鉆井液池監(jiān)測系統(tǒng)設計系統(tǒng).docx

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1、西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） 摘要鉆井液技術是鉆井系統(tǒng)中的一個重要組成部分。人們常用“鉆井液是鉆井的血液”這句話形象地比喻其在鉆井作業(yè)過程中的重要地位。鉆井液池為鉆井施工作業(yè)提供循環(huán)鉆井液，通過對鉆井液體積、電導率等其他相關參數的監(jiān)測可以反映出當前鉆井是否出現異常。對鉆井液的參數的實時監(jiān)測，可以判斷出是否出現溢流、井涌、漏失、井漏等井下異常情況，防止鉆井、完井過程中發(fā)生事故，減少鉆井、完井的工作量，提高工作效率。因此，設計一套鉆井液池參數監(jiān)測系統(tǒng)，通過鉆井液參數的變化直接反映井下地層流體的活躍情況及井筒壓力與地層壓力的情況，重視鉆井液參數異常的預報，可以避免井噴、井漏等重大事故的發(fā)生，能及

2、時處理油氣侵、鹽侵、水侵等情況，為順利施工創(chuàng)造有利條件。 關鍵詞：鉆井液；實時監(jiān)測系統(tǒng)；鉆井事故；組態(tài)；傳感器；數據采集Abstract Drilling fluid technology is an important part of the drilling systems. People often use drilling fluid is blood, this sentence the important of the process of drilling operations. Mud pool drilling operations to provide circulatin

3、g drilling fluid. The parameters for real-time monitoring of drilling fluid, Can determine whether there is overflow, well kick, leakage, leakage and other underground anomalies wells. Prevent the drilling, completion occurs during accidents, reduce drilling and completion of the workload and improv

4、e work efficiency.Therefore, the design parameters of a drilling fluid tank monitoring system, By drilling parameter changes directly reflect the activity of the formation fluids downhole and wellbore pressure and formation pressure situations, Unusual emphasis on drilling parameters forecasting, Av

5、oid blowout, lost circulation and other major incidents, Timely processing of hydrocarbon emplacement, salt intrusion, water intrusion, etc., Create favorable conditions for the smooth construction.Keywords: drilling; real-time monitoring system; drilling accident; configuration; sensor; data acquis

6、ition本科畢業(yè)設計（論文）題目：鉆井液池監(jiān)測系統(tǒng)設計系統(tǒng)學生姓名 學號0907010410教學院系電氣信息學院專業(yè)年級測控技術與儀器2009級指導教師 職稱副教授單位西南石油大學電氣信息學院完成日期2013年6月11日目錄摘要Abstract目錄第一章 緒論1.1 研究目的和意義1.2 國內外研究現狀1.2.1 國內研究現狀1.2.2 國外研究現狀1.3 主要研究內容及任務第二章 鉆井液2.1 什么是鉆井液2.2 鉆井液的作用2.3 鉆井液性能2.3.1 鉆井液密度2.3.2 鉆井液電導率2.3.3 鉆井液體積2.2.4 鉆井液流量2.2.5 鉆井液溫度2.4 鉆井液對石油鉆井的影響2.5

7、 鉆井液各項參數變化時可能發(fā)生的事故類型第三章 系統(tǒng)硬件設計3.1 硬件系統(tǒng)總體框架圖3.2 傳感器選型及安裝3.2.1 傳感器選型依據3.2.2 鉆井液密度傳感器3.2.3 鉆井液體積傳感器3.2.4 鉆井液流量傳感器3.2.5 鉆井液溫度傳感器3.2.6 鉆井液電導率傳感器3.2.7 現場傳感器安裝位置示意圖3.3 數據采集接口與數據通信的實現3.3.1 數據采集模塊選型依據3.3.2 數據采集模塊選型3.3.3 數據通信3.3.4 數據采集總體框架第四章 系統(tǒng)軟件設計4.1 開發(fā)軟件平臺介紹4.1.1 組態(tài)軟件簡介4.1.2 組態(tài)軟件開發(fā)平臺優(yōu)勢4.2 鉆井液池監(jiān)測軟件功能模塊設計4.2

8、.1 軟件總體框架圖4.2.2 功能模塊介紹4.3 鉆井工序的異常檢測報警4.3.1 鉆進過程4.3.2 起鉆過程4.3.3 下鉆過程4.3.4 關井循環(huán)4.4 遠程實時監(jiān)測4.5 雙機冗余第五章 系統(tǒng)調試第六章 結論與建議6.1 結論6.2 建議謝辭參考文獻附錄附錄一：系統(tǒng)調試示意圖附錄二：部分程序第一章 緒論1.1研究目的和意義1、研究目的鉆井液池為鉆井施工作業(yè)過程中提供循環(huán)鉆井液，通過對鉆井液體積、密度的、電導率等其他相關參數的監(jiān)測可以反映出當前鉆井是否出現異常。通過對鉆井液的參數進行實時監(jiān)測，判斷是否會出現溢流、井涌、漏失、井漏等井下異常情況，防止鉆井、完井過程中發(fā)生事故，減少鉆井、完

9、井的工作量，提高工作效率，并且通過鉆井液性能的變化，來判斷是否遇油、氣、水層和特殊巖性，為接下來的鉆井施工打好方向。2、研究意義鉆井液參數包括鉆井液的出入口溫度、出入口電導率、出入口密度、流量、鉆井液體積等。鉆井液參數的變化通常能直接反映井下地層流體的活躍情況以及井筒壓力與地層壓力的平衡情況，重視鉆井液參數異常的預報，可以避免井噴、井漏、溢流等重大事故的發(fā)生，及時處理油氣侵、鹽侵、水侵，為順利施工創(chuàng)造有利條件。本監(jiān)測系統(tǒng)通過力控6.0開發(fā)出一套對鉆井液池的各項參數進行實時監(jiān)測，參數顯示及報警，達到保障鉆井施工安全、減少投入、提高勘探開發(fā)整體效益的目的。1.2 國內外研究現狀1.2.1 國內研究

