摘要
钻井液贯穿整个钻井过程，占着举足轻重的地位。密度和固相含量是衡量钻井液性能的两个重要参数，时刻影响着钻井质量和油田保护，而随着钻井作业的不断进行，钻井液密度和固含量会随着地层性质以及地层环境的影响而发生改变，因此实时检测钻井液密度和固含量十分重要，是现场实施钻井液调配、保障安全优质钻井的先决条件，开展钻井液密度与固含量在线检测技术的研究意义重大。 在查阅超声波检测技术相关资料的基础上，探讨了超声波的基本特征参量和相关的检测原理，分析了超声波在钻井液中的传播特性和衰减特性以及超声波换能器的结构与工作机理，通过建立钻井液密度与声速，固含量与超声波衰减之间的内在关系，制订了钻井液密度与固含量的在线检测方案。 根据制订的检测方案，以STM32F407ZET6芯片，作为主控芯片，利用脉冲变压器结合MOS管，将直流的24V转变为交流信号，完成了超声波换能器驱动电路的设计；为了回波信号能准确的被芯片采集，设计了由限幅电路、滤波电路和放大电路组成的回波信号处理电路；根据钻井液的性质，完成了电磁阀的选型，并设计出了相关的驱动电路，结合液位传感器，可使钻井液自动的流入和流出；数据传输采用RS232串行接口，检测结果通过LCD12864模块进行显示，通过电源电路设计，实现对整个检测系统的供电，最后根据总电路原理图完成了PCB板的设计与制作，完成了整个检测系统的硬件设计。 在硬件设计的基础上，将STM32F407VET6芯片的通用定时器以主从定时器的方式，实现了一定频率和一定数量的PWM脉冲信号的发射，用来驱动超声波换能器；为了精准的获得超声波的传输时间和回波信号的最大幅值，开发了超声波传输时间程序和最大特征波查找程序；通过温度采集程序和液晶显示程序将检测的温度与检测结果显示在液晶屏幕上；利用RS232程序实现检测系统的通讯，完成了检测系统的软件设计。 最后通过设计的检测系统搭建实验平台，展开实验研究。分别取钻井液密度为1.12(g/cm3)、1.36(g/cm3)、1.53(g/cm3)、1.71(g/cm3)、1.89(g/cm3)；固含量为5%、10%、15%、20%、25%，在中心频率为1MHz和2MHz的超声波探头下进行传输实验，利用反演算法分别建立超声波声速、回波幅值与钻井液密度与固含量之间的联系，并考虑了温度对超声波传输过程中的声速、幅值的影响，根据所拟合的表达式，通过检测声速和回波幅值实现对钻井液密度与固含量的检测。
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