【正文】 ............................................................................................................ 60 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 60 附錄 .............................................................................................................................. 63 附錄 1 超聲波測(cè)距模塊串口電路原理圖 ........................................................... 63 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及科研成果 .............................................................. 64 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 1 第一章 緒論 在石油工程鉆井中，鉆井液攪拌器在鉆井固控過程中發(fā)揮了 極其 重要的作用?；谀K化設(shè)計(jì)，使用高性能單片機(jī)設(shè)計(jì)了攪拌器無線應(yīng)變傳感器的信號(hào)調(diào)理單元 、微處理單元、無線收發(fā)單元并進(jìn)行標(biāo)定和調(diào)試。 本論文在廣泛調(diào)研 和分析 國(guó)內(nèi)外攪拌器檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，融合現(xiàn)代傳感器 和 無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)，提出了一種基于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)?鉆井液 攪拌器 工況參數(shù) 檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)并完成了用于鉆井液攪論 文 題 目 鉆 井 液 攪 拌 器 工 況 參 數(shù) 檢測(cè) 方 法 研 究 拌器檢測(cè)的無線應(yīng)變傳感器，組建了攪拌器無線 扭矩 測(cè)試系統(tǒng) 、超聲 波測(cè)距系統(tǒng) ，可實(shí)現(xiàn)鉆井 施工 與 檢測(cè)參數(shù) 同步進(jìn)行。torque。為了達(dá)到這一要求必須對(duì)攪拌器所能承受的載荷有比較詳細(xì)的了解。尤其是隨著石油勘探開發(fā)工作的發(fā)展，勘探領(lǐng)域越來越廣，鉆井深度不斷增加，鉆遇的地層日益復(fù)雜，鉆井液作業(yè)越來越得到普遍的重視， 并提出了更嚴(yán)格的要求，鉆井必須使用優(yōu)質(zhì)鉆井液。而密度過低則容易發(fā)生井噴、井塌（尤其負(fù)壓鉆井）及攜屑能力下降等。所以，科學(xué)的分析各種固控設(shè)備分離固相的能力，對(duì)確定鉆井固控工藝流程，選擇和制定固控設(shè)備配套方案有十分重要的意義。 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 3 近年來，隨 著 國(guó)內(nèi)外 數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用，攪拌槳以及攪拌軸的流體動(dòng)力性能計(jì)算已經(jīng)有了驚人的進(jìn)步，并已經(jīng)有了專門應(yīng)用于攪拌領(lǐng)域的軟件， 人們提供了各種攪拌器的數(shù)學(xué)模型，及其攪拌介質(zhì)的模擬流場(chǎng)，模擬出流場(chǎng)對(duì)攪拌器的影響。再研究 攪拌設(shè)備的真實(shí)輸出功率的 測(cè)量方法，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可靠的基礎(chǔ)上再提出 攪拌器 的檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 。 攪拌和混合設(shè)備 的制造和使用歷史 已很長(zhǎng) ， 攪拌器在各個(gè)行 業(yè)都得到了 不斷的在改進(jìn)、應(yīng)用、改進(jìn)的過程中完善其功能和適用性。 攪拌器性能指標(biāo) 如圖 21所示為鉆井液攪拌器的實(shí)物圖 。當(dāng)攪拌器轉(zhuǎn)速、鉆井液高度一定時(shí)，攪拌器的受力因素是鉆井液密度的大小，通過檢測(cè)攪拌軸扭矩大小的變化，可以檢測(cè)鉆井液密度的變化。 攪拌器檢測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 在廣泛獲取 攪拌器 資料調(diào)研后，根據(jù) 攪拌器 的機(jī)械特點(diǎn)，初步確定了整體的測(cè)量方案， 根據(jù) 研究 目的和要求，將 設(shè)計(jì)一個(gè) 對(duì)攪拌器實(shí)時(shí)檢測(cè) 測(cè)試系統(tǒng) ,對(duì) 攪拌器的性能進(jìn)行檢測(cè)，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)將分為 三個(gè)部分，分別為 攪拌軸扭矩 檢 測(cè)、鉆井液攪拌器工況參數(shù)檢測(cè)方法研究 8 電機(jī)功率 檢 測(cè)、 鉆井液 高度 檢 測(cè) ，來完成對(duì)攪拌器的實(shí)時(shí)工況檢測(cè)。然而，盡管存在這些很特殊的情況，但在對(duì)鉆井液攪拌器的檢測(cè)中只考慮影響因素最大的那些因素。假設(shè)流體以相對(duì)速度流經(jīng)過某一平板，所以作用在平板上的力 Fw為： 2 2wACFww ???? ? （ 2— 1） 式中： w— 流體相對(duì)速度； A— 平板在在垂直平面上的投影面積； Cw— 阻力系數(shù)。