10、現狀在鉆井、完井工程中，監(jiān)測各項參數以及參數報警是最重要的步驟之一。在國內，中石油、中石化、中海油三大石油公司已經進行了許多鉆井、完井方面的工作，通過無數的實踐證明，很多鉆井、完井測試技術已經非常成熟。但是在溢流、漏失、井涌、井漏等井下情況監(jiān)測系統(tǒng)上還略有不足，所用的監(jiān)測系統(tǒng)還都還比較分散，不能將所有監(jiān)測參數集中在一個系統(tǒng)上。雖然當前國內已經有比較先進的MWD（隨鉆測量）測試系統(tǒng)，但部分功能不如國外的MWD（隨鉆測量）監(jiān)測系統(tǒng)，而且中國當前使用的石油工業(yè)中的自主研發(fā)測試技術大都屬于完井、鉆井工程領域中基礎的技術，而部分高端的測試技術仍需要求助于國外。1.2.2 國外研究現狀在國外，石油工業(yè)起步

11、很早，到目前為止已經有大量高端的測控技術，已經擁有MWD（隨鉆測量）、LWD（隨鉆錄井）、PWD（隨鉆測壓）等先進的測量系統(tǒng)，能夠實時實地、完整地對鉆井液參數進行監(jiān)測以及報警。同時，致力于鉆井液參數儀表和鉆井液參數監(jiān)測系統(tǒng)的研究、開發(fā)、生產的專業(yè)公司很多，其中包括美國的馬丁（M/D TOTCO）公司、加拿大Datalog公司和英國的瑞設（Rigserv）公司等在該領域的研究中處于國際領先水平。例如，加拿大Datalog公司研制的鉆井液監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下特點：可以測量并顯示200多個鉆井參數，以Windows95/98或windows NT作為操作平臺，采用客戶端/服務器技術，通過Inte

12、rnet或Modem進行遠程實時和歷史監(jiān)控，采用觸摸屏，可自制美觀實用的用戶界面，所有鉆井參數數據均可存儲在光盤中，系統(tǒng)易安裝、易擴展、可靠性高、穩(wěn)定性強保證了鉆井、完井過程中的安全，減少了工作量，提高了工作效率。美國Varco公司M/D TOTCO分公司于2001年最新研制的鉆井集成控制信息系統(tǒng)，該信息系統(tǒng)可以測量顯示基本的鉆井參數，采用液晶觸摸顯示屏，以Windows NT為操作為平臺，可以通過計算機局域網進行信息交換，也可以通過Internet/Intranet實現鉆井信息遠程通信。英國Rigserv公司（該公司是世界上第一個使用觸摸屏的石油儀器公司）研制的觸摸屏自動鉆井系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以

13、測量幾乎所有與鉆井作業(yè)過程中有關的參數，采用非接觸式傳感器，系統(tǒng)的硬件緊湊、密封性好。美國Epoch公司開發(fā)的產品RIGWATCHTM，是基于Windows的鉆井參數記錄儀，采用觸摸顯示屏或CRT，可以進行實時多曲線和多窗口顯示，可以進行自動鉆井參數的記錄和打印，可以通過Internet或電話撥號實現遠程訪問，使用數據庫管理鉆井參數數據國外的測控技術現正向自動化和智能化的方向上發(fā)展。1.3 主要研究內容在鉆井過程中對鉆井液參數進行實時監(jiān)測是鉆井工程中的重要部分。本文針對現有鉆井液池監(jiān)測技術中所存在的問題進行系統(tǒng)深入的研究，在查閱大量國內外相關文獻的基礎上，設計一套鉆井液池參數實時監(jiān)測系統(tǒng)，利用

14、該系統(tǒng)實現對鉆井過程中的鉆井液參數變化情況進行實時監(jiān)測。本文主要從以下幾個方面進行研究工作：1、機理研究及參數確定 了解鉆井液池各監(jiān)測參數對鉆井作業(yè)的影響、表征現象及規(guī)律，確定該系統(tǒng)所要監(jiān)測的參數，并為傳感器的優(yōu)選提供理論依據。2、硬件系統(tǒng)設計 1）傳感器的選型 在石油鉆井過程中的現場環(huán)境十分惡劣，條件復雜，因而在傳感器的選型上必須充分考慮到現場的工作條件，包括場地的酸堿性、腐蝕性、溫度、濕度等，同時還要考慮傳感器安裝位置，傳感器的成本、靈敏度、測量精度等。 2）數據采集接口模塊的設計 儀器數據采集接口處于傳感器和傳感器數據采集計算機之間。根據需要采集的傳感器信號的數目、采樣頻率、數據采集卡的

15、分辨率、數據采集卡價格等，結合實際情況，優(yōu)選數據采集卡；并采用RS-485總線和RS-232/RS-485轉換器實現數據采集卡與上位計算機完成A/D、I/O驅動及通訊，完成數據的傳輸。3、軟件系統(tǒng)設計 本系統(tǒng)采用力控Forcecontrol 6.0版組態(tài)軟件完成軟件部分的設計。設計出鉆井液池監(jiān)控系統(tǒng)動畫模擬顯示、歷史曲線回放、實時曲線顯示、數據查詢、報警記錄、報警分析、專家報表打印、等功能模塊。利用其web發(fā)布功能方便工作人員遠程監(jiān)測鉆井作業(yè)過程中的井下情況，對采集到的數據及時作出分析和判斷。4、軟硬件連接調試 通過RS-485接口建立起組態(tài)軟件與數據采集系統(tǒng)的連接，分別從數據采集、數據轉換、

16、數據顯示、數據存儲四個方面對軟硬件進行調試。第2章 鉆井液 鉆井液是鉆井工程的血液，鉆井液參數的監(jiān)測對減少鉆井事故的發(fā)生起著重要作用，確定鉆井液監(jiān)測系統(tǒng)所要監(jiān)測的參數，并以此為依據分析判斷鉆井時可能發(fā)生的異常情況。2.1 什么是鉆井液鉆井液就是在鉆井工作過程中的其多種功能滿足鉆井工作需要的各種循環(huán)流體總稱。鉆井液的循環(huán)是通過鉆井泵來維持的，從鉆井泵排出的高壓鉆井液，經過地面高壓管、立管、水龍帶、水龍頭、方鉆桿、鉆桿、鉆鋌到達鉆頭，從鉆頭水眼上的噴嘴噴出，從清洗井底、攜帶鉆屑。然后由沿環(huán)形空間（鉆柱與井壁形成的空間）向上流動。到達地面后，經地面，低壓管匯流入鉆井液池，再經各種固控設備進行處理后返

