宋華軍， 周光兵， 于 瑋

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266555)

0 引 言

鉆柱的振動信號是一種信息含量豐富、成分復雜的振動波,信號中包含了鉆柱和鉆頭自身工況引起的振動,鉆頭與地層相互作用所激發(fā)的振動，鉆柱與井壁相互碰撞及黏卡釋放引起的振動等。鉆柱的振動信號特征反映了井下鉆具的工作狀態(tài)[1-3]。在鉆柱內(nèi)安裝一個三軸振動傳感器，對鉆柱振動信號進行監(jiān)測和記錄，利用快速傅里葉變換和小波變換處理振動頻譜提取和識別鉆柱的振動特征[4]，判斷鉆柱的井下工作狀態(tài),對可識別出的鉆柱非穩(wěn)定工作狀態(tài)、鉆柱黏卡、鉆頭故障等異常工況進行預警，對提高鉆進速度，預防鉆柱和鉆頭的早期損壞，減少鉆井事故的發(fā)生都具有重要作用[5-6]。

為讓學生直觀分析鉆井信號振動信息，培養(yǎng)學生對井下鉆井平臺異常工況的判斷能力，基于實驗室鉆井仿真平臺設(shè)計一款鉆柱振動測量儀。當前一些鉆柱振動信號采集裝置通過采集地面上的振動信號進行分析處理來判別鉆具的工作狀態(tài)，進行相關(guān)實驗分析。但此種方法不能完全反映出鉆頭鉆柱井下的工作狀態(tài)，失真較大[7-8]。同時，由于井下環(huán)境復雜，無法將測量儀數(shù)據(jù)通過有線或無線的方式傳輸?shù)降孛?。本文設(shè)計出一款帶有數(shù)據(jù)存儲功能的加速度測量儀,該測量儀安裝在鉆井仿真平臺的鉆頭附近，對鉆頭振動信號實時采集存儲[9],其體積小，安裝方便，存儲容量大，具備井下測量的優(yōu)勢，能夠反映鉆具在井下的真實工作狀態(tài)和受力狀況。采用的微機電系統(tǒng)(MEMS)加速度傳感器MPU6050相比傳統(tǒng)的器件具有尺寸小、成本低和電路可以單片集成等優(yōu)勢[10-11]。

1 振動采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 振動采集系統(tǒng)整體硬件設(shè)計

振動加速度測量儀的硬件部分主要功能是實現(xiàn)對鉆頭空間三維運動的加速度采集、存儲與信號處理,硬件部分的總體構(gòu)架圖如圖1所示。

圖1 硬件設(shè)計架構(gòu)

鉆柱振動采集系統(tǒng)由下位機子系統(tǒng)和上位機子系統(tǒng)組成。下位機包括微處理器STM8L152、加速度傳感器MPU6050、電源及穩(wěn)壓器、晶振以及存儲器TF卡。MPU6050傳感器的主要工作是采集鉆柱x、y、z軸方向上的加速度數(shù)據(jù)，并完成對采集的模擬信號的濾波、A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)字信號輸出的功能。存儲器(TF卡)用于存儲傳感器采集的加速度數(shù)據(jù)。穩(wěn)壓器可以濾除鋰電池輸出的電源紋波。STM8L152控制器負責讀取加速度傳感器中的振動信息，將數(shù)據(jù)通過FAT文件系統(tǒng)以HEX格式在TF卡中進行保存。上位機子系統(tǒng)主要包括PC機以及在PC機上運行的ShowHex格式轉(zhuǎn)換軟件和編寫的繪圖軟件。通過ShowHex將保存有振動信息的HEX文件轉(zhuǎn)換成直觀易于處理的TXT文件，隨后運行繪圖控件對采集到的信息進行繪圖，將三軸振動信息直觀表達出來并進行分析[12]。

1.2 微型控制器

微型控制器(MCU)是微型隨鉆軌跡振動加速度測量儀硬件電路的核心部分，測量儀的工作環(huán)境具有安裝位置有限，工作強度高，測量時間長，測量頻率高的特點。根據(jù)以上的特點，選用意法公司的STM8L152作為硬件部分的控制器。STM8L152處理器具有超低功耗的特性，測量儀微控制器部分原理圖如圖2所示。

圖2 STM8微型控制器原理圖

1.3 加速度傳感器

系統(tǒng)中選擇的振動加速度傳感器是InvenSense Inc.的集成了三軸陀螺儀和三軸加速度計的芯片MPU6050。MPU6050對陀螺儀和加速度計分別用了3個16位的ADC，將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。一個片上1 024 Byte的FIFO，有助于降低系統(tǒng)功耗。為了精確跟蹤快速和慢速的運動，傳感器的加速度計可測范圍為±2g，±4g，±8g，±16g。加速度分辨率為：6.1×10-5g，角速度分辨率為:7.6×10-3(°)/s。測量儀MPU6050部分原理圖如圖3所示。

圖3 加速度傳感器原理圖

1.4 電 源

針對測量儀微型化以及測量時間長的要求，測量儀使用了微型聚合物鋰電池作為電源部分。其大小僅為26 mm×12 mm×4.5 mm，容量可達到150 mA·h。測試續(xù)航時間為6 h，符合小尺寸，大容量的要求,其外形如圖4所示。

