【正文】 西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文）鉆井液系統(tǒng)硬件設計畢業(yè)論文目錄摘要 Abstract：系統(tǒng)調試示意圖 附錄二：部分程序 第一章 緒論研究目的鉆井液池為鉆井施工作業(yè)過程中提供循環(huán)鉆井液，通過對鉆井液體積、密度的、電導率等其他相關參數(shù)的監(jiān)測可以反映出當前鉆井是否出現(xiàn)異常。通過對鉆井液的參數(shù)進行實時監(jiān)測，判斷是否會出現(xiàn)溢流、井涌、漏失、井漏等井下異常情況，防止鉆井、完井過程中發(fā)生事故，減少鉆井、完井的工作量，提高工作效率，并且通過鉆井液性能的變化，來判斷是否遇油、氣、水層和特殊巖性，為接下來的鉆井施工打好方向。研究意義鉆井液參數(shù)包括鉆井液的出入口溫度、出入口電導率、出入口密度、流量、鉆井液體積等。鉆井液參數(shù)的變化通常能直接反映井下地層流體的活躍情況以及井筒壓力與地層壓力的平衡情況，重視鉆井液參數(shù)異常的預報，可以避免井噴、井漏、溢流等重大事故的發(fā)生，及時處理油氣侵、鹽侵、水侵，為順利施工創(chuàng)造有利條件。，參數(shù)顯示及報警，達到保障鉆井施工安全、減少投入、提高勘探開發(fā)整體效益的目的。 國內外研究現(xiàn)狀 國內研究現(xiàn)狀在鉆井、完井工程中，監(jiān)測各項參數(shù)以及參數(shù)報警是最重要的步驟之一。在國內，中石油、中石化、中海油三大石油公司已經(jīng)進行了許多鉆井、完井方面的工作，通過無數(shù)的實踐證明，很多鉆井、完井測試技術已經(jīng)非常成熟。但是在溢流、漏失、井涌、井漏等井下情況監(jiān)測系統(tǒng)上還略有不足，所用的監(jiān)測系統(tǒng)還都還比較分散，不能將所有監(jiān)測參數(shù)集中在一個系統(tǒng)上。雖然當前國內已經(jīng)有比較先進的MWD（隨鉆測量）測試系統(tǒng)，但部分功能不如國外的MWD（隨鉆測量）監(jiān)測系統(tǒng)，而且中國當前使用的石油工業(yè)中的自主研發(fā)測試技術大都屬于完井、鉆井工程領域中基礎的技術，而部分高端的測試技術仍需要求助于國外。 國外研究現(xiàn)狀在國外，石油工業(yè)起步很早，到目前為止已經(jīng)有大量高端的測控技術，已經(jīng)擁有MWD（隨鉆測量）、LWD（隨鉆錄井）、PWD（隨鉆測壓）等先進的測量系統(tǒng)，能夠實時實地、完整地對鉆井液參數(shù)進行監(jiān)測以及報警。同時，致力于鉆井液參數(shù)儀表和鉆井液參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的研究、開發(fā)、生產(chǎn)的專業(yè)公司很多，其中包括美國的馬?。∕/D TOTCO）公司、加拿大Datalog公司和英國的瑞設（Rigserv）公司等在該領域的研究中處于國際領先水平。例如，加拿大Datalog公司研制的鉆井液監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下特點：可以測量并顯示200多個鉆井參數(shù)，以Windows95/98或windows NT作為操作平臺，采用客戶端/服務器技術，通過Internet或Modem進行遠程實時和歷史監(jiān)控，采用觸摸屏，可自制美觀實用的用戶界面，所有鉆井參數(shù)數(shù)據(jù)均可存儲在光盤中，系統(tǒng)易安裝、易擴展、可靠性高、穩(wěn)定性強保證了鉆井、完井過程中的安全，減少了工作量，提高了工作效率。