、稳定的力值，再由给定标准力值和死绳固定器转换系数直接得出指有效，从重表的标准示值，使指重表的检定更直接、而大幅度提高了检定工作的效率，原理图见图２。二次仪表量传数学模型：

死绳固定器型号钻压指示仪的灵敏限ｆ

ＪＺＧ３５ＪＺＧ２４ＪＺＧ１８ＪＺＧ１２ＪＺＧ９２．０

２．０

１．０

１．０

０．５

（５）记录仪时钟：记录仪时钟走时均匀，满弦运行时间大于２４ｈ，误差小于５ｍｉｎ／ｄ。

（６）密封性：指重表在测量上限时，新制造的稳压１０ｍｉｎ，使用中和修理后的稳压５ｍｉｎ，各部位不得有渗漏。

３检定装置的技术指标

检定装置准确度等级：０．３级工作范围：１０ｋＮ～３００ｋＮ工作温度：２０℃±１０℃

Ｆｉ×ｄ２×ｎ＝Ｗｉ

——死绳拉力与传感器拉力比（死绳固定器ｄ２—

转换系数）；

——传感器拉力（死绳固定器输出拉力）；Ｆｉ—

——死绳股数；ｎ—

——与检定点标准力值对应的指重表标准Ｗｉ—示值。

４检定装置的不确定度分析

根据ＪＪＦ１０５９－１９９９《测量不确定度评定与表

示》的要求，指重表检定装置的测量不确定度分量由拉力标准机、死绳固定器转换系数和测量重复性这三部分构成。因此分析如下：

不确定度方程

Ｙ＝Ｆ＋Ｄ＋Ｒ

式中：Ｙ———指重表检定装置；

图２

——标准测力仪示值；Ｆ—

二次仪表检定原理图

——死绳固定器转换系数；Ｄ—

——测量重复性。Ｒ—

检定装置由叠加式拉力标准机，在１０ｋＮ～

３００ｋＮ范围内逐级加载，为指重表拉力传感器提供

所需的各级标准力值，由给定标准力值（Ｆｉ值）、死绳股数（ｎ）与死绳固定器转换系数（ｄ２），得出指重表的

标准示值。检定指重表悬重指示仪基本误差、钻压指示仪基本误差、记录仪示值基本误差、钻压指示仪灵敏限、轻敲变动量、回程误差、记录仪时钟误差、装置密封性等技术指标。

４．１标准不确定度分量计算

（１）拉力标准机测量引起的标准测量不确定度

（Ｆ），为正态分布，属Ｂ类评定。由检定证书所给ｕｒｅｌ

定的拉力标准机准确度等级，可知拉力标准机的相

３

对扩展不确定度为１．０×１０－（ｋ＝２），则相对标准不确

定度：

（Ｆ）＝１．０×ｕｒｅｌ１０－３／２＝５．０×１０－４

由于ｕｒｅｌ（Ｆ）在合成不确定度中影响较小，且很可靠，则：

自由度：ν１＝∞

（２）死绳固定器转换系数引起的标准测量不确（ｄ２），为均匀分布，属Ｂ类评定。由于现场实定度ｕｒｅｌ

测值的重复性远优于估计值，为使不确定度分析更加可靠，在此，按死绳固定器加工的最大自由公差作

２．２指重表检定的技术要求（１）指重表的基本误差见表１。（２）钻压指示仪的灵敏限见表２。

（３）轻敲变动量：轻敲变动量不应超过允许基本

误差绝对值的二分之一。

（４）回程误差：回程误差不应超过允许基本误差绝对值。

１３２

表３力值（ｋＮ）

重复性实验结果

中国测试技术２００７年１１月

示值

１３５７０

２３５６７

３３５６６

４３５６９

５３５７４

６３５７３

７３５７４

８３５７１

９３５６７

１０３５６８

ｘ#３５７０

１００

为死绳固定器转换系数不确定度的评定依据。死绳固定器杠杆臂长为３００ｍｍ～１０００ｍｍ，加工公差取该（最范围自由公差值，转换系数的相对扩展不确定度大允差）为１．５×（ｋ＝! ），则相对标准不确定度：１０－３（ｄ２）＝１．５×ｕｒｅｌ１０－３／! ＝８．６６×１０－４

