钻井液池监测系统设计系统.docx

西南石油大学本科毕业设计（论文） 摘要钻井液技术是钻井系统中的一个重要组成部分。人们常用“钻井液是钻井的血液”这句话形象地比喻其在钻井作业过程中的重要地位。钻井液池为钻井施工作业提供循环钻井液，通过对钻井液体积、电导率等其他相关参数的监测可以反映出当前钻井是否出现异常。对钻井液的参数的实时监测，可以判断出是否出现溢流、井涌、漏失、井漏等井下异常情况，防止钻井、完井过程中发生事故，减少钻井、完井的工作量，提高工作效率。因此，设计一套钻井液池参数监测系统，通过钻井液参数的变化直接反映井下地层流体的活跃情况及井筒压力与地层压力的情况，重视钻井液参数异常的预报，可以避免井喷、井漏等重大事故的发生，能及时处理油气侵、盐侵、水侵等情况，为顺利施工创造有利条件。 关键词：钻井液；实时监测系统；钻井事故；组态；传感器；数据采集Abstract Drilling fluid technology is an important part of the drilling systems. People often use drilling fluid is blood, this sentence the important of the process of drilling operations. Mud pool drilling operations to provide circulating drilling fluid. The parameters for real-time monitoring of drilling fluid, Can determine whether there is overflow, well kick, leakage, leakage and other underground anomalies wells. Prevent the drilling, completion occurs during accidents, reduce drilling and completion of the workload and improve work efficiency.Therefore, the design parameters of a drilling fluid tank monitoring system, By drilling parameter changes directly reflect the activity of the formation fluids downhole and wellbore pressure and formation pressure situations, Unusual emphasis on drilling parameters forecasting, Avoid blowout, lost circulation and other major incidents, Timely processing of hydrocarbon emplacement, salt intrusion, water intrusion, etc., Create favorable conditions for the smooth construction.Keywords: drilling; real-time monitoring system; drilling accident; configuration; sensor; data acquisition本科毕业设计（论文）题目：钻井液池监测系统设计系统学生姓名 学号0907010410教学院系电气信息学院专业年级测控技术与仪器2009级指导教师 职称副教授单位西南石油大学电气信息学院完成日期2013年6月11日目录摘要Abstract目录第一章 绪论1.1 研究目的和意义1.2 国内外研究现状1.2.1 国内研究现状1.2.2 国外研究现状1.3 主要研究内容及任务第二章 钻井液2.1 什么是钻井液2.2 钻井液的作用2.3 钻井液性能2.3.1 钻井液密度2.3.2 钻井液电导率2.3.3 钻井液体积2.2.4 钻井液流量2.2.5 钻井液温度2.4 钻井液对石油钻井的影响2.5 钻井液各项参数变化时可能发生的事故类型第三章 系统硬件设计3.1 硬件系统总体框架图3.2 传感器选型及安装3.2.1 传感器选型依据3.2.2 钻井液密度传感器3.2.3 钻井液体积传感器3.2.4 钻井液流量传感器3.2.5 钻井液温度传感器3.2.6 钻井液电导率传感器3.2.7 现场传感器安装位置示意图3.3 数据采集接口与数据通信的实现3.3.1 数据采集模块选型依据3.3.2 数据采集模块选型3.3.3 数据通信3.3.4 数据采集总体框架第四章 系统软件设计4.1 开发软件平台介绍4.1.1 组态软件简介4.1.2 组态软件开发平台优势4.2 钻井液池监测软件功能模块设计4.2.1 软件总体框架图4.2.2 功能模块介绍4.3 钻井工序的异常检测报警4.3.1 钻进过程4.3.2 起钻过程4.3.3 下钻过程4.3.4 关井循环4.4 远程实时监测4.5 双机冗余第五章 系统调试第六章 结论与建议6.1 结论6.2 建议谢辞参考文献附录附录一：系统调试示意图附录二：部分程序第一章 绪论1.1研究目的和意义1、研究目的钻井液池为钻井施工作业过程中提供循环钻井液，通过对钻井液体积、密度的、电导率等其他相关参数的监测可以反映出当前钻井是否出现异常。