美國Varco公司M/D TOTCO分公司于2001年最新研制的鉆井集成控制信息系統(tǒng)，該信息系統(tǒng)可以測量顯示基本的鉆井參數(shù)，采用液晶觸摸顯示屏，以Windows NT為操作為平臺，可以通過計算機局域網(wǎng)進行信息交換，也可以通過Internet/Intranet實現(xiàn)鉆井信息遠程通信。英國Rigserv公司（該公司是世界上第一個使用觸摸屏的石油儀器公司）研制的觸摸屏自動鉆井系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以測量幾乎所有與鉆井作業(yè)過程中有關的參數(shù)，采用非接觸式傳感器，系統(tǒng)的硬件緊湊、密封性好。美國Epoch公司開發(fā)的產(chǎn)品RIGWATCHTM，是基于Windows的鉆井參數(shù)記錄儀，采用觸摸顯示屏或CRT，可以進行實時多曲線和多窗口顯示，可以進行自動鉆井參數(shù)的記錄和打印，可以通過Internet或電話撥號實現(xiàn)遠程訪問，使用數(shù)據(jù)庫管理鉆井參數(shù)數(shù)據(jù)國外的測控技術現(xiàn)正向自動化和智能化的方向上發(fā)展。 主要研究內容在鉆井過程中對鉆井液參數(shù)進行實時監(jiān)測是鉆井工程中的重要部分。本文針對現(xiàn)有鉆井液池監(jiān)測技術中所存在的問題進行系統(tǒng)深入的研究，在查閱大量國內外相關文獻的基礎上，設計一套鉆井液池參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)實現(xiàn)對鉆井過程中的鉆井液參數(shù)變化情況進行實時監(jiān)測。本文主要從以下幾個方面進行研究工作：機理研究及參數(shù)確定 了解鉆井液池各監(jiān)測參數(shù)對鉆井作業(yè)的影響、表征現(xiàn)象及規(guī)律，確定該系統(tǒng)所要監(jiān)測的參數(shù)，并為傳感器的優(yōu)選提供理論依據(jù)。硬件系統(tǒng)設計 1）傳感器的選型 在石油鉆井過程中的現(xiàn)場環(huán)境十分惡劣，條件復雜，因而在傳感器的選型上必須充分考慮到現(xiàn)場的工作條件，包括場地的酸堿性、腐蝕性、溫度、濕度等，同時還要考慮傳感器安裝位置，傳感器的成本、靈敏度、測量精度等。 2）數(shù)據(jù)采集接口模塊的設計 儀器數(shù)據(jù)采集接口處于傳感器和傳感器數(shù)據(jù)采集計算機之間。根據(jù)需要采集的傳感器信號的數(shù)目、采樣頻率、數(shù)據(jù)采集卡的分辨率、數(shù)據(jù)采集卡價格等，結合實際情況，優(yōu)選數(shù)據(jù)采集卡；并采用RS485總線和RS232/RS485轉換器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡與上位計算機完成A/D、I/O驅動及通訊，完成數(shù)據(jù)的傳輸。軟件系統(tǒng)設計 本系統(tǒng)采用力控Forcecontrol 。設計出鉆井液池監(jiān)控系統(tǒng)動畫模擬顯示、歷史曲線回放、實時曲線顯示、數(shù)據(jù)查詢、報警記錄、報警分析、專家報表打印、等功能模塊。利用其web發(fā)布功能方便工作人員遠程監(jiān)測鉆井作業(yè)過程中的井下情況，對采集到的數(shù)據(jù)及時作出分析和判斷。軟硬件連接調試 通過RS485接口建立起組態(tài)軟件與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的連接，分別從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲四個方面對軟硬件進行調試。