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冯旭东 贾惠芹 艾知余
西安石油大学 陕西省光电传感与测井重点实验室 710065
本文获西安市科技计划项目 《钻井液漏失层位检测装置研制》（CXY1346(4)）资助
【文章摘要】
在钻井工程中，通过实时监测钻井液流速的变化来快速准确地探测钻井液漏失位置是实施堵漏、减少污染的关键技术。本文设计了基于超声波多普勒原理的钻井液流速监测系统，系统包括耐高温、高压的超声波传感器、硬件电路及计算软件。系统控制、数据采集、数据处理功能由TMS320F2812 高性能DSP 完成。经过大量的室内模拟试验证明，该系统工作稳定，测量精度满足设计要求，为进一步的现场应用奠定了基础。
【关键词】
钻井液；超声波多普勒；DSP
中图分类号：TH815 文献标识码:B
0 引言
钻井液在钻井过程中起着清洗井底、携带钻屑、冷却和润滑钻头、形成泥饼以保护井壁等重要作用。但钻井过程中钻井液的漏失现象却非常普遍，不仅影响油田生产效率，造成了经济上的重大损失，而且钻井液中还含有多种有害物质，它的漏失会对地下水资源和地层造成很难治理的污染。所以对钻井液漏失的实时监测是一个非常重要的工作。目前，国内针对钻井液漏失的识别，采用较多的方法有两种，一种是地层温度检测法，这种方法由于受温度传播的不实时性导致不能准确地探测出漏失位置。另一种方法是采用涡街流量计、压力和温度传感器测量钻井液的流量、压力和温度变化，但所采用的流量计中含有转子等可动部件，可动部件极易受到钻井液中砂粒的影响而造成测量不可靠或失败。国外方面有的文献采用了随钻测井仪器对漏失地层进行测量和分析，但随钻测井仪器非常昂贵，而且其主要功能并不是测量钻井液的漏失的。本文设计的钻井液流速实时监测系统具有成本低、安装方便、实时性好，测量精度较高的特点。对钻井液漏失的实时监测技术的发展进行了有益的探索。
1 测量原理
超声多普勒流速测量的原理是基于声学中的多普勒效应。当声源与观测者之间存在相对运动时，观测者所感受到的声波的频率与声源所发出的频率存在一定的频率差，这个频率的变化量正比于两者之间的相对运动速度。由于在测量中使用的超声传感器采用的是斜探头，再根据声波折射定理可得(1-1)
式1-1 中c0 是超声波在传感器的声楔中的声速， fT 是发射信号频率，Δf 是多普勒频移量，α 为声楔的角度。在上式中， 当传感器选定后，c0、α 就已固定，发射频率fT 可以按要求设定，所以只要测出多普勒频移量Δf 就可计算出管道内的流体流速。在钻井工程中，一般都采用水基钻井液。水基钻井液是一种以水为分散介质（或连续相），以粘土、加重剂及各种化学处理剂为分散相（不连续相）的多相分散混合体系。而超声多普勒法非常适合测量这种多相混合流体流速，测量精度较高。
2 系统组成与工作方式
流速监测系统如图2.1 所示。系统工作时，DSP（TMS320F2812）芯片控制波形发生器产生正弦波和方波两种波形，频率为640KHz。正弦波用于超声信号发射，而方波用于多普勒频移信号的解调。放大驱动电路对正弦波进行功率放大。
并驱动发射传感器发射超声信号，超声信号经管壁和流体传播，接收传感器接收到穿过流体和管壁的超声信号（回波信号），由于流体中的杂质颗粒与传感器的相对运动导致回波信号与发射信号之间存在频率偏移，即频差。回波接收电路先对接收到的回波信号进行选频放大和低噪声放大形成幅度达到要求的有用信号。解调电路将有用信号与波形发生器产生的方波信号进行混频，产生和频信号和差频信号。其中，差频信号就是反映流体流速的多普勒频移信号。因为解调芯片是电流型输出，所以输出信号需要经过电流/ 电压转换。信号调理电路对转换后的电压信号进行进一步的滤波，完全去除和频信号并多普勒频移信号进行幅度放大，将放大后的信号调整到模数转换器输入的允许范围内。DSP 对信号进行采集、处理。数据显示、存储及数据通信电路是将DSP 计算出的流速数据进行存储和传输，便于流量数据的显示、远程监控和长时间保存。
3 室内模拟实验及数据
室内模拟实验平台主要包括泥、水混和罐、螺杆泵、质量流量计及管路等。结构示意图如图3.1 所示。在室内模拟实验时， 将计量好的泥和水按一定比例加入到储液罐中，然后开动搅拌电机将泥水（模拟钻井液）充分混合并通过螺杆泵将泥水混合物泵入到流量测量管道。通过调整螺杆泵的转速并更换不同管径的管道可实现对管道流体不同流速的模拟。流体流过测量管段后流回储液罐，不断循环。管道流体的真实流量值是通过精度为±0.1% 的质量流量计计量得到的。
试验中超声波探头的位置安装在上图中较长的直管段上，且保证传感器前后的直管段长度不小于10 倍和5 倍的管段直径，实验室中的管道为内径分别为25mm、50mm、62mm 的钢管。经过整理后的实验数据如表3.1 所示。
表3.1 泥水流速监测实验数据
图2.1 系统结构组成示意图
图3.1 室内模拟实验平台示意图034
实验研究
Experimental Research
电子制作
从表中的试验数据可以看出，本文设计的钻井液流速实时监测系统在室内模拟测量中的测量误差随着管道流体流速的减小而增大，流速降到1m/s 以下时时测量误差增大明显，受条件限制，流速最低只到0.309m/s，此时误差已达4.33%，若流速继续下降，误差会更大。
4 结论
通过大量的室内模拟试验证明，本文设计的基于多普勒超声流速监测系统工作稳定，在测量范围内可以满足精度要求。此外，系统的测量精度还与流体中超声波反射体的的浓度、颗粒大小、颗粒分布等因素的变化有关，所以在测量时需要保证管段中存在一定长度的稳定流型。在现场试验时，环境噪声较大，可以考虑通过提高发射超声波的频率及功率来增加回波信号的能量以提高信噪比。
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【作者简介】
冯旭，男(1971-) 工程师，1996 年毕业于西安石油学院，电子测量与仪器专业，现在西安石油大学从事油气检测技术研究工作。