通过对钻井液的参数进行实时监测，判断是否会出现溢流、井涌、漏失、井漏等井下异常情况，防止钻井、完井过程中发生事故，减少钻井、完井的工作量，提高工作效率，并且通过钻井液性能的变化，来判断是否遇油、气、水层和特殊岩性，为接下来的钻井施工打好方向。2、研究意义钻井液参数包括钻井液的出入口温度、出入口电导率、出入口密度、流量、钻井液体积等。钻井液参数的变化通常能直接反映井下地层流体的活跃情况以及井筒压力与地层压力的平衡情况，重视钻井液参数异常的预报，可以避免井喷、井漏、溢流等重大事故的发生，及时处理油气侵、盐侵、水侵，为顺利施工创造有利条件。本监测系统通过力控6.0开发出一套对钻井液池的各项参数进行实时监测，参数显示及报警，达到保障钻井施工安全、减少投入、提高勘探开发整体效益的目的。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内研究现状在钻井、完井工程中，监测各项参数以及参数报警是最重要的步骤之一。在国内，中石油、中石化、中海油三大石油公司已经进行了许多钻井、完井方面的工作，通过无数的实践证明，很多钻井、完井测试技术已经非常成熟。但是在溢流、漏失、井涌、井漏等井下情况监测系统上还略有不足，所用的监测系统还都还比较分散，不能将所有监测参数集中在一个系统上。虽然当前国内已经有比较先进的MWD（随钻测量）测试系统，但部分功能不如国外的MWD（随钻测量）监测系统，而且中国当前使用的石油工业中的自主研发测试技术大都属于完井、钻井工程领域中基础的技术，而部分高端的测试技术仍需要求助于国外。1.2.2 国外研究现状在国外，石油工业起步很早，到目前为止已经有大量高端的测控技术，已经拥有MWD（随钻测量）、LWD（随钻录井）、PWD（随钻测压）等先进的测量系统，能够实时实地、完整地对钻井液参数进行监测以及报警。同时，致力于钻井液参数仪表和钻井液参数监测系统的研究、开发、生产的专业公司很多，其中包括美国的马丁（M/D TOTCO）公司、加拿大Datalog公司和英国的瑞设（Rigserv）公司等在该领域的研究中处于国际领先水平。例如，加拿大Datalog公司研制的钻井液监测系统，该系统具有以下特点：可以测量并显示200多个钻井参数，以Windows95/98或windows NT作为操作平台，采用客户端/服务器技术，通过Internet或Modem进行远程实时和历史监控，采用触摸屏，可自制美观实用的用户界面，所有钻井参数数据均可存储在光盘中，系统易安装、易扩展、可靠性高、稳定性强保证了钻井、完井过程中的安全，减少了工作量，提高了工作效率。美国Varco公司M/D TOTCO分公司于2001年最新研制的钻井集成控制信息系统，该信息系统可以测量显示基本的钻井参数，采用液晶触摸显示屏，以Windows NT为操作为平台，可以通过计算机局域网进行信息交换，也可以通过Internet/Intranet实现钻井信息远程通信。英国Rigserv公司（该公司是世界上第一个使用触摸屏的石油仪器公司）研制的触摸屏自动钻井系统，此系统可以测量几乎所有与钻井作业过程中有关的参数，采用非接触式传感器，系统的硬件紧凑、密封性好。美国Epoch公司开发的产品RIGWATCHTM，是基于Windows的钻井参数记录仪，采用触摸显示屏或CRT，可以进行实时多曲线和多窗口显示，可以进行自动钻井参数的记录和打印，可以通过Internet或电话拨号实现远程访问，使用数据库管理钻井参数数据国外的测控技术现正向自动化和智能化的方向上发展。1.3 主要研究内容在钻井过程中对钻井液参数进行实时监测是钻井工程中的重要部分。本文针对现有钻井液池监测技术中所存在的问题进行系统深入的研究，在查阅大量国内外相关文献的基础上，设计一套钻井液池参数实时监测系统，利用该系统实现对钻井过程中的钻井液参数变化情况进行实时监测。本文主要从以下几个方面进行研究工作：1、机理研究及参数确定 了解钻井液池各监测参数对钻井作业的影响、表征现象及规律，确定该系统所要监测的参数，并为传感器的优选提供理论依据。2、硬件系统设计 1）传感器的选型 在石油钻井过程中的现场环境十分恶劣，条件复杂，因而在传感器的选型上必须充分考虑到现场的工作条件，包括场地的酸碱性、腐蚀性、温度、湿度等，同时还要考虑传感器安装位置，传感器的成本、灵敏度、测量精度等。 2）数据采集接口模块的设计 仪器数据采集接口处于传感器和传感器数据采集计算机之间。根据需要采集的传感器信号的数目、采样频率、数据采集卡的分辨率、数据采集卡价格等，结合实际情况，优选数据采集卡；并采用RS-485总线和RS-232/RS-485转换器实现数据采集卡与上位计算机完成A/D、I/O驱动及通讯，完成数据的传输。3、软件系统设计 本系统采用力控Forcecontrol 6.0版组态软件完成软件部分的设计。设计出钻井液池监控系统动画模拟显示、历史曲线回放、实时曲线显示、数据查询、报警记录、报警分析、专家报表打印、等功能模块。利用其web发布功能方便工作人员远程监测钻井作业过程中的井下情况，对采集到的数据及时作出分析和判断。