郝憲鋒，戴永壽，孫偉峰，曲曉俊，趙洪山，唐 波

(1.中國石油大學 信息與控制工程學院，山東 青島 266580;2.中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院, 山東 東營 257000)

0 引 言

復雜低滲油氣藏鉆井過程中，鉆頭與地層的沖擊、鉆頭的偏心鉆進、鉆柱與井壁之間的摩擦碰撞，都會產(chǎn)生強烈的振動。鉆柱振動信號包含了大量的鉆井工況信息，采集這些振動數(shù)據(jù)可以分析其特征并做出合理的故障診斷，對于減少井下鉆井事故、優(yōu)化鉆井參數(shù)、提高鉆進速度均具有非常重要的意義[1-2]。

目前，大多數(shù)研究工作僅利用鉆柱振動信號進行巖性和地層識別，尚未見到成熟的鉆柱振動信號采集系統(tǒng)。所設(shè)計采集系統(tǒng)對反映鉆柱工況的低頻段信息研究較少，對鉆柱振動信號采集 裝置的研究大多局限于實驗室實驗，還未見地面測量鉆柱振動的專門產(chǎn)品。本文開展鉆柱振動井口采集裝置的研制，研究近鉆頭振動信號的提取方法，為井下鉆具工況的識別和診斷提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[3-4]。

1 設(shè)計概述

1.1 設(shè)計指標

根據(jù)鉆柱井口振動信號采集研究需求和試驗測試，確定了采集裝置的設(shè)計指標：振動測量范圍±25g；靈敏度為每g100 mV；振動頻率范圍0.5～5 kHz；A/D轉(zhuǎn)換分辨率12位；采樣率≥20 kHz；數(shù)據(jù)無線傳輸距離>500 m；待機30 d，連續(xù)采集工作5 d。

1.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由上位機和下位機兩部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[5-6]。

圖1 采集裝置結(jié)構(gòu)框圖

(1)上位機包括軟件和硬件部分。

① 上位機采集軟件。為用戶提供良好的人機界面，是控制端，通過其下發(fā)控制命令即可控制下位機，同時可將所接收振動信號、電池電量信息及時間信息在顯示界面中展示，便于技術(shù)人員實時監(jiān)控下位機的運行狀態(tài)。

② USB轉(zhuǎn)串口模塊。架起了上位機和無線模塊之間命令和數(shù)據(jù)通信的橋梁。

③ 無線模塊。用于采集器和上位機遠距離無線傳輸數(shù)據(jù)。

習近平總書記認為“深厚的感情必須以深刻的認識做基礎(chǔ)”[注]習近平：《知之深愛之切》，石家莊：河北人民出版社，2015 年，(代序)第1頁。，愛國主義也是如此。愛國主義建立在深刻認識自己國家的基礎(chǔ)上，因此，踐行愛國主義必須要“樹立和堅持正確的歷史觀、民族觀、國家觀、文化觀”[注]中共中央宣傳部：《習近平總書記系列重要講話讀本(2016年版)》，北京：學習出版社，2016年，第203頁。。只有深刻認識祖國的悠久歷史和深厚文化，才會不斷增強中華民族的歸屬感、認同感、尊嚴感、榮譽感，不斷增強做中國人的骨氣和底氣。

在采用高效液相色譜對目標物進行定量分析時，需要制作出工作曲線。將氯霉素標準液梯度稀釋，配制成不同濃度的標準工作液（1.3.1中方法制備）用1.3.2中所述的色譜條件進行檢測，準確吸取濃度為0.1、1、2、5 μg/ml和 10 μg/ml的標準溶液 20 μl，用有機膜過濾后注入液相色譜儀中，記錄色譜圖中的數(shù)據(jù)并計算，測定峰面積。以峰面積（Y）對進樣濃度（X）進行線性擬合，獲得的標準曲線方程：Y=4 236.2X-814.96，在 0.1～10.0 μg/ml濃度范圍相關(guān)系數(shù) R2為0.999 5，線性關(guān)系良好。

(2)下位機是振動信號采集裝置的核心，安裝于鉆柱頂部的方鉆桿上端。主要包括：

① 鋰電池組。由鋰電池組構(gòu)成，為下位機提供電能。

② 開關(guān)可控供電單元。為滿足電池供電終端低功耗設(shè)計需求，在不進行數(shù)據(jù)采集期間，關(guān)閉大功耗的模塊，盡可能減少能量消耗。

