鉆井液池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng).docx

西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要鉆井液技術(shù)是鉆井系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。人們常用“鉆井液是鉆井的血液”這句話形象地比喻其在鉆井作業(yè)過程中的重要地位。鉆井液池為鉆井施工作業(yè)提供循環(huán)鉆井液，通過對(duì)鉆井液體積、電導(dǎo)率等其他相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測(cè)可以反映出當(dāng)前鉆井是否出現(xiàn)異常。對(duì)鉆井液的參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以判斷出是否出現(xiàn)溢流、井涌、漏失、井漏等井下異常情況，防止鉆井、完井過程中發(fā)生事故，減少鉆井、完井的工作量，提高工作效率。因此，設(shè)計(jì)一套鉆井液池參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過鉆井液參數(shù)的變化直接反映井下地層流體的活躍情況及井筒壓力與地層壓力的情況，重視鉆井液參數(shù)異常的預(yù)報(bào)，可以避免井噴、井漏等重大事故的發(fā)生，能及時(shí)處理油氣侵、鹽侵、水侵等情況，為順利施工創(chuàng)造有利條件。 關(guān)鍵詞：鉆井液；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；鉆井事故；組態(tài)；傳感器；數(shù)據(jù)采集Abstract Drilling fluid technology is an important part of the drilling systems. People often use drilling fluid is blood, this sentence the important of the process of drilling operations. Mud pool drilling operations to provide circulating drilling fluid. The parameters for real-time monitoring of drilling fluid, Can determine whether there is overflow, well kick, leakage, leakage and other underground anomalies wells. Prevent the drilling, completion occurs during accidents, reduce drilling and completion of the workload and improve work efficiency.Therefore, the design parameters of a drilling fluid tank monitoring system, By drilling parameter changes directly reflect the activity of the formation fluids downhole and wellbore pressure and formation pressure situations, Unusual emphasis on drilling parameters forecasting, Avoid blowout, lost circulation and other major incidents, Timely processing of hydrocarbon emplacement, salt intrusion, water intrusion, etc., Create favorable conditions for the smooth construction.Keywords: drilling; real-time monitoring system; drilling accident; configuration; sensor; data acquisition本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：鉆井液池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)學(xué)生姓名 學(xué)號(hào)0907010410教學(xué)院系電氣信息學(xué)院專業(yè)年級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器2009級(jí)指導(dǎo)教師 職稱副教授單位西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院完成日期2013年6月11日目錄摘要Abstract目錄第一章 緒論1.1 研究目的和意義1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀1.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀1.3 主要研究?jī)?nèi)容及任務(wù)第二章 鉆井液2.1 什么是鉆井液2.2 鉆井液的作用2.3 鉆井液性能2.3.1 鉆井液密度2.3.2 鉆井液電導(dǎo)率2.3.3 鉆井液體積2.2.4 鉆井液流量2.2.5 鉆井液溫度2.4 鉆井液對(duì)石油鉆井的影響2.5 鉆井液各項(xiàng)參數(shù)變化時(shí)可能發(fā)生的事故類型第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 硬件系統(tǒng)總體框架圖3.2 傳感器選型及安裝3.2.1 傳感器選型依據(jù)3.2.2 鉆井液密度傳感器3.2.3 鉆井液體積傳感器3.2.4 鉆井液流量傳感器3.2.5 鉆井液溫度傳感器3.2.6 鉆井液電導(dǎo)率傳感器3.2.7 現(xiàn)場(chǎng)傳感器安裝位置示意圖3.3 數(shù)據(jù)采集接口與數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)3.3.1 數(shù)據(jù)采集模塊選型依據(jù)3.3.2 數(shù)據(jù)采集模塊選型3.3.3 數(shù)據(jù)通信3.3.4 數(shù)據(jù)采集總體框架第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 開發(fā)軟件平臺(tái)介紹4.1.1 組態(tài)軟件簡(jiǎn)介4.1.2 組態(tài)軟件開發(fā)平臺(tái)優(yōu)勢(shì)4.2 鉆井液池監(jiān)測(cè)軟件功能模塊設(shè)計(jì)4.2.1 軟件總體框架圖4.2.2 功能模塊介紹4.3 鉆井工序的異常檢測(cè)報(bào)警4.3.1 鉆進(jìn)過程4.3.2 起鉆過程4.3.3 下鉆過程4.3.4 關(guān)井循環(huán)4.4 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)4.5 雙機(jī)冗余第五章 系統(tǒng)調(diào)試第六章 結(jié)論與建議6.1 結(jié)論6.2 建議謝辭參考文獻(xiàn)附錄附錄一：系統(tǒng)調(diào)試示意圖附錄二：部分程序第一章 緒論1.1研究目的和意義1、研究目的鉆井液池為鉆井施工作業(yè)過程中提供循環(huán)鉆井液，通過對(duì)鉆井液體積、密度的、電導(dǎo)率等其他相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測(cè)可以反映出當(dāng)前鉆井是否出現(xiàn)異常。通過對(duì)鉆井液的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，判斷是否會(huì)出現(xiàn)溢流、井涌、漏失、井漏等井下異常情況，防止鉆井、完井過程中發(fā)生事故，減少鉆井、完井的工作量，提高工作效率，并且通過鉆井液性能的變化，來判斷是否遇油、氣、水層和特殊巖性，為接下來的鉆井施工打好方向。2、研究意義鉆井液參數(shù)包括鉆井液的出入口溫度、出入口電導(dǎo)率、出入口密度、流量、鉆井液體積等。