4、软硬件连接调试 通过RS-485接口建立起组态软件与数据采集系统的连接，分别从数据采集、数据转换、数据显示、数据存储四个方面对软硬件进行调试。第2章 钻井液 钻井液是钻井工程的血液，钻井液参数的监测对减少钻井事故的发生起着重要作用，确定钻井液监测系统所要监测的参数，并以此为依据分析判断钻井时可能发生的异常情况。2.1 什么是钻井液钻井液就是在钻井工作过程中的其多种功能满足钻井工作需要的各种循环流体总称。钻井液的循环是通过钻井泵来维持的，从钻井泵排出的高压钻井液，经过地面高压管、立管、水龙带、水龙头、方钻杆、钻杆、钻铤到达钻头，从钻头水眼上的喷嘴喷出，从清洗井底、携带钻屑。然后由沿环形空间（钻柱与井壁形成的空间）向上流动。到达地面后，经地面，低压管汇流入钻井液池，再经各种固控设备进行处理后返回上水池，最后进入钻井泵循环再用。钻井液经流的各种管件、设备构成了一整套钻井液循环系统。要深入了解钻井液对钻井的影响还要知道钻井液的作用。 2.2 钻井液作用1、携带和悬浮岩屑是钻井液首要和最基本的功能在悬浮中，沿钻杆向下或从钻孔中向上流动的钻井液有时会停止运动。出现这种情况只能有两种原因：一是出现了故障，二是在更换钻头时将钻杆提出了钻孔。钻探停止时，悬浮在钻井液中的钻屑就会沉入钻孔的底部，将钻孔堵塞。钻井液被设计为具有一种非常有趣的特性，而该特性可以解决这一问题。钻井液的稠度（或粘度）随钻井液流速降低而增加。钻井液停止流动后，就会形成一种粘稠的凝胶体，这种凝胶体可使岩石钻屑悬浮在其中，从而防止它们沉入钻孔底部。而当钻井液又开始流动后，它就会越变越稀薄，恢复到其以前稀薄的液体形态。就是通过本身的循环将井底被钻头破碎的岩屑携至地面，以保持井眼清洁，使起下钻畅通无阻，并保证钻头在井底始终接触和破碎新地层，不造成重复切屑，保证安全、快速钻井、提高钻井率，能完成钻井任务，而且可以降低成本。在接单根、起下钻和因故停止循环时，钻井液又将井内的钻屑悬浮在钻井液中，使钻屑不会很快下沉，防止沉沙卡钻，也可以保持井壁不垮塌。2、稳定井壁和平衡地层压力许多人都看到过石油从钻井台中喷入高空，石油工人为之而欢呼雀跃的情景。实际上，这类井喷的发生，也并不值得庆祝，因为钻探的目标是以控制流量的方式来开采石油。泥浆被设计为可以抵消岩层中流体的自然压力，从而防止发生此类事故。压力间必须达到适当的平衡，即钻井液对钻孔壁的压力应足以抵消岩层和石油或天然气施加的压力，但这种压力又不能太大，否则会对油井造成破坏。如果钻井液的重量太大，可能会使岩石破裂，钻井液也会因此而流失入地下。3、冷却和润滑钻头和钻具金属钻入岩石时，会因摩擦生热。钻井液可润滑和冷却钻头，使钻探平稳进行，同时延长钻头的寿命。对延伸区域或水平油井而言，润滑可能尤为重要，因为在这些地方，钻杆、钻头和岩石表面间的摩擦必须保持在最低水平。在钻井中特别是在深井的钻井中，钻头一直处在高温下旋转并破碎复杂的岩层，产生高温和热量，同时钻具也不断地与井壁磨擦产生热量，钻井液不断地循环作用，可以将这些热量及时吸收，然后带到地面释放在大气层中，从而起到了冷却钻头、钻具并延长其使用寿命，钻井液的存在使钻头和钻具均在液体内旋转，在很大程度上降低了摩擦阻力，起到了很好的润滑作用。4、传递水动力 钻井液在钻头喷嘴处以极高的流速冲击井底，从而提高了钻井速度和破岩效率。高压喷射钻井正是利用了这一原理。也就是采用高泵压钻进，使钻井液所形成的高速射流对井底产生强大的冲击力，提高钻速。在使用涡轮钻具钻进时，钻井液由钻杆内较高流速经涡轮叶片，使涡轮旋转并带动钻头破岩碎石。以上是说的钻井液的作用。我在一年里操作实习中深深体会到作为一种优质的钻井液，要配制好一种优质的钻进液是科学技术含量很高的技术技艺过程。钻井液对钻井的影响是很大的。2. 3 钻井液性能2.3.1 钻井液密度 钻井液密度是指一定体积的钻井液与其体积的比值。钻井液密度的大小决定着钻井液质量的大小，也决定着钻井液液柱压力的大小。密度大、质量就大，液柱压力就大，反之就小。钻井密度对钻井的影响主要有两点：一是平衡地层压力。因为钻井液具有质量，必然通过钻井液对井底产生压力。对井壁有一定的支撑力。该压力可以平衡地层及油、气、水层压力。防止井口喷，保护和巩固井壁，防止地层中的高压油、气、水浸入钻井液而破坏钻井液性能，导致井下复杂事故，如卡钻、井壁塌落，油气遭到破坏等。二是对钻速的影响：钻井液密度大，产生的液柱压力就大，钻具在井内 转动摩擦阻力就大。从而增加了动力消耗，加重了钻头研磨新地层的负担，致使钻速降低。而且密度过大易压漏地层，破坏油气渗透率，甚至还会把油气压死，增大了发现油气藏的困难。要做到“压而不死，活而不喷”，也就是钻井液密度大，但不能把油气压死，钻井液密度小，但不能发生井喷。2.3.2 钻井液电导率钻井液电导率的变化可以表征钻井液黏土颗粒表面电位的变化、钻井液滤液化学需氧量COD值的变化和钻井液滤液矿化度的变化。该研究结果为评价钻井液性能提供了一种简单、快速、准确的分析手段。测定钻井液的电导率主要目的是修正测井时地层的电导率值，近而判断岩石岩性、油气水显示。一般测井对钻井液的电导率的要求是不小于0.20S/m,所以电导率是分析评价地层流体性质的一个重要参数，同时是检测钻井液中矿化度的基本方法。2.3.3 钻井液体积在钻井液循环过程中，测量钻井液体积变化，及时发现钻井液增加或减少。