17、回上水池，最后進入鉆井泵循環(huán)再用。鉆井液經流的各種管件、設備構成了一整套鉆井液循環(huán)系統(tǒng)。要深入了解鉆井液對鉆井的影響還要知道鉆井液的作用。 2.2 鉆井液作用1、攜帶和懸浮巖屑是鉆井液首要和最基本的功能在懸浮中，沿鉆桿向下或從鉆孔中向上流動的鉆井液有時會停止運動。出現這種情況只能有兩種原因：一是出現了故障，二是在更換鉆頭時將鉆桿提出了鉆孔。鉆探停止時，懸浮在鉆井液中的鉆屑就會沉入鉆孔的底部，將鉆孔堵塞。鉆井液被設計為具有一種非常有趣的特性，而該特性可以解決這一問題。鉆井液的稠度（或粘度）隨鉆井液流速降低而增加。鉆井液停止流動后，就會形成一種粘稠的凝膠體，這種凝膠體可使巖石鉆屑懸浮在其中，從而防

18、止它們沉入鉆孔底部。而當鉆井液又開始流動后，它就會越變越稀薄，恢復到其以前稀薄的液體形態(tài)。就是通過本身的循環(huán)將井底被鉆頭破碎的巖屑攜至地面，以保持井眼清潔，使起下鉆暢通無阻，并保證鉆頭在井底始終接觸和破碎新地層，不造成重復切屑，保證安全、快速鉆井、提高鉆井率，能完成鉆井任務，而且可以降低成本。在接單根、起下鉆和因故停止循環(huán)時，鉆井液又將井內的鉆屑懸浮在鉆井液中，使鉆屑不會很快下沉，防止沉沙卡鉆，也可以保持井壁不垮塌。2、穩(wěn)定井壁和平衡地層壓力許多人都看到過石油從鉆井臺中噴入高空，石油工人為之而歡呼雀躍的情景。實際上，這類井噴的發(fā)生，也并不值得慶祝，因為鉆探的目標是以控制流量的方式來開采石油。泥

19、漿被設計為可以抵消巖層中流體的自然壓力，從而防止發(fā)生此類事故。壓力間必須達到適當的平衡，即鉆井液對鉆孔壁的壓力應足以抵消巖層和石油或天然氣施加的壓力，但這種壓力又不能太大，否則會對油井造成破壞。如果鉆井液的重量太大，可能會使巖石破裂，鉆井液也會因此而流失入地下。3、冷卻和潤滑鉆頭和鉆具金屬鉆入巖石時，會因摩擦生熱。鉆井液可潤滑和冷卻鉆頭，使鉆探平穩(wěn)進行，同時延長鉆頭的壽命。對延伸區(qū)域或水平油井而言，潤滑可能尤為重要，因為在這些地方，鉆桿、鉆頭和巖石表面間的摩擦必須保持在最低水平。在鉆井中特別是在深井的鉆井中，鉆頭一直處在高溫下旋轉并破碎復雜的巖層，產生高溫和熱量，同時鉆具也不斷地與井壁磨擦產生

20、熱量，鉆井液不斷地循環(huán)作用，可以將這些熱量及時吸收，然后帶到地面釋放在大氣層中，從而起到了冷卻鉆頭、鉆具并延長其使用壽命，鉆井液的存在使鉆頭和鉆具均在液體內旋轉，在很大程度上降低了摩擦阻力，起到了很好的潤滑作用。4、傳遞水動力 鉆井液在鉆頭噴嘴處以極高的流速沖擊井底，從而提高了鉆井速度和破巖效率。高壓噴射鉆井正是利用了這一原理。也就是采用高泵壓鉆進，使鉆井液所形成的高速射流對井底產生強大的沖擊力，提高鉆速。在使用渦輪鉆具鉆進時，鉆井液由鉆桿內較高流速經渦輪葉片，使渦輪旋轉并帶動鉆頭破巖碎石。以上是說的鉆井液的作用。我在一年里操作實習中深深體會到作為一種優(yōu)質的鉆井液，要配制好一種優(yōu)質的鉆進液是科

21、學技術含量很高的技術技藝過程。鉆井液對鉆井的影響是很大的。2. 3 鉆井液性能2.3.1 鉆井液密度 鉆井液密度是指一定體積的鉆井液與其體積的比值。鉆井液密度的大小決定著鉆井液質量的大小，也決定著鉆井液液柱壓力的大小。密度大、質量就大，液柱壓力就大，反之就小。鉆井密度對鉆井的影響主要有兩點：一是平衡地層壓力。因為鉆井液具有質量，必然通過鉆井液對井底產生壓力。對井壁有一定的支撐力。該壓力可以平衡地層及油、氣、水層壓力。防止井口噴，保護和鞏固井壁，防止地層中的高壓油、氣、水浸入鉆井液而破壞鉆井液性能，導致井下復雜事故，如卡鉆、井壁塌落，油氣遭到破壞等。二是對鉆速的影響：鉆井液密度大，產生的液柱壓力

22、就大，鉆具在井內 轉動摩擦阻力就大。從而增加了動力消耗，加重了鉆頭研磨新地層的負擔，致使鉆速降低。而且密度過大易壓漏地層，破壞油氣滲透率，甚至還會把油氣壓死，增大了發(fā)現油氣藏的困難。要做到“壓而不死，活而不噴”，也就是鉆井液密度大，但不能把油氣壓死，鉆井液密度小，但不能發(fā)生井噴。2.3.2 鉆井液電導率鉆井液電導率的變化可以表征鉆井液黏土顆粒表面電位的變化、鉆井液濾液化學需氧量COD值的變化和鉆井液濾液礦化度的變化。該研究結果為評價鉆井液性能提供了一種簡單、快速、準確的分析手段。測定鉆井液的電導率主要目的是修正測井時地層的電導率值，近而判斷巖石巖性、油氣水顯示。一般測井對鉆井液的電導率的要求是

23、不小于0.20S/m,所以電導率是分析評價地層流體性質的一個重要參數，同時是檢測鉆井液中礦化度的基本方法。2.3.3 鉆井液體積在鉆井液循環(huán)過程中，測量鉆井液體積變化，及時發(fā)現鉆井液增加或減少?？梢员O(jiān)測出是否有泥漿漏失和地層流體進入，為及時預報井漏、井涌、井噴提供必不可少的安全資料。2.3.3 鉆井液流量在鉆井液循環(huán)過程中，鉆井液出口流量變化，與出口流量對比，可以監(jiān)測是否有泥漿漏失和地層流體進入，及時預報井漏、井涌、井噴提供有利依據。2.3.4 鉆井液溫度鉆井液的溫度的變化可直接反映地熱梯度，是監(jiān)測異常壓力的重要參數，監(jiān)測是否有鉆井液漏失和地層流體進入，及時預測井涌、井漏、井噴。2.4 鉆井液