鉆井液參數(shù)的變化通常能直接反映井下地層流體的活躍情況以及井筒壓力與地層壓力的平衡情況，重視鉆井液參數(shù)異常的預(yù)報(bào)，可以避免井噴、井漏、溢流等重大事故的發(fā)生，及時(shí)處理油氣侵、鹽侵、水侵，為順利施工創(chuàng)造有利條件。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過力控6.0開發(fā)出一套對(duì)鉆井液池的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，參數(shù)顯示及報(bào)警，達(dá)到保障鉆井施工安全、減少投入、提高勘探開發(fā)整體效益的目的。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀在鉆井、完井工程中，監(jiān)測(cè)各項(xiàng)參數(shù)以及參數(shù)報(bào)警是最重要的步驟之一。在國(guó)內(nèi)，中石油、中石化、中海油三大石油公司已經(jīng)進(jìn)行了許多鉆井、完井方面的工作，通過無數(shù)的實(shí)踐證明，很多鉆井、完井測(cè)試技術(shù)已經(jīng)非常成熟。但是在溢流、漏失、井涌、井漏等井下情況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上還略有不足，所用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還都還比較分散，不能將所有監(jiān)測(cè)參數(shù)集中在一個(gè)系統(tǒng)上。雖然當(dāng)前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有比較先進(jìn)的MWD（隨鉆測(cè)量）測(cè)試系統(tǒng)，但部分功能不如國(guó)外的MWD（隨鉆測(cè)量）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而且中國(guó)當(dāng)前使用的石油工業(yè)中的自主研發(fā)測(cè)試技術(shù)大都屬于完井、鉆井工程領(lǐng)域中基礎(chǔ)的技術(shù)，而部分高端的測(cè)試技術(shù)仍需要求助于國(guó)外。1.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀在國(guó)外，石油工業(yè)起步很早，到目前為止已經(jīng)有大量高端的測(cè)控技術(shù)，已經(jīng)擁有MWD（隨鉆測(cè)量）、LWD（隨鉆錄井）、PWD（隨鉆測(cè)壓）等先進(jìn)的測(cè)量系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)實(shí)地、完整地對(duì)鉆井液參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及報(bào)警。同時(shí)，致力于鉆井液參數(shù)儀表和鉆井液參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究、開發(fā)、生產(chǎn)的專業(yè)公司很多，其中包括美國(guó)的馬丁（M/D TOTCO）公司、加拿大Datalog公司和英國(guó)的瑞設(shè)（Rigserv）公司等在該領(lǐng)域的研究中處于國(guó)際領(lǐng)先水平。例如，加拿大Datalog公司研制的鉆井液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：可以測(cè)量并顯示200多個(gè)鉆井參數(shù)，以Windows95/98或windows NT作為操作平臺(tái)，采用客戶端/服務(wù)器技術(shù)，通過Internet或Modem進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)和歷史監(jiān)控，采用觸摸屏，可自制美觀實(shí)用的用戶界面，所有鉆井參數(shù)數(shù)據(jù)均可存儲(chǔ)在光盤中，系統(tǒng)易安裝、易擴(kuò)展、可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)保證了鉆井、完井過程中的安全，減少了工作量，提高了工作效率。美國(guó)Varco公司M/D TOTCO分公司于2001年最新研制的鉆井集成控制信息系統(tǒng)，該信息系統(tǒng)可以測(cè)量顯示基本的鉆井參數(shù)，采用液晶觸摸顯示屏，以Windows NT為操作為平臺(tái)，可以通過計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)進(jìn)行信息交換，也可以通過Internet/Intranet實(shí)現(xiàn)鉆井信息遠(yuǎn)程通信。英國(guó)Rigserv公司（該公司是世界上第一個(gè)使用觸摸屏的石油儀器公司）研制的觸摸屏自動(dòng)鉆井系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以測(cè)量幾乎所有與鉆井作業(yè)過程中有關(guān)的參數(shù)，采用非接觸式傳感器，系統(tǒng)的硬件緊湊、密封性好。美國(guó)Epoch公司開發(fā)的產(chǎn)品RIGWATCHTM，是基于Windows的鉆井參數(shù)記錄儀，采用觸摸顯示屏或CRT，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)多曲線和多窗口顯示，可以進(jìn)行自動(dòng)鉆井參數(shù)的記錄和打印，可以通過Internet或電話撥號(hào)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問，使用數(shù)據(jù)庫(kù)管理鉆井參數(shù)數(shù)據(jù)國(guó)外的測(cè)控技術(shù)現(xiàn)正向自動(dòng)化和智能化的方向上發(fā)展。1.3 主要研究?jī)?nèi)容在鉆井過程中對(duì)鉆井液參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是鉆井工程中的重要部分。本文針對(duì)現(xiàn)有鉆井液池監(jiān)測(cè)技術(shù)中所存在的問題進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，在查閱大量國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套鉆井液池參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井過程中的鉆井液參數(shù)變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究工作：1、機(jī)理研究及參數(shù)確定 了解鉆井液池各監(jiān)測(cè)參數(shù)對(duì)鉆井作業(yè)的影響、表征現(xiàn)象及規(guī)律，確定該系統(tǒng)所要監(jiān)測(cè)的參數(shù)，并為傳感器的優(yōu)選提供理論依據(jù)。2、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1）傳感器的選型 在石油鉆井過程中的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境十分惡劣，條件復(fù)雜，因而在傳感器的選型上必須充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)的工作條件，包括場(chǎng)地的酸堿性、腐蝕性、溫度、濕度等，同時(shí)還要考慮傳感器安裝位置，傳感器的成本、靈敏度、測(cè)量精度等。 2）數(shù)據(jù)采集接口模塊的設(shè)計(jì) 儀器數(shù)據(jù)采集接口處于傳感器和傳感器數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)之間。根據(jù)需要采集的傳感器信號(hào)的數(shù)目、采樣頻率、數(shù)據(jù)采集卡的分辨率、數(shù)據(jù)采集卡價(jià)格等，結(jié)合實(shí)際情況，優(yōu)選數(shù)據(jù)采集卡；并采用RS-485總線和RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡與上位計(jì)算機(jī)完成A/D、I/O驅(qū)動(dòng)及通訊，完成數(shù)據(jù)的傳輸。