0 引 言

在石油钻探中，钻井液不仅是工程钻井的血液，而且是地质勘查落实油气水的重要载体。综合录井对钻井液密度、温度、电导率3项参数的现场监测尤为重视。目前在钻井现场钻井液出入口区域能够提供安装密度、温度、电导率传感器的空间十分有限，而这3种传统的钻井液传感器各成一体，且体积大、质量大，需独立安装，造成拆装极为不便、劳动强度大。因此，设计制造一种体积小、质量轻且能同时满足上述3种测量需要的集成传感器非常必要。

建筑工程项目施工安全管理挣值法在传统挣值法的基础上进行了改进，引入了2个保障水平、3个参数和4个绩效评价指标，安全评判指标体系就此建立，以指数和参数计算出相应的绩效评价指标，为施工项目安全管理决策提供科学的依据。

根据调研，目前国内外陆上钻探现场未见成型的钻井液多参数集成化传感器。为此，从实用的角度提出了一种钻井液测量传感器集成化的新思路，并且经过设计、加工制作出了钻井液多参数集成传感器，经现场试验使用，证明该集成化传感器测量数据准确可靠，具有较高的推广应用价值。

1 集成化传感器设计

传统的钻井液密度、电导率、温度传感器，各自皆由探头、支架、变送器电路单元3部分构成。通过对3个支架、3个探头以及3个变送器电路单元进行合理布置，将原有的3种独立传感器整合成一个，实现集成化、轻量化。

1.1 支架的整合

采用一根不锈钢管为总支架，具有防腐易清洗性能。其腔体能满足电导率、温度、密度3路信号线的穿越，其长度能满足密度探测的入液深度要求，其强度能承受3个探头负载。在这根总支架的顶部安装变送器及信号调校部分，在支架底部布置3种类型探头，从而实现一根支架的合理利用。

1.2 探头的组合布置

在不影响测量效果的前提下，探头的布置采用合理的组合方式。将密度、电导率、温度3个探头组合安装在一个不锈钢腔体内，达到减小体积和质量的目的，如图1所示。其中密度探头采用电容式压力传感器[1], 电容器的电极为圆形金属薄膜或镀金属薄膜，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出相应的电信号。在钻井液密度的测量过程中，钻井液密度变化时，钻井液在双膜片上产生的压差信号也随之变化，通过对信号的标定和计算即可得到实时密度值[2]。电导率探头采用环形电感式，通过发射一定幅度、一定频率的交流信号给初级线圈(也称发射线圈)，针对不同电导率的钻井液，次级线圈(也称接收线圈)将感应到对应幅值的同频率信号，经过变送器处理得到对应的电信号， 同时获取对应实时温度的电信号，将两者进行函数运算得到补偿到25℃下的实时电导率值[3]。温度探头采用PT 100铂电阻，其电阻率随温度变化而变化，实现了将温度变化转化为元件电阻的变化[4]。

在0～650℃的范围内：

  

图1 组合式传感器探头

1.3 集成变送器电路单元

密度、电导率、温度3个探头所获取的微小压差、感应电压、电阻值等信号，经整形、温度补偿、放大后，转换成3路标准4～20 mA信号输出。电路采用集成化设计，由压差式密度传感器测量电路、电导率测量电路、温度测量电路、温度校正电路和总变送电路组成。这些电路的集成不是简单的电路相加，或者说电路板数量的增加，而是采用合理布局，电路共用，抗干扰设计处理之后得到的优化布局。最终采用两块电路板叠加的安装方案，实现了防爆变送器盒尺寸不增加的目的。

探头选用感应式电导率探头[5]，由两个磁环线圈组成初次级线圈，初次级线圈在同一轴线上，外壳采用耐高温、耐酸碱、耐磨损的绝缘材料封装而成，如图3所示。在线圈磁环的选型上采用纳米晶材质，因纳米晶相对磁导率与饱和磁化强度优于坡莫合金和非晶态合金，并且在制备成本上有优势，同时纳米晶在高频下的磁性能突出，功率损耗小，适合于高频环境下磁性能器件[6]。考虑到钻井液容易阻塞磁环中孔，磁环采用内径为30 mm,外径为60 mm的纳米晶。

