1、    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?，F有塔式井架所配套的鉆井液

2、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，則a點壓

3、強：pa=ghb點壓強：pb=g（h-h）則a、b兩點間的壓差為：pa -pb=gh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=ghs，則鉆井液密度為：=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：=uab/k1，其中 uaba、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=ghs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u

4、a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

5、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，

6、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