3、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用力控Forcecontrol 6.0版組態(tài)軟件完成軟件部分的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)出鉆井液池監(jiān)控系統(tǒng)動(dòng)畫模擬顯示、歷史曲線回放、實(shí)時(shí)曲線顯示、數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警記錄、報(bào)警分析、專家報(bào)表打印、等功能模塊。利用其web發(fā)布功能方便工作人員遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)鉆井作業(yè)過程中的井下情況，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)作出分析和判斷。4、軟硬件連接調(diào)試 通過RS-485接口建立起組態(tài)軟件與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的連接，分別從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)四個(gè)方面對(duì)軟硬件進(jìn)行調(diào)試。第2章 鉆井液 鉆井液是鉆井工程的血液，鉆井液參數(shù)的監(jiān)測(cè)對(duì)減少鉆井事故的發(fā)生起著重要作用，確定鉆井液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所要監(jiān)測(cè)的參數(shù)，并以此為依據(jù)分析判斷鉆井時(shí)可能發(fā)生的異常情況。2.1 什么是鉆井液鉆井液就是在鉆井工作過程中的其多種功能滿足鉆井工作需要的各種循環(huán)流體總稱。鉆井液的循環(huán)是通過鉆井泵來維持的，從鉆井泵排出的高壓鉆井液，經(jīng)過地面高壓管、立管、水龍帶、水龍頭、方鉆桿、鉆桿、鉆鋌到達(dá)鉆頭，從鉆頭水眼上的噴嘴噴出，從清洗井底、攜帶鉆屑。然后由沿環(huán)形空間（鉆柱與井壁形成的空間）向上流動(dòng)。到達(dá)地面后，經(jīng)地面，低壓管匯流入鉆井液池，再經(jīng)各種固控設(shè)備進(jìn)行處理后返回上水池，最后進(jìn)入鉆井泵循環(huán)再用。鉆井液經(jīng)流的各種管件、設(shè)備構(gòu)成了一整套鉆井液循環(huán)系統(tǒng)。要深入了解鉆井液對(duì)鉆井的影響還要知道鉆井液的作用。 2.2 鉆井液作用1、攜帶和懸浮巖屑是鉆井液首要和最基本的功能在懸浮中，沿鉆桿向下或從鉆孔中向上流動(dòng)的鉆井液有時(shí)會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。出現(xiàn)這種情況只能有兩種原因：一是出現(xiàn)了故障，二是在更換鉆頭時(shí)將鉆桿提出了鉆孔。鉆探停止時(shí)，懸浮在鉆井液中的鉆屑就會(huì)沉入鉆孔的底部，將鉆孔堵塞。鉆井液被設(shè)計(jì)為具有一種非常有趣的特性，而該特性可以解決這一問題。鉆井液的稠度（或粘度）隨鉆井液流速降低而增加。鉆井液停止流動(dòng)后，就會(huì)形成一種粘稠的凝膠體，這種凝膠體可使巖石鉆屑懸浮在其中，從而防止它們沉入鉆孔底部。而當(dāng)鉆井液又開始流動(dòng)后，它就會(huì)越變?cè)较”?，恢?fù)到其以前稀薄的液體形態(tài)。就是通過本身的循環(huán)將井底被鉆頭破碎的巖屑攜至地面，以保持井眼清潔，使起下鉆暢通無阻，并保證鉆頭在井底始終接觸和破碎新地層，不造成重復(fù)切屑，保證安全、快速鉆井、提高鉆井率，能完成鉆井任務(wù)，而且可以降低成本。在接單根、起下鉆和因故停止循環(huán)時(shí)，鉆井液又將井內(nèi)的鉆屑懸浮在鉆井液中，使鉆屑不會(huì)很快下沉，防止沉沙卡鉆，也可以保持井壁不垮塌。2、穩(wěn)定井壁和平衡地層壓力許多人都看到過石油從鉆井臺(tái)中噴入高空，石油工人為之而歡呼雀躍的情景。實(shí)際上，這類井噴的發(fā)生，也并不值得慶祝，因?yàn)殂@探的目標(biāo)是以控制流量的方式來開采石油。泥漿被設(shè)計(jì)為可以抵消巖層中流體的自然壓力，從而防止發(fā)生此類事故。壓力間必須達(dá)到適當(dāng)?shù)钠胶?，即鉆井液對(duì)鉆孔壁的壓力應(yīng)足以抵消巖層和石油或天然氣施加的壓力，但這種壓力又不能太大，否則會(huì)對(duì)油井造成破壞。如果鉆井液的重量太大，可能會(huì)使巖石破裂，鉆井液也會(huì)因此而流失入地下。3、冷卻和潤(rùn)滑鉆頭和鉆具金屬鉆入巖石時(shí)，會(huì)因摩擦生熱。鉆井液可潤(rùn)滑和冷卻鉆頭，使鉆探平穩(wěn)進(jìn)行，同時(shí)延長(zhǎng)鉆頭的壽命。對(duì)延伸區(qū)域或水平油井而言，潤(rùn)滑可能尤為重要，因?yàn)樵谶@些地方，鉆桿、鉆頭和巖石表面間的摩擦必須保持在最低水平。在鉆井中特別是在深井的鉆井中，鉆頭一直處在高溫下旋轉(zhuǎn)并破碎復(fù)雜的巖層，產(chǎn)生高溫和熱量，同時(shí)鉆具也不斷地與井壁磨擦產(chǎn)生熱量，鉆井液不斷地循環(huán)作用，可以將這些熱量及時(shí)吸收，然后帶到地面釋放在大氣層中，從而起到了冷卻鉆頭、鉆具并延長(zhǎng)其使用壽命，鉆井液的存在使鉆頭和鉆具均在液體內(nèi)旋轉(zhuǎn)，在很大程度上降低了摩擦阻力，起到了很好的潤(rùn)滑作用。4、傳遞水動(dòng)力 鉆井液在鉆頭噴嘴處以極高的流速?zèng)_擊井底，從而提高了鉆井速度和破巖效率。高壓噴射鉆井正是利用了這一原理。也就是采用高泵壓鉆進(jìn)，使鉆井液所形成的高速射流對(duì)井底產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，提高鉆速。在使用渦輪鉆具鉆進(jìn)時(shí)，鉆井液由鉆桿內(nèi)較高流速經(jīng)渦輪葉片，使渦輪旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)鉆頭破巖碎石。以上是說的鉆井液的作用。我在一年里操作實(shí)習(xí)中深深體會(huì)到作為一種優(yōu)質(zhì)的鉆井液，要配制好一種優(yōu)質(zhì)的鉆進(jìn)液是科學(xué)技術(shù)含量很高的技術(shù)技藝過程。鉆井液對(duì)鉆井的影響是很大的。2. 3 鉆井液性能2.3.1 鉆井液密度 鉆井液密度是指一定體積的鉆井液與其體積的比值。鉆井液密度的大小決定著鉆井液質(zhì)量的大小，也決定著鉆井液液柱壓力的大小。密度大、質(zhì)量就大，液柱壓力就大，反之就小。鉆井密度對(duì)鉆井的影響主要有兩點(diǎn)：一是平衡地層壓力。因?yàn)殂@井液具有質(zhì)量，必然通過鉆井液對(duì)井底產(chǎn)生壓力。對(duì)井壁有一定的支撐力。該壓力可以平衡地層及油、氣、水層壓力。防止井口噴，保護(hù)和鞏固井壁，防止地層中的高壓油、氣、水浸入鉆井液而破壞鉆井液性能，導(dǎo)致井下復(fù)雜事故，如卡鉆、井壁塌落，油氣遭到破壞等。二是對(duì)鉆速的影響：鉆井液密度大，產(chǎn)生的液柱壓力就大，鉆具在井內(nèi) 轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力就大。從而增加了動(dòng)力消耗，加重了鉆頭研磨新地層的負(fù)擔(dān)，致使鉆速降低。而且密度過大易壓漏地層，破壞油氣滲透率，甚至還會(huì)把油氣壓死，增大了發(fā)現(xiàn)油氣藏的困難。要做到“壓而不死，活而不噴”，也就是鉆井液密度大，但不能把油氣壓死，鉆井液密度小，但不能發(fā)生井噴。2.3.2 鉆井液電導(dǎo)率鉆井液電導(dǎo)率的變化可以表征鉆井液黏土顆粒表面電位的變化、鉆井液濾液化學(xué)需氧量COD值的變化和鉆井液濾液礦化度的變化。該研究結(jié)果為評(píng)價(jià)鉆井液性能提供了一種簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確的分析手段。測(cè)定鉆井液的電導(dǎo)率主要目的是修正測(cè)井時(shí)地層的電導(dǎo)率值，近而判斷巖石巖性、油氣水顯示。一般測(cè)井對(duì)鉆井液的電導(dǎo)率的要求是不小于0.20S/m,所以電導(dǎo)率是分析評(píng)價(jià)地層流體性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)，同時(shí)是檢測(cè)鉆井液中礦化度的基本方法。