??? 摘 要： 介紹了超聲波鉆井液測漏儀的結(jié)構(gòu),、安裝方式" title="安裝方式">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" title="數(shù)字信號處理器">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(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,。
??? 關(guān)鍵詞： 流速測量? 超聲波傳感器? 數(shù)字信號處理器? 鉆井液
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??? 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" title="井下">井下的地質(zhì)情況按適當(dāng)?shù)谋壤渲瞥傻?，其費(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，造成經(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[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(zhǔn)確地測定泥漿漏失位置,。另一種是采用流量計(jì)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(jì)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特點(diǎn)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(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(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" title="測量電路">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,。
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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：
??? 
??? 實(shí)際結(jié)構(gòu)允許的θ為2.95°,，這對一般的超聲波傳感器來說是一個(gè)比較嚴(yán)格的指標(biāo)。另外,，由于井下的溫度可高達(dá)150°C,，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(shí)間為:
??? 
??? 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:
??? V=ΔtC2/2L?????????????????????????????????????????????? （4）
??? 可見,，只要測出時(shí)間差Δt,，就可以求出泥漿流速，從而推斷井下漏失情況,。漏層位置是通過時(shí)間與深度的換算關(guān)系確定的,，地面計(jì)算機(jī)與井下測量電路在同一時(shí)刻開始計(jì)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(dāng)儀器提升到地面后，將記錄的數(shù)據(jù)回放到計(jì)算機(jī),，就可知道任意深度處的流速,。
2 DSP的應(yīng)用
2.1 測漏儀電路結(jié)構(gòu)
??? 測漏儀電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中IC1是DSP芯片,，這里采用TI公司的TMS320VC33浮點(diǎn)數(shù)字信號處理器,，它是整個(gè)測量電路的核心，其指令周期為17ns,，字長為32位,，擴(kuò)展精度為40位，內(nèi)部存儲器容量為34K×32bit,，可尋址空間為16M,，具有一個(gè)32位的串口、一個(gè)DMA通道,、兩個(gè)定時(shí)器,、四個(gè)外部中斷源；芯片的供電電壓為3.3V,，內(nèi)核供電電壓為1.8V,，由IC5提供。由于芯片的運(yùn)行速度很高,，為了防止外部振蕩電路的過高頻率引起射頻干擾,，對外接振蕩器采用了內(nèi)部倍頻技術(shù)。
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2.2 接口技術(shù)
??? 圖2中的IC2為DS1251存儲器,，它是一種非易失性的存儲器,，其輸出電壓高電平為5V。但TMS320VC33的I/O" title="I/O">I/O電平為3.3V,，不能承受高電平為5V的TTL信號,。為了使TMS320VC33與DS1251能夠交換數(shù)據(jù)，電路中采用IC3（74LVC164244）實(shí)現(xiàn)3.3V與5V電平的轉(zhuǎn)換,。該芯片同時(shí)具有3.3V和5V兩種供電電源,與DSP相連的I/O腳電平為3.3V,，與存儲器相連的I/O腳電平為5V,。
2.3 引導(dǎo)
