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DSP芯片在超聲波鉆井液測(cè)漏儀中的應(yīng)用
摘要：介紹了超聲波鉆井液測(cè)漏儀的結(jié)構(gòu)、安裝方式和測(cè)量原理。為了提高其測(cè)量的可靠性和準(zhǔn)確性，研制了專用的超聲波傳感器；并通過高速高性能數(shù)字信號(hào)處理器的應(yīng)用，提高了測(cè)量精度。對(duì)TMS320VC33這一新型數(shù)字信號(hào)處理器的應(yīng)用作了大量的介紹，并在接口設(shè)計(jì)、引導(dǎo)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫嫣峁┝艘恍┯袃r(jià)值的經(jīng)驗(yàn)和方法。關(guān)鍵詞：流速測(cè)量超聲波傳感器數(shù)字信號(hào)處理器鉆井液
鉆井是石油及天然氣開采的重要環(huán)節(jié)，為了保證高效、安全地鉆井，防止井漏和井噴，需要在鉆井過程中采用具有一定粘結(jié)性能的泥漿作為鉆井液。它是由多種原料根據(jù)井下的地質(zhì)情況按適當(dāng)?shù)谋壤渲浦瞥傻�，其費(fèi)用約占整個(gè)鉆井成本的三分之一。由于井下地層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，常常遇到裂縫和有孔隙的地層，造成泥漿漏失，這不僅嚴(yán)重影響鉆井作業(yè)的進(jìn)行，千萬經(jīng)濟(jì)上不必要的損失，而且泥漿是一種有害物質(zhì)，漏失后會(huì)對(duì)地下水資源和地層造成污染，危及子孫后代的生存環(huán)境。
發(fā)生泥漿漏失現(xiàn)象后，最為重要的是盡可能準(zhǔn)確地找出漏失位置，以便調(diào)整漏漿成份和顆粒度，堵塞地層裂縫和其它漏源。歷史上采用過的方法主要有兩種：一種是用溫度傳感器監(jiān)測(cè)井下不同深度處的溫度變化情況。由于受溫度傳播的不實(shí)時(shí)性和漏失量較小時(shí)溫度變化不明顯等因素的影響，這種方法不能準(zhǔn)確地測(cè)定泥漿漏失位置。另一種是采用流量計(jì)直接測(cè)量流速的變化，以此確定泥漿的漏失位置。但由于受測(cè)量環(huán)境本身的制約，所使用的流量計(jì)中含有轉(zhuǎn)子等可動(dòng)部件，而可動(dòng)部件極易受到鉆井中沙粒的影響而造成測(cè)量的不可靠或失敗。
本論文所述的超聲波鉆井液測(cè)漏儀的主要是：（1）采用了超聲波傳感器，不存在機(jī)械可動(dòng)部件；（2）具有很好的實(shí)時(shí)性；（3）采用兩只性能相同的超聲波傳感器對(duì)發(fā)、對(duì)收，不象壓力傳感器那樣存在直接測(cè)量的敏感面；（4）采用了TMS320VC33浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，提高了測(cè)量精度。
1測(cè)量原理
1.1測(cè)漏儀的結(jié)構(gòu)與安裝方式
超聲波鉆井液測(cè)漏儀的結(jié)構(gòu)和安裝方式如圖1所示。測(cè)量電路安裝在上、下套筒組成的空腔內(nèi)，兩只超聲波傳感器分別安裝在上、下套筒的端面上，泥漿經(jīng)鉆桿中心孔進(jìn)入井下后再經(jīng)鉆桿外壁與井壁構(gòu)成的環(huán)形空間返回到地面。
1.2超聲波傳感器的研制
由圖1可見，傳感器軸線與鉆桿外壁之間的距離是十分有限的，為了保證超聲波傳感器發(fā)出的信號(hào)能夠通過泥漿直接進(jìn)入接收傳感器，需要控制超聲波傳感器的中心角。設(shè)兩只傳感器的距離為L，傳感器軸線距井軸的距離為D，鉆桿直徑為d，則應(yīng)使中心角θ滿足：
θ=tg-1[(2D-d)/2L]
實(shí)際結(jié)構(gòu)允許的θ為2.95°，這對(duì)一般的超聲波傳感器說是一個(gè)比較嚴(yán)格的指標(biāo)，另外，由于井下的溫度可高達(dá)150℃，壓力為100Mpa，因此研制了專門的超聲波傳感器，其工作頻率為600kHz。