2.3.3 鉆井液體積在鉆井液循環(huán)過程中，測(cè)量鉆井液體積變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆井液增加或減少?？梢员O(jiān)測(cè)出是否有泥漿漏失和地層流體進(jìn)入，為及時(shí)預(yù)報(bào)井漏、井涌、井噴提供必不可少的安全資料。2.3.3 鉆井液流量在鉆井液循環(huán)過程中，鉆井液出口流量變化，與出口流量對(duì)比，可以監(jiān)測(cè)是否有泥漿漏失和地層流體進(jìn)入，及時(shí)預(yù)報(bào)井漏、井涌、井噴提供有利依據(jù)。2.3.4 鉆井液溫度鉆井液的溫度的變化可直接反映地?zé)崽荻?，是監(jiān)測(cè)異常壓力的重要參數(shù)，監(jiān)測(cè)是否有鉆井液漏失和地層流體進(jìn)入，及時(shí)預(yù)測(cè)井涌、井漏、井噴。2.4 鉆井液對(duì)石油鉆井的影響為了防止和盡量減少油氣層的損失，保護(hù)油氣藏，鉆井液與鉆遇的油氣必須相配伍，也就是根據(jù)地層測(cè)試和鉆井的要求配制出優(yōu)質(zhì)的鉆井液。如果鉆井液不符合地層測(cè)試的要求，不僅破壞了油氣層，而且大大影響了石油鉆井，使鉆井成空井，或者產(chǎn)油產(chǎn)氣低，嚴(yán)重影響了鉆井的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 當(dāng)鉆井鉆到儲(chǔ)油層時(shí)，對(duì)鉆井液的要求也不同，鉆井液必須滿足鉆井工程和地質(zhì)的要求，不然將對(duì)油氣層遭到破壞。嚴(yán)重地將發(fā)生噴井，使國(guó)家資源浪費(fèi)，而且也是安全的隱患。2.5 鉆井液各項(xiàng)參數(shù)變化時(shí)可能發(fā)生的事故類型1、井漏井漏是最直觀的一種鉆井事故，通過地面鉆井液量的連續(xù)觀察能夠很容易發(fā)現(xiàn)。人工監(jiān)測(cè)井漏，由于不易掌握鉆井液總量的變化和不能連續(xù)計(jì)量，不易發(fā)現(xiàn)滲漏和忽視小漏，也常常因?yàn)樗枷肼楸曰蛎搷彶荒芗皶r(shí)發(fā)現(xiàn)突發(fā)性的大漏失，而造成復(fù)雜情況甚至錯(cuò)過控制時(shí)機(jī)。綜合錄井儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與井漏有關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)的變化，并連續(xù)準(zhǔn)確計(jì)量鉆井液體積，可直接反映參數(shù)的趨勢(shì)性變化，又快又準(zhǔn)地判斷井漏的發(fā)生；在掌握區(qū)域和鄰井資料的情況下，抓住漏前預(yù)兆，可更準(zhǔn)確預(yù)報(bào)井漏。在鉆進(jìn)過程中，進(jìn)行井漏監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)的依據(jù)是鉆井液總體積、鉆井液出口流量的變化情況；在起下鉆過程中，監(jiān)測(cè)井漏的依據(jù)是監(jiān)測(cè)應(yīng)灌入的鉆井液體積數(shù)量和應(yīng)返出的鉆井液體積數(shù)量，判斷井漏是否發(fā)生。2、井涌在地層壓力的作用下，鉆井液和地層內(nèi)的流體涌出井口的現(xiàn)象稱之為井涌。井涌發(fā)生的原因主要有以下幾點(diǎn)：鉆于異常高壓地層，地層超壓驅(qū)動(dòng)地層流體進(jìn)入井眼形成井涌，這是最根本和最主要的原因。鉆井液密度因地層流體的不斷侵入而降低，形成負(fù)壓，負(fù)壓加劇地層流體的侵入又進(jìn)一步加大負(fù)壓形成惡性循環(huán)，最后形成井涌。在井底壓力近平衡狀態(tài)下，停止循環(huán)時(shí)，作用于井底的環(huán)空壓耗消失，使井底壓力減小起鉆時(shí)未按規(guī)定灌鉆井液使井筒液面下降井漏時(shí)鉆井液補(bǔ)充不足使井筒液面下降，或漏速過大、備用鉆井液不足補(bǔ)充漏失量，加清水使鉆井液密度降低。起鉆時(shí)，特別是鉆頭出現(xiàn)“泥包”時(shí)，起鉆的抽吸作用誘發(fā)井涌。3、鹽侵鹽侵是在鉆遇含鹽膏地層時(shí)，由于鹽類的水溶性，遇到水基鉆井液時(shí)溶解在鉆井液中對(duì)鉆井液造成污染，導(dǎo)致鉆井液性能的改變。同時(shí)，含鹽膏地層在受到鉆井液浸泡時(shí)會(huì)發(fā)生膨脹，已鉆開的鹽膏層在上覆地層壓力的作用下會(huì)發(fā)生塑性流動(dòng)，造成井眼縮徑，可能導(dǎo)致鉆具阻卡乃至卡鉆事故的發(fā)生。鹽侵的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)對(duì)確保安全鉆進(jìn)有很大作用。對(duì)鉆井液鹽侵進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)所依據(jù)的主要參數(shù)是鉆井液電導(dǎo)率。鉆入鹽膏層，鉆速加快，對(duì)出現(xiàn)鹽侵情況時(shí)，電導(dǎo)率上升，上升幅度視鹽侵程度不同而有差異。鉆具上提、下放過程中可能會(huì)出現(xiàn)卡、阻現(xiàn)象，超拉力變化明顯，幅度較大4、油氣水侵油氣水侵是在地層壓力大于鉆井液液柱壓力的情況下，儲(chǔ)層中的油氣水進(jìn)入鉆井液，影響鉆井液性能的一種現(xiàn)象，視流體性質(zhì)不同，通常叫油、氣侵或水侵。油氣水相對(duì)于鉆井液而言，均是密度較低的流體，當(dāng)發(fā)生油氣水侵時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鉆井液密度下降，進(jìn)一步減小作用于井底的鉆井液液柱壓力，使油氣侵進(jìn)一步加劇。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施，會(huì)導(dǎo)致平衡鉆井失控，造成井涌、井噴等惡性事故的發(fā)生。在發(fā)生油氣水侵前會(huì)出現(xiàn)快鉆時(shí)、蹩跳鉆、放空現(xiàn)象的發(fā)生，這時(shí)就應(yīng)予以重視。一旦油氣水侵發(fā)生，綜合錄井參數(shù)會(huì)有一系列的變化顯示，大鉤負(fù)荷增大、鉆井液密度減小、粘度增大、氣測(cè)烴類異常。油氣侵時(shí)電導(dǎo)率降低，水侵時(shí)電導(dǎo)率升高；增加幅度視地層水礦化度而異；鉆井液體積增加，出口流量增加。如果地層壓力高于鉆井液液柱壓力，且相差過大，油氣水侵會(huì)迅速發(fā)生，出現(xiàn)井涌現(xiàn)象。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 鉆井現(xiàn)場(chǎng)情況十分復(fù)雜，鉆井條件復(fù)雜多變，為了保證鉆井液池參數(shù)測(cè)量具有一定的測(cè)量精度和可靠性，那么就要求系統(tǒng)硬件必須能夠適應(yīng)不同環(huán)境的測(cè)量條件，減少了其對(duì)具體測(cè)量環(huán)境的依賴性，即使發(fā)生異常情況也能夠正常地進(jìn)行工作。本章將從傳感器的選型、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)等方面介紹該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。3.1 硬件系統(tǒng)總體框架系統(tǒng)的硬件部分主要是完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、以及傳輸。硬件系統(tǒng)總體框架如圖3-1所示，主要包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：1、傳感器環(huán)節(jié)。利用傳感器將現(xiàn)場(chǎng)需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出；2、數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)。主要包括多路選擇開關(guān)、放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換電路等，并能完成多路數(shù)據(jù)的采集、放大和數(shù)模轉(zhuǎn)換；3、信號(hào)傳輸環(huán)節(jié)。