24、對石油鉆井的影響為了防止和盡量減少油氣層的損失，保護油氣藏，鉆井液與鉆遇的油氣必須相配伍，也就是根據地層測試和鉆井的要求配制出優(yōu)質的鉆井液。如果鉆井液不符合地層測試的要求，不僅破壞了油氣層，而且大大影響了石油鉆井，使鉆井成空井，或者產油產氣低，嚴重影響了鉆井的經濟效益和社會效益。 當鉆井鉆到儲油層時，對鉆井液的要求也不同，鉆井液必須滿足鉆井工程和地質的要求，不然將對油氣層遭到破壞。嚴重地將發(fā)生噴井，使國家資源浪費，而且也是安全的隱患。2.5 鉆井液各項參數變化時可能發(fā)生的事故類型1、井漏井漏是最直觀的一種鉆井事故，通過地面鉆井液量的連續(xù)觀察能夠很容易發(fā)現。人工監(jiān)測井漏，由于不易掌握鉆井液總量的

25、變化和不能連續(xù)計量，不易發(fā)現滲漏和忽視小漏，也常常因為思想麻痹或脫崗不能及時發(fā)現突發(fā)性的大漏失，而造成復雜情況甚至錯過控制時機。綜合錄井儀實時監(jiān)測與井漏有關的各項參數的變化，并連續(xù)準確計量鉆井液體積，可直接反映參數的趨勢性變化，又快又準地判斷井漏的發(fā)生；在掌握區(qū)域和鄰井資料的情況下，抓住漏前預兆，可更準確預報井漏。在鉆進過程中，進行井漏監(jiān)測和預報的依據是鉆井液總體積、鉆井液出口流量的變化情況；在起下鉆過程中，監(jiān)測井漏的依據是監(jiān)測應灌入的鉆井液體積數量和應返出的鉆井液體積數量，判斷井漏是否發(fā)生。2、井涌在地層壓力的作用下，鉆井液和地層內的流體涌出井口的現象稱之為井涌。井涌發(fā)生的原因主要有以下幾點

26、：鉆于異常高壓地層，地層超壓驅動地層流體進入井眼形成井涌，這是最根本和最主要的原因。鉆井液密度因地層流體的不斷侵入而降低，形成負壓，負壓加劇地層流體的侵入又進一步加大負壓形成惡性循環(huán)，最后形成井涌。在井底壓力近平衡狀態(tài)下，停止循環(huán)時，作用于井底的環(huán)空壓耗消失，使井底壓力減小起鉆時未按規(guī)定灌鉆井液使井筒液面下降井漏時鉆井液補充不足使井筒液面下降，或漏速過大、備用鉆井液不足補充漏失量，加清水使鉆井液密度降低。起鉆時，特別是鉆頭出現“泥包”時，起鉆的抽吸作用誘發(fā)井涌。3、鹽侵鹽侵是在鉆遇含鹽膏地層時，由于鹽類的水溶性，遇到水基鉆井液時溶解在鉆井液中對鉆井液造成污染，導致鉆井液性能的改變。同時，含鹽膏

27、地層在受到鉆井液浸泡時會發(fā)生膨脹，已鉆開的鹽膏層在上覆地層壓力的作用下會發(fā)生塑性流動，造成井眼縮徑，可能導致鉆具阻卡乃至卡鉆事故的發(fā)生。鹽侵的監(jiān)測和預報對確保安全鉆進有很大作用。對鉆井液鹽侵進行監(jiān)測和預報所依據的主要參數是鉆井液電導率。鉆入鹽膏層，鉆速加快，對出現鹽侵情況時，電導率上升，上升幅度視鹽侵程度不同而有差異。鉆具上提、下放過程中可能會出現卡、阻現象，超拉力變化明顯，幅度較大4、油氣水侵油氣水侵是在地層壓力大于鉆井液液柱壓力的情況下，儲層中的油氣水進入鉆井液，影響鉆井液性能的一種現象，視流體性質不同，通常叫油、氣侵或水侵。油氣水相對于鉆井液而言，均是密度較低的流體，當發(fā)生油氣水侵時，會

28、導致鉆井液密度下降，進一步減小作用于井底的鉆井液液柱壓力，使油氣侵進一步加劇。如果不能及時發(fā)現并采取措施，會導致平衡鉆井失控，造成井涌、井噴等惡性事故的發(fā)生。在發(fā)生油氣水侵前會出現快鉆時、蹩跳鉆、放空現象的發(fā)生，這時就應予以重視。一旦油氣水侵發(fā)生，綜合錄井參數會有一系列的變化顯示，大鉤負荷增大、鉆井液密度減小、粘度增大、氣測烴類異常。油氣侵時電導率降低，水侵時電導率升高；增加幅度視地層水礦化度而異；鉆井液體積增加，出口流量增加。如果地層壓力高于鉆井液液柱壓力，且相差過大，油氣水侵會迅速發(fā)生，出現井涌現象。第三章 系統(tǒng)硬件設計 鉆井現場情況十分復雜，鉆井條件復雜多變，為了保證鉆井液池參數測量具有

29、一定的測量精度和可靠性，那么就要求系統(tǒng)硬件必須能夠適應不同環(huán)境的測量條件，減少了其對具體測量環(huán)境的依賴性，即使發(fā)生異常情況也能夠正常地進行工作。本章將從傳感器的選型、數據采集以及數據通信的實現等方面介紹該系統(tǒng)的硬件設計。3.1 硬件系統(tǒng)總體框架系統(tǒng)的硬件部分主要是完成對數據的采集、轉換、以及傳輸。硬件系統(tǒng)總體框架如圖3-1所示，主要包括以下幾個環(huán)節(jié)：1、傳感器環(huán)節(jié)。利用傳感器將現場需要監(jiān)測的參數信號轉換成電信號輸出；2、數據采集環(huán)節(jié)。主要包括多路選擇開關、放大濾波、A/D轉換電路等，并能完成多路數據的采集、放大和數模轉換；3、信號傳輸環(huán)節(jié)。利用MODBUS傳輸協(xié)議通過RS-485通訊傳輸線路將

