DSP芯片在超声波钻井液测漏仪中的应用

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。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，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。
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。
2 DSP的应用

2.1 测漏仪电路结构

测漏仪电路结构如所示。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，其指令周期为17ns，字长为32位，扩展为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

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。

将用户程序加载到DSP的片内高速RAM是由DSP的片内ROM的驻机程序（出厂时已设置）完成的。上电后，DSP的复位引脚由“0”变为“1”，同时在电路连接上保证引脚MCBL/MP="1"，固化在片内的引导程序查询INT0～INT3中的哪一个为低，并按表1所示的中断脚与地址的对应关系进行引导。
表1 引导方式

被引导的用户程序必须事先经过汇编、连接，以生成DSP能够认识的机器代码。在生成的程序代码前还必须加入一个引导头。引导头的具体结构见参考文件，其作用是：

（1）实现字长为32位的DSP与8位、16位或32位外部程序存储器的接口。

（2）实现高速DSP与低速ROM的接口。

（3）实现用户程序与DSP与内存储空间的匹配。

2．4 数据处理

采用TMS320VC33的定时器1每隔100ms发送一串数目固定的脉冲型激励信号，该激励信号经放大和驱动后再经DSP控制交替地施加到两只超声波传感器上。当一只传感器处于发送状态时，另一只就处于接收状态，即每只传感器每隔200ms完成收和发。接收到的超声波信号又经过放大和整形后送入DSP的INT0引脚，同时利用TMS320VC33的定时器2检测从发送到接收所用的时间，进而根据（3）式计算出发和对收的时间差，再由（4）式通过浮点运算计算出泥浆流速，并将结果存储在DS1251中。在存储数据的同时，利用DS1251片内的时钟，将该数据所对应的时间也一并存储在数据区内。这就为地面将流速与深度对应起来提供了基础，因为在井下通过DS1251计时的同时，地面也有一套与之同步的计时器对时间与深度进行了相应的记录。
DSP的定时间隔设置为两倍的指令周期，即：

T=2×Tp=34ns (5)

对tAB和tBA计时的误差为：

ΔT=±Tp/2=±17ns (6)

由此引起的泥浆流速误差为：

ΔV=ΔTC2/L （7）

取C=1560m/s、L=10m，则ΔV=4.14mm/s，由此可见其测量误差比现有的测量方法降低了几十倍。

3 数据回放与试验

采用DSP的通用I/O接口编制RS232通信程序，测试完成后，与地面上将测量数据回放到计算机。TMS320VC33与计算机RS232口的接口电路如所示。其中IC7采用74LS06，将TMS320VC33输出的3.3V电平转换为5V电平，这是因为二者的输入高电平相等，都是2.4V；IC13采用MAX2202，用于将TTL电平转换为RS232电平。

研制的超声波钻井液测漏仪经过实验室的多次试验和现场的应用，测出的漏层位置的误差不大于10m，不仅为钻井作业过程中的堵漏提供了有力的技术支持，而且节约了钻井成本，缩短了有漏失情况下的测漏周期，防止了漏失对地下资源的污染。