【正文】 及對安全性能的要求越來越高，鉆井液在鉆井中必不可少，為使鉆 井液工作正常，在鉆井過程中對 鉆井液 攪拌器工況參數(shù)的檢測必不可少。 自 70 年代以來，我國各油氣田開始引進(jìn)、研制鉆井裝備的同時，也各自研制設(shè)計油田固控設(shè)備。 但對固控設(shè)備之中的攪拌器研究的投入 不足 ，鉆井液 攪拌器的使用過程中對其性能參數(shù)的測試 較少 ，從而減少了其使用壽命和工作效率。 國外的固控設(shè)備水平以美國的 SWACO、 BRANDT等公司為代表，質(zhì)量和性能處于世界首位，國外特別重視整個系統(tǒng)的優(yōu)化配置和整個系統(tǒng)的效率評價 。國內(nèi)外生產(chǎn)攪拌器的廠家比較多，對其理論數(shù)據(jù)的驗證只能通過實驗計算來核實，特別是對石油工況下攪 拌器的參數(shù)研究少之甚少。將測量方案分三步進(jìn)行，首先針對 攪拌設(shè)備 真實載荷的重要性，先研究 攪拌器扭矩 的測量方法，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可靠的基礎(chǔ)上再提出 攪拌設(shè)備扭矩的 檢測系統(tǒng)設(shè)計 。最后 研究攪拌軸的扭矩與攪拌器輸出功 率之間的關(guān)系、扭矩與鉆井液 密度之間的關(guān)系，通過研究二者之間的關(guān)系，得到攪拌器的工況效率。通過對各個攪拌系統(tǒng)的檢測， 使 攪拌器 的運(yùn)行 更加 安全有效。 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 5 第二章 總體方案設(shè)計 攪拌器工況參數(shù)檢測 是為了在 高惡劣、機(jī)械振動劇烈的工作環(huán)境下對攪拌器的工作情況進(jìn)行實時 檢 測 ， 從而使整個鉆井過程能夠正常運(yùn)行。 論文 采用檢測攪拌軸的受力 、檢測攪拌軸轉(zhuǎn)速、檢測鉆井液液面高度 的方法進(jìn)行研究。 表 21鉆井液攪拌器出廠的主要性能參數(shù) 產(chǎn)品 型號 排量（ L/min） 葉輪轉(zhuǎn)速 （ r/min） 泥漿密度 （ g/cm3） 配套功率 （ kW） 質(zhì)量 (Kg) 11610 330 16120 80 340 NJ11 23200 71 11 540 NJ15 31400 71 15 550 攪拌器檢測系統(tǒng)的設(shè)計 功能 在實際鉆井過程中鉆井液是循環(huán)使用的，隨著鉆井液在固控設(shè)備中的流動，攪拌器中鉆井液的變化，攪拌器功率、攪拌軸扭矩、攪拌器的轉(zhuǎn)速也隨之變化。 （ 1） 扭矩檢測的功能 攪拌器在整個工作過程中，攪拌軸的主要功能是傳 送動力的部件，同時也是主要受力部件。 通過檢測各個鉆井液攪拌器的扭矩后，縱向比較各個攪拌軸的扭矩變化，從而可以反映整個鉆井液的密度變化。所以檢測電機(jī)的實際功率可以檢測整個攪拌器系統(tǒng)運(yùn)行的正常與否。 攪拌器檢測 系統(tǒng)框圖 如 圖 21 所示 。 電機(jī)功率的消耗是攪拌器轉(zhuǎn)速，攪拌漿的直徑 ，攪拌器本身結(jié)構(gòu)及下列一系列 混合環(huán)境的因素的 函數(shù)： 攪拌器中流體介質(zhì)的物性； 攪拌槽的集合尺寸； 扭矩測點 功率測點 測量轉(zhuǎn)速 工況計算 高度測點 液面到測定距離 上位機(jī) 信號處理 單元 數(shù)據(jù)采集模塊 信號傳輸單元 數(shù)據(jù) 傳輸 模塊 信號存儲 單元 數(shù)據(jù)存儲上位機(jī) 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 9 攪拌漿相對于槽體和流體界面的位置及相對槽中其他物體或者障礙物的位置； 這些都是有實際意義的主要變量，雖在某些特殊的情況下，需要考慮 其他的重要因素。