利用MODBUS傳輸協(xié)議通過RS-485通訊傳輸線路將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理、顯示、存儲(chǔ)、打印等功能。圖3-1 硬件系統(tǒng)總體框架圖3.2 傳感器選型及安裝3.2.1 傳感器選型依據(jù)根據(jù)鉆井液池的監(jiān)測(cè)需求確定相應(yīng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)后，如何根據(jù)監(jiān)測(cè)參數(shù)具體的測(cè)量精度、測(cè)量方法以及測(cè)量環(huán)境合理地選用合適的傳感器，是對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)首先要解決的問題。1、確定傳感器的類型要進(jìn)行個(gè)具體的測(cè)量工作，首先要做的是考慮采用基于何種原理的傳感器，因?yàn)椋词故菧y(cè)量同一個(gè)物理量，也有許多基于不同原理的傳感器可供選擇，到底是哪一種原理的傳感器最為合適，就需要根據(jù)被測(cè)量參數(shù)的特點(diǎn)以及傳感器的使用條件，考慮以下問題：傳感器量程的大小；傳感器精度大小；被測(cè)位置對(duì)傳感器體積的具體要求；傳感器的測(cè)量方式；傳感器的來源，是國(guó)產(chǎn)的好還是進(jìn)口的，價(jià)格是否在承受能力之內(nèi)。在考慮到以上問題之后才能確定選用何種哪種類型的傳感器，再然后就是考慮傳感器的具體性能指標(biāo)和參數(shù)。2、靈敏度的選擇通常，在傳感器的線性范圍之內(nèi)，靈敏度越高時(shí)，與被測(cè)量變化參數(shù)對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才越大，更有利于信號(hào)輸出處理。但值得注意的是，傳感器的靈敏度越高，與被測(cè)量無關(guān)的外界噪聲也更容易混入其中，進(jìn)而被放大系統(tǒng)放大，從而影響測(cè)量精度。因此，要求傳感器本身就具有較高的信噪比，以便盡量減少?gòu)耐饨缫氲母蓴_信號(hào)。3、線性范圍傳感器的線性范圍就是指輸出與輸入成正比的區(qū)間，但是任何傳感器都不能保證它絕對(duì)的線性度，所以當(dāng)要求測(cè)量的精度比較低時(shí)，在一定范圍內(nèi)，可將非線性誤差比較小的傳感器近似看作是線性的，這樣就可以為測(cè)量帶來更多的方便。4、穩(wěn)定性穩(wěn)定性是在傳感器使用了一定時(shí)間后，其性能保持基本不變的能力。影響傳感器穩(wěn)定性的因素除了傳感器本身結(jié)構(gòu)以外，更主要的是傳感器的使用環(huán)境。所以在選擇具體傳感器之前，應(yīng)該對(duì)其使用的環(huán)境進(jìn)行了解，以便根據(jù)具體的環(huán)境選擇恰當(dāng)?shù)膫鞲衅?，也可以采取一些的措施，減小環(huán)境對(duì)其的影響。5、精度精度是傳感器非常重要的一個(gè)性能指標(biāo)，它關(guān)系到整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。傳感器的精度越高，當(dāng)然價(jià)格就越貴。因此，傳感器的精度只需滿足其需要的精度要求就可以了，也不必選得過高。 3.2.2 鉆井液密度傳感器鉆井液密度反映了鉆井液中的固相物資含量，可以監(jiān)測(cè)地層流體進(jìn)入，及時(shí)預(yù)測(cè)井涌、井漏，計(jì)算地層壓力等提供實(shí)時(shí)參數(shù)，為調(diào)整鉆井液性能提供方案。1、測(cè)量原理 壓差式鉆井液密度傳感器是由兩個(gè)壓力感應(yīng)元件和一個(gè)電容感應(yīng)元件組成，見右圖正常工作時(shí)，密度傳感器垂直安裝在鉆井液中，兩個(gè)壓力感應(yīng)元件在鉆井液中的深度是不同的。因?yàn)橐后w中物體所受的壓力與該物體所處的深度及液體的密度有關(guān)，而兩個(gè)壓力感應(yīng)元件之間的距離恒定，因此其間壓差僅與鉆井液的密度有關(guān)。已知兩壓力感應(yīng)元件間的壓差D。時(shí)，若其間距為H，根據(jù)以下可得出鉆井液密度值d：電容感應(yīng)元件作用是用來接收來自兩個(gè)壓力感應(yīng)元件的液壓差信號(hào)，將壓差轉(zhuǎn)化成電容量，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成420mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。2、傳感器選型 本系統(tǒng)采用成都新明程電子公司的XMC型密度傳感器。XMC型密度傳感器是專為泥漿作業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)。是一種用于連續(xù)在線測(cè)量液體濃度和密度的設(shè)備，可直接用于工業(yè)生產(chǎn)過程中。XMD型密度傳感器采用差壓式密度傳感器的原理，能根據(jù)介質(zhì)在一定垂直距離上的差壓值計(jì)算出密度值，并自動(dòng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償,精度高,可靠性好,安裝使用簡(jiǎn)單。 3、 傳感器技術(shù)指標(biāo) 輸出：4-20mA電流輸出 精度：0.01克/立方厘米 密度量程：0-2.56克/立方厘米 儀表電源：24VDC 環(huán)境溫度：-1060 濕度范圍：0-90% 4、安裝位置 圖3-3 質(zhì)量流量計(jì)安裝3.2.3 鉆井液體積傳感器測(cè)量鉆井液體積變化，可以監(jiān)測(cè)是否有鉆井液漏失和地層流體進(jìn)入，及時(shí)預(yù)測(cè)井涌、井漏、井噴。 1、 測(cè)量原理超聲波鉆井液體積傳感器是根據(jù)超聲波測(cè)距原理進(jìn)行液面位置檢測(cè)的。傳感器由超聲波發(fā)射、接收裝置和變送器組成。超聲波發(fā)射裝置發(fā)射的超聲波，被物體表面反射回來后，由接收裝置接收。變送器將超聲波在發(fā)射與接收過程中所產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。超聲波液位傳感器特點(diǎn)如下：測(cè)量精度高。響應(yīng)時(shí)間短可以方便的實(shí)現(xiàn)無滯后的實(shí)時(shí)測(cè)量。非接觸測(cè)量，性能穩(wěn)定可靠，對(duì)液體的物理化學(xué)性質(zhì)的適應(yīng)性極強(qiáng)，不怕酸堿等強(qiáng)腐蝕性液體等。智能型超聲波液位傳感器是在超聲波液位傳感器的基礎(chǔ)上，使用微處理器作為控制核心而研制開發(fā)的，具有傳統(tǒng)超聲. 2、傳感器選型 本系統(tǒng)選擇恩普儀表公司的EPM系列超聲波液位計(jì)，此液位傳感器內(nèi)置溫度補(bǔ)償，功率自適應(yīng)，采用多項(xiàng)自研的專利技術(shù)，擁有全新的信號(hào)處理技術(shù)，極大的提高了儀表的測(cè)量精度，對(duì)干擾回波有明顯得抑制功能。安裝、維護(hù)、標(biāo)定簡(jiǎn)單。具有安全、清潔、精度高、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定可靠、安裝維護(hù)方便、讀數(shù)簡(jiǎn)捷等特點(diǎn)。3、傳感器技術(shù)指標(biāo) 測(cè)量范圍：03m、06m、010m 盲區(qū)：0.25m0.5m 測(cè)量精度：0.250.5 分辨率：1mm 方向角：46（全角） 壓力：4個(gè)大氣壓以下 顯示：自帶LCD顯示液位高度或空間距離 數(shù)字輸出：RS485接口、ModBUS協(xié)議或定制（四線制） 模擬輸出：420mA 開關(guān)量：24路AC220V/3A（四線制） 防護(hù)等級(jí)：IP65 環(huán)境溫度：2060 供電電壓：四線制DC24V70mA/AC220V3W二線制DC24V4、安裝位置鉆井液體積傳感器是聲波發(fā)射和接收裝置，傳感器聲波探頭安裝在鉆井液罐上，安裝時(shí)必須要先在每個(gè)液罐面上遠(yuǎn)離攪拌的桿、鉆井液流動(dòng)比較平穩(wěn)地方焊割開一合適的口子。然后將特制的金屬架固定在鉆井液罐開口處，并調(diào)整探頭和固定桿臂長(zhǎng)、方向、高度，使探頭的發(fā)射面與罐面保持300mm的垂直高度。 探頭信號(hào)線與入口接線盒相連接。