鉆井液循環(huán)罐的數(shù)字化設(shè)計(jì)改造

趙亮　許姍姍　劉宏偉

摘 要：通過利用AT89C51單片機(jī)和傳感器改造鉆井鉆井液循環(huán)罐，數(shù)字化直觀顯示罐體內(nèi)鉆井液實(shí)時(shí)密度、溫度和體積，對井下施工的鉆井液循環(huán)過程進(jìn)行有效的監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：鉆井液 循環(huán)罐 數(shù)字化 單片機(jī)

鉆井液是石油鉆井工程不可缺少的重要組成，是鉆井的血液。鉆井液循環(huán)灌是鉆井液在地表循環(huán)的載體，在其中添加藥品以維護(hù)鉆井液性能，并儲備一定數(shù)量的鉆井液，配合其他固相設(shè)備，可以用來處理鉆井液中固相含量。

目前的鉆井施工對鉆井液性能的要求越來越高，及時(shí)、準(zhǔn)確的了解鉆井液的性能顯得十分重要?，F(xiàn)有塔式井架所配套的鉆井液循環(huán)罐，并不能反映出鉆井液量和內(nèi)部鉆井液的性能，鉆井液的各個(gè)參數(shù)需要專業(yè)人士用較長的時(shí)間測量，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。本文設(shè)計(jì)利用數(shù)字化儀表，對現(xiàn)有的循環(huán)罐進(jìn)行改造，將循環(huán)罐內(nèi)的鉆井液密度、體積和溫度等幾個(gè)重要參數(shù)直觀的顯示出來，完善鉆井液循環(huán)系統(tǒng)，方便工作人員及時(shí)掌握鉆井液性能。

1.總體設(shè)計(jì)

使用微型計(jì)算機(jī)，將傳感器采集來的有關(guān)鉆井液密度、體積和溫度的信號進(jìn)行收集，計(jì)算，并進(jìn)行人機(jī)交互。

2.學(xué)模型的建立及傳感器的選用

2.1 密度的測量

密度的測量是利用固定距離的壓強(qiáng)差來計(jì)算得到的。如圖1所示，固定支架的A點(diǎn)和B點(diǎn)分別放有相同的壓力傳感器。鉆井液液面高H，A點(diǎn)和B點(diǎn)之間的距離固定為h。假設(shè)鉆井液密度為ρ，則

A點(diǎn)壓強(qiáng)：PA=ρgH

B點(diǎn)壓強(qiáng)：PB=ρg（H-h）

則A、B兩點(diǎn)間的壓差為：PA -PB=ρgh

因?yàn)檫x用相同的傳感器，元件的規(guī)格相同，假設(shè)它們的測量面積同為s，

則A、B兩點(diǎn)的壓力差為：FAB=ρghs，

則鉆井液密度為：ρ=FAB/ghs 。其中，g、h、s為常數(shù)。

由此可見，鉆井液密度和其所受的壓力差是成正比的。而A、B點(diǎn)放置的壓力傳感器所產(chǎn)生的電壓變化與兩點(diǎn)的壓力差成正比，因此與鉆井液的密度也成正比。

建立數(shù)學(xué)模型：ρ=UAB/K1，

其中 UAB——A、B傳感器之間的測量電壓差值

K1 ——系數(shù)，可以由試驗(yàn)得到。

2.2 鉆井液體積的測量

根據(jù)公式FA=PAs=ρgHs可知，同一密度下，壓力FA與液面高度H成正比，而A點(diǎn)的電壓UA與該點(diǎn)所受的壓力FA成正比，因此A點(diǎn)的電壓UA和該點(diǎn)的液面高度H成正比。又因?yàn)殂@井液灌的表面積是一定的，得到液面高度后，鉆井液罐內(nèi)的鉆井液體積V=HS。

建立數(shù)學(xué)模型：V=HS=UASK2

其中 S——常數(shù)，鉆井液罐內(nèi)表面積，可由測量得到

K2——系數(shù)，可以由實(shí)驗(yàn)得到。

2.3 鉆井液溫度的測量

溫度是鉆井液的一個(gè)參數(shù)，更是影響傳感器性能的一個(gè)重要參數(shù)。不同的溫度下，上述的壓力傳感器會表現(xiàn)出不同的性能。在這里選用有著較好線性的鎳鉻-鎳硅熱電偶。

3核心模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。系統(tǒng)啟動(dòng)并初始化后，將先通過74HC165芯片檢測波段開關(guān)的狀態(tài)。單片機(jī)得到控制字后，控制TLC2543大開相應(yīng)的傳感器A/D轉(zhuǎn)換通道，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集來的結(jié)果經(jīng)過單片機(jī)處理運(yùn)算后，由74HC164芯片輸出到數(shù)碼管。

3.1AT89C51單片機(jī)

選用ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)作為核心處理器。該芯片有先進(jìn)CMOS工藝制造并帶有非易失性FLASH程序存儲器，還具有128字節(jié)RAM、32條I/O口線、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。在12M晶振下，該芯片具有較高的處理速度，完全可以滿足本設(shè)計(jì)的需求。其多達(dá)32個(gè)的I/O口線，為以后的功能增強(qiáng)提供接口。

3.2A/D轉(zhuǎn)換模塊TLC2543

為了提高A/D轉(zhuǎn)換的精度，彌補(bǔ)傳感器的測量誤差，選用12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543。該芯片有超過60K的采樣速率，SPI三線制串行接口，1MA的低供電電流等突出特點(diǎn)。同時(shí)，該芯片有11個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，即可以同時(shí)連接11個(gè)傳感器，為以后的數(shù)據(jù)采集的擴(kuò)充奠定了基礎(chǔ)。

由于系統(tǒng)中的各個(gè)參數(shù)的滯后比較大，為了保證數(shù)據(jù)采集的可靠性，每個(gè)參數(shù)采樣256次后取平均值送顯示單元。

3.3人機(jī)交互模塊

3.3.1顯示模塊。

選用5個(gè)LED組成顯示器，配合串行輸入并行輸出芯片74HC164，將運(yùn)算結(jié)果輸出。為了簡化程序編譯，將顯示程序作為延時(shí)程序使用。這種動(dòng)態(tài)顯示，也可以延長LED使用壽命，減少電能消耗。

3.3.2控制模塊。

使用波段開關(guān)，配合一個(gè)并行輸入串行輸出芯片74HC165芯片作為鍵盤輸入。利用該開關(guān)作為命令輸入鍵盤，指定輸出密度、體積、溫度等數(shù)據(jù)，并對芯片工作方式進(jìn)行設(shè)置。該模塊軟件編程采用軟件消抖模塊，徹底杜絕按鍵的誤操作。

參考文獻(xiàn)：

[1]王福瑞. 單片微機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002

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