30、數據傳輸到上位機中，在上位機上實現對數據的處理、顯示、存儲、打印等功能。圖3-1 硬件系統(tǒng)總體框架圖3.2 傳感器選型及安裝3.2.1 傳感器選型依據根據鉆井液池的監(jiān)測需求確定相應的監(jiān)測參數后，如何根據監(jiān)測參數具體的測量精度、測量方法以及測量環(huán)境合理地選用合適的傳感器，是對監(jiān)測參數進行測量時首先要解決的問題。1、確定傳感器的類型要進行個具體的測量工作，首先要做的是考慮采用基于何種原理的傳感器，因為，即使是測量同一個物理量，也有許多基于不同原理的傳感器可供選擇，到底是哪一種原理的傳感器最為合適，就需要根據被測量參數的特點以及傳感器的使用條件，考慮以下問題：傳感器量程的大小；傳感器精度大小；被測位

31、置對傳感器體積的具體要求；傳感器的測量方式；傳感器的來源，是國產的好還是進口的，價格是否在承受能力之內。在考慮到以上問題之后才能確定選用何種哪種類型的傳感器，再然后就是考慮傳感器的具體性能指標和參數。2、靈敏度的選擇通常，在傳感器的線性范圍之內，靈敏度越高時，與被測量變化參數對應的輸出信號的值才越大，更有利于信號輸出處理。但值得注意的是，傳感器的靈敏度越高，與被測量無關的外界噪聲也更容易混入其中，進而被放大系統(tǒng)放大，從而影響測量精度。因此，要求傳感器本身就具有較高的信噪比，以便盡量減少從外界引入的干擾信號。3、線性范圍傳感器的線性范圍就是指輸出與輸入成正比的區(qū)間，但是任何傳感器都不能保證它絕對

32、的線性度，所以當要求測量的精度比較低時，在一定范圍內，可將非線性誤差比較小的傳感器近似看作是線性的，這樣就可以為測量帶來更多的方便。4、穩(wěn)定性穩(wěn)定性是在傳感器使用了一定時間后，其性能保持基本不變的能力。影響傳感器穩(wěn)定性的因素除了傳感器本身結構以外，更主要的是傳感器的使用環(huán)境。所以在選擇具體傳感器之前，應該對其使用的環(huán)境進行了解，以便根據具體的環(huán)境選擇恰當的傳感器，也可以采取一些的措施，減小環(huán)境對其的影響。5、精度精度是傳感器非常重要的一個性能指標，它關系到整個監(jiān)測系統(tǒng)的測量精度。傳感器的精度越高，當然價格就越貴。因此，傳感器的精度只需滿足其需要的精度要求就可以了，也不必選得過高。 3.2.2

33、鉆井液密度傳感器鉆井液密度反映了鉆井液中的固相物資含量，可以監(jiān)測地層流體進入，及時預測井涌、井漏，計算地層壓力等提供實時參數，為調整鉆井液性能提供方案。1、測量原理 壓差式鉆井液密度傳感器是由兩個壓力感應元件和一個電容感應元件組成，見右圖正常工作時，密度傳感器垂直安裝在鉆井液中，兩個壓力感應元件在鉆井液中的深度是不同的。因為液體中物體所受的壓力與該物體所處的深度及液體的密度有關，而兩個壓力感應元件之間的距離恒定，因此其間壓差僅與鉆井液的密度有關。已知兩壓力感應元件間的壓差D。時，若其間距為H，根據以下可得出鉆井液密度值d：電容感應元件作用是用來接收來自兩個壓力感應元件的液壓差信號，將壓差轉化成

34、電容量，進而轉化成420mA的標準電流信號。2、傳感器選型 本系統(tǒng)采用成都新明程電子公司的XMC型密度傳感器。XMC型密度傳感器是專為泥漿作業(yè)環(huán)境而設計。是一種用于連續(xù)在線測量液體濃度和密度的設備，可直接用于工業(yè)生產過程中。XMD型密度傳感器采用差壓式密度傳感器的原理，能根據介質在一定垂直距離上的差壓值計算出密度值，并自動進行溫度補償,精度高,可靠性好,安裝使用簡單。 3、 傳感器技術指標 輸出：4-20mA電流輸出 精度：0.01克/立方厘米 密度量程：0-2.56克/立方厘米 儀表電源：24VDC 環(huán)境溫度：-1060 濕度范圍：0-90% 4、安裝位置 圖3-3 質量流量計安裝3.2.3

35、 鉆井液體積傳感器測量鉆井液體積變化，可以監(jiān)測是否有鉆井液漏失和地層流體進入，及時預測井涌、井漏、井噴。 1、 測量原理超聲波鉆井液體積傳感器是根據超聲波測距原理進行液面位置檢測的。傳感器由超聲波發(fā)射、接收裝置和變送器組成。超聲波發(fā)射裝置發(fā)射的超聲波，被物體表面反射回來后，由接收裝置接收。變送器將超聲波在發(fā)射與接收過程中所產生的信號轉換為標準電流信號。超聲波液位傳感器特點如下：測量精度高。響應時間短可以方便的實現無滯后的實時測量。非接觸測量，性能穩(wěn)定可靠，對液體的物理化學性質的適應性極強，不怕酸堿等強腐蝕性液體等。智能型超聲波液位傳感器是在超聲波液位傳感器的基礎上，使用微處理器作為控制核心而研

36、制開發(fā)的，具有傳統(tǒng)超聲. 2、傳感器選型 本系統(tǒng)選擇恩普儀表公司的EPM系列超聲波液位計，此液位傳感器內置溫度補償，功率自適應，采用多項自研的專利技術，擁有全新的信號處理技術，極大的提高了儀表的測量精度，對干擾回波有明顯得抑制功能。安裝、維護、標定簡單。具有安全、清潔、精度高、壽命長、穩(wěn)定可靠、安裝維護方便、讀數簡捷等特點。3、傳感器技術指標 測量范圍：03m、06m、010m 盲區(qū)：0.25m0.5m 測量精度：0.250.5 分辨率：1mm 方向角：46（全角） 壓力：4個大氣壓以下 顯示：自帶LCD顯示液位高度或空間距離 數字輸出：RS485接口、ModBUS協(xié)議或定制（四線制） 模擬輸

