DSP芯片在超声波钻井液测漏仪中的应用

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摘要：介绍了超声波钻井液测漏仪的结构、安装方式和测量原理。为了提高其测量的可靠性和准确性，研制了专用的超声波传感器；并通过高速高性能数字信号处理器的应用，提高了测量精度。对TMS320VC33这一新型数字信号处理器的应用作了大量的介绍，并在接口设计、引导、数据传输等方面提供了一些有价值的经验和方法。

    关键词：流速测量 超声波传感器 数字信号处理器 钻井液

钻井是石油及天然气开采的重要环节，为了保证高效、安全地钻井，防止井漏和井喷，需要在钻井过程中采用具有一定粘结性能的泥浆作为钻井液。它是由多种原料根据井下的地质情况按适当的比例配制制成的，其费用约占整个钻井成本的三分之一。由于井下地层结构的复杂性，常常遇到裂缝和有孔隙的地层，造成泥浆漏失，这不仅严重影响钻井作业的进行，千万经济上不必要的损失，而且泥浆是一种有害物质，漏失后会对地下水资源和地层造成污染，危及子孙后代的生存环境。

发生泥浆漏失现象后，最为重要的是尽可能准确地找出漏失位置，以便调整漏浆成份和颗粒度，堵塞地层裂缝和其它漏源。历史上采用过的方法主要有两种：一种是用温度传感器监测井下不同深度处的温度变化情况。由于受温度传播的不实时性和漏失量较小时温度变化不明显等因素的影响，这种方法不能准确地测定泥浆漏失位置。另一种是采用流量计直接测量流速的变化，以此确定泥浆的漏失位置。但由于受测量环境本身的制约，所使用的流量计中含有转子等可动部件，而可动部件极易受到钻井中沙粒的影响而造成测量的不可靠或失败。

本论文所述的超声波钻井液测漏仪的主要是：（1）采用了超声波传感器，不存在机械可动部件；（2）具有很好的实时性；（3）采用两只性能相同的超声波传感器对发、对收，不象压力传感器那样存在直接测量的敏感面；（4）采用了TMS320VC33浮点数字信号处理器，提高了测量精度。
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1 测量原理

1.1 测漏仪的结构与安装方式

超声波钻井液测漏仪的结构和安装方式如图1所示。测量电路安装在上、下套筒组成的空腔内，两只超声波 传感器分别安装在上、下套筒的端面上，泥浆经钻杆中心孔进入井下后再经钻杆外壁与井壁构成的环形空间返回到地面。

1.2 超声波传感器的研制

由图1可见，传感器轴线与钻杆外壁之间的距离是十分有限的，为了保证超声波传感器发出的信号能够通过泥浆直接进入接收传感器，需要控制超声波传感器的中心角。设两只传感器的距离为L，传感器轴线距井轴的距离为D，钻杆直径为d，则应使中心角θ满足：

θ=tg -1[(2D-d)/2L]

实际结构允许的θ为2.95°，这对一般的超声波传感器说是一个比较严格的指标，另外，由于井下的温度可高达150℃，压力为100Mpa，因此研制了专门的超声波传感器，其工作频率为600kHz。

1.3 测量原理

两只传感器交替地发送和接收超声波信号，把靠近地面的一只记作B，靠近井下的一只记作A，则A发送、B接收所用的时间为：

tAB=L/(C+V) (1)

同理，B发送、A接收所用的时间为：

tBA=L/(C-V) (2)

由以上两式可得：

Δt=tBA-tAB=(2LV)/(C 2-V 2) (3)

其中，C为超声波在泥浆中的传播速度，V为泥浆流速。

由于C>>V，所以C2-V2≈C2，因此有：

V=ΔtC2/2L (4)

可见，只要测出时间差Δt，就可以求出泥浆流速，从而推断井下漏失情况。漏层位置是通过时间与深度的换算关系确定的，地面计算机与井下测量电路在同一时刻开始计时，由于地面可以方便地掌握仪器的下井深度，而井下仪器又可记录任意时间点的泥浆流速，当仅器提升到地面后，将记录的数据回放到计算机，就可知道位置深度处的流速。

图2

2 DSP的应用

2.1 测漏仪电路结构

测漏仪电路结构如图2所示。图中IC1是DSP芯片，这里采用TI公司的TMS320VC33浮点数字信号处理器，它是整个测量电路的核心，其指令周期为17ns，字长为32位，扩展精度为40位，内部存储器容量为34K×32bit，可寻址空间为16M，具有一个32位的串口、一个DMA通道、两个定时器、两个外部中断源；芯片的供电电压为3.3V，内核供电电压为1.8V，由IC5提供。由于芯片的运行速度很高，为了防止外部振荡电路的过高频率引起射频干扰，对外接振荡器采用了内部倍频技术。

2．2 接口技术

图2中的IC2为DS1251存储器，它是一种非易失性的存储器，其输出电压高电平为5V。但TMS320VC33的I/O电平为3.3V，不能承受高电平为5V的TTL信号。为了使TMS320VC33与DS1251能够交换数据，电路中采用IC3（74LVC164244）实现3.3V与5V电平的转换。该芯片同时具有3.3V和5V两种供电电源，与DSP相连的I/O脚电平为3.3V，与存储器相连的I/O脚电平为5V。

2.3 引导

引导（Boot Loader）是将在存储在外部程序存储器中的程序代码一次性地全部加载到DSP芯片内部的高速存储器中，以实现程序指令的高速运行。TMS320VC33有四种引导方式，其中前三种方式是从外部存储器引导，第四种方式是从串行口引导。它们都是通过将四个外部中断引脚INT0～INT3中的某一个设置为低电平而实现的。本文采用表1中所示的第二种引导方式，即DSP从400000H开始引导程序。

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