1.3測(cè)量原理
兩只傳感器交替地發(fā)送和接收超聲波信號(hào)，把靠近地面的一只記作B，靠近井下的一只記作A，則A發(fā)送、B接收所用的時(shí)間為：
tAB=L/(C+V)(1)
同理，B發(fā)送、A接收所用的時(shí)間為：
tBA=L/(C-V)(2)
由以上兩式可得：
Δt=tBA-tAB=(2LV)/(C2-V2)(3)
其中，C為超聲波在泥漿中的傳播速度，V為泥漿流速。
由于C>>V，所以C2-V2≈C2，因此有：
V=ΔtC2/2L(4)
可見，只要測(cè)出時(shí)間差Δt，就可以求出泥漿流速，從而推斷井下漏失情況。漏層位置是通過時(shí)間與深度的換算關(guān)系確定的，地面計(jì)算機(jī)與井下測(cè)量電路在同一時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，由于地面可以方便地掌握儀器的下井深度，而井下儀器又可記錄任意時(shí)間點(diǎn)的泥漿流速，當(dāng)僅器提升到地面后，將記錄的數(shù)據(jù)回放到計(jì)算機(jī)，就可知道位置深度處的流速。
圖2
2DSP的應(yīng)用
2.1測(cè)漏儀電路結(jié)構(gòu)
測(cè)漏儀電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中IC1是DSP芯片，這里采用TI公司的TMS320VC33浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，它是整個(gè)測(cè)量電路的核心，其指令周期為17ns，字長為32位，擴(kuò)展精度為40位，內(nèi)部存儲(chǔ)器容量為34K×32bit，可尋址空間為16M，具有一個(gè)32位的串口、一個(gè)DMA通道、兩個(gè)定時(shí)器、兩個(gè)外部中斷源；芯片的供電電壓為3.3V，內(nèi)核供電電壓為1.8V，由IC5提供。由于芯片的運(yùn)行速度很高，為了防止外部振蕩電路的過高頻率引起射頻干擾，對(duì)外接振蕩器采用了內(nèi)部倍頻技術(shù)。
2．2接口技術(shù)
圖2中的IC2為DS1251存儲(chǔ)器，它是一種非易失性的存儲(chǔ)器，其輸出電壓高電平為5V。但TMS320VC33的I/O電平為3.3V，不能承受高電平為5V的TTL信號(hào)。為了使TMS320VC33與DS1251能夠交換數(shù)據(jù)，電路中采用IC3（74LVC164244）實(shí)現(xiàn)3.3V與5V電平的轉(zhuǎn)換。該芯片同時(shí)具有3.3V和5V兩種供電電源，與DSP相連的I/O腳電平為3.3V，與存儲(chǔ)器相連的I/O腳電平為5V。
2.3引導(dǎo)
引導(dǎo)（BootLoader）是將在存儲(chǔ)在外部程序存儲(chǔ)器中的程序代碼一次性地全部加載到DSP芯片內(nèi)部的高速存儲(chǔ)器中，以實(shí)現(xiàn)程序指令的高速運(yùn)行。TMS320VC33有四種引導(dǎo)方式，其中前三種方式是從外部存儲(chǔ)器引導(dǎo)，第四種方式是從串行口引導(dǎo)。它們都是通過將四個(gè)外部中斷引腳INT0～I(xiàn)NT3中的某一個(gè)設(shè)置為低電平而實(shí)現(xiàn)的。本文采用表1中所示的第二種引導(dǎo)方式，即DSP從400000H開始引導(dǎo)程序。
將用戶程序加載到DSP的片內(nèi)高速RAM是由DSP的片內(nèi)ROM的駐機(jī)程序（出廠時(shí)已設(shè)置）完成的。上電后，DSP的復(fù)位引腳由“0”變?yōu)椤?”，同時(shí)在電路連接上保證引腳MCBL/MP="1"，固化在片內(nèi)的引導(dǎo)程序查詢INT0～I(xiàn)NT3中的哪一個(gè)為低，并按表1所示的中斷腳與地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行引導(dǎo)。
表1引導(dǎo)方式
方式INT0INT1INT2INT3說明首地址10111外部存儲(chǔ)器1000H21011外部存儲(chǔ)器400000H31101外部存儲(chǔ)器FFF000H41110串口