可以监测出是否有泥浆漏失和地层流体进入，为及时预报井漏、井涌、井喷提供必不可少的安全资料。2.3.3 钻井液流量在钻井液循环过程中，钻井液出口流量变化，与出口流量对比，可以监测是否有泥浆漏失和地层流体进入，及时预报井漏、井涌、井喷提供有利依据。2.3.4 钻井液温度钻井液的温度的变化可直接反映地热梯度，是监测异常压力的重要参数，监测是否有钻井液漏失和地层流体进入，及时预测井涌、井漏、井喷。2.4 钻井液对石油钻井的影响为了防止和尽量减少油气层的损失，保护油气藏，钻井液与钻遇的油气必须相配伍，也就是根据地层测试和钻井的要求配制出优质的钻井液。如果钻井液不符合地层测试的要求，不仅破坏了油气层，而且大大影响了石油钻井，使钻井成空井，或者产油产气低，严重影响了钻井的经济效益和社会效益。 当钻井钻到储油层时，对钻井液的要求也不同，钻井液必须满足钻井工程和地质的要求，不然将对油气层遭到破坏。严重地将发生喷井，使国家资源浪费，而且也是安全的隐患。2.5 钻井液各项参数变化时可能发生的事故类型1、井漏井漏是最直观的一种钻井事故，通过地面钻井液量的连续观察能够很容易发现。人工监测井漏，由于不易掌握钻井液总量的变化和不能连续计量，不易发现渗漏和忽视小漏，也常常因为思想麻痹或脱岗不能及时发现突发性的大漏失，而造成复杂情况甚至错过控制时机。综合录井仪实时监测与井漏有关的各项参数的变化，并连续准确计量钻井液体积，可直接反映参数的趋势性变化，又快又准地判断井漏的发生；在掌握区域和邻井资料的情况下，抓住漏前预兆，可更准确预报井漏。在钻进过程中，进行井漏监测和预报的依据是钻井液总体积、钻井液出口流量的变化情况；在起下钻过程中，监测井漏的依据是监测应灌入的钻井液体积数量和应返出的钻井液体积数量，判断井漏是否发生。2、井涌在地层压力的作用下，钻井液和地层内的流体涌出井口的现象称之为井涌。井涌发生的原因主要有以下几点：钻于异常高压地层，地层超压驱动地层流体进入井眼形成井涌，这是最根本和最主要的原因。钻井液密度因地层流体的不断侵入而降低，形成负压，负压加剧地层流体的侵入又进一步加大负压形成恶性循环，最后形成井涌。在井底压力近平衡状态下，停止循环时，作用于井底的环空压耗消失，使井底压力减小起钻时未按规定灌钻井液使井筒液面下降井漏时钻井液补充不足使井筒液面下降，或漏速过大、备用钻井液不足补充漏失量，加清水使钻井液密度降低。起钻时，特别是钻头出现“泥包”时，起钻的抽吸作用诱发井涌。3、盐侵盐侵是在钻遇含盐膏地层时，由于盐类的水溶性，遇到水基钻井液时溶解在钻井液中对钻井液造成污染，导致钻井液性能的改变。同时，含盐膏地层在受到钻井液浸泡时会发生膨胀，已钻开的盐膏层在上覆地层压力的作用下会发生塑性流动，造成井眼缩径，可能导致钻具阻卡乃至卡钻事故的发生。盐侵的监测和预报对确保安全钻进有很大作用。对钻井液盐侵进行监测和预报所依据的主要参数是钻井液电导率。钻入盐膏层，钻速加快，对出现盐侵情况时，电导率上升，上升幅度视盐侵程度不同而有差异。钻具上提、下放过程中可能会出现卡、阻现象，超拉力变化明显，幅度较大4、油气水侵油气水侵是在地层压力大于钻井液液柱压力的情况下，储层中的油气水进入钻井液，影响钻井液性能的一种现象，视流体性质不同，通常叫油、气侵或水侵。油气水相对于钻井液而言，均是密度较低的流体，当发生油气水侵时，会导致钻井液密度下降，进一步减小作用于井底的钻井液液柱压力，使油气侵进一步加剧。如果不能及时发现并采取措施，会导致平衡钻井失控，造成井涌、井喷等恶性事故的发生。在发生油气水侵前会出现快钻时、蹩跳钻、放空现象的发生，这时就应予以重视。一旦油气水侵发生，综合录井参数会有一系列的变化显示，大钩负荷增大、钻井液密度减小、粘度增大、气测烃类异常。油气侵时电导率降低，水侵时电导率升高；增加幅度视地层水矿化度而异；钻井液体积增加，出口流量增加。如果地层压力高于钻井液液柱压力，且相差过大，油气水侵会迅速发生，出现井涌现象。第三章 系统硬件设计 钻井现场情况十分复杂，钻井条件复杂多变，为了保证钻井液池参数测量具有一定的测量精度和可靠性，那么就要求系统硬件必须能够适应不同环境的测量条件，减少了其对具体测量环境的依赖性，即使发生异常情况也能够正常地进行工作。本章将从传感器的选型、数据采集以及数据通信的实现等方面介绍该系统的硬件设计。3.1 硬件系统总体框架系统的硬件部分主要是完成对数据的采集、转换、以及传输。硬件系统总体框架如图3-1所示，主要包括以下几个环节：1、传感器环节。利用传感器将现场需要监测的参数信号转换成电信号输出；2、数据采集环节。主要包括多路选择开关、放大滤波、A/D转换电路等，并能完成多路数据的采集、放大和数模转换；3、信号传输环节。利用MODBUS传输协议通过RS-485通讯传输线路将数据传输到上位机中，在上位机上实现对数据的处理、显示、存储、打印等功能。图3-1 硬件系统总体框架图3.2 传感器选型及安装3.2.1 传感器选型依据根据钻井液池的监测需求确定相应的监测参数后，如何根据监测参数具体的测量精度、测量方法以及测量环境合理地选用合适的传感器，是对监测参数进行测量时首先要解决的问题。