泥浆罐液面报警仪

泥浆罐液面报警仪
摘要：钻井液俗称“泥浆”，在钻井过程中起着平衡井筒压力、携带岩屑、冷却钻头、巩固井壁及保护油气层的作用，人们称它是“钻井的血液”。

它还能反映出井下的一些状况，如井喷或井漏，首先就反映在泥浆的总体积变化上。

通过泥浆的井上和井下的循环，可以保证钻井的正常钻进。

鉴于泥浆的这些特性，在钻井过程中必须对泥浆进行实时监测。

在现阶段，江苏油田钻井队通常采用工人用简易工具（尺子）定时对泥浆的总体积进行测量、记录和对比，看泥浆总体积是否急剧减少和增多，以此来判断井下的一些情况。

采用这样的方法有时候不能及时的观察到泥浆体积的变化，就会给正常的钻井作业带来不小的麻烦，有时甚至会发生重大生产事故和造成人身财产的巨大损失。

为了及时、准确的监测泥浆的变化和减轻工人的劳动强度，我们研制了泥浆罐液面报警仪。

它采用液晶显示屏、声光报警器、超声波液位计和系统管理软件等，对钻井泥浆灌液位变化情况进行实时监测。

主要运用了超声波的声学特性，即在一定条件下超声波在空气中的传播速度是一定的，所以通过测量超声波从探头传播至液位表面并返回探头所用的时间，来计算探头到液位的距离[]1。

然后把所得的数据传输给系统管理软件，它在通过运算和分析，得出结论后，来控制其他部件的动作。

液面报警仪能对设定范围内的数据变化异常能及时显示并报警，以提醒工作人员对异常情况及时处理，为安全生产提供了可靠的保障。

1 概述
泥浆是一种强导电率的粘稠液体，而且在连续循环的情况下其物理和化学特性会随时变化。

目前，一般的液位仪不能准确测量出其液位，比如浮球式、雷达式、射频导纳式、电阻式、电容式、相位跟踪式等。

浮球式由于浮球挂料的不断增加，误差越来越大，装有导轨的很容易被卡住；雷达式由于发射的是电磁波，所以不能对强导电介质进行准确测量；电阻式和普通的电容式无法辨别是挂料还是真实料位。

我们的泥浆罐液面报警仪是针对强导电率的粘稠液体而研制，主要用于监测钻井泥浆的液面高度及体积，具有精度高、抗干扰、免维护等特点，能够准确、可靠的测量各参数，提前预报井喷和反映井漏，以便司钻及时采取措施避免严重事故的发生。

2 测量原理
泥浆罐液面报警仪采用超声波液位计，它由超声波探头和电子单元构成。

探头向被测物体发射一束超声波脉冲，声波被液体表面反射，部分反射回波由探头接收并转换电信号。

电子单元检测发射到接收的时间，计算出被测距离，在用罐的总高减去这个距离即可得到实际液位值，如图1所
示。

图1
+αt）T/2
即：L=H-h=H-CT/2=H-（C
其中：H为零液位到探头的距离，m；
h为液位表面到探头的距离，m；
T为时间，s；
为0 C时超声波在空气中的传播速度，m/s；
C
α为超声波速度的温度系数，m/ C；
t为温度， C。

超声波在气体中的传播速度受气体温度所影响，因此液位计工作时需要检测气体温度，对声速进行补偿。

物位计在发射超声波脉冲时，不能同时检测回波。

因此从探头表面向下开始的一小段距离为盲区，但是我们使用的probe超声波液位计就不存在上述的问题。

可以直接安装后调试使用，不需要设置盲区。

如图1：
图2. Probe超声波液位计
超声波液位计的核心部件是测量探头、微处理器，信号的发送、接受和处理就是通过这两者来完成的。

3 部件构成
1）硬件部分
在硬件部分中，分为超声波液位计（不少于4个）、主控柜(1台)、就地声光报警器（2个）、液晶显示器（3台）。

主控柜上主要包括：220VAC、24VDC指示灯；声光报警柜主要包括：220VAC、24VDC指示灯；井涌、井漏、正常指示灯；人机界面（可以显示每个泥浆罐的实时液位、体积），当出现井涌、井漏时进行声音报警。

如图所示：
图3.主控柜
图4.主控柜内部图
图5.主控机图6. 液晶显示器和声光报警器
图7. 工作中的超声波液位计图8. 超声波液位计调试
超声波液位计被安装在泥浆罐上，结构简单、精度高，且安装方便、调试后不再需要进行调整。