靜態(tài)扭矩是扭矩值不隨時(shí)間變化，或隨時(shí)間變化量很小。 磁彈性效應(yīng)測(cè)扭矩 磁彈型扭矩傳感器是利用了鐵磁材料和其他一些合金逆向磁致伸縮效應(yīng)。磁彈性扭矩傳感器屬于非接觸式傳感器，而且安裝及其使用很方便，還不占用較大空間。 例如清華大學(xué)于 1999 年研制成德無線無源 表面波扭（ SAW）矩傳感器，這種扭矩傳感器把雷達(dá)技術(shù)與 SAW 傳感器綜合在一起，同電阻應(yīng)變式扭矩傳感器一樣，都是都過測(cè)量與軸成 45 度角方向上的應(yīng)變來對(duì)彈性軸上的扭矩進(jìn)行測(cè)量。如圖 22 所示，在扭矩 M 作用下，在旋轉(zhuǎn)軸表面貼應(yīng)變片，使其與軸線成 45 度和 135 度角，將他們連成 橋式電路 ，扭矩使應(yīng)變片的電阻率發(fā)生了變化，電阻變化通過電橋輸出的電壓與外加扭矩成正關(guān)系 [14]。在電子類液位傳感器中最常見的是電容式液位傳感器、電 阻式液位傳感器等，此類傳感器要求液體具有穩(wěn)定、相同的介電常數(shù)。 （ 5） 超聲波液位傳感器 超聲波液位傳感器的發(fā)展和應(yīng)用也很廣泛， 該方式屬于非接觸式測(cè)量。 在考慮 攪拌器工況檢測(cè)情況下 的 數(shù)據(jù)傳輸 的 問題上，無線 信號(hào)傳輸 技術(shù)可以更好的 彌補(bǔ)有線傳感技術(shù)的不足 ,明顯具有以下優(yōu)勢(shì)： 隨著 電子 技術(shù)的 不斷 發(fā)展 ，現(xiàn)在的傳感器的體積可以做得很小、而且功耗可以更低；將無線收發(fā)與傳感器連接在一起，可以利用單片機(jī)對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，將處理后提取出來的特征數(shù)據(jù)發(fā)給主機(jī)，這樣可以減少測(cè)試中處理數(shù)據(jù)的壓力；本文設(shè)計(jì) 的 傳感器可以將體積做小，這樣可以很方便地安放在 攪拌器 被 測(cè)結(jié)構(gòu)上；而且通過無線收發(fā) 裝置 依據(jù)設(shè)定的通信協(xié)議，更可以組建一個(gè)高效率的無線測(cè)試系統(tǒng) 。目前它的技術(shù) 很 成熟，它的小型化和低成本很快 就 應(yīng)用在數(shù)字照相機(jī)、 電子商務(wù)、 PDA、手機(jī)等便攜式移動(dòng)設(shè)備 之 中。 雖然 WiFi是以太網(wǎng)的某種無線擴(kuò)展 的 形式，理論上分析，只要用戶位于一個(gè)接入點(diǎn)周圍的一定區(qū)域內(nèi)，最高可以以 11Mb/s的速度 連 接入網(wǎng)絡(luò)。傳輸速度更快的 。同時(shí)，這些數(shù)據(jù)可以進(jìn)入計(jì)算機(jī)采集分析 ,也可以被另外一種無線技術(shù)（如 WiMax）收集。在 1998年 5月，由芬蘭諾基亞、 日本東芝、 瑞典愛立信、英特爾公司和美國(guó) IBM五家著名廠商在開展短 距離 無線通信技術(shù)的討論標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)時(shí) 一致聯(lián)合 提出的。這就使得藍(lán)牙設(shè)備 的 普及 性 不強(qiáng) ,許多用戶 都 不愿意購(gòu)買這種無線設(shè)備。 本文綜合上述通信技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn) ， 考慮 鉆井液攪拌器 實(shí)際作業(yè)區(qū)域，為使系統(tǒng)開發(fā)簡(jiǎn)單 ， 來 實(shí)現(xiàn)低功耗和數(shù)據(jù)傳輸方便的問題，本測(cè)試系統(tǒng)采用了無線短距離（微功耗）通訊方式。 本論文采用 體積小、方便粘貼的電阻應(yīng)變片來測(cè)量試件的 形變量。 根據(jù)式（ 37）可知 其 電阻相對(duì)變化量是由 (1 2 )?? 和 E? 兩方面的因素決定的：其中 (1 2 )?? 的變化是由金屬絲幾何尺寸 所 引起的； E? 的變化是由材料受力導(dǎo)致電阻率 ?的變化引起的?；撞牧嫌屑垺⒛z膜、玻璃纖維布等 [17]。 圖 34 直流電橋測(cè)量線路 2 1 4 3 1引線 2蓋片 3基底 4敏感刪 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 21 電橋的橋臂電阻依次為 R R R R4，電橋輸入端 AC，接直流電源， 輸出端 DB，輸出電壓 為 U0。可由式 (317)得到測(cè)試輸出電壓增量 △ U01是： ?4 10 KUU AC?? （ 318） 圖 35（ b）為半橋接法，由圖所示 , R1和 R2是工作應(yīng)變片，兩者組成差動(dòng)電橋。 45176。 應(yīng)變電橋的輸出應(yīng)變 ? 為： KUURRRRRRRR 04 43 32 21 14321 4????????????? ????? （ 322）
。 方向才可組成扭矩傳感器。 圖 35 常用三種測(cè)量電橋的接法 圖 35（ a）為單臂測(cè)量接法，工作應(yīng)變片為 R1，溫度補(bǔ)償應(yīng)變片為 R2，其中 R R2和 R3， R4阻值相等，但是 R3， R4是固定電阻。交流電橋相對(duì)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(diǎn)是：直流信號(hào)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(shí)便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，電源簡(jiǎn)單，不需用市電。基底作用 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 ~。