1、确定传感器的类型要进行个具体的测量工作，首先要做的是考虑采用基于何种原理的传感器，因为，即使是测量同一个物理量，也有许多基于不同原理的传感器可供选择，到底是哪一种原理的传感器最为合适，就需要根据被测量参数的特点以及传感器的使用条件，考虑以下问题：传感器量程的大小；传感器精度大小；被测位置对传感器体积的具体要求；传感器的测量方式；传感器的来源，是国产的好还是进口的，价格是否在承受能力之内。在考虑到以上问题之后才能确定选用何种哪种类型的传感器，再然后就是考虑传感器的具体性能指标和参数。2、灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围之内，灵敏度越高时，与被测量变化参数对应的输出信号的值才越大，更有利于信号输出处理。但值得注意的是，传感器的灵敏度越高，与被测量无关的外界噪声也更容易混入其中，进而被放大系统放大，从而影响测量精度。因此，要求传感器本身就具有较高的信噪比，以便尽量减少从外界引入的干扰信号。3、线性范围传感器的线性范围就是指输出与输入成正比的区间，但是任何传感器都不能保证它绝对的线性度，所以当要求测量的精度比较低时，在一定范围内，可将非线性误差比较小的传感器近似看作是线性的，这样就可以为测量带来更多的方便。4、稳定性稳定性是在传感器使用了一定时间后，其性能保持基本不变的能力。影响传感器稳定性的因素除了传感器本身结构以外，更主要的是传感器的使用环境。所以在选择具体传感器之前，应该对其使用的环境进行了解，以便根据具体的环境选择恰当的传感器，也可以采取一些的措施，减小环境对其的影响。5、精度精度是传感器非常重要的一个性能指标，它关系到整个监测系统的测量精度。传感器的精度越高，当然价格就越贵。因此，传感器的精度只需满足其需要的精度要求就可以了，也不必选得过高。 3.2.2 钻井液密度传感器钻井液密度反映了钻井液中的固相物资含量，可以监测地层流体进入，及时预测井涌、井漏，计算地层压力等提供实时参数，为调整钻井液性能提供方案。1、测量原理 压差式钻井液密度传感器是由两个压力感应元件和一个电容感应元件组成，见右图正常工作时，密度传感器垂直安装在钻井液中，两个压力感应元件在钻井液中的深度是不同的。因为液体中物体所受的压力与该物体所处的深度及液体的密度有关，而两个压力感应元件之间的距离恒定，因此其间压差仅与钻井液的密度有关。已知两压力感应元件间的压差D。时，若其间距为H，根据以下可得出钻井液密度值d：电容感应元件作用是用来接收来自两个压力感应元件的液压差信号，将压差转化成电容量，进而转化成420mA的标准电流信号。2、传感器选型 本系统采用成都新明程电子公司的XMC型密度传感器。XMC型密度传感器是专为泥浆作业环境而设计。是一种用于连续在线测量液体浓度和密度的设备，可直接用于工业生产过程中。XMD型密度传感器采用差压式密度传感器的原理，能根据介质在一定垂直距离上的差压值计算出密度值，并自动进行温度补偿,精度高,可靠性好,安装使用简单。 3、 传感器技术指标 输出：4-20mA电流输出 精度：0.01克/立方厘米 密度量程：0-2.56克/立方厘米 仪表电源：24VDC 环境温度：-1060 湿度范围：0-90% 4、安装位置 图3-3 质量流量计安装3.2.3 钻井液体积传感器测量钻井液体积变化，可以监测是否有钻井液漏失和地层流体进入，及时预测井涌、井漏、井喷。 1、 测量原理超声波钻井液体积传感器是根据超声波测距原理进行液面位置检测的。传感器由超声波发射、接收装置和变送器组成。超声波发射装置发射的超声波，被物体表面反射回来后，由接收装置接收。变送器将超声波在发射与接收过程中所产生的信号转换为标准电流信号。超声波液位传感器特点如下：测量精度高。响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。非接触测量，性能稳定可靠，对液体的物理化学性质的适应性极强，不怕酸碱等强腐蚀性液体等。智能型超声波液位传感器是在超声波液位传感器的基础上，使用微处理器作为控制核心而研制开发的，具有传统超声. 2、传感器选型 本系统选择恩普仪表公司的EPM系列超声波液位计，此液位传感器内置温度补偿，功率自适应，采用多项自研的专利技术，拥有全新的信号处理技术，极大的提高了仪表的测量精度，对干扰回波有明显得抑制功能。安装、维护、标定简单。具有安全、清洁、精度高、寿命长、稳定可靠、安装维护方便、读数简捷等特点。3、传感器技术指标 测量范围：03m、06m、010m 盲区：0.25m0.5m 测量精度：0.250.5 分辨率：1mm 方向角：46（全角） 压力：4个大气压以下 显示：自带LCD显示液位高度或空间距离 数字输出：RS485接口、ModBUS协议或定制（四线制） 模拟输出：420mA 开关量：24路AC220V/3A（四线制） 防护等级：IP65 环境温度：2060 供电电压：四线制DC24V70mA/AC220V3W二线制DC24V4、安装位置钻井液体积传感器是声波发射和接收装置，传感器声波探头安装在钻井液罐上，安装时必须要先在每个液罐面上远离搅拌的杆、钻井液流动比较平稳地方焊割开一合适的口子。然后将特制的金属架固定在钻井液罐开口处，并调整探头和固定杆臂长、方向、高度，使探头的发射面与罐面保持300mm的垂直高度。 探头信号线与入口接线盒相连接。