估计ｕｒｅｌ（ｄ２）的不可靠性为２５％，则：

（ｉｘ）／ｕ（ｉｘｉ）］＝８νｕ２＝１／２［Δ

（３）测量重复性引入的标准不确定度ｕｒｅｌ（Ｒ），属在装置正常工作状态下，对装置的重复性Ａ类评定。

进行考核。在１００ｋＮ负荷点检测输出示值，重复作１０次的测量，结果如表３。

－２

（２）有效自由度νｅｆｆ

４

（ｕｉ４／ｖｉ）＝２３．２νｅｆｆ＝ｕｃ／∑

４．３扩展不确定度

按置信概率Ｐ＝０．９５，根据ＪＪＦ１０５９－１９９９查ｔ分

布临界值ｔ（）表得包含因子：Ｐν

（２０）＝２．０９ｋ＝ｔ９５

指重表检定装置的测量扩展不确定度为：

ｕ９５ｒｅｌ＝ｋｕｃ＝２．７３×１０－３

νｅｆｆ＝２０

５结束语

该指重表检定装置具有加荷稳定迅速，能在

（ｘ）＝实验标准差：ｓ″ｎ

（ｘ）３．００Ｓ″

（ｘ）＝ｎｓｎ＝１０－４＝８．４０×

ｘ#

测量重复性引入的相对标准不确定度：（Ｒ）＝８．４０×ｕｒｅｌ１０－４

自由度：ν３＝ｎ－１＝９

!

#%Ｘ－ｘ" $

ｉ＝１

ｉ

２

１０ｋＮ￣３００ｋＮ范围内设定任意加荷点，操作简便、

高效，界面直观等特点，能满足各型指重表检定工作的要求。该装置的相对扩展不确定度为２．７３×１０－３。符合ＪＪＧ（石油）０３－１９９９《石油钻井指重表》检定规程的要求，可开展Ｕ＝１．０％以上的石油钻井指重表量值传递工作。

参考文献

（石油）０３－１９９９，石油钻井指重表检定规程［Ｍ］．北京：［１］ＪＪＧ

中国计量出版社，１９９９．

＝３．００

４．２计算合成标准不确定度ｕＣ方差方程：

２ｃ

２

２２１１

２２２２

２２３３

［２］ＪＪＦ１０５９－１９９９，测量不确定度评定与表示［Ｍ］．北京：中国

计量出版社，１９９９．

ｕ＝ｕ（Ｙ）＝ｃｕ＋ｃｕ＋ｃｕ

式中：ｕ１，ｕ２，ｕ３—Ｆ，Ｄ，Ｒ的标准不确定度。

传播系数

因Ｆ，Ｄ，Ｒ互不相关则：ｃ１＝ｃ２＝ｃ３＝１

（１）合成标准不确定度为：

［３］ＪＪＧ４５５－２０００，工作测力仪检定规程［Ｍ］．北京：中国计量

出版社，１９９９．

［４］ＪＪＧ１４４－２００７，标准测力仪检定规程［Ｍ］．北京：中国计量

出版社，１９９９．

［５］ＪＪＧ７３４－２００１，力标准机检定规程［Ｍ］．北京：中国计量出

版社，１９９９．

（≤１ＭＮ）计量器具检定系统［Ｍ］．北［６］ＪＪＧ２０４５－１９９０，力值

京：中国计量出版社，１９９９．

ｕ２ｃ＝ｕ１２＋ｕ２２＋ｕ３２＝１．７１×１０－６

ｕｃ＝１．３１×１０－３

［７］刘智敏．不确定度原理［Ｍ］．北京：中国计量出版社，１９９３．