功率大小，除理論計算外，很多時候還需要進(jìn)行實際的測量。后者是從測量電動機(jī)的轉(zhuǎn)速入手，根據(jù)電機(jī)本身相關(guān)參數(shù)的關(guān)系，從而得到電機(jī)的實際輸出功率。 2DA? （ 2— 3） 將 式（ 22）、（ 23） 帶入（ 21）得到作用力 Fw 42 DNFw ???? （ 2— 4） 假設(shè)力作用點距離攪拌軸中心的距離與攪拌槳 直徑 D 成正例，由此可以得到攪拌器的功率為： 532 DNNMP ?????? ?? (2— 5) 鉆井液攪拌器工況參數(shù)檢測方法研究 10 則用無因次的功率準(zhǔn)數(shù) Np 來表示攪拌器的功率特性，得到 53 DNNP P ???? ? (2— 6) 式中： P— 功率， W； Np— 功率準(zhǔn)數(shù)； ?— 流體密度， kg/ 3m ； N— 攪拌器的轉(zhuǎn)速， sr ； D— 攪拌漿的直徑， m； 由以上公式知道，攪拌器的功率與攪拌器的轉(zhuǎn)速是有 直接 關(guān)系 ，測得攪拌器的轉(zhuǎn)速從而就可以得到攪拌器的消耗功率。所以，我們習(xí)慣上又把轉(zhuǎn)動力矩叫扭矩力矩，簡稱扭矩 。 測量攪拌軸扭矩是本檢測系統(tǒng)中很重要的環(huán)節(jié)，只有得到攪拌軸的實時扭矩才可以實時檢測整個攪拌器系統(tǒng)。這一種扭矩的測量方案簡單易行，采集、傳輸數(shù)據(jù)很方便。 如果將鐵磁材料的軸放在磁場中并且對它施加扭矩，鐵磁材料的磁化強(qiáng)度的變化將表現(xiàn)在磁導(dǎo)率的變化上，從而如果測量出這一變化，就可以得知對應(yīng)的扭矩信號。但是由于轉(zhuǎn)動軸常用的鐵磁性材料的磁致伸縮逆效應(yīng)較弱，通常會影響扭矩測量靈敏度和精度，而且對轉(zhuǎn)動軸材料的均勻性和旋轉(zhuǎn)精度的要求較嚴(yán)格 [4]~[7]。 [13]此類傳感器實際測得的是磁致伸縮層材料應(yīng)力，如何將其轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動軸本省的應(yīng)力或者扭矩值還需要相當(dāng)大的一部分工作，同時這種傳感器致命之處受到外界電磁干擾影響極大，對屏蔽電磁輻射的要求很高，所以它不能在惡劣的環(huán)境下長期工作。 根據(jù)相位差測量原理做成的扭矩傳感器在國內(nèi)已經(jīng)有 30 余年的歷史，技術(shù)很成熟，但在與其他類型扭矩傳感器相比較，它對環(huán)境的適應(yīng)性比較差，在苛刻惡劣的工作環(huán)境中（比如汽車扭矩測量和鉆井作業(yè)扭矩測量）其可靠性大大的降低，因為其自身質(zhì)量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝調(diào)試很不方便，而且在其在動態(tài)測量準(zhǔn)確度也很低。其工作原理是利用被反射的 SAW 相速度在應(yīng)變前后產(chǎn)生的變化，從而間接測量扭矩的大小。但這些轉(zhuǎn)角型扭矩傳感器在使用過程中對周圍的環(huán)境要求比較高，不適合在高惡劣環(huán)境中應(yīng)用。 由于應(yīng)變式扭矩傳感器是通過電阻變化來反映軸的扭矩大小的變化，所以可以用于多種工作環(huán)境中，亦可以用于高惡劣的工作環(huán)境中，但通過應(yīng)變片測量扭矩大小的精確度不是很高，不適合應(yīng)用于對扭矩測量數(shù)據(jù) 要求比較精確的測試中。此類液位計可以長時間的進(jìn)行連續(xù)測量，但浮子液位計的缺點是沉積在傳動機(jī)械裝置上的污物會影響浮子的運(yùn)動，從而產(chǎn)生故障，不適合在泥污角度的環(huán)境下應(yīng)用。 （ 3） 雷達(dá)液位傳感器 雷達(dá)傳感器是利用發(fā)射、反射和接收的原理來測量液位高度，屬于非接觸測量，因此較多用于有毒、有害的惡劣工作環(huán)境中。 [20] （ 4） 熱學(xué)式液位計 熱 學(xué) 式液位計是由熱敏電阻構(gòu)成的，它對熱敏電阻發(fā)出的信號進(jìn)行判斷，看是否 有 液體浸入。超聲波液位傳感器是由超聲換能器發(fā)射的超聲 波 脈沖 經(jīng)被測物質(zhì)反射后，由超聲波接收裝置檢測超聲波，測量該次超聲脈沖 往返時間，就可以得到被測液面到超聲波發(fā)射端的距離，從而可以得到液位高度。 數(shù)據(jù) 信號 傳輸方案的設(shè)計 在鉆井液攪拌器動力傳遞系統(tǒng)中，最困難的問題是旋轉(zhuǎn)軸上的應(yīng)變電橋的電壓輸入以及檢測到的應(yīng) 變信號的輸出如何可靠及時地在旋轉(zhuǎn)軸部分與靜止部分之間傳遞 。短距離無線通信 技術(shù) 是指有效輻射功率（ EIRP）≤ 10mW， 而通信距離通常在幾十米到幾百米范圍之內(nèi)的無線通信技術(shù)。 IrDA技術(shù)是 較早的短距離無線通信技術(shù)，它利用紅外線進(jìn)行點對點通信，它是第一個實現(xiàn)個人無線局域網(wǎng)（ PAN）的短距離無線通信技術(shù) ,而且適合低成本、跨平臺和點對點高速數(shù)據(jù)的連接。紅外連接的簡易性使它 更 能適應(yīng)不同的操作系統(tǒng)，而且傳輸速率高。 WiFi技術(shù) WiFi正式名稱 為 ，無線高保真 Wireless Fidelity，是一種短距離無線通信協(xié)議， WiFi的傳輸 速率最高可達(dá) 到 11Mb/s。雖然 WiFi的連接不受墻壁阻隔，但是由于障礙物的影響 ,有效傳輸距離 與戶外傳輸相比較會減少 。 1997年公布的， 被 稱為 ，最初 的 目的是提供 WLAN 接入，現(xiàn)在發(fā)展 成 為 WLAN 的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同樣它的工作頻率是 ，這樣 就 不需頻率使用許可證 ,與無繩電話 、 藍(lán)牙 等許多的無線設(shè)備共享同一頻段。據(jù)最近國際消費電子產(chǎn)品調(diào)查分析 ,從 WiFi技術(shù)的 快速 發(fā)展趨勢 來 判斷，新版本 被大多數(shù)無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品制造商使用。它 是在 利用自己的無線電標(biāo)準(zhǔn) 的 基礎(chǔ)上 ，相互協(xié)調(diào)數(shù)千個微小的傳感器網(wǎng)絡(luò) 來 實現(xiàn)通信。 IEEE僅 用于 處理低級 MAC層兼有物理層協(xié)議，對此 ZigBee聯(lián)盟對 它們的 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和 API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。 目前 ,ZigBee技術(shù)發(fā)展速度快，市場前景廣 ,無線通信 ZigBee協(xié)議具有低功耗、 時延短、 網(wǎng)絡(luò)容量大、工作頻段均為免執(zhí)照頻段、可靠、安全等 很多 特點。通信協(xié)議和堆棧開發(fā)難度 很 高，開發(fā)復(fù)雜。 最初 ,藍(lán)牙技術(shù)遭遇 到 很多障礙 ,突出問題是價格 非常 昂貴。 射頻技術(shù) 射頻 Radio Frequency技術(shù)，簡稱 RF技術(shù)是一種新型無線通信技術(shù)，應(yīng)用范圍很 廣泛 , RF技術(shù) 是 利用電磁波為載波來傳輸數(shù)據(jù)。 RF技術(shù)在 一般 建筑物中，無線信號 只能 穿透一至三堵隔墻 ,所以它更多用于室外開放環(huán)境 ,少量用于封閉的室內(nèi)辦公環(huán)境。 