如图3-9所示：图3-9 超声波液位传感器安装位置图3-5 钻井液电导率传感器安装3.2.4 钻井液流量传感器随着人们对钻井事故安全越来越关注，及时发现钻井液溢流和漏失为钻井液出口流量的测量提出了更高的要求，钻井液出口流量变化，与入口流量对比，可以监测是否有钻井液漏失和地层流体进入，及时预测井涌、井漏、井喷。1、测量原理电容式靶式流量计主要由测量管（外壳）、新型电容、力传感器、阻流件、积算显示和输出部分组成。当介质在测量管中流动时，因其自身的动能通过阻流件（靶）时而产生的压差，并对阻流件有一作用力，其作用力的大小与介质流速的平方成正比，其数学方式表达如下：F=CdAV2/2式中：F 阻流件所受的作用力（kg） Cd物体阻力系数 A 阻流件对测量管轴向投影面积(mm2) 工况下介质密度（kg/m3） v 介质在测量管中的平均流速(m/s)阻流件(靶)接受的作用力F，经刚性连接的传递件（测杆）传至电容力传感器，电容力传感器产生电压信号输出：V=KF式中：V电容力传感器输出的电压（mV）， K比例常数， F阻流件（靶）所受的作用力（kg）。2、传感器选型 虽然可以精确测量液体流量的传感器较多，如电磁流量传感器、涡轮流量传感器、超声波流量传感器等等，但是受钻井现场安装条件和钻井液性能的影响，目前能够有效用于钻井液出口流量测量的传感器并不是很多，综合录井比较常用的是靶式流量传感器。这种靶式流量传感器在录井过程中主要用于测量钻井液出口流量的相对变化，其精度较低。这里我们选择天津克莱瑞科技有限公司 KBL系列靶式流量计，其主要用于解决高粘度，低雷诺数流体的流量测量。KBL系列靶式流量计则以先进的压敏电阻应变片技术为基本，加之更为科学、合理的结构设计，极大地提高了测理精度及可靠性；同时采用数字技术和微电子技术，将检测到的传感信号转变为4-20mA信号正比输出，现场直观液晶显示瞬时流量和累积流量。适用于各种气体、液体及蒸汽等介质的测量，如图3、传感器技术指标 口径：DN15DN3000mm 公称压力：0.0142MPa 工况温度：-196+500 精度：0.21.5%FS 量程比：1：15 壳体：碳钢；不锈钢(或按用户要求提供)(衬氟) 供电方式：内置3.6VDC锂电池；外供24VDC（可选） 输出信号：420mA二线制；脉冲01000HZ；RS232/RS485 防护等级：IP65 IP67 4、安装位置 在正常的条件下，电容式靶式流量计像阀门那样螺栓固定在管道上的。为了保证使用流量传感器时里面不会存积气体或者液体残值，对于弯管型流量计，侧量气体时，弯管应朝上，侧量液体，弯管应朝下。而测量排放液或浆液时，应将传感器安装在垂直的管道，流向是由下而上。但对于直管型流量计，水平安装时应该要避免将其安装到最高点上，以避免气团存积己连接传感器和工艺管道内，并且安装一定要做到无应力安装，特别对某些直管型侧量管的流量传感器更应该注意。如图3-3所示：图3-3 电容式靶式流量计图3-7 立压传感器安装3.2.5 钻井液温度传感器 钻井液温度的变化可间接反映地热物资含量，是监测异常压力的重要参数。1、测量原理 工业用热电阻分铂热电阻和铜热电阻两大类。热电阻是利用物质在温度变化时自身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的。热电阻的受热部份(感温元件)是用细金属丝均匀地双绕在绝缘材料制成的骨架上。当被测介质中有温度发生变化时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质中的平均温度。2、传感器选型 本系统选择上海坦泼秋尔电器科技公司的WZP铠装式PT100热电阻温度传感器，此传感器可对-200600温度范围内的气体、液体介质和固体表面进行自动检测，并且可直接用铜导线和二次仪表相连接使用，由于它具有良好的电输出特性，可为显示仪、记录仪、调节器、 扫描器、数据记录仪以及电脑提供精确的输入值。铠装电阻外保护管采用不锈钢，内充满高密度氧化物质绝缘体，因此它具有很强的抗污染和优良的机械强度，适合安装在环境恶劣的场合。热电阻式温度传感器3、传感器技术指标 温度系数：TCR=3850ppm/K 规范：DIN EN 60751（符合IEC751） 长期稳定性：R0漂移小于等于0.04 （500，1000小后） 抗振动等级：至少40g加速度（10-2000Hz） 自热系数：0.4KmW（0时） 响应时间：水0.4m/s t0.5=0.05S t0.9=0.15S 空气2m/s t0.5=3.0S t0.9=10.0S 测量电流：PT100 0.3-最大1.0 mA PT1000 0.1至0.3mA4、安装位置 图3-9 超声波液位传感器安装位置3.2.6 钻井液电导率传感器监测钻井液电导率的变化，根据变化趋势监测是否有地层流体进入，判断侵入钻井液中地层流体的性质。1、测量原理 电导率传感器采用感应元件的两个线圈，一个称为初级线圈，一个称为次级线圈。给初级线圈提供一个20kHz的交变电流驱动信号，在其周围产生一个交变电磁场，在次级线圈中感应出电流。当传感器处于空气中时，由于空气的磁导率很小，在次级线圈中感应出的电流很小。设想有一根导线通过两磁环而闭合，那么初级线圈中磁通的变化会在该闭合导线中感应出电流，而该电流又会在次级线圈中感应出电信号，而且次级线圈中感应电势的大小，取决于闭合导线中电流值。当初级线圈中所加的交流电压一定时，该电流值的大小又由闭合导线的电流值决定。