屈哨兵：我一直主张要开开心心办教育。教育是一个永远难以满足所有人要求的事业，并且是一个投入与产出不能即时做出量化评价的事业。如果我们在教育过程中出现了一些波折和议论，那是发展和前进中的正常现象，我们要用理性的眼光和态度来理解它、面对它。

  

图2 压差式密度传感器测量电路框图

1.3.2 电导率测量电路

1.3.1 压差式密度传感器测量电路

盘根盒的座体是连接的整体，固定的，所以当遇到光杆偏磨井口的井，起不到调节作用，就加剧了光杆和盘根垫的摩擦。

选用测量范围广、精度较高、过载能力强、耐腐蚀、性能价格比好，且自带温度较正的进口电容式压力传感器[5]；信号放大和模数转换部分采用功耗低、输入失调电压小且内部集成低噪声仪表放大器的24位∑-Δ型ADC(模数转换)芯片。压力和温度信号经A/D转换后送到微控制器单元(MCU, micro controller unit)，MCU再根据存储在EEPROM(带电可擦写可编程读写存储器)中的标定数据表计算出实时密度值。信号输出采用ADI公司的工业级4～20 mA集成驱动芯片，该芯片支持两线制的环路供电，电磁抗干扰能力强、精度高，可通过SIP总线直接由单片机控制。电路原理如图2所示。

  

图3 感应式电导率探头原理

集成化传感器与普通传感器实物对比如图5。钻井液多参数集成化传感器质量只有15 kg左右，而常规密度、电导率、温度传感器总质量为50 kg左右(表1)。

U0=K1σ

式中：U0为电路检测的感应电动势；σ为钻井液电导率;K1为由探头属性和电路属性所决定的常数。

(4)执行“复位至出厂设置”后，诊断地址“44 动力转向”会存储图4所示故障代码：C10ACF0 转向系，未学习的端位主动/静态；B116854 转向角传感器，无基本设置主动/静态；B201300 未执行装配线终端编程主动/静态。

感应式电导率传感器变送电路通过SPI接口连接一个两路增益可编程的24位高性能模数转换器和一个16位的数模转换器，电路框图见图4。通过发射一个定幅度、定频率的交流信号给环形探头初级,针对不同电导率的液体,探头次级将感应到的对应幅值的同频率信号,经过后续电路处理得到的电压信号,使用多路开关MUX送入A/D转换器,取得温度信号和感应电动势信号,由微处理器单元(MPU,micro processor unit)根据存储于EEPROM中出厂标定数据进行函数运算得到补偿到温度为25℃下的实时电导率值，再通过D/A转换电路转换为4～20 mA信号输出。通过标定，即可得到实际测量的电导率值。

  

图4 电导率测量电路框图

1.3.3 温度测量电路

PT 100铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度呈一定函数关系而制成的温度传感器[7],由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好,被广泛用于中温(-200～650℃)范围的温度测量。因铂电阻的电阻值与温度呈非线性关系，所以需要进行非线性校正。第一种方法是将铂电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的电压信号转换得到电阻值，再将相应温度值通过D/A转换电路转换成4～20 mA信号输出。第二种方法是采用数学关系式来获得电阻与温度的对应关系，铂电阻和温度的关系如下[8]：

在-200～0℃的范围内：

R=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]

采用SPSS17.0统计学软件对研究数据进行分析处理。计量资料以均数±标准差(±s)表示,采用t检验;计数资料以率(%)表示,采用χ2检验。P<0.05表示差异具有统计学意义。

R=R0(1+At+Bt2)

式中：R为温度t℃时的电阻值，Ω；R0为温度0℃时的电阻值，对于PT 100型，R0=100 Ω；A为常量，3.908 02×10-3℃-1;B为常量，-5.802×10-7℃-2;C为常量，-4.272 50×10-12℃-4。

