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DSP芯片在超聲波鉆井液測漏儀中的應用
作者：
時(shí)間：2013-08-06
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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鉆井是石油及天然氣開(kāi)采的重要環(huán)節，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性能的泥漿作為鉆井液。它是由多種原料根據井下的地質(zhì)情況按適當的比例配制成的，其費用約占整個(gè)鉆井成本的三分之一。由于井下地層結構的復雜性，常常遇到裂縫和有孔隙的地層，造成泥漿漏失，這不僅嚴重影響鉆井作業(yè)的進(jìn)行，造成經(jīng)濟上不必要的損失，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)生泥漿漏失現象后，最為重要的是盡可能準確地找出漏失位置，以便調整泥漿成份和顆粒度，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測井下不同深度處的溫度變化情況[1]。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[2]。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特點(diǎn)是：(1)采用了超聲波傳感器，不存在機械可動(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(diǎn)數字信號處理器，提高了測量精度。
1 測量原理
1.1 測漏儀的結構與安裝方式
超聲波鉆井液測漏儀的結構和安裝方式如圖1所示。測量電路安裝在上、下套筒組成的空腔內，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)鉆桿外壁與井壁構成的環(huán)形空間返回到地面。 
圖1 測漏儀結構示意圖
1.2 超聲波傳感器的研制
由圖1可見(jiàn)，傳感器軸線(xiàn)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(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。設兩只傳感器的距離為L(cháng)，傳感器軸線(xiàn)距井軸的距離為D，鉆桿直徑為d，則應使中心角θ滿(mǎn)足： 
實(shí)際結構允許的θ為2.95°，這對一般的超聲波傳感器來(lái)說(shuō)是一個(gè)比較嚴格的指標。另外，由于井下的溫度可高達150°C，壓力為100Mpa，因此研制了專(zhuān)門(mén)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(shí)間為： 
同理，B發(fā)送、A接收所用的時(shí)間為： 
由以上兩式可得： 
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>>V，所以C2-V2≈C2，因此有： 
可見(jiàn)，只要測出時(shí)間差△t，就可以求出泥漿流速，從而推斷井下漏失情況。漏層位置是通過(guò)時(shí)間與深度的換算關(guān)系確定的，地面計算機與井下測量電路在同一時(shí)刻開(kāi)始計時(shí)，由于地面可以方便地實(shí)時(shí)掌握儀器的下井深度，而井下儀器又可記錄任意時(shí)間點(diǎn)的泥漿流速，當儀器提升到地面后，將記錄的數據回放到計算機，就可知道任意深度處的流速。
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