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DSP芯片在超聲波鉆井液測漏儀中的應用
摘要：介紹了超聲波鉆井液測漏儀的結構、安裝方式和測量原理。為了提高其測量的可靠性和準確性，研制了專用的超聲波傳感器；并通過高速高性能數字信號處理器的應用，提高了測量精度。對TMS320VC33這一新型數字信號處理器的應用作了大量的介紹，并在接口設計、引導、數據傳輸等方面提供了一些有價值的經驗和方法。關鍵詞：流速測量超聲波傳感器數字信號處理器鉆井液
鉆井是石油及天然氣開采的重要環節，為了保證高效、安全地鉆井，防止井漏和井噴，需要在鉆井過程中采用具有一定粘結性能的泥漿作為鉆井液。它是由多種原料根據井下的地質情況按適當的比例配制制成的，其費用約占整個鉆井成本的三分之一。由于井下地層結構的復雜性，常常遇到裂縫和有孔隙的地層，造成泥漿漏失，這不僅嚴重影響鉆井作業的進行，千萬經濟上不必要的損失，而且泥漿是一種有害物質，漏失后會對地下水資源和地層造成污染，危及子孫后代的生存環境。
發生泥漿漏失現象后，最為重要的是盡可能準確地找出漏失位置，以便調整漏漿成份和顆粒度，堵塞地層裂縫和其它漏源。歷史上采用過的方法主要有兩種：一種是用溫度傳感器監測井下不同深度處的溫度變化情況。由于受溫度傳播的不實時性和漏失量較小時溫度變化不明顯等因素的影響，這種方法不能準確地測定泥漿漏失位置。另一種是采用流量計直接測量流速的變化，以此確定泥漿的漏失位置。但由于受測量環境本身的制約，所使用的流量計中含有轉子等可動部件，而可動部件極易受到鉆井中沙粒的影響而造成測量的不可靠或失敗。
本論文所述的超聲波鉆井液測漏儀的主要是：（1）采用了超聲波傳感器，不存在機械可動部件；（2）具有很好的實時性；（3）采用兩只性能相同的超聲波傳感器對發、對收，不象壓力傳感器那樣存在直接測量的敏感面；（4）采用了TMS320VC33浮點數字信號處理器，提高了測量精度。
1測量原理
1.1測漏儀的結構與安裝方式
超聲波鉆井液測漏儀的結構和安裝方式如圖1所示。測量電路安裝在上、下套筒組成的空腔內，兩只超聲波傳感器分別安裝在上、下套筒的端面上，泥漿經鉆桿中心孔進入井下后再經鉆桿外壁與井壁構成的環形空間返回到地面。
1.2超聲波傳感器的研制
由圖1可見，傳感器軸線與鉆桿外壁之間的距離是十分有限的，為了保證超聲波傳感器發出的信號能夠通過泥漿直接進入接收傳感器，需要控制超聲波傳感器的中心角。設兩只傳感器的距離為L，傳感器軸線距井軸的距離為D，鉆桿直徑為d，則應使中心角θ滿足：
θ=tg-1[(2D-d)/2L]
實際結構允許的θ為2.95°，這對一般的超聲波傳感器說是一個比較嚴格的指標，另外，由于井下的溫度可高達150℃，壓力為100Mpa，因此研制了專門的超聲波傳感器，其工作頻率為600kHz。
1.3測量原理
兩只傳感器交替地發送和接收超聲波信號，把靠近地面的一只記作B，靠近井下的一只記作A，則A發送、B接收所用的時間為：
tAB=L/(C+V)(1)
同理，B發送、A接收所用的時間為：
tBA=L/(C-V)(2)
由以上兩式可得：
Δt=tBA-tAB=(2LV)/(C2-V2)(3)
其中，C為超聲波在泥漿中的傳播速度，V為泥漿流速。
由于C>>V，所以C2-V2≈C2，因此有：
V=ΔtC2/2L(4)
可見，只要測出時間差Δt，就可以求出泥漿流速，從而推斷井下漏失情況。漏層位置是通過時間與深度的換算關系確定的，地面計算機與井下測量電路在同一時刻開始計時，由于地面可以方便地掌握儀器的下井深度，而井下儀器又可記錄任意時間點的泥漿流速，當僅器提升到地面后，將記錄的數據回放到計算機，就可知道位置深度處的流速。
圖2
2DSP的應用
2.1測漏儀電路結構
測漏儀電路結構如圖2所示。圖中IC1是DSP芯片，這里采用TI公司的TMS320VC33浮點數字信號處理器，它是整個測量電路的核心，其指令周期為17ns，字長為32位，擴展精度為40位，內部存儲器容量為34K×32bit，可尋址空間為16M，具有一個32位的串口、一個DMA通道、兩個定時器、兩個外部中斷源；芯片的供電電壓為3.3V，內核供電電壓為1.8V，由IC5提供。由于芯片的運行速度很高，為了防止外部振蕩電路的過高頻率引起射頻干擾，對外接振蕩器采用了內部倍頻技術。
