深海钻井气侵检测装置硬件设计

摘要

深海石油钻井过程中非常关心的一个问题是早期气侵检测，也就是提前检测出气侵发生，如果发现较晚，就会发生难以控制的井喷事件，造成不可估量的生命和财产损失。早期气侵检测的传统方法使用钻井液增量或者井涌压力变化等作为气侵发生指示器，但是这些方法的检测结果太过粗糙，也不可靠。而对于造价昂贵的离岸深海钻井来说，其先进的井控技术却需要更可靠的早期气侵检测结果才能在气侵发生时采取最优的井控措施。
　　与传统方法不同，本课题提出的超声波气侵检测方法在检测灵敏度、反应速度、成本和安装难易方面具有自身优势。超声波气侵检测方法的理论依据是利用超声波在钻井液传播过程中会对上升运动的气泡产生反射而形成的的多普勒效应，这种效应的强度与上升运动气泡的大小和数量即气侵程度有直接关系，最终也会反映在信号的幅值特征上。本课题研究的重点是依据超声波多普勒原理设计出一套深海气侵检测装置。首先，本文对气侵研究的现状进行总结，了解目前一些气侵研究方法及早期气侵检测发展的趋势。接下来，分别从超声波气侵检测原理、深海工作方案设计、传感器特性、装置机械设计以及检测装置硬件设计几个方面展开讨论。硬件设计是本文的重点，包括硬件电路设计和驱动程序设计。硬件电路设计从功能的角度可分为三个部分：超声波激励信号产生、回波接收、系统控制和信号处理，设计过程中，检测装置工作稳定性、控制灵活性以及工作效能等被充分考虑，保证检测装置长时间稳定地在深海工作。硬件驱动程序设计是硬件电路功能的延伸，包括增益控制、信号采集、数据处理和通信等几个方面，目的是使系统控制更加灵活、工作更加自主、适应能力更强。在硬件调试和实验部分，分别测试了检测装置的主要电子性能和实施了模拟深海气侵过程甲烷溶解与析出试验，结果表明检测装置的软硬件配合能使其稳定地工作，整个检测系统对气侵发生的过程变化反应敏感，并能一定程度上表征管道内的气侵程度。
　　最后，对课题工作进行总结，并对课题研究的一些不足和下一阶段的工作进行展望，以期使气侵检测装置完全满足深海钻井早期气侵检测的要求。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外气侵检测研究方法及发展趋势

1.3 本课题的主要研究内容概述

第二章 气侵检测原理和检测方案

2.1 深海超声波气侵检测原理

2.2 气侵检测关键技术和研究难点

2.3 气侵检测系统工作方案设计

2.4 超声波传感器特性

2.5 检测装置壳体结构设计

2.6 检测装置硬件组成及性能指标

2.7 本章小结

第三章 气侵检测装置硬件电路设计

3.1 气侵检测装置硬件总体设计

3.2 超声波发射电路设计

3.3 超声波接收电路设计

3.4 微控制器控制电路设计

3.5 供电系统设计

3.6 PCB设计

3.7 本章小结

第四章 气侵检测装置硬件驱动程序设计

4.1 硬件驱动程序总体设计

4.2 信号采集

4.3 信号处理

4.4 数据传输

4.5 系统休眠

4.6 本章小结

第五章 硬件调试和实验

5.1 硬件调试

5.2 室内气侵模拟实验和实验结果

5.3 本章小结

第六章 总结和展望

6.1 课题工作总结

6.2 课题工作展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士期间取得的研究成果