钻井起钻时的自动连续灌浆装置.doc

东北石油大学高等教育自学考试毕业设计（论文）摘 要该装置以基于SPCE061A单片机为核心，不仅可以实现自动连续灌浆，而且还可以实时监测井涌井漏现象并及时报警。整个装置主要由灌浆液罐、单片机、光电式转速传感器、液位传感器、按键、显示器、报警装置组合而成，灌浆液罐置于地平面上，通过灌浆管线连接灌浆液罐和井筒，灌浆液管线倾斜安装，利用连通器原理实现自动连续灌浆，在游车轴端安装光电式转速传感器，在灌浆液罐内安装液位传感器，通过按键设置参数，通过单片机计算、显示和报警，可以实现自动连续灌浆功能，显示累计灌浆量、起钻立柱数，并且实时监测井涌、井漏现象并报警。为避免井涌、井漏事故的扩大赢得处理时间，为安全生产提供了可靠的保障。随着社会的发展本设计的应用前景是广阔的。关键词：SPCE061A单片机；自动连续灌浆；液位检测；井涌；井漏；I目 录摘 要I第1章绪 论.1第2章 钻井起钻时的自动连续灌浆装置简介.22.1 装置的组成.22.2 装置的工作原理.3第3章 逻辑控制系统的硬件设计.53.1 需要解决的关键问题. 53.1.1 控制器选择.53.1.2 液位传感器的选择及其与单片机的接口.53.1.3 游车高度传感器的设计及其与单片机的接口.63.2 系统模块组成.83.2.1 LED显示模块.83.2.2 声光报警装置.93.2.3 电源模块.11第4章 程序设计.124.1 程序流程图.124.2 程序清单.13参考文献. .15致 谢. .16III东北石油大学高等教育自学考试毕业设计（论文）第1章 绪 论伴随着世界经济的发展，能源危机越来越严重，加之石油是一种重要的战略物资，关乎国计民生，而我国人口众多，石油人均占有量很少。随着我国重工业化发展的加快，必须扩大我国石油储备。我国石油资源从总体上看储量丰富，但是大部分分布在地质条件较差的地区，石油的开采难度也相应增加，尽量减少油田钻井的事故发生率也成为石油开采的工作重点。在油田钻井中，井喷是灾难性的事故，而井喷的主要原因就是井筒内的液柱压力不能平衡底层压力导致地层流体进入井内，轻则溢流重则井喷1。起钻时由于上提钻具，井筒内液面下降，并且上行的钻头在井底形成一定的抽吸压力，造成井底压力下降，为了保持压力平衡，必需及时向井筒内灌浆，否则很容易发生井涌井漏事故。针对钻井作业过程中的井涌和井漏, 以及目前使用装置的弊病，许多研究所和相关单位协作，联合开发了一些研制了钻井液液面监测与自动灌浆装置2。这些装置通过超声波液面监测器监测钻井液罐液面的变化, 判断钻井过程中是否发生井涌和井漏。通过自动数钻杆机构, 结合溢流检测器、计量罐液面监测器和灌注砂泵, 实现在起下钻过程中自动灌注或停注钻井液。但是也存在很多问题：钻井液液面的测量所用的传感器精度不高, 受钻井液性能的影响大;该装置采用搅拌机和钻井直接相连，搅拌器、液面泡沫等很容易对信号产生干扰; 钻井泵启动或停止瞬间产生大的液面波动经常造成误报警的现象; 使得钻井的安全性不稳定。 为了克服现有灌浆技术中不能实现自动连续灌浆和实时监测井涌井漏的问题，该装置提供了一种自动灌浆装置，该装置不仅可以实现自动连续灌浆，而且还可以实时监测井涌井漏现象并及时报警。由此可见研究油田钻井起钻时的自动连续灌浆装置有着深远的意义，而且其中的光电转速计、液位传感器、单片机、键盘面板、报警器、LED显示器等的电路均为已有技术。本技术领域的普通技术人员可根据需要进行选择、组合，不必付出创造性的劳动。因此，降低了该装置的设计难度，拓宽了装置的适用范围。安全方便且结构简单，易于安装、保养、维护。所以该装置的机械结构和控制器的研究是重中之重，核心内容。随着社会的发展本装置的应用前景是广阔的。第2章 钻井起钻时的自动连续灌浆装置简介2.1 装置的组成钻井起钻时的自动连续灌浆装置总体装配图如图2.1所示。整个装置由灌浆液罐、单片机、光电式转速传感器、液位传感器、按键、显示器、报警装置组合而成，灌浆液罐置于地平面上，通过灌浆管线连接灌浆液罐和井筒，灌浆液管线倾斜安装，利用连通器原理实现自动连续灌浆，在游车轴端安装光电式转速传感器，在灌浆液罐内安装液位传感器，通过按键设置参数，通过单片机计算、显示和报警，可以实现自动连续灌浆功能，显示累计灌浆量、起钻立柱数，并且实时监测井涌、井漏现象并报警。