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渲瞥傻?其費(fèi)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,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,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^[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(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(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。


圖1 測漏儀結(jié)構(gòu)示意圖
　　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

　　只要測出時間差△t,就可以求出泥漿流速,從而推斷井下漏失情況。漏層位置是通過時間與深度的換算關(guān)系確定的,地面計算機(jī)與井下測量電路在同一時刻開始計時,由于地面可以方便地實時掌握儀器的下井深度,而井下儀器又可記錄任意時間點(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32位的串口、一個DMA通道、兩個定時器、四個外部中斷源;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)。


圖2 測漏儀電路結(jié)構(gòu)圖
　　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)實現(xiàn)3.3V與5V電平的轉(zhuǎn)換。該芯片同時具有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外部中斷引腳中的某一個設(shè)置為低電平而實現(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。

表1 引導(dǎo)方式

方式	INT0 INT1 INT2 INT3	說 明	首地址
1	0  　1  　1  　1	外部存儲器	1000H
2	1  　0  　1  　1	外部存儲器	400000H
3	1  　1  　0  　1	外部存儲器	FFF000H
4	1  　1  　1  　0	串 口

　　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(出廠時已設(shè)置)完成的。上電后,DSP的復(fù)位引腳由“0”變?yōu)?ldquo;1”,同時在電路連接上保證引腳MCBL/=“1”,固化在片內(nèi)的引導(dǎo)程序查詢中的哪一個為低,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)實現(xiàn)高速DSP與低速ROM的接口。
　　(3)實現(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的定時器1每隔100ms發(fā)送一串?dāng)?shù)目固定的脈沖型激勵信號,該激勵信號經(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,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,同時利用TMS320VC33的定時器2檢測從發(fā)送到接收所用的時間,進(jìn)而根據(jù)(3)式計算出對發(fā)和對收的時間差,再由(4)式通過浮點(diǎn)運(yùn)算計算出泥漿流速,并將結(jié)果存儲在DS1251中。在存儲數(shù)據(jù)的同時,利用DS1251片內(nèi)的時鐘,將該數(shù)據(jù)所對應(yīng)的時間也一并存儲在數(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),因為在井下通過DS1251計時的同時,地面也有一套與之同步的計時器對時間與深度進(jìn)行了相應(yīng)的記錄。

　　DSP的定時間隔設(shè)置為兩倍的指令周期,即:
　　T=2×T_p=34ns　                     (5)
　　對t_AB和t_BA計時的誤差為:
　　△T=±T_p/2=±17ns　                (6)
　　由此引起的泥漿流速誤差為:
　　△V=△TC²/L　                      (7)
　　取C=1560m/s、L=10m,則△V=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

　　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)回放到計算機(jī)。TMS320VC33與計算機(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,這是因為二者的小輸入高電平相等,都是2.4V;IC13采用MAX2202,用于將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平。


圖3 數(shù)據(jù)回放接口電路
　　研制的超聲波鉆井液測漏儀經(jīng)過實驗室的多次試驗和現(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。