鉆柱振動信號中包含很多噪聲信息，為了減少不必要的噪聲引入，從傳感器、器件選型、電路設(shè)計多方面進行了設(shè)計考慮。信號調(diào)理電路分3路并行設(shè)計，其中1路的電路圖如圖3所示，前級U101A選用低噪聲運算放大器，結(jié)合外圍電阻和電容構(gòu)成二階壓控低通濾波器，實際應(yīng)用中通過改變R103、R104、C101、C102參數(shù)值，即可調(diào)節(jié)濾波器截止頻率，有效濾除三軸加速度傳感器信號中的高頻噪聲。U101B和外圍電阻構(gòu)成了分壓減法電路，可將加速度傳感器所輸出的-5～+5 V信號轉(zhuǎn)換成單片機能采集的0～3 V信號，以便送入單片機AD采集端進行數(shù)據(jù)采集[10]。

③ 恒流源模塊。三軸加速度傳感器提供三路恒流源。

信號采集裝置安裝于鉆柱中方鉆桿上端，無法進行有線連接供電，因此設(shè)計中選用鋰電池供電。另外，鉆井過程中采集裝置隨著方鉆桿旋轉(zhuǎn)運動，不易進行拆卸充電。為了延長單次充電工作時長，各單元電路均按照低功耗規(guī)范設(shè)計，最大程度地減小了裝置功耗。

⑤ 信號調(diào)理電路。將恒流源模塊輸出的-5～+5 V電壓信號轉(zhuǎn)換成0～3.3 V電壓信號，同時濾除信號中的高頻干擾信號。

⑥ 線性穩(wěn)壓模塊。為存儲模塊、單片機主控模塊、無線模塊及時鐘模塊供電。

⑦ MSP430單片機。下位機主控模塊，協(xié)調(diào)各子模塊正常工作。

⑧ 無線模塊。數(shù)據(jù)傳輸模塊，實現(xiàn)采集終端和遠程上位機間的數(shù)據(jù)傳輸。

參考Luo等[19]的方法并做部分修改：10 mL丁香酚與90 mL 3 mol·L-1氫氧化鈉溶液混合，高壓蒸汽滅菌鍋中加熱到121 ℃并保持10 min，得到澄清透明溶液，冷卻備用。

接著，有學生圍出圖4，這也占2格嗎？怎么說明它也占2格？學生自然地采用了圖5的方式說明：原來，4格的一半也是2格（倍拼的方法如期而至）！

⑩ NAND FLASH存儲模塊。提供采集數(shù)據(jù)冗余存儲功能，當遠程數(shù)據(jù)存儲出現(xiàn)故障時，將采集數(shù)據(jù)存儲在本地NAND FLASH中。

⑨ 時鐘模塊。為采集數(shù)據(jù)提供輔助時間信息。

1.3 工作過程

上位機設(shè)置完采樣頻率和通信波特率后，發(fā)送啟動采集命令，下位機收到命令后由低功耗休眠模式進入實時數(shù)據(jù)采集模式。在單片機控制下，打開可控供電單元供電通道，分別為恒流源和信號調(diào)理電路提供+24 V和±5 V供電電壓，三軸測振傳感器進入工作狀態(tài)。其輸出信號經(jīng)過恒流源模塊和信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換與調(diào)理，送至單片機AD采集端。單片機按照預(yù)設(shè)采樣頻率采集3個軸向的振動信息和時鐘信息，并按照通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)打包，通過無線模塊發(fā)出。上位機接收到有效的數(shù)據(jù)偵后，對其解碼，繪制實時曲線，并將采集數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫，以便后期查詢和分析。完成采集后，通過上位機向下位機發(fā)送低功耗工作命令，下位機關(guān)斷可控供電單元供電，進入低功耗待機模式。

2 裝置關(guān)鍵技術(shù)

2.1 振動采集傳感器選型設(shè)計

鉆柱振動低頻段信息用于工況識別，高頻信息用于巖性和低層識別，信號頻率覆蓋范圍寬，因此所采集信號頻帶較寬[7]。

LC0110需要恒流源供電，為保證系統(tǒng)的可靠性，直接選用了配套產(chǎn)品LC0207E恒流供電模塊。該模塊采用18～30 V直流電壓供電，其電壓輸出端可為加速度模塊供電，信號輸出端輸出包含加速度信息的電壓信號，輸出電壓-5～+5 V，對應(yīng)加速度-25～+25g。