综上所述，次级线圈感应电势的大小，完全取决于闭合导线的电阻值。这两个线圈和导线可以看作是两个理想变压器。如果把初级线圈置于钻井液中，则钻井液就起了闭合导线的作用。在理想情况下，次级线圈输出电压的大小与钻井液的电阻率成反比。 2、传感器选型本系统采用北京科思佳公司生产的k2425911型电导率传感器。该产品有温度自动补偿功能。对液体在线检测时，可将被检测液体的电导率自动补偿到标准为25时的电导率值。因此，本传感器除能在正常环境下工作外，还能适应于在昼夜温差大的环境下工作或者在特殊加热环境下工作。变送器信号采用的是二线制方式输出，输出的电流信号为4 - 20mA，该标准信号可以免受外部电磁信号的干扰，方便远距离的传输、检测和控制。该传感器没有电极老化的问题，二位手动量程开关组合档。图3-6 电导率传感器 3、传感器技术指标 输入电压： DC24V 输出电流： 420mA 输出接线方式：二线制；三线制线性精度： 0.3 温度补偿范围： 0+90 变送器工作温度： -20+70或-45+70探头（传感器）工作温度：-20+80 4、传感器安装位置钻井液电导率传感器是将传感器固定在管道支架上，安装时应注意将传感器探头的圆孔与缓冲罐泥浆溜出口对着，然后将其探头信号延长线与出口接线盒出口电导率相连接。如图3-5所示：图3-5 钻井液电导率传感器安装3.2.8 现场传感器安装位置示意图图3-14 现场传感器安装示意图3.3 数据采集与数据通信的实现3.3.1 数据采集模块选型依据数据采集模块的选择对数据采集和转换的精确性有很大影响，选用数据采集模块时应要考虑的因素有以下四点:1、通道数：指的是输入通道数量。它取决于系统所要监测的参数的数量；2、分辨率：指的是数据采集设备能够区别两个邻近模拟电压的能力，它反映了A/D转换器所能分辨的模拟输入信号的最小变化量，一般用A/D转换的位数来表示；3、输入模拟信号范围：传感器输出的模拟信号必须处于所选数据采集卡输入信号的范围内，这样才能够被数据采集卡准确处理；4、最高采样频率：采样频率指的是采集设备采集数据时，相邻两个数据时间间隔的倒数。而最高采样频率则指采集设备所允许最小时间间隔的倒数，根据采样定理得，选用数据采集设备时，其最高采样频率必须大于被测信号最高频率的2倍。3.3.2 数据采集模块选型本系统选用北京阿尔泰AD、DA数据采集卡PCI8735型数据采集模块。该模块支持C+Builder、VB、Delphi、Labview、VC、LabWindows/CVI、组态软件等语言的平台驱动简易示例程序（了解板卡的工作流程，包括板卡的各种初始化设置，数据的读取）高级演示程序（包括波形显示、连续不间断大容量存盘、高级数据分析等功能）工程级源代码开放，可直接编译通过。该模块的主要技术指标如下： 图3-3-2 数据采集卡图 1、AD 模拟量输入功能转换器类型：AD7321输入量程(InputRange)：10V、5V、2.5V、010V转换精度：13位(Bit)，第13位为符号位采样速率：最高系统通过率500KHz，不提供精确的硬件分频功能说明：各通道实际采样速率 = 采样速率 / 采样通道数模拟输入通道总数：32路单端，16路双端采样通道数：软件可选择，通过设置首通道(FirstChannel)和末通道(LastChannel)来实现的说明：采样通道数 = LastChannel FirstChannel + 1通道切换方式：首末通道顺序切换AD转换时间：1.6us程控放大器类型：AD8251(兼容AD8250)程控增益：1、2、4、8倍(AD8251)或1、2、5、10倍(AD8250)模拟输入阻抗：20M非线性误差：1LSB系统测量精度：0.1%工作温度范围： -40 +85存储温度范围：-40 +1202、DI 数字量输入功能通道数：16路电气标准： TTL兼容高电平的最低电压：2V低电平的最高电压：0.8V3、DO数字量输出功能通道数：16路电气标准： TTL兼容高电平的最低电压：2.4V低电平的最高电压：0.5V上电输出：低电平3.3.2 数据采集模块的使用方法1、AD单端输入连接方式单端方式是指使用单个通道实现某个信号的输入，同时多个信号的参考地共用一个接地点。此种方式主要应用在干扰不大，通道数相对较多的场合。可按下图连接成模拟电压单端输入方式，32路模拟输入信号连接到AI0AI31端，其公共地连接到AGND端。 图3-3-2 AD单端输入连接方式2、 AD双端输入连接方式双端输入方式是指使用正负两个通路实现某个信号的输入，该方式也叫差分输入方式。此种方式主要应用在干扰较大，通道数相对较少的场合。单、双端方式的实现由软件设置，请参考PCI8735软件说明书。PCI8735板可按下图连接成模拟电压双端输入方式，可以有效抑制共模干扰信号，提高采集精度。16路模拟输入信号正端接到AI0AI15端，其模拟输入信号负端接到AI16AI31端，现场设备与PCI8735板共用模拟地AGND。 图3-3-2 AD双端输入连接方式3、 数据采集程序设计流程 1、选择通道 2、启动采样保持器采样 3、延时程序 4、启动采样保持器保持 5、启动A/D转换 6、判断A/D转换是否结束，若转换完毕，程序转入7 若转换仍在进行，程序返回5 7、去A/D转换结果：分两次读取，先取高8位，然后取出低四位，取出的数十六位，低四位为零。 