如圖3-9所示：圖3-9 超聲波液位傳感器安裝位置圖3-5 鉆井液電導(dǎo)率傳感器安裝3.2.4 鉆井液流量傳感器隨著人們對(duì)鉆井事故安全越來越關(guān)注，及時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆井液溢流和漏失為鉆井液出口流量的測(cè)量提出了更高的要求，鉆井液出口流量變化，與入口流量對(duì)比，可以監(jiān)測(cè)是否有鉆井液漏失和地層流體進(jìn)入，及時(shí)預(yù)測(cè)井涌、井漏、井噴。1、測(cè)量原理電容式靶式流量計(jì)主要由測(cè)量管（外殼）、新型電容、力傳感器、阻流件、積算顯示和輸出部分組成。當(dāng)介質(zhì)在測(cè)量管中流動(dòng)時(shí)，因其自身的動(dòng)能通過阻流件（靶）時(shí)而產(chǎn)生的壓差，并對(duì)阻流件有一作用力，其作用力的大小與介質(zhì)流速的平方成正比，其數(shù)學(xué)方式表達(dá)如下：F=CdAV2/2式中：F 阻流件所受的作用力（kg） Cd物體阻力系數(shù) A 阻流件對(duì)測(cè)量管軸向投影面積(mm2) 工況下介質(zhì)密度（kg/m3） v 介質(zhì)在測(cè)量管中的平均流速(m/s)阻流件(靶)接受的作用力F，經(jīng)剛性連接的傳遞件（測(cè)桿）傳至電容力傳感器，電容力傳感器產(chǎn)生電壓信號(hào)輸出：V=KF式中：V電容力傳感器輸出的電壓（mV）， K比例常數(shù)， F阻流件（靶）所受的作用力（kg）。2、傳感器選型 雖然可以精確測(cè)量液體流量的傳感器較多，如電磁流量傳感器、渦輪流量傳感器、超聲波流量傳感器等等，但是受鉆井現(xiàn)場(chǎng)安裝條件和鉆井液性能的影響，目前能夠有效用于鉆井液出口流量測(cè)量的傳感器并不是很多，綜合錄井比較常用的是靶式流量傳感器。這種靶式流量傳感器在錄井過程中主要用于測(cè)量鉆井液出口流量的相對(duì)變化，其精度較低。這里我們選擇天津克萊瑞科技有限公司 KBL系列靶式流量計(jì)，其主要用于解決高粘度，低雷諾數(shù)流體的流量測(cè)量。KBL系列靶式流量計(jì)則以先進(jìn)的壓敏電阻應(yīng)變片技術(shù)為基本，加之更為科學(xué)、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，極大地提高了測(cè)理精度及可靠性；同時(shí)采用數(shù)字技術(shù)和微電子技術(shù)，將檢測(cè)到的傳感信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?-20mA信號(hào)正比輸出，現(xiàn)場(chǎng)直觀液晶顯示瞬時(shí)流量和累積流量。適用于各種氣體、液體及蒸汽等介質(zhì)的測(cè)量，如圖3、傳感器技術(shù)指標(biāo) 口徑：DN15DN3000mm 公稱壓力：0.0142MPa 工況溫度：-196+500 精度：0.21.5%FS 量程比：1：15 殼體：碳鋼；不銹鋼(或按用戶要求提供)(襯氟) 供電方式：內(nèi)置3.6VDC鋰電池；外供24VDC（可選） 輸出信號(hào)：420mA二線制；脈沖01000HZ；RS232/RS485 防護(hù)等級(jí)：IP65 IP67 4、安裝位置 在正常的條件下，電容式靶式流量計(jì)像閥門那樣螺栓固定在管道上的。為了保證使用流量傳感器時(shí)里面不會(huì)存積氣體或者液體殘值，對(duì)于彎管型流量計(jì)，側(cè)量氣體時(shí)，彎管應(yīng)朝上，側(cè)量液體，彎管應(yīng)朝下。而測(cè)量排放液或漿液時(shí)，應(yīng)將傳感器安裝在垂直的管道，流向是由下而上。但對(duì)于直管型流量計(jì)，水平安裝時(shí)應(yīng)該要避免將其安裝到最高點(diǎn)上，以避免氣團(tuán)存積己連接傳感器和工藝管道內(nèi)，并且安裝一定要做到無應(yīng)力安裝，特別對(duì)某些直管型側(cè)量管的流量傳感器更應(yīng)該注意。如圖3-3所示：圖3-3 電容式靶式流量計(jì)圖3-7 立壓傳感器安裝3.2.5 鉆井液溫度傳感器 鉆井液溫度的變化可間接反映地?zé)嵛镔Y含量，是監(jiān)測(cè)異常壓力的重要參數(shù)。1、測(cè)量原理 工業(yè)用熱電阻分鉑熱電阻和銅熱電阻兩大類。熱電阻是利用物質(zhì)在溫度變化時(shí)自身電阻也隨著發(fā)生變化的特性來測(cè)量溫度的。熱電阻的受熱部份(感溫元件)是用細(xì)金屬絲均勻地雙繞在絕緣材料制成的骨架上。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)中有溫度發(fā)生變化時(shí)，所測(cè)得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)中的平均溫度。2、傳感器選型 本系統(tǒng)選擇上海坦?jié)娗餇栯娖骺萍脊镜腤ZP鎧裝式PT100熱電阻溫度傳感器，此傳感器可對(duì)-200600溫度范圍內(nèi)的氣體、液體介質(zhì)和固體表面進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并且可直接用銅導(dǎo)線和二次儀表相連接使用，由于它具有良好的電輸出特性，可為顯示儀、記錄儀、調(diào)節(jié)器、 掃描器、數(shù)據(jù)記錄儀以及電腦提供精確的輸入值。鎧裝電阻外保護(hù)管采用不銹鋼，內(nèi)充滿高密度氧化物質(zhì)絕緣體，因此它具有很強(qiáng)的抗污染和優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度，適合安裝在環(huán)境惡劣的場(chǎng)合。熱電阻式溫度傳感器3、傳感器技術(shù)指標(biāo) 溫度系數(shù)：TCR=3850ppm/K 規(guī)范：DIN EN 60751（符合IEC751） 長(zhǎng)期穩(wěn)定性：R0漂移小于等于0.04 （500，1000小后） 抗振動(dòng)等級(jí)：至少40g加速度（10-2000Hz） 自熱系數(shù)：0.4KmW（0時(shí)） 響應(yīng)時(shí)間：水0.4m/s t0.5=0.05S t0.9=0.15S 空氣2m/s t0.5=3.0S t0.9=10.0S 測(cè)量電流：PT100 0.3-最大1.0 mA PT1000 0.1至0.3mA4、安裝位置 圖3-9 超聲波液位傳感器安裝位置3.2.6 鉆井液電導(dǎo)率傳感器監(jiān)測(cè)鉆井液電導(dǎo)率的變化，根據(jù)變化趨勢(shì)監(jiān)測(cè)是否有地層流體進(jìn)入，判斷侵入鉆井液中地層流體的性質(zhì)。1、測(cè)量原理 電導(dǎo)率傳感器采用感應(yīng)元件的兩個(gè)線圈，一個(gè)稱為初級(jí)線圈，一個(gè)稱為次級(jí)線圈。給初級(jí)線圈提供一個(gè)20kHz的交變電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在其周圍產(chǎn)生一個(gè)交變電磁場(chǎng)，在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電流。當(dāng)傳感器處于空氣中時(shí)，由于空氣的磁導(dǎo)率很小，在次級(jí)線圈中感應(yīng)出的電流很小。設(shè)想有一根導(dǎo)線通過兩磁環(huán)而閉合，那么初級(jí)線圈中磁通的變化會(huì)在該閉合導(dǎo)線中感應(yīng)出電流，而該電流又會(huì)在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電信號(hào)，而且次級(jí)線圈中感應(yīng)電勢(shì)的大小，取決于閉合導(dǎo)線中電流值。當(dāng)初級(jí)線圈中所加的交流電壓一定時(shí)，該電流值的大小又由閉合導(dǎo)線的電流值決定。綜上所述，次級(jí)線圈感應(yīng)電勢(shì)的大小，完全取決于閉合導(dǎo)線的電阻值。這兩個(gè)線圈和導(dǎo)線可以看作是兩個(gè)理想變壓器。如果把初級(jí)線圈置于鉆井液中，則鉆井液就起了閉合導(dǎo)線的作用。在理想情況下，次級(jí)線圈輸出電壓的大小與鉆井液的電阻率成反比。 2、傳感器選型本系統(tǒng)采用北京科思佳公司生產(chǎn)的k2425911型電導(dǎo)率傳感器。該產(chǎn)品有溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能。