鉆井液循環罐的數字化設計改造

趙亮　許姍姍　劉宏偉

摘 要：通過利用AT89C51單片機和傳感器改造鉆井鉆井液循環罐，數字化直觀顯示罐體內鉆井液實時密度、溫度和體積，對井下施工的鉆井液循環過程進行有效的監控。

關鍵詞：鉆井液 循環罐 數字化 單片機

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。鉆井液循環灌是鉆井液在地表循環的載體，在其中添加藥品以維護鉆井液性能，并儲備一定數量的鉆井液，配合其他固相設備，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、準確的了解鉆井液的性能顯得十分重要。現有塔式井架所配套的鉆井液循環罐，并不能反映出鉆井液量和內部鉆井液的性能，鉆井液的各個參數需要專業人士用較長的時間測量，費時費力。本文設計利用數字化儀表，對現有的循環罐進行改造，將循環罐內的鉆井液密度、體積和溫度等幾個重要參數直觀的顯示出來，完善鉆井液循環系統，方便工作人員及時掌握鉆井液性能。

1.總體設計

使用微型計算機，將傳感器采集來的有關鉆井液密度、體積和溫度的信號進行收集，計算，并進行人機交互。

2.學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差來計算得到的。如圖1所示，固定支架的A點和B點分別放有相同的壓力傳感器。鉆井液液面高H，A點和B點之間的距離固定為h。假設鉆井液密度為ρ，則

A點壓強：PA=ρgH

B點壓強：PB=ρg（H-h）

則A、B兩點間的壓差為：PA -PB=ρgh

因為選用相同的傳感器，元件的規格相同，假設它們的測量面積同為s，

則A、B兩點的壓力差為：FAB=ρghs，

則鉆井液密度為：ρ=FAB/ghs 。其中，g、h、s為常數。

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點放置的壓力傳感器所產生的電壓變化與兩點的壓力差成正比，因此與鉆井液的密度也成正比。

建立數學模型：ρ=UAB/K1，

其中 UAB——A、B傳感器之間的測量電壓差值

K1 ——系數，可以由試驗得到。

2.2 鉆井液體積的測量

根據公式FA=PAs=ρgHs可知，同一密度下，壓力FA與液面高度H成正比，而A點的電壓UA與該點所受的壓力FA成正比，因此A點的電壓UA和該點的液面高度H成正比。又因為鉆井液灌的表面積是一定的，得到液面高度后，鉆井液罐內的鉆井液體積V=HS。

建立數學模型：V=HS=UASK2

其中 S——常數，鉆井液罐內表面積，可由測量得到

K2——系數，可以由實驗得到。

2.3 鉆井液溫度的測量

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

3核心模塊設計

該系統的原理圖如圖2所示。系統啟動并初始化后，將先通過74HC165芯片檢測波段開關的狀態。單片機得到控制字后，控制TLC2543大開相應的傳感器A/D轉換通道，進行數據采集，采集來的結果經過單片機處理運算后，由74HC164芯片輸出到數碼管。

3.1AT89C51單片機

選用ATMEL公司的AT89C51單片機作為核心處理器。該芯片有先進CMOS工藝制造并帶有非易失性FLASH程序存儲器，還具有128字節RAM、32條I/O口線、3個16位定時/計數器。在12M晶振下，該芯片具有較高的處理速度，完全可以滿足本設計的需求。其多達32個的I/O口線，為以后的功能增強提供接口。

3.2A/D轉換模塊TLC2543

為了提高A/D轉換的精度，彌補傳感器的測量誤差，選用12位高精度A/D轉換器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。同時，該芯片有11個數據采集通道，即可以同時連接11個傳感器，為以后的數據采集的擴充奠定了基礎。

由于系統中的各個參數的滯后比較大，為了保證數據采集的可靠性，每個參數采樣256次后取平均值送顯示單元。

3.3人機交互模塊

3.3.1顯示模塊。

選用5個LED組成顯示器，配合串行輸入并行輸出芯片74HC164，將運算結果輸出。為了簡化程序編譯，將顯示程序作為延時程序使用。這種動態顯示，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，配合一個并行輸入串行輸出芯片74HC165芯片作為鍵盤輸入。利用該開關作為命令輸入鍵盤，指定輸出密度、體積、溫度等數據，并對芯片工作方式進行設置。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：

[1]王福瑞. 單片微機測控系統設計大全. 北京：北京航空航天大學出版社，2002

[2]何立民. MCS-51系列單片機應用系統設計. 北京：北京航空航天大學出版社，1990

[3]賈伯年. 傳感器技術. 江蘇：東南大學出版社，2002