2.2 信號采集端低功耗設(shè)計

④ 三軸加速度傳感器。壓電式高精度三軸測振模塊。

富滇銀行深入學習貫徹黨中央、國務(wù)院關(guān)于金融服務(wù)小微企業(yè)、服務(wù)“三農(nóng)”和脫貧攻堅的重要政策精神，認真貫徹落實省委、省政府及監(jiān)管機構(gòu)發(fā)展普惠金融的相關(guān)要求，凝聚全行各條線、各機構(gòu)力量，從機制優(yōu)化、業(yè)務(wù)推進、項目拓展等方面持續(xù)攻堅克難，取得了階段性成績。截至9月末，全行支持微型企業(yè)培育貸款603筆，貸款金額4．19億元，完成省工信委調(diào)整計劃的102．08%。9月末全行普惠金融貸款余額45．98億元，較年初增加4．35億元，為完成全年指標任務(wù)奠定了堅實基礎(chǔ)。

圖中：U13和U3是帶有關(guān)斷功能的開關(guān)電源模塊；CTL為使能端，低電平有效；P24VON是來自單片機的控制信號，當其為高電平時，Q2和Q3導通，集電極輸出低電壓，U13和U3被使能，分別輸出24 V和±5 V電壓，低電平時，三極管Q2和Q3關(guān)斷，集電極輸出高電壓，U13和U3被禁用，模塊不提供輸出電壓。

設(shè)計中壓電加速度傳感器恒流供電模塊和采集調(diào)理電路是主要的功率消耗單元。而傳感器需要采用恒流源供電，且其輸出雙極性電壓，因此信號調(diào)理電路需采用雙電源供電。為降低系統(tǒng)功耗，在非數(shù)據(jù)采集周期，關(guān)斷非核心單元供電。電路設(shè)計如圖2所示。

從動態(tài)視角看 （圖4），1978～2017年我國經(jīng)濟重心與要素稟賦重心的一致性指標呈現(xiàn)出多個波峰和波谷的特征，其中波峰代表經(jīng)濟重心與稟賦重心同向移動，波谷代表經(jīng)濟重心與稟賦重心反向移動。

圖2 恒流源及調(diào)理部分供電控制電路

主控制器選用MSP430系列單片機，非數(shù)據(jù)采集時間段控制器進入低功耗模式。數(shù)據(jù)無線傳輸選用帶有自喚醒功能的低功耗模塊，僅在傳輸數(shù)據(jù)期間打開無線模塊發(fā)射功能，其余時間關(guān)閉數(shù)據(jù)發(fā)射，無線模塊工作在低功耗喚醒模式。實時監(jiān)聽主機命令，一旦收到有效的控制命令，喚醒無線模塊，并發(fā)出觸發(fā)信號喚醒控制器，采集裝置進入采集工作模式[8-9]。

采用3組鋰電池并聯(lián)構(gòu)成電池組供電，每組由2節(jié)鋰電串接，容量為10.8 Ah，充滿時輸出電壓8.4 V。根據(jù)電池容量和電路的功率消耗，計算得出兩種工作模式下的理論工作時長，如表1所示。

表1 采集裝置功率消耗明細表

2.3 信號降噪調(diào)理電路

m_Subscipition.AddDataMonitoredItem(new NodeId("/Channel/MachineAxis/actToolBasePos[u1,1] ", 2), Mnt_Lb1, ClientApi_ValueChanged, 100, out monitoredItemServerHandle);//讀取刀具位置的X坐標

圖3 信號降噪調(diào)理電路

2.4 裝置固定卡箍研制

振動信號采集裝置安裝在方鉆桿上方，鉆井過程中會隨著方鉆桿提升至數(shù)10 m高度，且鉆井過程中鉆柱一直工作于轉(zhuǎn)動和振動狀態(tài)。采集裝置一旦脫落，可能對井口工作人員造成嚴重的人身傷害。另外，三軸測振傳感器和鉆柱之間必須實現(xiàn)可靠固定，才能保證振動信號采集的有效性。

結(jié)合實際安裝需求，設(shè)計了一款具有高可靠性的采集裝置固定卡箍，其結(jié)構(gòu)示意圖及實物圖如圖4所示。主要包括儀器盒底座、三軸加速度傳感器底座、雙緊固圓環(huán)和緊固螺栓?？ü空w采用304不銹鋼設(shè)計，連接處采用氬弧焊焊接。儀器盒上部裝有隔板，用于保護塑料材質(zhì)儀器盒。背部、底部和前部采用鏤空設(shè)計，利于無線信號傳輸。傳感器底座采用三軸向自攻絲固定，確保了固定的可靠性。兩道緊固圓環(huán)采用環(huán)抱式可調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計，其固定直徑可在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)。固定螺絲均采用防松螺母固定，保證了各單元固定的可靠性[11]。