图2.1 总体装配图 1.地平面，2.井筒，3.钻杆，4.钢丝绳，5.光电转速计，6.光源，7.光电开关，8.绞车转筒，9.传动装置，10.电机，11.游车高度信号，12.液位信号，13. 液位传感器，14. 灌浆液，15.灌浆液罐，16.灌浆管线。2.2 装置的工作原理下面结合装置的总体装备图对整个装置工作流程进一步说明4：在图2.1中，灌浆液罐15放置在地平面1上一定高度上，内装灌浆液14，井筒2与灌浆液罐15之间以灌浆管线16相连，在最佳实施方式中，灌浆液罐15与灌浆管线16的连接口高于灌浆管线16与井筒2的接口，根据连通器原理，当电机10转动，带动传动装置9和钢丝绳4动作，钻杆3被提出，导致井筒内液面下降时，灌浆液将从灌浆液罐15连续流向井筒2内，直到二者液面相平为止。游车高度传感器的光电式转速计5、6、7安装在绞车滚筒8上，它测出转轴转动的角度，变换为电信号液位信号12输出，经过信号调理放大，输送给单片机，液位传感器安装在灌浆液罐15内，它将灌浆液位信号转换成电信号游车高度信号11输出，信号经处理后输送给单片机。单片机根据接收到的信号，经数据处理，得到起钻立柱数、累计灌浆量和灌浆量差值等参数，并显示；当出现井涌、井漏事故时即报警。在灌浆液罐15和井筒2之间连有灌浆管线16，三者组成连通器，这样当井筒内的钻杆被起出造成井筒内液位下降时，灌浆液会自动连续的从灌浆液罐流入井筒内，使井筒内的液面始终保持与灌浆罐的液面相同，而灌浆液罐安装在地平面上一定高度处，所以可以始终保证井筒内液位高于井口高度；游车高度传感器可以为光电式转速计，光电转速计5和绞车滚筒一起转动，当转至圆孔处，光源6发出的光可被光电开关7接收到，光电开关7则可输出信号，该信号被放大调理后被输送给单片机，单片机根据信号的频率可得到滚筒的角位移，用该角位移乘以滚筒和钢丝绳的直径和既可得到钻杆被提升的高度，用此高度乘以钻杆的横截面积即得到钻具的排代量，即应该灌入的灌浆液量，同时用钻杆被提升的高度除以每根钻杆的长度即可得到已起出的立柱数；液位传感器安装在灌浆液罐15内，它可以检测到灌浆罐内的液位，输出电信号给单片机，单片机根据灌浆液罐的横截面积，计算出灌入井筒的灌浆液量；用排代量减去已灌入量得出灌浆差值，单片机显示累计灌浆量、起钻立柱数、灌浆量差值，如果灌浆量差值小于规定范围说明有井漏现象，则进行井漏报警，如果灌浆差值大于规定范围则说明有井涌或拔活塞现象，则进行井涌或拔活塞报警；可以通过按键进行累计灌浆量、起钻立柱数的复位，也可以通过键盘面板设定如下参数：灌浆液罐横截面积、传动装置的传动比、滚筒和钢丝绳的直径、单根钻杆的长度。图2.2 电路总体框图整个装置主要分为五个部分：（1）信息采集模块：主要包括安装在绞车轴端的游车高度传感器来检测被起出的钻杆的高度信号；在泥浆罐内安装液位传感器，它将检测出的灌浆罐内的液位信号。（2）键盘面板：装置设计了按键，可以通过按键进行累计灌浆量、起钻立柱数的复位，也可以通过键盘面板设定如下参数：灌浆液罐横截面积、传动装置的传动比、滚筒和钢丝绳的直径、单根钻杆的长度。（3）实时报警器：语音提示，声光报警功能，充分利用了SPCE061A单片机强大的语音功能。如果灌浆量差值不在规定范围内，则进行井漏、井涌或拔活塞报警；会发出声光报警语音提示，及时向用户发布信息，及时维护。（4）LED显示：单片机将采集的信息处理之后，通过LED显示累计灌浆量、起钻立柱数、灌浆量差值，为现场技术人员提供实时数据。（5）控制系统：用SPCE061A单片机作为该系统的核心，电量的充足是该系统正常工作的前提，为此该系统加入了低电压检测装置，确保单片机的电压保持正常。第3章 逻辑控制系统的硬件设计3.1 需要解决的关键问题3.1.1 控制器选择在给逻辑控制系统选用控制CPU时，采用单片机作为控制器。