解 慶 白玉新 羅 翔 程召江

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所 北京 100076)

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·開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)·

井上泥漿壓力脈沖信號(hào)的無(wú)線高速采集與傳輸系統(tǒng)*

解 慶 白玉新 羅 翔 程召江

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所 北京 100076)

為了實(shí)現(xiàn)接收與解調(diào)井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具上行傳輸?shù)哪酀{脈沖信號(hào)，設(shè)計(jì)了一種復(fù)合型泥漿壓力采集與傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備高精度、高速率、抗干擾及高可靠的信號(hào)采集性能，不僅兼容電壓型和電流型壓力傳感器兩種采集模式，同時(shí)也兼容無(wú)線型和有線型兩種數(shù)據(jù)傳輸模式。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向；泥漿脈沖信號(hào)；高速采集；無(wú)線傳輸

0 引 言

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具在井下工作時(shí)需要實(shí)時(shí)地與地面進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)的上傳和下傳是根據(jù)專用的通信協(xié)議調(diào)整鉆井管道中的泥漿壓力的脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一方面，井下鉆井工具通過(guò)改變泥漿壓力脈沖頻率不間斷地向地面?zhèn)鬏斁鹿ぞ叩母鞣N狀態(tài)參數(shù)；另一方面，地面通過(guò)改變泥漿壓力脈沖頻率對(duì)井下工具進(jìn)行指令的下傳。

由于從井下幾千米的深井向地面?zhèn)魉偷哪酀{壓力脈沖信號(hào)很微弱并且受到很多諧波干擾，地面的接收設(shè)備需要具備高分辨率、高性能濾波、抗干擾的泥漿壓力脈沖采集能力，并且采集到的數(shù)據(jù)需要高速率、高可靠、無(wú)丟包地從井上現(xiàn)場(chǎng)向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心傳送，再經(jīng)過(guò)解碼和數(shù)據(jù)處理后由操作人員實(shí)施監(jiān)控。

針對(duì)井上泥漿壓力脈沖信號(hào)的采集與傳輸，設(shè)計(jì)了一種具備無(wú)線信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸能力的高精度、高速率、抗干擾的泥漿壓力采集與傳輸系統(tǒng)。

1 總體方案設(shè)計(jì)與技術(shù)指標(biāo)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

本文所述的井上泥漿壓力無(wú)線高速采集系統(tǒng)也可以被稱為“電壓/電流復(fù)合型收發(fā)一體系統(tǒng)”，是電流型和電壓型、無(wú)線型和有線型一體化集成采集系統(tǒng)，不僅兼容了電壓型傳感器和電流型傳感器兩種采集模式，也集成了無(wú)線傳輸和有線傳輸兩種數(shù)據(jù)傳輸形式，實(shí)現(xiàn)泥漿壓力脈沖信號(hào)的采集、發(fā)送和接收的通用一體化，根據(jù)井上現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和需求來(lái)進(jìn)行選擇和搭配。

系統(tǒng)的各項(xiàng)功能指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2 電壓型無(wú)線采集方式

如圖1所示，電壓型泥漿壓力傳感器安裝在井口的泥漿管道上，作為發(fā)射機(jī)的無(wú)線高速采集系統(tǒng)放置在泥漿壓力傳感器附近，通過(guò)短電纜與之相連接，另一臺(tái)無(wú)線高速采集系統(tǒng)作為接收機(jī)放置在遠(yuǎn)處的監(jiān)控中心里與PC通過(guò)USB相連接。兩臺(tái)無(wú)線高速采集系統(tǒng)通過(guò)天線進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

表1 技術(shù)指標(biāo)

圖1 電壓型無(wú)線高速采集傳輸方式

泥漿壓力轉(zhuǎn)換為0.5 mV～4.5 V的電壓信號(hào)后通過(guò)電纜進(jìn)入無(wú)線高速采集系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部的電壓跟隨器和6階低通濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波，去除諧波干擾，然后經(jīng)過(guò)24 bitADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行高速采樣和數(shù)字量化，輸出達(dá)到50 Hz的24位高精度數(shù)字信號(hào)[1]，再經(jīng)SPI總線傳輸給單片機(jī)數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)一步進(jìn)行軟件濾波和數(shù)據(jù)調(diào)度，最后通過(guò)UART串行傳輸方式發(fā)送給433 M射頻發(fā)送器進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。