由滲透矩陣疊加原則可以看出，整體滲透矩陣中的元素kij僅僅與i節(jié)點和j節(jié)點在含有該節(jié)點單元的局部位置有關(guān)系，與疊加時選擇單元的先后順序沒有關(guān)系。因此，本文在編制程序時，首先分別對裂隙系統(tǒng)和孔隙系統(tǒng)進行整體滲透矩陣的組裝，最終對所有節(jié)點進行統(tǒng)一編號，組裝成整個滲流系統(tǒng)的整體滲透矩陣。

圖4 卡箍結(jié)構(gòu)示意及實物圖

3 井場試驗測試

為了驗證裝置整機工作可靠性、信號傳輸質(zhì)量及采集軟件的穩(wěn)定性，在勝利油田“勝2-斜108井”開展了試驗測試工作。

3.1 鉆井試驗條件

勝2-斜108井一開井深325.00 m，固井侯凝36 h后開始掃塞，水泥塞面深295.00 m，掃塞段295.00～325.00 m，段長30.00 m。

3.2 試驗安裝現(xiàn)場

裝置現(xiàn)場安裝如圖5所示，左側(cè)是采集裝置的實物圖，右側(cè)是裝置安裝于方鉆桿上方的現(xiàn)場安裝圖。選擇安裝于方鉆桿上方，在該處上下0.5 m左右有明顯的直徑變化，因此，即使卡箍出現(xiàn)輕微松動，也不會脫落。

多年來，很少有貪官是通過《黨政領(lǐng)導干部收入申報規(guī)定》和《黨政領(lǐng)導干部考核暫行規(guī)定》被發(fā)現(xiàn)的。因此，在落實相關(guān)條例規(guī)定時，要增加審核、公示、考核、懲治等環(huán)節(jié)內(nèi)容?！秶夜毴藛T行為道德典》以近年來出臺的一批黨規(guī)為制定根據(jù)，提升至道德層面約束官員?！秶夜毴藛T腐敗犯罪懲治條例》則應(yīng)該以近年來“兩院”出臺的司法解釋為基礎(chǔ)制定。［8］

圖5 裝置安裝現(xiàn)場

3.3 數(shù)據(jù)采集及分析

上位機數(shù)據(jù)采集軟件的截圖如圖6所示。界面上方顯示了采集裝置電池電量和時間信息，主界面縱向顯示了三軸振動曲線?？梢钥闯?，不同時間段加速度區(qū)分明顯，其中A區(qū)橫向振動較為明顯，縱向振動幅度小，分析原因是由于實際鉆井生產(chǎn)中，底座安裝不能完全水平，這樣方補心軸向與方鉆桿的下行方向便不重合，方鉆桿下行過程中會在某一方向擠壓方補心，致使方鉆桿受橫向載荷作用。在橫向載荷以及方鉆桿與方補心滾子之間的摩擦力的作用下，打鉆過程中方鉆桿下行載荷釋放時，有蹩跳，橫向振動較大。B區(qū)各軸向振動幅度均很小，分析是停鉆換鉆桿階段。C區(qū)各軸向均產(chǎn)生了較大幅度的振動，分析是掃水泥塞鉆進中隨著牙輪自轉(zhuǎn)和鉆具公轉(zhuǎn)過程中，牙輪鉆頭的齒牙作用在塞面上時，齒牙與塞面的接觸發(fā)生單齒、雙齒接觸塞面的過程變換，在由鉆具重量形成的軸向鉆壓載荷的作用下，鉆具產(chǎn)生軸向振動，加之方鉆桿擠壓方補心造成的橫向振動。

圖6 上位機三軸振動信號采集界面

4 結(jié) 語

本文所研制鉆柱井口振動信號采集裝置具有采集精度高、待機時間長、無線數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、設(shè)備安裝便捷等特點。設(shè)備研制成功后，開展了井場現(xiàn)場實驗，驗證了采集裝置、卡箍、軟件等模塊工作的可靠性和使用的便利性，并驗證了所采集歷史數(shù)據(jù)的有效性，為井下鉆柱工況的在線識別和診斷提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。