37、出：420mA 開關量：24路AC220V/3A（四線制） 防護等級：IP65 環(huán)境溫度：2060 供電電壓：四線制DC24V70mA/AC220V3W二線制DC24V4、安裝位置鉆井液體積傳感器是聲波發(fā)射和接收裝置，傳感器聲波探頭安裝在鉆井液罐上，安裝時必須要先在每個液罐面上遠離攪拌的桿、鉆井液流動比較平穩(wěn)地方焊割開一合適的口子。然后將特制的金屬架固定在鉆井液罐開口處，并調整探頭和固定桿臂長、方向、高度，使探頭的發(fā)射面與罐面保持300mm的垂直高度。 探頭信號線與入口接線盒相連接。如圖3-9所示：圖3-9 超聲波液位傳感器安裝位置圖3-5 鉆井液電導率傳感器安裝3.2.4 鉆井液流量傳感器隨

38、著人們對鉆井事故安全越來越關注，及時發(fā)現鉆井液溢流和漏失為鉆井液出口流量的測量提出了更高的要求，鉆井液出口流量變化，與入口流量對比，可以監(jiān)測是否有鉆井液漏失和地層流體進入，及時預測井涌、井漏、井噴。1、測量原理電容式靶式流量計主要由測量管（外殼）、新型電容、力傳感器、阻流件、積算顯示和輸出部分組成。當介質在測量管中流動時，因其自身的動能通過阻流件（靶）時而產生的壓差，并對阻流件有一作用力，其作用力的大小與介質流速的平方成正比，其數學方式表達如下：F=CdAV2/2式中：F 阻流件所受的作用力（kg） Cd物體阻力系數 A 阻流件對測量管軸向投影面積(mm2) 工況下介質密度（kg/m3） v

39、介質在測量管中的平均流速(m/s)阻流件(靶)接受的作用力F，經剛性連接的傳遞件（測桿）傳至電容力傳感器，電容力傳感器產生電壓信號輸出：V=KF式中：V電容力傳感器輸出的電壓（mV）， K比例常數， F阻流件（靶）所受的作用力（kg）。2、傳感器選型 雖然可以精確測量液體流量的傳感器較多，如電磁流量傳感器、渦輪流量傳感器、超聲波流量傳感器等等，但是受鉆井現場安裝條件和鉆井液性能的影響，目前能夠有效用于鉆井液出口流量測量的傳感器并不是很多，綜合錄井比較常用的是靶式流量傳感器。這種靶式流量傳感器在錄井過程中主要用于測量鉆井液出口流量的相對變化，其精度較低。這里我們選擇天津克萊瑞科技有限公司 KBL

40、系列靶式流量計，其主要用于解決高粘度，低雷諾數流體的流量測量。KBL系列靶式流量計則以先進的壓敏電阻應變片技術為基本，加之更為科學、合理的結構設計，極大地提高了測理精度及可靠性；同時采用數字技術和微電子技術，將檢測到的傳感信號轉變?yōu)?-20mA信號正比輸出，現場直觀液晶顯示瞬時流量和累積流量。適用于各種氣體、液體及蒸汽等介質的測量，如圖3、傳感器技術指標 口徑：DN15DN3000mm 公稱壓力：0.0142MPa 工況溫度：-196+500 精度：0.21.5%FS 量程比：1：15 殼體：碳鋼；不銹鋼(或按用戶要求提供)(襯氟) 供電方式：內置3.6VDC鋰電池；外供24VDC（可選） 輸

41、出信號：420mA二線制；脈沖01000HZ；RS232/RS485 防護等級：IP65 IP67 4、安裝位置 在正常的條件下，電容式靶式流量計像閥門那樣螺栓固定在管道上的。為了保證使用流量傳感器時里面不會存積氣體或者液體殘值，對于彎管型流量計，側量氣體時，彎管應朝上，側量液體，彎管應朝下。而測量排放液或漿液時，應將傳感器安裝在垂直的管道，流向是由下而上。但對于直管型流量計，水平安裝時應該要避免將其安裝到最高點上，以避免氣團存積己連接傳感器和工藝管道內，并且安裝一定要做到無應力安裝，特別對某些直管型側量管的流量傳感器更應該注意。如圖3-3所示：圖3-3 電容式靶式流量計圖3-7 立壓傳感器安

42、裝3.2.5 鉆井液溫度傳感器 鉆井液溫度的變化可間接反映地熱物資含量，是監(jiān)測異常壓力的重要參數。1、測量原理 工業(yè)用熱電阻分鉑熱電阻和銅熱電阻兩大類。熱電阻是利用物質在溫度變化時自身電阻也隨著發(fā)生變化的特性來測量溫度的。熱電阻的受熱部份(感溫元件)是用細金屬絲均勻地雙繞在絕緣材料制成的骨架上。當被測介質中有溫度發(fā)生變化時，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內介質中的平均溫度。2、傳感器選型 本系統(tǒng)選擇上海坦?jié)娗餇栯娖骺萍脊镜腤ZP鎧裝式PT100熱電阻溫度傳感器，此傳感器可對-200600溫度范圍內的氣體、液體介質和固體表面進行自動檢測，并且可直接用銅導線和二次儀表相連接使用，由于它具有良好的

43、電輸出特性，可為顯示儀、記錄儀、調節(jié)器、 掃描器、數據記錄儀以及電腦提供精確的輸入值。鎧裝電阻外保護管采用不銹鋼，內充滿高密度氧化物質絕緣體，因此它具有很強的抗污染和優(yōu)良的機械強度，適合安裝在環(huán)境惡劣的場合。熱電阻式溫度傳感器3、傳感器技術指標 溫度系數：TCR=3850ppm/K 規(guī)范：DIN EN 60751（符合IEC751） 長期穩(wěn)定性：R0漂移小于等于0.04 （500，1000小后） 抗振動等級：至少40g加速度（10-2000Hz） 自熱系數：0.4KmW（0時） 響應時間：水0.4m/s t0.5=0.05S t0.9=0.15S 空氣2m/s t0.5=3.0S t0.9=1

