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DSP芯片在超聲波鉆井液測漏儀中的應(yīng)用
摘要：介紹了超聲波鉆井液測漏儀的結(jié)構(gòu)、安裝方式和測量原理。為了提高其測量的可靠性和準(zhǔn)確性，研制了專用的超聲波傳感器；并通過高速高性能數(shù)字信號處理器的應(yīng)用，提高了測量精度。對TMS320VC33這一新型數(shù)字信號處理器的應(yīng)用作了大量的介紹，并在接口設(shè)計、引導(dǎo)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫嫣峁┝艘恍┯袃r值的經(jīng)驗和方法。鉆井是石油及天然氣開采的重要環(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�，其費用約占整個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)，漏失后會對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。歷史上采用過的方法主要有兩種：一種是用溫度傳感器監(jiān)測井下不同深度處的溫度變化情況。由于受溫度傳播的不實時性和漏失量較小時溫度變化不明顯等因素的影響，這種方法不能準(zhǔn)確地測定泥漿漏失位置。另一種是采用流量計直接測量流速的變化，以此確定泥漿的漏失位置。但由于受測量環(huán)境本身的制約，所使用的流量計中含有轉(zhuǎn)子等可動部件，而可動部件極易受到鉆井中沙粒的影響而造成測量的不可靠或失敗。
本論文所述的超聲波鉆井液測漏儀的主要是：（1）采用了超聲波傳感器，不存在機(jī)械可動部件；（2）具有很好的實時性；（3）采用兩只性能相同的超聲波傳感器對發(fā)、對收，不象壓力傳感器那樣存在直接測量的敏感面；（4）采用了TMS320VC33浮點數(shù)字信號處理器，提高了測量精度。
1 測量原理
1.1 測漏儀的結(jié)構(gòu)與安裝方式
超聲波鉆井液測漏儀的結(jié)構(gòu)和安裝方式如圖1所示。測量電路安裝在上、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，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)出的信號能夠通過泥漿直接進(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，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]
實際結(jié)構(gòu)允許的θ為2.95°，這對一般的超聲波傳感器說是一個比較嚴(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 測量原理
兩只傳感器交替地發(fā)送和接收超聲波信號，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接收所用的時間為：
tAB=L/(C V) (1)
同理，B發(fā)送、A接收所用的時間為：
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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