安装结构牢固、无可动部件且使用寿命长，能够适应现场恶劣环境，可长期在酸碱盐等强腐蚀性溶液中使用，并且能够克服泥浆挂料、粘连、淋水等对测量的影响。

2) 软件部分
除了必要的硬件需求，还有一套很重要的系统管理软件，对钻井泥浆罐液位变化情况进行实时监测。

超声波液位计采集和传导信号给主控机，主控机通过数/模转换，把信号传递给工控机，在由软件把所得的信息进行处理和分析，然后直观的呈现出来，方便工作人员进行判断和处理。

它能方便的为用户提供服务，用户可以自行设定、输入泥浆罐的长、宽尺寸(m)，以便正确显示泥浆总体积（m3）；还可以输入对泥浆体积变化率的要求，以便及时声、光报警；也可显示每个泥浆罐液位的高度；带有背光的液晶显示屏幕可以昼夜为司钻清晰的显示所需要的泥浆体积和每个泥浆罐的液位高度。

整套装置结构牢固，适合野外长期工作。

见液面报警仪软件画面图：
图9.启动界面图10.监测主画面
图11.罐体积数值显示图12.数据曲线显示
4 主要功能
这套泥浆罐液位报警仪，具有数据采集、显示报警等重要功能，能及时的监测泥浆体积的变化，能很好的为钻井工程服务。

其强大的功能包括：1）数据采集和处理功能：能实时测量钻井泥浆罐的液位，并根据液位值和泥浆罐的截面积计算出各个泥浆罐的液量、总储液量和变化量。

2）显示与报警功能：微机控制台和钻台显示报警器能同步显示钻井泥浆罐的储液量、总储液量和变化量。

具有强大的显示功能。

有实时曲线显示、特大数字显示、历史曲线显示、报警一览、报警状态显示等。

当变化量超过设定值时，微机控制台和显示器将同时进行井涌异常、井漏异常显示与报警，提醒司钻和泥浆坐岗监测人员注意，及时校对罐储液量，并采取相应的措施处理。

3）报表打印功能：具有钻井液泥浆罐储液量数据报表输出功能，井涌异常、井漏异常显示与报警数据资料报表输出功能。

4) 数据库管理功能：具有串行输出口，可将采集和处理的数据远程传输，并定时储存钻井液泥浆罐的储液量、总储液量和变化量数据。

5 液面报警仪的工作原理
液面报警仪对储罐泥浆液位 H 进行实时监测，通过软件可以对面积进行设定即： SET_S，可以得出体积 V=H*SET_S，并在软件中进行实时显示、数据归档、实时曲线、历史曲线。

其设定当前的体积总量SET_V，得出:△V=V-SET_V。

当△V超出某个范围时，就进行报警。

具体情况如下：
①井涌△V＞0
a .当△V＞0，并开始启动定时器 TIM1，定时时间为 5 分钟，如果在此 5分钟内，0＜△V≤3，则不进行报警，同时，当定时器TIM1计时完毕后，复位并重新开始定时；
b .当△V＞0，并开始启动定时器 TIM1，定时时间5分钟，如果在此 5 分钟内，△V≥3，则进行报警，并同时把定时器 TIM1复位，再重新定时。

②井漏△V＜0
a .当△V＜0，并开始启动定时器 TIM2，定时时间为 5 分钟，如果在此 5 分钟内，-3≤△V＜0，则不进行报警，同时，当定时器 TIM2 计时完毕后，复位并重新开始定时；
b .当△V＜0，并开始启动定时器 TIM2，定时时间为5分钟，如果在此5分钟内，△V≤-3，则进行报警，并同时把定时器 TIM2复位，再重新定时；
③正常 -3＜△V＜3 。

当-3＜△V＜3 ，整个系统处于正常运行状态。

6 技术指标
（1）电源：显示系统：220V±22VAC；变送器：220V±22VA或24V±2.4VDC （2）环境温度：-40°C～+65 °C
（3）泥浆罐管理数量：1～6个
（4）防爆标志：Exia [ia]ⅡCT4
（5）监测范围：液位 0m～5m；
（6）绝对误差：<5mm
（7）采集周期：3s
（8）工作状态：24h连续运行。

（9）维护：正确安装的泥浆液面报警仪无需特别的维护
参考文献
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[2]张德华，吕敏. 超声波式物位测量. 计量与测试技术，2006，33（1）：16
[3]张晓艳. 超声波液位计的原理与应用. 黑龙江造纸，2006，3
[4]温晶晶，任立众. 在工业容器领域超声波液位测量技术的现状和发展趋势. 中北大学学报（自然科学版），2007.28。