第2章 鉆井液 鉆井液是鉆井工程的血液，鉆井液參數(shù)的監(jiān)測對減少鉆井事故的發(fā)生起著重要作用，確定鉆井液監(jiān)測系統(tǒng)所要監(jiān)測的參數(shù)，并以此為依據(jù)分析判斷鉆井時可能發(fā)生的異常情況。 什么是鉆井液鉆井液就是在鉆井工作過程中的其多種功能滿足鉆井工作需要的各種循環(huán)流體總稱。鉆井液的循環(huán)是通過鉆井泵來維持的，從鉆井泵排出的高壓鉆井液，經(jīng)過地面高壓管、立管、水龍帶、水龍頭、方鉆桿、鉆桿、鉆鋌到達鉆頭，從鉆頭水眼上的噴嘴噴出，從清洗井底、攜帶鉆屑。然后由沿環(huán)形空間（鉆柱與井壁形成的空間）向上流動。到達地面后，經(jīng)地面，低壓管匯流入鉆井液池，再經(jīng)各種固控設備進行處理后返回上水池，最后進入鉆井泵循環(huán)再用。鉆井液經(jīng)流的各種管件、設備構成了一整套鉆井液循環(huán)系統(tǒng)。要深入了解鉆井液對鉆井的影響還要知道鉆井液的作用。 鉆井液作用攜帶和懸浮巖屑是鉆井液首要和最基本的功能在懸浮中，沿鉆桿向下或從鉆孔中向上流動的鉆井液有時會停止運動。出現(xiàn)這種情況只能有兩種原因：一是出現(xiàn)了故障，二是在更換鉆頭時將鉆桿提出了鉆孔。鉆探停止時，懸浮在鉆井液中的鉆屑就會沉入鉆孔的底部，將鉆孔堵塞。鉆井液被設計為具有一種非常有趣的特性，而該特性可以解決這一問題。鉆井液的稠度（或粘度）隨鉆井液流速降低而增加。鉆井液停止流動后，就會形成一種粘稠的凝膠體，這種凝膠體可使巖石鉆屑懸浮在其中，從而防止它們沉入鉆孔底部。而當鉆井液又開始流動后，它就會越變越稀薄，恢復到其以前稀薄的液體形態(tài)。就是通過本身的循環(huán)將井底被鉆頭破碎的巖屑攜至地面，以保持井眼清潔，使起下鉆暢通無阻，并保證鉆頭在井底始終接觸和破碎新地層，不造成重復切屑，保證安全、快速鉆井、提高鉆井率，能完成鉆井任務，而且可以降低成本。在接單根、起下鉆和因故停止循環(huán)時，鉆井液又將井內的鉆屑懸浮在鉆井液中，使鉆屑不會很快下沉，防止沉沙卡鉆，也可以保持井壁不垮塌。穩(wěn)定井壁和平衡地層壓力許多人都看到過石油從鉆井臺中噴入高空，石油工人為之而歡呼雀躍的情景。實際上，這類井噴的發(fā)生，也并不值得慶祝，因為鉆探的目標是以控制流量的方式來開采石油。泥漿被設計為可以抵消巖層中流體的自然壓力，從而防止發(fā)生此類事故。壓力間必須達到適當?shù)钠胶?，即鉆井液對鉆孔壁的壓力應足以抵消巖層和石油或天然氣施加的壓力，但這種壓力又不能太大，否則會對油井造成破壞。如果鉆井液的重量太大，可能會使巖石破裂，鉆井液也會因此而流失入地下。冷卻和潤滑鉆頭和鉆具金屬鉆入巖石時，會因摩擦生熱。鉆井液可潤滑和冷卻鉆頭，使鉆探平穩(wěn)進行，同時延長鉆頭的壽命。對延伸區(qū)域或水平油井而言，潤滑可能尤為重要，因為在這些地方，鉆桿、鉆頭和巖石表面間的摩擦必須保持在最低水平。在鉆井中特別是在深井的鉆井中，鉆頭一直處在高溫下旋轉并破碎復雜的巖層，產(chǎn)生高溫和熱量，同時鉆具也不斷地與井壁磨擦產(chǎn)生熱量，鉆井液不斷地循環(huán)作用，可以將這些熱量及時吸收，然后帶到地面釋放在大氣層中，從而起到了冷卻鉆頭、鉆具并延長其使用壽命，鉆井液的存在使鉆頭和鉆具均在液體內旋轉，在很大程度上降低了摩擦阻力，起到了很好的潤滑作用。傳遞水動力 鉆井液在鉆頭噴嘴處以極高的流速沖擊井底，從而提高了鉆井速度和破巖效率。高壓噴射鉆井正是利用了這一原理。也就是采用高泵壓鉆進，使鉆井液所形成的高速射流對井底產(chǎn)生強大的沖擊力，提高鉆速。在使用渦輪鉆具鉆進時，鉆井液由鉆桿內較高流速經(jīng)渦輪葉片，使渦輪旋轉并帶動鉆頭破巖碎石。以上