DSP芯片在超聲波鉆井液測(cè)漏儀中的應(yīng)用

時(shí)間：2024-08-08 09:42:32 理工畢業(yè)論文我要投稿

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摘要：介紹了超聲波鉆井液測(cè)漏儀的結(jié)構(gòu)、安裝方式和測(cè)量原理。為了提高其測(cè)量的可靠性和準(zhǔn)確性，研制了專用的超聲波傳感器；并通過(guò)高速高性能數(shù)字信號(hào)處理器的應(yīng)用，提高了測(cè)量精度。對(duì)TMS320VC33這一新型數(shù)字信號(hào)處理器的應(yīng)用作了大量的介紹，并在接口設(shè)計(jì)、引導(dǎo)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫嫣峁┝艘恍┯袃r(jià)值的經(jīng)驗(yàn)和方法。

鉆井是石油及天然氣開(kāi)采的重要環(huán)節(jié)，為了保證高效、安全地鉆井，防止井漏和井噴，需要在鉆井過(guò)程中采用具有一定粘結(jié)性能的泥漿作為鉆井液。它是由多種原料根據(jù)井下的地質(zhì)情況按適當(dāng)?shù)谋壤渲浦瞥傻模滟M(fèi)用約占整個(gè)鉆井成本的三分之一。由于井下地層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，常常遇到裂縫和有孔隙的地層，造成泥漿漏失，這不僅嚴(yán)重影響鉆井作業(yè)的進(jìn)行，千萬(wàn)經(jīng)濟(jì)上不必要的損失，而且泥漿是一種有害物質(zhì)，漏失后會(huì)對(duì)地下水資源和地層造成污染，危及子孫后代的生存環(huán)境。

發(fā)生泥漿漏失現(xiàn)象后，最為重要的是盡可能準(zhǔn)確地找出漏失位置，以便調(diào)整漏漿成份和顆粒度，堵塞地層裂縫和其它漏源。歷史上采用過(guò)的方法主要有兩種：一種是用溫度傳感器監(jiān)測(cè)井下不同深度處的溫度變化情況。由于受溫度傳播的不實(shí)時(shí)性和漏失量較小時(shí)溫度變化不明顯等因素的影響，這種方法不能準(zhǔn)確地測(cè)定泥漿漏失位置。另一種是采用流量計(jì)直接測(cè)量流速的變化，以此確定泥漿的漏失位置。但由于受測(cè)量環(huán)境本身的制約，所使用的流量計(jì)中含有轉(zhuǎn)子等可動(dòng)部件，而可動(dòng)部件極易受到鉆井中沙粒的影響而造成測(cè)量的不可靠或失敗。

本論文所述的超聲波鉆井液測(cè)漏儀的主要是：（1）采用了超聲波傳感器，不存在機(jī)械可動(dòng)部件；（2）具有很好的實(shí)時(shí)性；（3）采用兩只性能相同的超聲波傳感器對(duì)發(fā)、對(duì)收，不象壓力傳感器那樣存在直接測(cè)量的敏感面；（4）采用了TMS320VC33浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，提高了測(cè)量精度。

1 測(cè)量原理

1.1 測(cè)漏儀的結(jié)構(gòu)與安裝方式

超聲波鉆井液測(cè)漏儀的結(jié)構(gòu)和安裝方式如圖1所示。測(cè)量電路安裝在上、下套筒組成的空腔內(nèi)，兩只超聲波傳感器分別安裝在上、下套筒的端面上，泥漿經(jīng)鉆桿中心孔進(jìn)入井下后再經(jīng)鉆桿外壁與井壁構(gòu)成的環(huán)形空間返回到地面。

1.2 超聲波傳感器的研制

由圖1可見(jiàn)，傳感器軸線與鉆桿外壁之間的距離是十分有限的，為了保證超聲波傳感器發(fā)出的信號(hào)能夠通過(guò)泥漿直接進(jìn)入接收傳感器，需要控制超聲波傳感器的中心角。設(shè)兩只傳感器的距離為L(zhǎng)，傳感器軸線距井軸的距離為D，鉆桿直徑為d，則應(yīng)使中心角θ滿足：

θ=tg -1[(2D-d)/2L]

實(shí)際結(jié)構(gòu)允許的θ為2.95°，這對(duì)一般的超聲波傳感器說(shuō)是一個(gè)比較嚴(yán)格的指標(biāo)，另外，由于井下的溫度可高達(dá)150℃，壓力為100Mpa，因此研制了專門的超聲波傳感器，其工作頻率為600kHz。

1.3 測(cè)量原理

兩只傳感器交替地發(fā)送和接收超聲波信號(hào)，把靠近地面的一只記作B，靠近井下的一只記作A，則A發(fā)送、B接收所用的時(shí)間為：

tAB=L/(C V) (1)

同理，B發(fā)送、A接收所用的時(shí)間為：

tBA=L/(C-V) (2)

由以上兩式可得：

Δt=tBA-tAB=(2LV)/(C 2-V 2) (3)

其中，C為超聲波在泥漿中的傳播速度，V為泥漿流速。

由于C

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