我们选择了凌阳公司的SPCE061A5，它是16位微处理器，具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强，指令周期短、运算速度快、低电压、可编程音频处理，易于编写和调试等优点等特点，内嵌32k字闪存FLASH，处理速度高，尤其适用于数字语音播报和识别等应用领域。经过比较，本科题决定选择它。3.1.2 液位传感器的选择及其与单片机的接口（1）浮球式传感器：与浮球阀有一样的结构，他前面有一个杠杆，有一个浮球，然后有一个固定机构固定着，他杠杆的另一端是一个弹簧，上边通常有1个磁铁，这样在密闭的一个感应器里有一个霍尔位置传感器，磁铁的上下运动，传感器感应到的强度不同，自然就会发生变化。这样就感应到液位高度了。（2）光纤液位传感器：发光器件射出来的光通过传输光纤送到敏感元件，在敏感元件的球面上，有一部分透过，而其余的光被反射回来。当敏感元件与液体相接触时，与空气接触相比，球面部的光透射量增大，而反射量减少。因此，由反射光量即可知道敏感元件是否接触液体。反射光量决定于敏感元件玻璃的折射率和被测定物质的折射率。被测物质的折射率越大，反射光量越小。来自敏感元件的反射光，通过传输光纤由受光器件的光电晶体管进行光电转换后输出。（3）超声波传感器：超声波传感器喷3采用非接触探测，辨别精度达几毫米级。它的原理是：超声波接近开关发出超声波脉冲，通过接收反射波计算出距离并转换输出信号，并只需很少的维护。对于恶劣的工业环境中常见的灰尘和污物，其性能不受影响。对于液体的探测精度与固体颗粒或粉末相同，因此超声波传感器适用范围很广，可用于液面、定位、限位或堆垛探测控制。（4）液位开关：基本上都是干簧管结构，在外面有一个可以活动的浮球，球内有磁铁。当磁铁受浮力靠近干簧管的时候，干簧管内的触头就接通或者断开。干簧管的原理是同磁极相排斥，异磁极相吸。液位开关内干簧管的开关控制相应的操作机构，就构成了完整的一套电路。由于本系统对灌浆液位测量精度要求较高，需要准确测出灌浆液的高度或高度的变化量，信号处理后输送给单片机，单片机根据接收到的信号，经数据处理，转化为体积或体积的变化量。同时，超声波传感器为非接触式，精度高，受钻井液性能的影响小，因此该装置选择超声波传感器。本系统需要该种传感器一个，需+5V电源。信号端与IOA00相连。3.1.3 游车高度传感器的设计及其与单片机的接口如图4所示6，红外光电开关由发端的调制脉冲产生器和驱动红外线发送器及收端的红外接收、整形放大和解调器组成。双时基电路556的一半接成无稳态多谐振荡器，它输出周期脉冲触发接成单稳模式的另一半556，产生的调制脉冲经VT1、VT2放大，驱动发光二极管GL-5发出红外线脉冲光波。收端采用红外线接收三极管3DU型。收到红外光脉冲后，其集电极与发射极间阻抗产生与发射的红外频率相对应的变化，完成光电变换，出发施密特触发器IC2（CD4106）。光敏管3DU5的光电流输出不小于2mA，足以驱动CMOS型CD40106,故进行直接耦合。解调电路采用双D触发器。利用发端OUT1同步信号作为时钟CP1脉冲的上升沿，输出Q1端总呈低电平；一旦光被遮住，则对应CP1上升沿的Q1端输出变为高电平。只要Q1动作一次，则表示有遮光发生。双D触发器的另一个当作有记忆功能的开关使用，只要Q1有正脉冲出现（或动作一次），Q2便被触发，产生高电平输出，作为报警信号，直到按压清除开关K3才解除。图3.1 红外发射电路 一（a） 组成框图同步信号调制脉冲发生器功率驱动滤波解调整形放大输出图3.2 红外光电开关电路 （b） 电路图该光电开关采用红外脉冲，抗干扰性好，有CMOS数字电路替代模拟放大电路，使用D触发器完成解调，简单、可靠。本系统需要该种传感器一个，需+5V电源。信号端与IOA01相连。3.2 系统模块组成3.2.1 LED显示模块单片机接收和处理传感器的信号，并通过多媒体卡将信号转换为LED屏体适用的数字信号； 数据处理部分是将多媒体卡生成的数字信号通过差分及复合后送到LED屏体； 显示屏体将数字信号以图形图像的方式表达出来。显示屏体主要由显示模组、显示驱动电路板、电源几部分组成。