被引導(dǎo)的用戶程序必須事先經(jīng)過匯編、連接，以生成DSP能夠認(rèn)識(shí)的機(jī)器代碼。在生成的程序代碼前還必須加入一個(gè)引導(dǎo)頭。引導(dǎo)頭的具體結(jié)構(gòu)見參考文件，其作用是：
（1）實(shí)現(xiàn)字長為32位的DSP與8位、16位或32位外部程序存儲(chǔ)器的接口。
（2）實(shí)現(xiàn)高速DSP與低速ROM的接口。
�。�3）實(shí)現(xiàn)用戶程序與DSP與內(nèi)存儲(chǔ)空間的匹配。
2．4數(shù)據(jù)處理
采用TMS320VC33的定時(shí)器1每隔100ms發(fā)送一串?dāng)?shù)目固定的脈沖型激勵(lì)信號(hào)，該激勵(lì)信號(hào)經(jīng)放大和驅(qū)動(dòng)后再經(jīng)DSP控制交替地施加到兩只超聲波傳感器上。當(dāng)一只傳感器處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，另一只就處于接收狀態(tài)，即每只傳感器每隔200ms完成一次收和發(fā)。接收到的超聲波信號(hào)又經(jīng)過放大和整形后送入DSP的INT0引腳，同時(shí)利用TMS320VC33的定時(shí)器2檢測(cè)從發(fā)送到接收所用的時(shí)間，進(jìn)而根據(jù)（3）式計(jì)算出發(fā)和對(duì)收的時(shí)間差，再由（4）式通過浮點(diǎn)運(yùn)算計(jì)算出泥漿流速，并將結(jié)果存儲(chǔ)在DS1251中。在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的同時(shí)，利用DS1251片內(nèi)的時(shí)鐘，將該數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間也一并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)。這就為地面將流速與深度對(duì)應(yīng)起來提供了基礎(chǔ)，因?yàn)樵诰峦ㄟ^DS1251計(jì)時(shí)的同時(shí)，地面也有一套與之同步的計(jì)時(shí)器對(duì)時(shí)間與深度進(jìn)行了相應(yīng)的記錄。
DSP的定時(shí)間隔設(shè)置為兩倍的指令周期，即：
T=2×Tp=34ns(5)
對(duì)tAB和tBA計(jì)時(shí)的誤差為：
ΔT=±Tp/2=±17ns(6)
由此引起的泥漿流速誤差為：
ΔV=ΔTC2/L（7）
取C=1560m/s、L=10m，則ΔV=4.14mm/s，由此可見其測(cè)量誤差比現(xiàn)有的測(cè)量方法降低了幾十倍。
3數(shù)據(jù)回放與試驗(yàn)
采用DSP的通用I/O接口編制RS232通信程序，測(cè)試完成后，與地面上將測(cè)量數(shù)據(jù)回放到計(jì)算機(jī)。TMS320VC33與計(jì)算機(jī)RS232口的接口電路如圖3所示。其中IC7采用74LS06，將TMS320VC33輸出的3.3V電平轉(zhuǎn)換為5V電平，這是因?yàn)槎叩淖钚≥斎敫唠娖较嗟�，都�?.4V；IC13采用MAX2202，用于將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平。
研制的超聲波鉆井液測(cè)漏儀經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室的多次試驗(yàn)和現(xiàn)場的應(yīng)用，測(cè)出的漏層位置的誤差不大于10m，不僅為鉆井作業(yè)過程中的堵漏提供了有力的技術(shù)支持，而且節(jié)約了鉆井成本，縮短了有漏失情況下的測(cè)漏周期，防止了漏失對(duì)地下資源的污染。
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