對(duì)液體在線檢測(cè)時(shí)，可將被檢測(cè)液體的電導(dǎo)率自動(dòng)補(bǔ)償?shù)綐?biāo)準(zhǔn)為25時(shí)的電導(dǎo)率值。因此，本傳感器除能在正常環(huán)境下工作外，還能適應(yīng)于在晝夜溫差大的環(huán)境下工作或者在特殊加熱環(huán)境下工作。變送器信號(hào)采用的是二線制方式輸出，輸出的電流信號(hào)為4 - 20mA，該標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)可以免受外部電磁信號(hào)的干擾，方便遠(yuǎn)距離的傳輸、檢測(cè)和控制。該傳感器沒有電極老化的問題，二位手動(dòng)量程開關(guān)組合檔。圖3-6 電導(dǎo)率傳感器 3、傳感器技術(shù)指標(biāo) 輸入電壓： DC24V 輸出電流： 420mA 輸出接線方式：二線制；三線制線性精度： 0.3 溫度補(bǔ)償范圍： 0+90 變送器工作溫度： -20+70或-45+70探頭（傳感器）工作溫度：-20+80 4、傳感器安裝位置鉆井液電導(dǎo)率傳感器是將傳感器固定在管道支架上，安裝時(shí)應(yīng)注意將傳感器探頭的圓孔與緩沖罐泥漿溜出口對(duì)著，然后將其探頭信號(hào)延長(zhǎng)線與出口接線盒出口電導(dǎo)率相連接。如圖3-5所示：圖3-5 鉆井液電導(dǎo)率傳感器安裝3.2.8 現(xiàn)場(chǎng)傳感器安裝位置示意圖圖3-14 現(xiàn)場(chǎng)傳感器安裝示意圖3.3 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)3.3.1 數(shù)據(jù)采集模塊選型依據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊的選擇對(duì)數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換的精確性有很大影響，選用數(shù)據(jù)采集模塊時(shí)應(yīng)要考慮的因素有以下四點(diǎn):1、通道數(shù)：指的是輸入通道數(shù)量。它取決于系統(tǒng)所要監(jiān)測(cè)的參數(shù)的數(shù)量；2、分辨率：指的是數(shù)據(jù)采集設(shè)備能夠區(qū)別兩個(gè)鄰近模擬電壓的能力，它反映了A/D轉(zhuǎn)換器所能分辨的模擬輸入信號(hào)的最小變化量，一般用A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)來表示；3、輸入模擬信號(hào)范圍：傳感器輸出的模擬信號(hào)必須處于所選數(shù)據(jù)采集卡輸入信號(hào)的范圍內(nèi)，這樣才能夠被數(shù)據(jù)采集卡準(zhǔn)確處理；4、最高采樣頻率：采樣頻率指的是采集設(shè)備采集數(shù)據(jù)時(shí)，相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)間間隔的倒數(shù)。而最高采樣頻率則指采集設(shè)備所允許最小時(shí)間間隔的倒數(shù)，根據(jù)采樣定理得，選用數(shù)據(jù)采集設(shè)備時(shí)，其最高采樣頻率必須大于被測(cè)信號(hào)最高頻率的2倍。3.3.2 數(shù)據(jù)采集模塊選型本系統(tǒng)選用北京阿爾泰AD、DA數(shù)據(jù)采集卡PCI8735型數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊支持C+Builder、VB、Delphi、Labview、VC、LabWindows/CVI、組態(tài)軟件等語(yǔ)言的平臺(tái)驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)易示例程序（了解板卡的工作流程，包括板卡的各種初始化設(shè)置，數(shù)據(jù)的讀取）高級(jí)演示程序（包括波形顯示、連續(xù)不間斷大容量存盤、高級(jí)數(shù)據(jù)分析等功能）工程級(jí)源代碼開放，可直接編譯通過。該模塊的主要技術(shù)指標(biāo)如下： 圖3-3-2 數(shù)據(jù)采集卡圖 1、AD 模擬量輸入功能轉(zhuǎn)換器類型：AD7321輸入量程(InputRange)：10V、5V、2.5V、010V轉(zhuǎn)換精度：13位(Bit)，第13位為符號(hào)位采樣速率：最高系統(tǒng)通過率500KHz，不提供精確的硬件分頻功能說明：各通道實(shí)際采樣速率 = 采樣速率 / 采樣通道數(shù)模擬輸入通道總數(shù)：32路單端，16路雙端采樣通道數(shù)：軟件可選擇，通過設(shè)置首通道(FirstChannel)和末通道(LastChannel)來實(shí)現(xiàn)的說明：采樣通道數(shù) = LastChannel FirstChannel + 1通道切換方式：首末通道順序切換AD轉(zhuǎn)換時(shí)間：1.6us程控放大器類型：AD8251(兼容AD8250)程控增益：1、2、4、8倍(AD8251)或1、2、5、10倍(AD8250)模擬輸入阻抗：20M非線性誤差：1LSB系統(tǒng)測(cè)量精度：0.1%工作溫度范圍： -40 +85存儲(chǔ)溫度范圍：-40 +1202、DI 數(shù)字量輸入功能通道數(shù)：16路電氣標(biāo)準(zhǔn)： TTL兼容高電平的最低電壓：2V低電平的最高電壓：0.8V3、DO數(shù)字量輸出功能通道數(shù)：16路電氣標(biāo)準(zhǔn)： TTL兼容高電平的最低電壓：2.4V低電平的最高電壓：0.5V上電輸出：低電平3.3.2 數(shù)據(jù)采集模塊的使用方法1、AD單端輸入連接方式單端方式是指使用單個(gè)通道實(shí)現(xiàn)某個(gè)信號(hào)的輸入，同時(shí)多個(gè)信號(hào)的參考地共用一個(gè)接地點(diǎn)。此種方式主要應(yīng)用在干擾不大，通道數(shù)相對(duì)較多的場(chǎng)合?？砂聪聢D連接成模擬電壓?jiǎn)味溯斎敕绞剑?2路模擬輸入信號(hào)連接到AI0AI31端，其公共地連接到AGND端。 圖3-3-2 AD單端輸入連接方式2、 AD雙端輸入連接方式雙端輸入方式是指使用正負(fù)兩個(gè)通路實(shí)現(xiàn)某個(gè)信號(hào)的輸入，該方式也叫差分輸入方式。此種方式主要應(yīng)用在干擾較大，通道數(shù)相對(duì)較少的場(chǎng)合。單、雙端方式的實(shí)現(xiàn)由軟件設(shè)置，請(qǐng)參考PCI8735軟件說明書。PCI8735板可按下圖連接成模擬電壓雙端輸入方式，可以有效抑制共模干擾信號(hào)，提高采集精度。16路模擬輸入信號(hào)正端接到AI0AI15端，其模擬輸入信號(hào)負(fù)端接到AI16AI31端，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與PCI8735板共用模擬地AGND。 圖3-3-2 AD雙端輸入連接方式3、 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)流程 1、選擇通道 2、啟動(dòng)采樣保持器采樣 3、延時(shí)程序 4、啟動(dòng)采樣保持器保持 5、啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換 6、判斷A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，若轉(zhuǎn)換完畢，程序轉(zhuǎn)入7 若轉(zhuǎn)換仍在進(jìn)行，程序返回5 7、去A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果：分兩次讀取，先取高8位，然后取出低四位，取出的數(shù)十六位，低四位為零。 3.3.3 數(shù)據(jù)通信1、通信方式RS-232、RS-422和RS-485都是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，它們最初都是由電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）制訂并發(fā)布的。RS-232于1962年發(fā)布的，命名為EIA-232-E，作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為了保證不同廠家產(chǎn)品之間的兼容。