变送电路单元采用集成化电路设计，将密度、电导率、温度3路信号变送电路集成到2块电路板，采用组合接插式安装方式，安装快捷、简便，维护、更换部件方便。

在本研究中，采用了第一种方法来实现温度的测量、计算和数模转换。温度的测量电路较简单，在此不再详述。

2 钻井液多参数传感器的特点与优势

钻井液多参数集成化传感器经现场使用对比，具有体积小、质量轻、便于安装、维修方便、综合成本低等优点，并且在制造成本上也较3支独立传感器有较大优势。

2.1 小而轻

电导率检测的等效公式为：

式中:b为型腔半厚，m;u、v为x、y方向的速度分量，为x、y方向的平均速度，m/s;ρ为密度，kg/m3;cp为比定压热容，J/(kg·K);k为热导率，W/(m·K);p为熔体的压力，Pa;T为熔体的温度，℃;x、y为平面坐标;z为厚度坐标;γ为剪切速率，s-1;η为剪切黏度，Pa·s;t为时间，s。

  

图5 传感器实物对比

 

表1 传感器质量对比

 

图6a是集成化传感器的现场安装图，两支集成化传感器安装在一个钻井液罐中，做参数测量对比试验，安装空间很宽裕，便于维护。图6b为3支传感器独立安装图，可以看出基本占用了全部安装空间，而且线束较多，布线复杂。

  

图6 传感器的现场安装

2.2 维修方便

缺乏营养、超重、摄入过量糖与脂肪……如今，全世界没有一个国家能达到世界卫生组织制定的营养目标。营养失调，正在成为导致死亡的主要风险因素之一。

2.3 综合成本低

集成化传感器的制造成本约为3支独立传感器总成本的三分之二，推广集成化传感器利于企业降低采购成本。

3 现场应用效果

钻井液多参数集成化传感器在宁XX井和高XX井现场应用效果良好，参数稳定且达到同类产品的技术指标。

3.1 技术指标

密度传感器：工作电压为24 V；工作温度为-40～80℃；量程为0～2.5 g/cm3；测量误差为±0.02 g/cm3以内；防爆等级为dⅡBT 4。

温度传感器：量程为0～100℃；时间常数<90 s；测量误差为±0.5% 以内。

电导率传感器：量程为0～250 mS/cm；工作温度为-40～80℃；测量误差为±1% 以内。

3.2 参数曲线

抽取宁XX井的一段录井数据进行比对分析，可以看出各参数测量数据稳定,测量结果与手持式测量仪检测结果基本一致(图7)，数值误差控制在±1%范围内，测量结果真实可信。在有油气显示的3 220～3 240 m井段，钻井液出口密度和出口电导率有明显的变化，说明该传感器能真实反映钻井液物理特性的变化。

  

图7 宁XX井密度、电导率、温度参数曲线图

4 结束语

钻井液多参数集成化传感器实现了“三位一体”高度集成，将原先的钻井液电导率、密度、温度3种传感器，通过探头的整体设置、配线集束化，变送电路的集成化，形成了一个整合式检测装置。该产品与原设备相比大幅减小了质量和体积，方便了现场安装和维护，减轻了现场人员的工作量，具有良好的市场应用前景。

参 考 文 献

[1] 宋文绪，杨帆. 传感器与检测技术[M]. 北京：高等教育出版社,2009：27,91.

[2] 柯元明，李明，李兰. 流动液体密度粘度连续测量方案——压差式密度粘度测量系统[J]. 天然气与石油，2002,20(3)：52-54.

[3] 吴龙斌. 电感式电导率传感器的测量原理与测试方法[J]. 录井工程,1995，6(2):23-28.

[4] 严长城，应贵平. 基于PT100铂热电阻的高精度测温系统的设计[J]. 机电工程技术，2015,44(3):71-74.

[5] 阴雨睛，邓芳明，郝勇. 低功耗集成电容式压力传感器设计[J]. 仪表技术与传感器，2015(8)：16-18.

[6] 邱善乐. 一种新型感应式电导率传感器的设计[J]. 录井工程，2005,16(3):48-50.

[7] 兰卉，吴晟，程敏，等. 新型感应式电导率传感器技术研究[J]. 海洋技术学报，2014,33(3):18-22.

[8] 张红兵，王华凌. 基于铂电阻Pt100的温度传感器设计[J]. 电子制作，2012(11):36.

根据边坡区地形地质条件、稳定现状及初步分析资料，分别对上述各代表性剖面进行天然工况和暴雨工况两种工况下的稳定安全系数及剩余推力进行计算，计算成果见表5。