3.3.3 数据通信1、通信方式RS-232、RS-422和RS-485都是串行数据接口标准，它们最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的。RS-232于1962年发布的，命名为EIA-232-E，作为工业标准，为了保证不同厂家产品之间的兼容。RS-422是经过RS-232发展而来的，为了改进RS-232通信距离短、速率低等的不足，为RS-422定义了一种平衡通信接口，把传输速率提高至10Mb/s，传输距离也达到4000英尺（速率低于100kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接最多有10个接收器。并为扩展应用范围，电子工业协会又于1983年在RS-422的基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即是允许多个发送器连接到同一个总线上，并且同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护的特性，扩展了总线共模范围幅度，后更名为TIA/EIA-485-A标准。 规格RS-232RS-422RS-485节点数1发1收1发10收1发32收工作方式单端差分差分传输速率20kb/s 10Mb/s 10Mb/s 传输电缆50英尺400英尺400英尺输出电压+/-25V-0.25V+6V-7V+12V表3-3 串行数据接口标准比较从上表可以看出，与RS-232和RS-422比较，由于RS-485更能适于多点相互连接和远距离的数据的传输，它所具有的数据传输速率、噪声抑制能力、电缆长度及可靠稳定性是其他两种标准无法比拟的，明显更适合联网所构成分布式系统。因此，本系统设计选用的是RS-485串行通信方式。2、RS-485转RS-232模块但是一般的计算机上的通讯接口电路只有RS-232接口，所以为了建起数据采集端口和工控机的数据通信的桥梁，就需要将RS-485标准转换为RS-232标准。本系统设计选用的是北京阿尔泰科技发展有限公司生产的 DAM-3210型RS-485转变RS-232模块，该模块的主要技术参数如下： 输入：RS-232标准 输出：RS-485标准 支持多种传输速率和数据格式 通讯速度自适应 电源：+10+30VDC 图3-16 DAM-3210模块 隔离：3000VDC 内置看门狗 3.3.4 数据采集总体框架 数据采集与通信通过分布式数据采集、RS - 485串口通信方式以及RS-485转换RS-232模块最终实现将各个传感器输出的标准4-20mA信号传输入工控机中。下面是实物连接方式如图3-17： 图3-17 数据采集总体框架图第四章 系统软件设计通常，在钻井作业中都是通过录井录取钻井工程资料的信息，再经综合分析后，获得钻井工况、事故等信息。目前我国录井录取工程资料技术还比较落后，原因之一就是缺乏一套适于井场使用的行之有效的实时监测软件系统。溢流及漏失实时监测系统就是针对以上问题而开发的。本系统采用力控Forcecontrol 6.1.3组态软件开发，该软件具有强大的界面显示功能、良好的开放性和丰富的功能模块等优势，从而实现对钻井过程中溢流、漏失等井下复杂情况的实时监测。4.1 开发软件平台介绍4.1.1 组态软件简介组态软件是过程控制和数据采集中的专用软件，它为用户提供了简捷的操作方法和良好的开发界面，其预设置的各种软件功能模块可以非常容易实现和完成监控层的各项功能，同时还能与各种硬件厂家的计算机和I/O设备相连，与高可靠的工控计算机及网络系统相结合，为控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，实现系统集成。工业组态软件主要具有以下几个特点： 1、延续性和可扩充性。利用通用工业组态软件开发的应用工程项目，当现场或用户的需求发生变化时，不需要做很多的修改而方便地完成软件的更新和升级。 2、封装性（易学易用）。通用工业组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法封装起来，用户不需要掌握太多的编程语言技术，就可以很好地实现一个复杂工程所要求的所有功能。 3、通用性。每个用户根据工程的实际情况，采用通用工业组态软件提供的底层设备(包括：PLC、智能模块、智能仪表、变频器、智能仪表等)的I/O Driver、开放式的画面制作工具和数据库，就可以完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据处理、数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，且不受行业的限制。4.1.2 SQL Server 2008数据库简介SQL(Structured Query Language)，结构化查询语言。SQL语言的主要功能就是同各种数据库建立联系，进行沟通。按照ANSI(美国国家标准协会)的规定，SQL被作为关系型数据库管理系统的标准语言，它可以用来执行各种各样的操作，例如更新数据库中的数据，从数据库中提取数据等。绝大多数流行的关系型数据库管理系统都采用了SQL语言标准。SQL Server 2008是一个重大的产品版本，