圖4 聚合物鋰電池外形圖

1.5 測量儀整體實物圖

設(shè)計的振動加速度測量儀體積36 mm×18 mm×14 mm，運用3D打印技術(shù)打印ABS材質(zhì)外殼，可以有效地保護內(nèi)部的測量儀，方便安裝到油田鉆井開發(fā)模擬平臺中。實物如圖5所示。

圖5 振動加速度測量儀

2 振動采集系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

鉆井過程中，井下鉆柱振動信號頻率一般不超過200 Hz[13-14]。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，即采樣頻率大于被測信號的2倍。為準確反映鉆柱井下工作環(huán)境，設(shè)定振動加速度測量儀每秒采集500次振動加速度數(shù)據(jù)，這需要對數(shù)據(jù)快速的讀寫操作。振動采集系統(tǒng)軟件框圖如圖6所示。

由于對TF卡擦寫扇區(qū)耗時較長，又要保證500 Hz的采樣速率，程序采用了雙緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和采集緩沖區(qū)。中斷函數(shù)采集數(shù)據(jù)后首先存放于采集緩沖區(qū)，當確定數(shù)據(jù)緩沖區(qū)未滿時再將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。當數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存放滿512 Byte以后才開始寫扇區(qū)操作。這樣即使在進行寫扇區(qū)操作時，仍然能夠正常的進行數(shù)據(jù)采集，保證數(shù)據(jù)不丟失。

3 實驗結(jié)果及分析

用測量儀進行加速度采集并顯示,將保存數(shù)據(jù)的TF卡連接到電腦上,運用繪圖軟件讀出加速度數(shù)據(jù)并繪圖描述，如圖7所示。

圖6 振動采集系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

圖7 測量儀采集到的x、y、z三軸加速度情況

圖7為手持加速度計進行多次振動的X、Y、Z三軸加速度數(shù)據(jù)波形。藍色線代表x向加速度；紅色線代表y向加速度；綠色線代表z向加速度。可以看出，該測量儀能夠進行高速數(shù)據(jù)采集，采集到的加速度數(shù)據(jù)精度高，幅值范圍大，滿足對鉆柱振動信息實時高速采集的要求。

4 結(jié) 語

從實驗情況來看，設(shè)計的振動加速度測量儀可對包含豐富井下工況信息的鉆柱振動信號進行采集和存儲。測量儀可以快速精確地測量出鉆頭三軸振動加速度，以16進制數(shù)據(jù)實時存儲在TF卡中。上位機能夠?qū)⒄駝有盘栔庇^表現(xiàn)出來,學生可對鉆柱振動信號進行分析，對鉆柱粘卡等非穩(wěn)定工作狀態(tài)進行預警。

將振動信號變換處理后可以提取反映鉆井工況的信息，從而指導鉆井作業(yè)，這將大大提高鉆進速度和鉆井安全性，為實現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、高效鉆井提供技術(shù)保障。測量儀具有便于安裝、測量準確、體積小、成本低、精度高等一系列優(yōu)點，也可方便地應(yīng)用到其他振動測量領(lǐng)域。

參考文獻(References)：

[1] 劉瑞文, 管志川, 李春山. 鉆柱振動信號在線監(jiān)測及應(yīng)用[J]. 振動與沖擊, 2013, 32(1):60-68.

[2] 劉志國, 陳 實. 鉆柱振動信號的分析與應(yīng)用[J]. 測控技術(shù), 2003, 22(8):21-22.

[3] 韓春杰, 閻 鐵, 畢雪亮,等. 深井鉆柱振動規(guī)律的分析及應(yīng)用[J]. 天然氣工業(yè), 2005, 25(9):76-79.

[4] 李春山, 王崇敬, 陳 添,等. 利用鉆柱振動頻譜判別鉆柱復雜情況的方法[J]. 中國石油大學學報(自然科學版), 2011, 35(5):56-60.

[5] 韓春杰, 閻 鐵. 氣體鉆水平井的鉆柱振動分析[J]. 天然氣工業(yè), 2009, 29(7):45-47.

[6] 王 彪, 孔翠龍. 水平井解卡打撈技術(shù)[J]. 大慶石油地質(zhì)與開發(fā), 2013, 32(4):94-97.

[7] Smith W G L. Drill pipe protector: US, US2197531[P]. 1940.

[8] 吳昊澄,孫偉峰.鉆柱振動信號采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].電子設(shè)計工程, 2012, 20(6):102-104.

[9] 尹邦堂, 劉瑞文, 劉 剛,等. 鉆井及井控模擬仿真平臺構(gòu)建[J]. 實驗室研究與探索, 2015, 34(8):85-89.

[10] Choe J S, Inoue E, 井上·英二,etal. Performance of measuring vibration of MEMS sensor[J]. Journal of the Faculty of Agriculture Kyushu University, 2014, 59:351-358.

[11] 顧名坤, 呂振華. 基于振動加速度測量的振動速度和位移信號識別方法探討[J]. 機械科學與技術(shù), 2011, 30(4):522-526.

[12] 張 馨, 李 會. 基于垂向振動的車體加速度分析[J]. 鐵道標準設(shè)計, 2011(10):8-11.

[13] 馬 斐, 施太和. 實測鉆柱振動特征分析[J]. 天然氣工業(yè), 1997, 17(2):48-51.

[14] 劉志國, 陳 實. 鉆柱振動信號的分析與應(yīng)用[J]. 測控技術(shù), 2003, 22(8):21-22.