（1）显示模组是由像束管组成的显示单元。像素管内植有发光二极管（英文缩写“LED”）。（2）显示驱动电路板由集成电路和线路板构成。以插接方式与显示模组连接，作为显示模组的载体，同时担负了对显示数据的传输和驱动。驱动IC艾斯威光电公司采用台湾聚积公司最新开发的、专用于LED显示屏的驱动芯片MBI5026CF，它具有恒流、误差小等先进的功能。（3）显示屏专用直流开关电源为显示模组提供了恒定、精确的工作电压。此种开关电源具有恒压特性，输出电压不随负载的变化而变化，并具有过压、过流、过热等保护功能，是显示系统正常、稳定工作的基本保证。3.2.2 声光报警装置图3.3 声光报警电路NE555为8脚时基集成电路， 各脚主要功能（集成块图在下面） 1地 GND ，2触发 ，3输出， 4复位 ，5控制电压， 6门限(阈值）， 8电源电压Vcc 。应用十分广泛，可装如下几种电路： (1)单稳类电路 作用：定延时，消抖动，分（倍）频，脉冲输出，速率检测等。 (2)双稳类电路 作用：比较器，锁存器，反相器，方波输出及整形等。 (3)无稳类电路 作用：方波输出 ，电源变换，音响报警，玩具，电控测量，定时等。为实现实时监测井涌、井漏现象并报警，该系统还增添了声光报警装置，实现实时监测井涌、井漏现象并向钻井人员发出声光报警提示，钻井人员根据LED显示信息检查装置出现的故障以便于及时修理，保证安全钻井。图4所示电路以NE555为核心芯片。声光报警由蜂鸣器和发光二极管实现。给脉冲电路不同频率的控制信号，电路就能输出不同频率的脉冲信号，从而地得到不同的声调的声光报警的效果。如图4所示该报警系统与61单片机IOB03相连。图3.4 低电压检测电路为保证系统的正常工作，又为避免用户更换电池麻烦，特利用5V锂电池作为单片机电源，为避免低电压造成锂电池毁坏，设计低电压监测电路如图5所示。稳压管提供一个稳定电压做基准电压，滑动变阻器分压监测电源电压VCC。当VCC低于额定值时，比较器输出高电平信号。单片机检测到该信号后，到达指定位置，自动充电。本系统只要能够监测电路，实现低电压复位保护电路即可，不需要太复杂的逻辑功能。该电路简单，容易实现，只占一个端口。3.2.3 电源模块 图3.5 电源模块本系统包括信息检测、报警、显示、执行等模块7。所需电压，功率都有很大差异，传感器模块需要+5V、+12V电源各一个，声光报警模块需两个+5V电源，要求电源满足系统功率，又考虑成本，故自行设计了适合本系统的电源模块。SPEC061A单片机需要在+5V的电压下工作，我们采用目前比较流行的稳压管技术，利用7805，7812等稳压管获得+5V，12V的电压，从而满足单片机以及其他电路的供电要求。另外，采用了电流放大电路，利用TIP32C芯片,稳定的电路很好的解决了供应足够电流以达到相应功率的要求。第4章 程序设计4.1 程序流程图开始系统初始化参数设定单片机处理液位信号、游车高度信号LED显示起钻立柱数灌浆量误差累计灌浆量判断灌浆量误差是否在规定范围内是小于规定范围大于规定范围井涌报警井漏报警否图4.1 程序流程图4.2 程序清单#includeSPCE061A.h /包含头文件。/语法格式：void Init_System()/实现功能：灌浆系统初始化/参数：无/返回值：无/=void Init_System()*P_IOB_Dir = 0x00ff;*P_IOB_Attrib = 0x00ff;*P_IOB_Data = 0x0000;*P_IOA_Dir=0xffff;*P_IOA_Attrib=0xffff;*P_IOA_Data=0x0000;/语法格式：void Delay(void)/实现功能：延时/参数：无/返回值：无/=void Delay(unsigned int k)unsigned int uiCount;for(uiCount = 0;uiCount 100）i=1;if（temp_j100）j=1;if(i=1)*P_IOA_Data=0x0001;/报警Delay(0xefff);if(j=1)*P_IOA_Data=0x0001;/报警Delay