由上式（ 31）全微分得 2LLdR d dL dAA A A???? ? ? （ 32） dR dL d dSR L S??? ? ? （ 33） 對(duì) 該 材料進(jìn)行受力分析，桿件在軸向受拉時(shí)，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(duì)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(duì)變化量。鉆井液攪拌器工況參數(shù)檢測(cè)方法研究 18 第 三 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的 快 速發(fā)展， 現(xiàn)代測(cè)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(cè)試方法的理念，加快了測(cè)試 技術(shù)的發(fā)展，本文的設(shè)計(jì)在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)， 將整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分主要分為三個(gè)主要部分和一個(gè)輔助部分，其中有測(cè)試傳感器、信號(hào)變送電路、無線收發(fā)電路和電源 ,具體的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖見圖 31。 RF技術(shù)在 一般 建筑物中，無線信號(hào) 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。 最初 ,藍(lán)牙技術(shù)遭遇 到 很多障礙 ,突出問題是價(jià)格 非常 昂貴。 目前 ,ZigBee技術(shù)發(fā)展速度快，市場(chǎng)前景廣 ,無線通信 ZigBee協(xié)議具有低功耗、 時(shí)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(diǎn)。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(gè)微小的傳感器網(wǎng)絡(luò) 來 實(shí)現(xiàn)通信。 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。 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。 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(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，它是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)個(gè)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(tái)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高速數(shù)據(jù)的連接。 數(shù)據(jù) 信號(hào) 傳輸方案的設(shè)計(jì) 在鉆井液攪拌器動(dòng)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(cè)到的應(yīng) 變信號(hào)的輸出如何可靠及時(shí)地在旋轉(zhuǎn)軸部分與靜止部分之間傳遞 。 [20] （ 4） 熱學(xué)式液位計(jì) 熱 學(xué) 式液位計(jì)是由熱敏電阻構(gòu)成的，它對(duì)熱敏電阻發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行判斷，看是否 有 液體浸入。此類液位計(jì)可以長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，但浮子液位計(jì)的缺點(diǎn)是沉積在傳動(dòng)機(jī)械裝置上的污物會(huì)影響浮子的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生故障，不適合在泥污角度的環(huán)境下應(yīng)用。但這些轉(zhuǎn)角型扭矩傳感器在使用過程中對(duì)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。 根據(jù)相位差測(cè)量原理做成的扭矩傳感器在國(guó)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(duì)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(cè)量和鉆井作業(yè)扭矩測(cè)量）其可靠性大大的降低，因?yàn)槠渥陨碣|(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(dòng)態(tài)測(cè)量準(zhǔn)確度也很低。但是由于轉(zhuǎn)動(dòng)軸常用的鐵磁性材料的磁致伸縮逆效應(yīng)較弱，通常會(huì)影響扭矩測(cè)量靈敏度和精度，而且對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸材料的均勻性和旋轉(zhuǎn)精度的要求較嚴(yán)格 [4]~[7]。這一種扭矩的測(cè)量方案簡(jiǎn)單易行，采集、傳輸數(shù)據(jù)很方便。所以，我們習(xí)慣上又把轉(zhuǎn)動(dòng)力矩叫扭矩力矩，簡(jiǎn)稱扭矩 。后者是從測(cè)量電動(dòng)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(shí)際輸出功率。 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(cè)點(diǎn) 功率測(cè)點(diǎn) 測(cè)量轉(zhuǎn)速 工況