44、0.0S 測量電流：PT100 0.3-最大1.0 mA PT1000 0.1至0.3mA4、安裝位置 圖3-9 超聲波液位傳感器安裝位置3.2.6 鉆井液電導率傳感器監(jiān)測鉆井液電導率的變化，根據變化趨勢監(jiān)測是否有地層流體進入，判斷侵入鉆井液中地層流體的性質。1、測量原理 電導率傳感器采用感應元件的兩個線圈，一個稱為初級線圈，一個稱為次級線圈。給初級線圈提供一個20kHz的交變電流驅動信號，在其周圍產生一個交變電磁場，在次級線圈中感應出電流。當傳感器處于空氣中時，由于空氣的磁導率很小，在次級線圈中感應出的電流很小。設想有一根導線通過兩磁環(huán)而閉合，那么初級線圈中磁通的變化會在該閉合導線中感應出電

45、流，而該電流又會在次級線圈中感應出電信號，而且次級線圈中感應電勢的大小，取決于閉合導線中電流值。當初級線圈中所加的交流電壓一定時，該電流值的大小又由閉合導線的電流值決定。綜上所述，次級線圈感應電勢的大小，完全取決于閉合導線的電阻值。這兩個線圈和導線可以看作是兩個理想變壓器。如果把初級線圈置于鉆井液中，則鉆井液就起了閉合導線的作用。在理想情況下，次級線圈輸出電壓的大小與鉆井液的電阻率成反比。 2、傳感器選型本系統(tǒng)采用北京科思佳公司生產的k2425911型電導率傳感器。該產品有溫度自動補償功能。對液體在線檢測時，可將被檢測液體的電導率自動補償到標準為25時的電導率值。因此，本傳感器除能在正常環(huán)境下

46、工作外，還能適應于在晝夜溫差大的環(huán)境下工作或者在特殊加熱環(huán)境下工作。變送器信號采用的是二線制方式輸出，輸出的電流信號為4 - 20mA，該標準信號可以免受外部電磁信號的干擾，方便遠距離的傳輸、檢測和控制。該傳感器沒有電極老化的問題，二位手動量程開關組合檔。圖3-6 電導率傳感器 3、傳感器技術指標 輸入電壓： DC24V 輸出電流： 420mA 輸出接線方式：二線制；三線制線性精度： 0.3 溫度補償范圍： 0+90 變送器工作溫度： -20+70或-45+70探頭（傳感器）工作溫度：-20+80 4、傳感器安裝位置鉆井液電導率傳感器是將傳感器固定在管道支架上，安裝時應注意將傳感器探頭的圓孔與

47、緩沖罐泥漿溜出口對著，然后將其探頭信號延長線與出口接線盒出口電導率相連接。如圖3-5所示：圖3-5 鉆井液電導率傳感器安裝3.2.8 現場傳感器安裝位置示意圖圖3-14 現場傳感器安裝示意圖3.3 數據采集與數據通信的實現3.3.1 數據采集模塊選型依據數據采集模塊的選擇對數據采集和轉換的精確性有很大影響，選用數據采集模塊時應要考慮的因素有以下四點:1、通道數：指的是輸入通道數量。它取決于系統(tǒng)所要監(jiān)測的參數的數量；2、分辨率：指的是數據采集設備能夠區(qū)別兩個鄰近模擬電壓的能力，它反映了A/D轉換器所能分辨的模擬輸入信號的最小變化量，一般用A/D轉換的位數來表示；3、輸入模擬信號范圍：傳感器輸出的

48、模擬信號必須處于所選數據采集卡輸入信號的范圍內，這樣才能夠被數據采集卡準確處理；4、最高采樣頻率：采樣頻率指的是采集設備采集數據時，相鄰兩個數據時間間隔的倒數。而最高采樣頻率則指采集設備所允許最小時間間隔的倒數，根據采樣定理得，選用數據采集設備時，其最高采樣頻率必須大于被測信號最高頻率的2倍。3.3.2 數據采集模塊選型本系統(tǒng)選用北京阿爾泰AD、DA數據采集卡PCI8735型數據采集模塊。該模塊支持C+Builder、VB、Delphi、Labview、VC、LabWindows/CVI、組態(tài)軟件等語言的平臺驅動簡易示例程序（了解板卡的工作流程，包括板卡的各種初始化設置，數據的讀取）高級演示程

49、序（包括波形顯示、連續(xù)不間斷大容量存盤、高級數據分析等功能）工程級源代碼開放，可直接編譯通過。該模塊的主要技術指標如下： 圖3-3-2 數據采集卡圖 1、AD 模擬量輸入功能轉換器類型：AD7321輸入量程(InputRange)：10V、5V、2.5V、010V轉換精度：13位(Bit)，第13位為符號位采樣速率：最高系統(tǒng)通過率500KHz，不提供精確的硬件分頻功能說明：各通道實際采樣速率 = 采樣速率 / 采樣通道數模擬輸入通道總數：32路單端，16路雙端采樣通道數：軟件可選擇，通過設置首通道(FirstChannel)和末通道(LastChannel)來實現的說明：采樣通道數 = Las

50、tChannel FirstChannel + 1通道切換方式：首末通道順序切換AD轉換時間：1.6us程控放大器類型：AD8251(兼容AD8250)程控增益：1、2、4、8倍(AD8251)或1、2、5、10倍(AD8250)模擬輸入阻抗：20M非線性誤差：1LSB系統(tǒng)測量精度：0.1%工作溫度范圍： -40 +85存儲溫度范圍：-40 +1202、DI 數字量輸入功能通道數：16路電氣標準： TTL兼容高電平的最低電壓：2V低電平的最高電壓：0.8V3、DO數字量輸出功能通道數：16路電氣標準： TTL兼容高電平的最低電壓：2.4V低電平的最高電壓：0.5V上電輸出：低電平3.3.2 數

51、據采集模塊的使用方法1、AD單端輸入連接方式單端方式是指使用單個通道實現某個信號的輸入，同時多個信號的參考地共用一個接地點。此種方式主要應用在干擾不大，通道數相對較多的場合?？砂聪聢D連接成模擬電壓單端輸入方式，32路模擬輸入信號連接到AI0AI31端，其公共地連接到AGND端。 圖3-3-2 AD單端輸入連接方式2、 AD雙端輸入連接方式雙端輸入方式是指使用正負兩個通路實現某個信號的輸入，該方式也叫差分輸入方式。此種方式主要應用在干擾較大，通道數相對較少的場合。單、雙端方式的實現由軟件設置，請參考PCI8735軟件說明書。PCI8735板可按下圖連接成模擬電壓雙端輸入方式，可以有效抑制共模干擾

