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《鉆井液流速實時監(jiān)測技術(shù)研究 》由會員上傳分享,免費在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。
1、鉆井液流速實時監(jiān)測技術(shù)研究馮旭東賈惠芹艾知余西安石油大學(xué)陜西省光電傳感與測井重點實驗室710065本文獲西安市科技計劃項目《鉆井液漏失層位檢測裝置研制》(CXY1346(4))資助【文章】在鉆井工程中,通過實時監(jiān)測鉆井液流速的變化來快速準確地探測鉆井液漏失位置是實施堵漏、減少污染的關(guān)鍵技術(shù)。本文設(shè)計了基于超聲波多普勒原理的鉆井液流速監(jiān)測系統(tǒng),系統(tǒng)包括耐高溫、高壓的超聲波傳感器、硬件電路及計算軟件。系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理功能由TMS320F2812高性能DSP完成。經(jīng)過大量的室內(nèi)模擬試驗證明,該系統(tǒng)工作穩(wěn)定,測量精度滿足設(shè)計要求,為
2、進一步的現(xiàn)場應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)?!娟P(guān)鍵詞】鉆井液;超聲波多普勒;DSP:TH815:B0引言鉆井液在鉆井過程中起著清洗井底、攜帶鉆屑、冷卻和潤滑鉆頭、形成泥餅以保護井壁等重要作用。但鉆井過程中鉆井液的漏失現(xiàn)象卻非常普遍,不僅影響油田生產(chǎn)效率,造成了經(jīng)濟上的重大損失,而且鉆井液中還含有多種有害物質(zhì),它的漏失會對地下水資源和地層造成很難治理的污染。所以對鉆井液漏失的實時監(jiān)測是一個非常重要的工作。目前,國內(nèi)針對鉆井液漏失的識別,采用較多的方法有兩種,一種是地層溫度檢測法,這種方法由于受溫度傳播的不實時性導(dǎo)致不能準確地探測出漏失位置。另一種方法是采
3、用渦街流量計、壓力和溫度傳感器測量鉆井液的流量、壓力和溫度變化,但所采用的流量計中含有轉(zhuǎn)子等可動部件,可動部件極易受到鉆井液中砂粒的影響而造成測量不可靠或失敗。國外方面有的文獻采用了隨鉆測井儀器對漏失地層進行測量和分析,但隨鉆測井儀器非常昂貴,而且其主要功能并不是測量鉆井液的漏失的。本文設(shè)計的鉆井液流速實時監(jiān)測系統(tǒng)具有成本低、安裝方便、實時性好,測量精度較高的特點。對鉆井液漏失的實時監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展進行了有益的探索。1測量原理超聲多普勒流速測量的原理是基于聲學(xué)中的多普勒效應(yīng)。當聲源與觀測者之間存在相對運動時,觀測者所感受到的聲波的頻率與聲
4、源所發(fā)出的頻率存在一定的頻率差,這個頻率的變化量正比于兩者之間的相對運動速度。由于在測量中使用的超聲傳感器采用的是斜探頭,再根據(jù)聲波折射定理可得(1-1)式1-1中c0是超聲波在傳感器的聲楔中的聲速,fT是發(fā)射信號頻率,Δf是多普勒頻移量,α為聲楔的角度。在上式中,當傳感器選定后,c0、α就已固定,發(fā)射頻率fT可以按要求設(shè)定,所以只要測出多普勒頻移量Δf就可計算出管道內(nèi)的流體流速。在鉆井工程中,一般都采用水基鉆井液。水基鉆井液是一種以水為分散介質(zhì)(或連續(xù)相),以粘土、加重劑及各種化學(xué)處理劑為分散相(不連續(xù)相)的多相分散混合體系。而超聲多
5、普勒法非常適合測量這種多相混合流體流速,測量精度較高。2系統(tǒng)組成與工作方式流速監(jiān)測系統(tǒng)如圖2.1所示。系統(tǒng)工作時,DSP(TMS320F2812)芯片控制波形發(fā)生器產(chǎn)生正弦波和方波兩種波形,頻率為640KHz。正弦波用于超聲信號發(fā)射,而方波用于多普勒頻移信號的解調(diào)。放大驅(qū)動電路對正弦波進行功率放大。并驅(qū)動發(fā)射傳感器發(fā)射超聲信號,超聲信號經(jīng)管壁和流體傳播,接收傳感器接收到穿過流體和管壁的超聲信號(回波信號),由于流體中的雜質(zhì)顆粒與傳感器的相對運動導(dǎo)致回波信號與發(fā)射信號之間存在頻率偏移,即頻差。回波接收電路先對接收到的回波信號進行選頻放大和
6、低噪聲放大形成幅度達到要求的有用信號。解調(diào)電路將有用信號與波形發(fā)生器產(chǎn)生的方波信號進行混頻,產(chǎn)生和頻信號和差頻信號。其中,差頻信號就是反映流體流速的多普勒頻移信號。因為解調(diào)芯片是電流型輸出,所以輸出信號需要經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)換。信號調(diào)理電路對轉(zhuǎn)換后的電壓信號進行進一步的濾波,完全去除和頻信號并多普勒頻移信號進行幅度放大,將放大后的信號調(diào)整到模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的允許范圍內(nèi)。DSP對信號進行采集、處理。數(shù)據(jù)顯示、存儲及數(shù)據(jù)通信電路是將DSP計算出的流速數(shù)據(jù)進行存儲和傳輸,便于流量數(shù)據(jù)的顯示、遠程監(jiān)控和長時間保存。3室內(nèi)模擬實驗及數(shù)據(jù)室內(nèi)模擬實驗平
7、臺主要包括泥、水混和罐、螺桿泵、質(zhì)量流量計及管路等。結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.1所示。在室內(nèi)模擬實驗時,將計量好的泥和水按一定比例加入到儲液罐中,然后開動攪拌電機將泥水(模擬鉆井液)充分混合并通過螺桿泵將泥水混合物泵入到流量測量管道。通過調(diào)整螺桿泵的轉(zhuǎn)速并更換不同管徑的管道可實現(xiàn)對管道流體不同流速的模擬。流體流過測量管段后流回儲液罐,不斷循環(huán)。管道流體的真實流量值是通過精度為±0.1%的質(zhì)量流量計計量得到的。試驗中超聲波探頭的位置安裝在上圖中較長的直管段上,且保證傳感器前后的直管段長度不小于10倍和5倍的管段直徑,實驗室中的管道為內(nèi)徑分別為25
8、mm、50mm、62mm的鋼管。經(jīng)過整理后的實驗數(shù)據(jù)如表3.1所示。表3.1泥水流速監(jiān)測實驗數(shù)據(jù)圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖圖3.1室內(nèi)模擬實驗平臺示意圖034實驗研究ExperimentalResearch