钻井液循环罐的数字化设计改造

赵亮　许姗姗　刘宏伟

摘 要：通过利用AT89C51单片机和传感器改造钻井钻井液循环罐，数字化直观显示罐体内钻井液实时密度、温度和体积，对井下施工的钻井液循环过程进行有效的监控。

关键词：钻井液 循环罐 数字化 单片机

钻井液是石油钻井工程不可缺少的重要组成，是钻井的血液。钻井液循环灌是钻井液在地表循环的载体，在其中添加药品以维护钻井液性能，并储备一定数量的钻井液，配合其他固相设备，可以用来处理钻井液中固相含量。

目前的钻井施工对钻井液性能的要求越来越高，及时、准确的了解钻井液的性能显得十分重要。现有塔式井架所配套的钻井液循环罐，并不能反映出钻井液量和内部钻井液的性能，钻井液的各个参数需要专业人士用较长的时间测量，费时费力。本文设计利用数字化仪表，对现有的循环罐进行改造，将循环罐内的钻井液密度、体积和温度等几个重要参数直观的显示出来，完善钻井液循环系统，方便工作人员及时掌握钻井液性能。

1.总体设计

使用微型计算机，将传感器采集来的有关钻井液密度、体积和温度的信号进行收集，计算，并进行人机交互。

2.学模型的建立及传感器的选用

2.1 密度的测量

密度的测量是利用固定距离的压强差来计算得到的。如图1所示，固定支架的A点和B点分别放有相同的压力传感器。钻井液液面高H，A点和B点之间的距离固定为h。假设钻井液密度为ρ，则

A点压强：PA=ρgH

B点压强：PB=ρg（H-h）

则A、B两点间的压差为：PA -PB=ρgh

因为选用相同的传感器，元件的规格相同，假设它们的测量面积同为s，

则A、B两点的压力差为：FAB=ρghs，

则钻井液密度为：ρ=FAB/ghs 。其中，g、h、s为常数。

由此可见，钻井液密度和其所受的压力差是成正比的。而A、B点放置的压力传感器所产生的电压变化与两点的压力差成正比，因此与钻井液的密度也成正比。

建立数学模型：ρ=UAB/K1，

其中 UAB——A、B传感器之间的测量电压差值

K1 ——系数，可以由试验得到。

2.2 钻井液体积的测量

根据公式FA=PAs=ρgHs可知，同一密度下，压力FA与液面高度H成正比，而A点的电压UA与该点所受的压力FA成正比，因此A点的电压UA和该点的液面高度H成正比。又因为钻井液灌的表面积是一定的，得到液面高度后，钻井液罐内的钻井液体积V=HS。

建立数学模型：V=HS=UASK2

其中 S——常数，钻井液罐内表面积，可由测量得到

K2——系數，可以由实验得到。

2.3 钻井液温度的测量

温度是钻井液的一个参数，更是影响传感器性能的一个重要参数。不同的温度下，上述的压力传感器会表现出不同的性能。在这里选用有着较好线性的镍铬-镍硅热电偶。

3核心模块设计

该系统的原理图如图2所示。系统启动并初始化后，将先通过74HC165芯片检测波段开关的状态。单片机得到控制字后，控制TLC2543大开相应的传感器A/D转换通道，进行数据采集，采集来的结果经过单片机处理运算后，由74HC164芯片输出到数码管。

3.1AT89C51单片机

选用ATMEL公司的AT89C51单片机作为核心处理器。该芯片有先进CMOS工艺制造并带有非易失性FLASH程序存储器，还具有128字节RAM、32条I/O口线、3个16位定时/计数器。在12M晶振下，该芯片具有较高的处理速度，完全可以满足本设计的需求。其多达32个的I/O口线，为以后的功能增强提供接口。

3.2A/D转换模块TLC2543

为了提高A/D转换的精度，弥补传感器的测量误差，选用12位高精度A/D转换器TLC2543。该芯片有超过60K的采样速率，SPI三线制串行接口，1MA的低供电电流等突出特点。同时，该芯片有11个数据采集通道，即可以同时连接11个传感器，为以后的数据采集的扩充奠定了基础。

由于系统中的各个参数的滞后比较大，为了保证数据采集的可靠性，每个参数采样256次后取平均值送显示单元。

3.3人机交互模块

3.3.1显示模块。

选用5个LED组成显示器，配合串行输入并行输出芯片74HC164，将运算结果输出。为了简化程序编译，将显示程序作为延时程序使用。这种动态显示，也可以延长LED使用寿命，减少电能消耗。

3.3.2控制模块。

使用波段开关，配合一个并行输入串行输出芯片74HC165芯片作为键盘输入。利用该开关作为命令输入键盘，指定输出密度、体积、温度等数据，并对芯片工作方式进行设置。该模块软件编程采用软件消抖模块，彻底杜绝按键的误操作。

参考文献：

[1]王福瑞. 单片微机测控系统设计大全. 北京：北京航空航天大学出版社，2002

[2]何立民. MCS-51系列单片机应用系统设计. 北京：北京航空航天大学出版社，1990

[3]贾伯年. 传感器技术. 江苏：东南大学出版社，2002