52、信號，提高采集精度。16路模擬輸入信號正端接到AI0AI15端，其模擬輸入信號負端接到AI16AI31端，現場設備與PCI8735板共用模擬地AGND。 圖3-3-2 AD雙端輸入連接方式3、 數據采集程序設計流程 1、選擇通道 2、啟動采樣保持器采樣 3、延時程序 4、啟動采樣保持器保持 5、啟動A/D轉換 6、判斷A/D轉換是否結束，若轉換完畢，程序轉入7 若轉換仍在進行，程序返回5 7、去A/D轉換結果：分兩次讀取，先取高8位，然后取出低四位，取出的數十六位，低四位為零。 3.3.3 數據通信1、通信方式RS-232、RS-422和RS-485都是串行數據接口標準，它們最初都是由電子工業(yè)

53、協(xié)會（EIA）制訂并發(fā)布的。RS-232于1962年發(fā)布的，命名為EIA-232-E，作為工業(yè)標準，為了保證不同廠家產品之間的兼容。RS-422是經過RS-232發(fā)展而來的，為了改進RS-232通信距離短、速率低等的不足，為RS-422定義了一種平衡通信接口，把傳輸速率提高至10Mb/s，傳輸距離也達到4000英尺（速率低于100kb/s時），并允許在一條平衡總線上連接最多有10個接收器。并為擴展應用范圍，電子工業(yè)協(xié)會又于1983年在RS-422的基礎上制定了RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，即是允許多個發(fā)送器連接到同一個總線上，并且同時增加了發(fā)送器的驅動能力和沖突保護的特性，擴展了

54、總線共模范圍幅度，后更名為TIA/EIA-485-A標準。 規(guī)格RS-232RS-422RS-485節(jié)點數1發(fā)1收1發(fā)10收1發(fā)32收工作方式單端差分差分傳輸速率20kb/s 10Mb/s 10Mb/s 傳輸電纜50英尺400英尺400英尺輸出電壓+/-25V-0.25V+6V-7V+12V表3-3 串行數據接口標準比較從上表可以看出，與RS-232和RS-422比較，由于RS-485更能適于多點相互連接和遠距離的數據的傳輸，它所具有的數據傳輸速率、噪聲抑制能力、電纜長度及可靠穩(wěn)定性是其他兩種標準無法比擬的，明顯更適合聯網所構成分布式系統(tǒng)。因此，本系統(tǒng)設計選用的是RS-485串行通信方式。2、

55、RS-485轉RS-232模塊但是一般的計算機上的通訊接口電路只有RS-232接口，所以為了建起數據采集端口和工控機的數據通信的橋梁，就需要將RS-485標準轉換為RS-232標準。本系統(tǒng)設計選用的是北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司生產的 DAM-3210型RS-485轉變RS-232模塊，該模塊的主要技術參數如下： 輸入：RS-232標準 輸出：RS-485標準 支持多種傳輸速率和數據格式 通訊速度自適應 電源：+10+30VDC 圖3-16 DAM-3210模塊 隔離：3000VDC 內置看門狗 3.3.4 數據采集總體框架 數據采集與通信通過分布式數據采集、RS - 485串口通信方式以及RS

56、-485轉換RS-232模塊最終實現將各個傳感器輸出的標準4-20mA信號傳輸入工控機中。下面是實物連接方式如圖3-17： 圖3-17 數據采集總體框架圖第四章 系統(tǒng)軟件設計通常，在鉆井作業(yè)中都是通過錄井錄取鉆井工程資料的信息，再經綜合分析后，獲得鉆井工況、事故等信息。目前我國錄井錄取工程資料技術還比較落后，原因之一就是缺乏一套適于井場使用的行之有效的實時監(jiān)測軟件系統(tǒng)。溢流及漏失實時監(jiān)測系統(tǒng)就是針對以上問題而開發(fā)的。本系統(tǒng)采用力控Forcecontrol 6.1.3組態(tài)軟件開發(fā)，該軟件具有強大的界面顯示功能、良好的開放性和豐富的功能模塊等優(yōu)勢，從而實現對鉆井過程中溢流、漏失等井下復雜情況的實時

57、監(jiān)測。4.1 開發(fā)軟件平臺介紹4.1.1 組態(tài)軟件簡介組態(tài)軟件是過程控制和數據采集中的專用軟件，它為用戶提供了簡捷的操作方法和良好的開發(fā)界面，其預設置的各種軟件功能模塊可以非常容易實現和完成監(jiān)控層的各項功能，同時還能與各種硬件廠家的計算機和I/O設備相連，與高可靠的工控計算機及網絡系統(tǒng)相結合，為控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，實現系統(tǒng)集成。工業(yè)組態(tài)軟件主要具有以下幾個特點： 1、延續(xù)性和可擴充性。利用通用工業(yè)組態(tài)軟件開發(fā)的應用工程項目，當現場或用戶的需求發(fā)生變化時，不需要做很多的修改而方便地完成軟件的更新和升級。 2、封裝性（易學易用）。通用工業(yè)組態(tài)軟件所能完成的功能都用一種方便用戶使用

58、的方法封裝起來，用戶不需要掌握太多的編程語言技術，就可以很好地實現一個復雜工程所要求的所有功能。 3、通用性。每個用戶根據工程的實際情況，采用通用工業(yè)組態(tài)軟件提供的底層設備(包括：PLC、智能模塊、智能儀表、變頻器、智能儀表等)的I/O Driver、開放式的畫面制作工具和數據庫，就可以完成一個具有動畫效果、實時數據處理、歷史數據處理、數據和曲線并存、具有多媒體功能和網絡功能的工程，且不受行業(yè)的限制。4.1.2 SQL Server 2008數據庫簡介SQL(Structured Query Language)，結構化查詢語言。SQL語言的主要功能就是同各種數據庫建立聯系，進行溝通。按照ANSI(美國國家標準協(xié)會)的規(guī)定，SQL被作為關系型數據庫管理系統(tǒng)的標準語言，它可以用來執(zhí)行各種各樣的操作，例如更新數據庫中的數據，從數據庫中提取數據等。絕大多數流行的關系型數據庫管理系統(tǒng)都采用了SQL語言標準。SQL Server 2008是一個重大的產品版本，