監(jiān)控中心里的無(wú)線高速采集系統(tǒng)任務(wù)是接收到433 M射頻信號(hào)后通過(guò)UART傳輸給單片機(jī)數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)和調(diào)度，然后發(fā)送給TTL—USB轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為USB信號(hào)給PC進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控[2]。

1.3 電流型有線采集方式

如圖2所示，電流型泥漿壓力傳感器安裝井口的泥漿管道上，通過(guò)一條長(zhǎng)屏蔽電纜與遠(yuǎn)處監(jiān)控中心里的無(wú)線高速采集系統(tǒng)相連接，此方式只需一臺(tái)無(wú)線高速采集系統(tǒng)就可完成采集與傳輸任務(wù)。

電流型壓力傳感器將泥漿壓力轉(zhuǎn)換為4 mA～20 mA的電流信號(hào)后通過(guò)屏蔽電纜進(jìn)入遠(yuǎn)處監(jiān)控中心里的無(wú)線高速采集系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部電流采集電路和6階低通濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波去除諧波干擾，然后經(jīng)過(guò)24 bitADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行高速采樣和數(shù)字量化，輸出達(dá)到50 Hz的24位高精度數(shù)字信號(hào)[1]，再經(jīng)SPI總線傳輸給單片機(jī)數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)一步進(jìn)行軟件濾波和數(shù)據(jù)調(diào)度，最后通過(guò)TTL—USB轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為USB信號(hào)給PC進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控。

圖2 電流型有線高速采集傳輸方式

2 電路設(shè)計(jì)

無(wú)線高速采集系統(tǒng)由大容量鋰電池組、電池管理電路、單片機(jī)處理單元、433 M無(wú)線射頻電路、24 bitADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器、2通道6階低通濾波器、USB-TTL轉(zhuǎn)換電路、5 V-15 VDCDC模塊、雙高邊開(kāi)關(guān)電路構(gòu)成，系統(tǒng)內(nèi)部功能如圖3所示。

大容量鋰電池組采用6根松下可充電式18650-3 100 mAh鋰電池并聯(lián)組成，由電池管理電路進(jìn)行電源穩(wěn)壓處理對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)功能組件供電；單片機(jī)處理單元采用Microchip公司的PIC18F25K80微處理器作為核心控制單元，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)模塊起到總線通信、數(shù)據(jù)調(diào)度、開(kāi)關(guān)控制和軟件濾波等的作用[3]；高精度24 bit模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采用TI公司ADS1216高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換微處理器作為核心單元，對(duì)0.5 V～4.5 V壓力脈沖的電壓信號(hào)或0～20 mA壓力脈沖的電流信號(hào)進(jìn)行24位精確數(shù)字量化[4]；低通濾波器采用TI公司OPA2333運(yùn)算放大器配合阻容元件設(shè)計(jì)為截止頻率5 Hz的6階低通濾波器，有效濾除脈沖信號(hào)的低頻雜波和干擾；高邊開(kāi)關(guān)由P溝道和N溝道MOS管組成，由單片機(jī)控制對(duì)電流型或電壓型進(jìn)行采集切換；433 M無(wú)線收發(fā)器應(yīng)用TI公司的433 MHz中頻超低功耗的無(wú)線方案，采用CC1101射頻收發(fā)器作為核心處理器，傳輸功率等級(jí)達(dá)到+10 dBm，最大功率只有10 mW，且空中速率達(dá)到15 kbps，最大傳輸距離達(dá)到500 m，滿足脈沖信號(hào)的高速率射頻傳輸需求[2]；USB-TTL轉(zhuǎn)換電路將單片機(jī)處理完畢的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB信號(hào)傳給PC進(jìn)行監(jiān)控；5 V～15 V DCDC模塊為電流型壓力傳感器供電。