2．2接口技術
圖2中的IC2為DS1251存儲器，它是一種非易失性的存儲器，其輸出電壓高電平為5V。但TMS320VC33的I/O電平為3.3V，不能承受高電平為5V的TTL信號。為了使TMS320VC33與DS1251能夠交換數據，電路中采用IC3（74LVC164244）實現3.3V與5V電平的轉換。該芯片同時具有3.3V和5V兩種供電電源，與DSP相連的I/O腳電平為3.3V，與存儲器相連的I/O腳電平為5V。
2.3引導
引導（BootLoader）是將在存儲在外部程序存儲器中的程序代碼一次性地全部加載到DSP芯片內部的高速存儲器中，以實現程序指令的高速運行。TMS320VC33有四種引導方式，其中前三種方式是從外部存儲器引導，第四種方式是從串行口引導。它們都是通過將四個外部中斷引腳INT0～INT3中的某一個設置為低電平而實現的。本文采用表1中所示的第二種引導方式，即DSP從400000H開始引導程序。
將用戶程序加載到DSP的片內高速RAM是由DSP的片內ROM的駐機程序（出廠時已設置）完成的。上電后，DSP的復位引腳由“0”變為“1”，同時在電路連接上保證引腳MCBL/MP="1"，固化在片內的引導程序查詢INT0～INT3中的哪一個為低，并按表1所示的中斷腳與地址的對應關系進行引導。
表1引導方式
方式INT0INT1INT2INT3說明首地址10111外部存儲器1000H21011外部存儲器400000H31101外部存儲器FFF000H41110串口
被引導的用戶程序必須事先經過匯編、連接，以生成DSP能夠認識的機器代碼。在生成的程序代碼前還必須加入一個引導頭。引導頭的具體結構見參考文件，其作用是：
（1）實現字長為32位的DSP與8位、16位或32位外部程序存儲器的接口。
（2）實現高速DSP與低速ROM的接口。
（3）實現用戶程序與DSP與內存儲空間的匹配。
2．4數據處理
采用TMS320VC33的定時器1每隔100ms發送一串數目固定的脈沖型激勵信號，該激勵信號經放大和驅動后再經DSP控制交替地施加到兩只超聲波傳感器上。當一只傳感器處于發送狀態時，另一只就處于接收狀態，即每只傳感器每隔200ms完成一次收和發。接收到的超聲波信號又經過放大和整形后送入DSP的INT0引腳，同時利用TMS320VC33的定時器2檢測從發送到接收所用的時間，進而根據（3）式計算出發和對收的時間差，再由（4）式通過浮點運算計算出泥漿流速，并將結果存儲在DS1251中。在存儲數據的同時，利用DS1251片內的時鐘，將該數據所對應的時間也一并存儲在數據區內。這就為地面將流速與深度對應起來提供了基礎，因為在井下通過DS1251計時的同時，地面也有一套與之同步的計時器對時間與深度進行了相應的記錄。
DSP的定時間隔設置為兩倍的指令周期，即：
T=2×Tp=34ns(5)
對tAB和tBA計時的誤差為：
ΔT=±Tp/2=±17ns(6)
由此引起的泥漿流速誤差為：
ΔV=ΔTC2/L（7）
取C=1560m/s、L=10m，則ΔV=4.14mm/s，由此可見其測量誤差比現有的測量方法降低了幾十倍。
3數據回放與試驗
采用DSP的通用I/O接口編制RS232通信程序，測試完成后，與地面上將測量數據回放到計算機。TMS320VC33與計算機RS232口的接口電路如圖3所示。其中IC7采用74LS06，將TMS320VC33輸出的3.3V電平轉換為5V電平，這是因為二者的最小輸入高電平相等，都是2.4V；IC13采用MAX2202，用于將TTL電平轉換為RS232電平。
研制的超聲波鉆井液測漏儀經過實驗室的多次試驗和現場的應用，測出的漏層位置的誤差不大于10m，不僅為鉆井作業過程中的堵漏提供了有力的技術支持，而且節約了鉆井成本，縮短了有漏失情況下的測漏周期，防止了漏失對地下資源的污染。
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