RS-422是經(jīng)過RS-232發(fā)展而來的，為了改進(jìn)RS-232通信距離短、速率低等的不足，為RS-422定義了一種平衡通信接口，把傳輸速率提高至10Mb/s，傳輸距離也達(dá)到4000英尺（速率低于100kb/s時(shí)），并允許在一條平衡總線上連接最多有10個(gè)接收器。并為擴(kuò)展應(yīng)用范圍，電子工業(yè)協(xié)會(huì)又于1983年在RS-422的基礎(chǔ)上制定了RS-485標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，即是允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一個(gè)總線上，并且同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)的特性，擴(kuò)展了總線共模范圍幅度，后更名為TIA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)。 規(guī)格RS-232RS-422RS-485節(jié)點(diǎn)數(shù)1發(fā)1收1發(fā)10收1發(fā)32收工作方式單端差分差分傳輸速率20kb/s 10Mb/s 10Mb/s 傳輸電纜50英尺400英尺400英尺輸出電壓+/-25V-0.25V+6V-7V+12V表3-3 串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)比較從上表可以看出，與RS-232和RS-422比較，由于RS-485更能適于多點(diǎn)相互連接和遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)的傳輸，它所具有的數(shù)據(jù)傳輸速率、噪聲抑制能力、電纜長(zhǎng)度及可靠穩(wěn)定性是其他兩種標(biāo)準(zhǔn)無法比擬的，明顯更適合聯(lián)網(wǎng)所構(gòu)成分布式系統(tǒng)。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用的是RS-485串行通信方式。2、RS-485轉(zhuǎn)RS-232模塊但是一般的計(jì)算機(jī)上的通訊接口電路只有RS-232接口，所以為了建起數(shù)據(jù)采集端口和工控機(jī)的數(shù)據(jù)通信的橋梁，就需要將RS-485標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為RS-232標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用的是北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的 DAM-3210型RS-485轉(zhuǎn)變RS-232模塊，該模塊的主要技術(shù)參數(shù)如下： 輸入：RS-232標(biāo)準(zhǔn) 輸出：RS-485標(biāo)準(zhǔn) 支持多種傳輸速率和數(shù)據(jù)格式 通訊速度自適應(yīng) 電源：+10+30VDC 圖3-16 DAM-3210模塊 隔離：3000VDC 內(nèi)置看門狗 3.3.4 數(shù)據(jù)采集總體框架 數(shù)據(jù)采集與通信通過分布式數(shù)據(jù)采集、RS - 485串口通信方式以及RS-485轉(zhuǎn)換RS-232模塊最終實(shí)現(xiàn)將各個(gè)傳感器輸出的標(biāo)準(zhǔn)4-20mA信號(hào)傳輸入工控機(jī)中。下面是實(shí)物連接方式如圖3-17： 圖3-17 數(shù)據(jù)采集總體框架圖第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)通常，在鉆井作業(yè)中都是通過錄井錄取鉆井工程資料的信息，再經(jīng)綜合分析后，獲得鉆井工況、事故等信息。目前我國(guó)錄井錄取工程資料技術(shù)還比較落后，原因之一就是缺乏一套適于井場(chǎng)使用的行之有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)。溢流及漏失實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是針對(duì)以上問題而開發(fā)的。本系統(tǒng)采用力控Forcecontrol 6.1.3組態(tài)軟件開發(fā)，該軟件具有強(qiáng)大的界面顯示功能、良好的開放性和豐富的功能模塊等優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井過程中溢流、漏失等井下復(fù)雜情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。4.1 開發(fā)軟件平臺(tái)介紹4.1.1 組態(tài)軟件簡(jiǎn)介組態(tài)軟件是過程控制和數(shù)據(jù)采集中的專用軟件，它為用戶提供了簡(jiǎn)捷的操作方法和良好的開發(fā)界面，其預(yù)設(shè)置的各種軟件功能模塊可以非常容易實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能，同時(shí)還能與各種硬件廠家的計(jì)算機(jī)和I/O設(shè)備相連，與高可靠的工控計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相結(jié)合，為控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。工業(yè)組態(tài)軟件主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 1、延續(xù)性和可擴(kuò)充性。利用通用工業(yè)組態(tài)軟件開發(fā)的應(yīng)用工程項(xiàng)目，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)或用戶的需求發(fā)生變化時(shí)，不需要做很多的修改而方便地完成軟件的更新和升級(jí)。 2、封裝性（易學(xué)易用）。通用工業(yè)組態(tài)軟件所能完成的功能都用一種方便用戶使用的方法封裝起來，用戶不需要掌握太多的編程語(yǔ)言技術(shù)，就可以很好地實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜工程所要求的所有功能。 3、通用性。每個(gè)用戶根據(jù)工程的實(shí)際情況，采用通用工業(yè)組態(tài)軟件提供的底層設(shè)備(包括：PLC、智能模塊、智能儀表、變頻器、智能儀表等)的I/O Driver、開放式的畫面制作工具和數(shù)據(jù)庫(kù)，就可以完成一個(gè)具有動(dòng)畫效果、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)和曲線并存、具有多媒體功能和網(wǎng)絡(luò)功能的工程，且不受行業(yè)的限制。4.1.2 SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)簡(jiǎn)介SQL(Structured Query Language)，結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言。SQL語(yǔ)言的主要功能就是同各種數(shù)據(jù)庫(kù)建立聯(lián)系，進(jìn)行溝通。按照ANSI(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì))的規(guī)定，SQL被作為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，它可以用來執(zhí)行各種各樣的操作，例如更新數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取數(shù)據(jù)等。絕大多數(shù)流行的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)都采用了SQL語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)。SQL Server 2008是一個(gè)重大的產(chǎn)品版本，