無(wú)線高速采集系統(tǒng)上電時(shí)需要通過(guò)PC進(jìn)行系統(tǒng)初始化，通過(guò)軟件將無(wú)線高速采集系統(tǒng)配置為電流型采集系統(tǒng)或者電壓型采集系統(tǒng)，并且將電壓型采集系統(tǒng)進(jìn)一步配置為發(fā)射機(jī)或者接收機(jī)。初始化配置完畢后連接相應(yīng)的電纜即可進(jìn)入到相應(yīng)的工作狀態(tài)，當(dāng)電池容量下降到一定程度時(shí)會(huì)有提示報(bào)警，及時(shí)充電或者更換另一臺(tái)無(wú)線高速采集系統(tǒng)以滿足井上長(zhǎng)時(shí)間工作。

圖3 無(wú)線高速采集系統(tǒng)內(nèi)部功能圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具下入1 000 m實(shí)驗(yàn)井，將3臺(tái)高速采集系統(tǒng)組合配置為兩種不同模式：電壓型無(wú)線采集方式和電流型有線采集方式，通過(guò)PC上的測(cè)試軟件同時(shí)對(duì)不同方式下采集到的泥漿信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。

無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)：將一臺(tái)配置為“無(wú)線發(fā)送系統(tǒng)”，安置在泥漿管道處與電壓型壓力傳感器相連接，另一臺(tái)配置為“無(wú)線接收系統(tǒng)”，安置在監(jiān)控中心里與PC連接。

有線傳輸系統(tǒng)：將一臺(tái)配置為“電流型有線傳輸系統(tǒng)”，安置在監(jiān)控中心里與PC連接，并通過(guò)長(zhǎng)距離電纜與泥漿管道處的電流型壓力傳感器連接。

圖4與圖5分別表示電流型有線采集方式和電壓型無(wú)線采集方式采集到的泥漿壓力信號(hào)?？梢钥闯?，兩種方式都可以清晰得到泥漿壓力信號(hào)，分辨率都能滿足要求。但在抗干擾性方面，電流型有線采集方式要更加優(yōu)于電壓型無(wú)線采集方式，因?yàn)闊o(wú)線射頻通信更易受到井場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾。

圖4 電流型有線采集方式下采集到的泥漿壓力信號(hào)

圖5 電壓型無(wú)線采集方式下采集到的泥漿壓力信號(hào)

4 結(jié)束語(yǔ)

分析了復(fù)合型泥漿壓力采集與傳輸系統(tǒng)的工作原理與參數(shù)設(shè)計(jì)，并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不僅適合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具、垂直鉆井工具的上傳數(shù)據(jù)接收和解調(diào)，還可以廣泛應(yīng)用在其他需要采集壓力脈沖信號(hào)的高端智能鉆具的井上泥漿壓力采集上，是具備遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸能力的高精度、高速率、抗干擾的泥漿壓力采集與傳輸系統(tǒng)。

目前本系統(tǒng)已應(yīng)用在自主研發(fā)的8.5 in旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具和16 in、12 in垂直鉆井工具中，成功進(jìn)行了井下實(shí)驗(yàn)。

[1] 李 彩,柯天存,盧桂新,等. 新型8通道24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1216及其應(yīng)用[J]. 國(guó)外電子元器件，2004,10(4)：26-38.

[2] 李快快,張 東.一種433MHz無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].信息技術(shù)，2014，37(1)：56-59.

[3] 龔黎明,辜承林.基于PIC18F系列單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2004，20(8)：38-40.

[4] 周 超,李春茂.新型8通道24位Δ-Σ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1256的原理及應(yīng)用[J].國(guó)外電子元器件， 2005,11(6)：20-22.

Wireless Acquisition and Transmission System for Mud Pulse Signals

XIE Qing BAI Yuxin LUO Xiang CHENG Zhaojiang

(BeijingResearchInstituteofPreciseMechanicalandElectronicControlEquipment;Beijing100076,China)

In order to receive and demodulate the mud pulse signals of rotary steerable tool in downhole, We developed a compound mud pressure acquisition and transmission system. The system is not only compatible with voltage type and current type pressure sensors, but also compatible with wireless and wired data transmission mode.

rotary steerable tool， mud pulse signal， high speed data acquisition， wireless transmission

國(guó)家科技重大專項(xiàng)大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)(5021-001)

解 慶，男，1984年生，碩士研究生，2009年畢業(yè)于四川工業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)，現(xiàn)在北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所從事研發(fā)工作。E-mail：olgyefeng@163.com

TN

A

2096-0077(2015)01-0020-03

2014-07-31 編輯：姜婷)