??? 引導(dǎo)（Boot Loader）是將存儲在外部程序存儲器中的程序代碼一次性地全部加載到DSP芯片內(nèi)部的高速存儲器中，以實(shí)現(xiàn)程序指令的高速運(yùn)行,。TMS320VC33有四種引導(dǎo)方式,，其中前三種方式是從外部存儲器引導(dǎo)，第四種方式是從串行口引導(dǎo),。它們都是通過將四個(gè)外部中斷引腳
中的某一個(gè)設(shè)置為低電平而實(shí)現(xiàn)的,。本文采用表1中所示的第二種引導(dǎo)方式，即DSP從400000H開始引導(dǎo)程序,。
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??? 將用戶程序加載到DSP的片內(nèi)高速RAM是由DSP的片內(nèi)ROM的駐機(jī)程序（出廠時(shí)已設(shè)置）完成的,。上電后，DSP的復(fù)位引腳由“0”變?yōu)椤?”,，同時(shí)在電路連接上
固化在片內(nèi)的引導(dǎo)程序查詢
并按表1所示的中斷腳與地址的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行引導(dǎo),。
?? ?被引導(dǎo)的用戶程序必須事先經(jīng)過匯編、連接,，以生成DSP能夠認(rèn)識的機(jī)器代碼,。在生成的程序代碼前還必須加入一個(gè)引導(dǎo)頭。引導(dǎo)頭的具體結(jié)構(gòu)見參考文獻(xiàn)[3],，其作用是：
??? ?（1）實(shí)現(xiàn)字長為32位的DSP與8位,、16位或32位外部程序存儲器的接口。
??? ?（2）實(shí)現(xiàn)高速DSP與低速ROM的接口,。
??? ?（3）實(shí)現(xiàn)用戶程序與DSP片內(nèi)存儲空間的匹配,。
2.4 數(shù)據(jù)處理
??? 采用TMS320VC33的定時(shí)器1每隔100ms發(fā)送一串?dāng)?shù)目固定的脈沖型激勵(lì)信號，該激勵(lì)信號經(jīng)放大和驅(qū)動后再經(jīng)DSP控制交替地施加到兩只超聲波傳感器上,。當(dāng)一只傳感器處于發(fā)送狀態(tài)時(shí),，另一只就處于接收狀態(tài)，即每只傳感器每隔200ms完成一次收和發(fā),。接收到的超聲波信號又經(jīng)過放大和整形后送入DSP的
引腳,，同時(shí)利用TMS320VC33的定時(shí)器2檢測從發(fā)送到接收所用的時(shí)間，進(jìn)而根據(jù)（3）式計(jì)算出對發(fā)和對收的時(shí)間差,，再由（4）式通過浮點(diǎn)運(yùn)算計(jì)算出泥漿流速，并將結(jié)果存儲在DS1251中,。在存儲數(shù)據(jù)的同時(shí),，利用DS1251片內(nèi)的時(shí)鐘，將該數(shù)據(jù)所對應(yīng)的時(shí)間也一并存儲在數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi),。這就為地面將流速與深度對應(yīng)起來提供了基礎(chǔ),，因?yàn)樵诰峦ㄟ^DS1251計(jì)時(shí)的同時(shí)，地面也有一套與之同步的計(jì)時(shí)器對時(shí)間與深度進(jìn)行了相應(yīng)的記錄,。
??? DSP的定時(shí)間隔設(shè)置為兩倍的指令周期,，即：
??? T=2×Tp=34ns?????????????????????????????????????? ????? （5）
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??? 取C=1560m/s、L=10m，則ΔV=4.14mm/s,，由此可見其測量誤差比現(xiàn)有的測量方法降低了幾十倍[4],。
3 數(shù)據(jù)回放與試驗(yàn)
??? 采用DSP的通用I/O接口編制RS232通信程序，測試完成后,，在地面上將測量數(shù)據(jù)回放到計(jì)算機(jī),。TMS320VC33與計(jì)算機(jī)RS232口的接口電路如圖3所示。其中IC7采用74LS06,，將TMS320VC33輸出的3.3V電平轉(zhuǎn)換為5V電平,，這是因?yàn)槎叩淖钚≥斎敫唠娖较嗟龋际?.4V,；IC13采用MAX2202,，用于將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平。
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??? 研制的超聲波鉆井液測漏儀經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室的多次試驗(yàn)和現(xiàn)場的應(yīng)用,，測出的漏層位置的誤差不大于10m,，不僅為鉆井作業(yè)過程中的堵漏提供了有力的技術(shù)支持，而且節(jié)約了鉆井成本,，縮短了有漏失情況下的測漏周期,，防止了漏失對地下資源的污染。
參考文獻(xiàn)
1 孫傳友. 漏層位置的儀器測定法.石油儀器,，1999;13(4)
2 程世旭,，李新玉，胡官陽. 基于鉆井過程中無電纜式測漏儀器的研究.江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào),，2000;22（2）
3 TMS320C3X User Guide, Literature Number SPRU031E.?Texas Instrument, July 1997
4?鄒 旻,，祝海林. 超聲波流量測量新技術(shù). 工業(yè)儀表與自動化裝置，1995 (3)