加上信號衰減 及其干擾 的影響，藍(lán)牙的 通訊 距離會小于 100米，而 IrDA通訊 距離更 小 ， 藍(lán)牙 和 IrDA通訊技術(shù)的傳輸距離較短，都無法滿足 鉆井液攪拌器 測試系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸距離的要求。鉆井液攪拌器工況參數(shù)檢測方法研究 18 第 三 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的 快 速發(fā)展， 現(xiàn)代測試器件的小型化、 低功耗 、 集成化、和匹配性都有 較 大的提高，融合通信技術(shù)的發(fā)展，改變了傳統(tǒng)測試方法的理念，加快了測試 技術(shù)的發(fā)展，本文的設(shè)計在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)， 將整個系統(tǒng)硬件設(shè)計部分主要分為三個主要部分和一個輔助部分，其中有測試傳感器、信號變送電路、無線收發(fā)電路和電源 ,具體的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖見圖 31。所謂電阻應(yīng)變效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體 如 電阻絲的電阻值隨變形（伸長或縮短）而發(fā)生 變化 的一種物理現(xiàn)象。由上式（ 31）全微分得 2LLdR d dL dAA A A???? ? ? （ 32） dR dL d dSR L S??? ? ? （ 33） 對 該 材料進(jìn)行受力分析，桿件在軸向受拉時，其縱向應(yīng)變與橫向應(yīng)變的關(guān)系為 dLL ?? （ 34） drr ???? （ 35） 金屬絲電阻率的相對變化與其軸向所受 的 應(yīng)力 ? 有關(guān)，即 d E? ?? ? ?? ?? （ 36） 式 中 ? —— 金屬絲材料的應(yīng)變； E —— 金屬絲材料的彈性模量； ? —— 壓阻系數(shù)，與材料有關(guān)； d? /? —— 金屬絲電阻率的相對變化量。 也就是單位應(yīng)變的電阻變化率?；鬃饔?是 保證將構(gòu)件上的應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞到敏感刪上， 所以 它必須很薄，一般為 ~。通常這種電阻的 變化 很小 ，將應(yīng)變片的電阻變化的應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換成易于放大的電信號，必須采用特定的測量電路，將多片應(yīng)變片接成應(yīng)變量測線路。交流電橋相對直流電橋而言需要交流電源，抗干擾性不強(qiáng)，而直流電橋具有的特點是：直流信號不受導(dǎo)線間分布電容、各組件以及電感的影響，提高了抗干擾能力；同時便于現(xiàn)場測試，電源簡單，不需用市電。 下面進(jìn)行測量原理的分析，首先計算流經(jīng) R1的電流 I1 ， 1 12ACUI RR? ? （ 39） 則 AB間的電壓， 11112AB ACRU I R URR?? ? （ 310） 同理， AD間的電壓， 334AD ACRUURR? ? （ 311） 現(xiàn)在可以計算出電橋輸出電壓為 3 1 4 2 3101 2 3 4 1 2 3 4() ( ) ( )A B A D A C A CR R R R RRU U U U UR R R R R R R R?? ? ? ? ?? ? ? ? （ 312） 如果假設(shè)測試時電橋 4個電阻橋臂的增量依次為△ R△ R△ R△ R4,將增量帶 入式（ 312）則電橋的輸出電壓為 ACURRRRRRRR RRRRRRRRU