王海琦，郭福祥，楊志堅(jiān)

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

1 概述

井下工程參數(shù)的傳統(tǒng)測(cè)量方法都是間接的，通過(guò)地面的測(cè)量?jī)x器間接的推算出鉆頭附近的井下工程參數(shù)，在各種井下故障甚至事故發(fā)生后，經(jīng)過(guò)大量的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，間接的工程參數(shù)測(cè)量較實(shí)際有很大的差別。井下工程參數(shù)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)安裝在鉆頭和螺桿之間，可以直接地測(cè)量鉆頭附近的鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等工程參數(shù)，實(shí)時(shí)地為井上人員提供鉆頭處的井下工況，以便指導(dǎo)其下一步的鉆井，更加真實(shí)并且準(zhǔn)確地反映井下實(shí)際情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和控制某些鉆井事故，達(dá)到安全、高效鉆井的目的，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)風(fēng)險(xiǎn)鉆井，另外，對(duì)儀器內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，還可以得到該區(qū)塊內(nèi)的地層情況。國(guó)外隨鉆測(cè)量系統(tǒng)不僅能夠測(cè)量鉆井過(guò)程中的定向數(shù)據(jù)、地層特性等參數(shù)，而且還能測(cè)量鉆井工程參數(shù)，大大提高了鉆井控制能力和地層評(píng)價(jià)能力，降低了鉆井風(fēng)險(xiǎn)和鉆井事故率。目前國(guó)際市場(chǎng)上能提供成熟的井下鉆井工程參數(shù)的公司有貝克休斯研制的Near bit Mechanics Tool、APS 公司的DDM 短節(jié)、斯倫貝謝的DDS 等。為此，有必要研發(fā)一套井下工程參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，安裝在鉆頭附近，通過(guò)對(duì)近鉆頭工程參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量值進(jìn)行分析處理，可以總結(jié)各個(gè)測(cè)量參數(shù)對(duì)鉆井進(jìn)程與效率的影響規(guī)律，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和控制某些鉆井事故，達(dá)到安全、高效鉆井的目的，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)風(fēng)險(xiǎn)鉆井[1]。

2 測(cè)量原理

2.1 振動(dòng)

振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生物體之間相對(duì)位移的變化，通過(guò)振動(dòng)傳感器測(cè)得物體相對(duì)位移的變化和輸出電壓的變化關(guān)系，可以得到物體的振動(dòng)參數(shù)[2]。采用頻域三軸振動(dòng)傳感器ADIS16228，量程為±20g，采樣頻率可達(dá)20.48k，可以給出三軸512 點(diǎn)實(shí)數(shù)值FFT，從而實(shí)現(xiàn)儀器三軸振動(dòng)的監(jiān)測(cè)。

2.2 轉(zhuǎn)速

在工程參數(shù)測(cè)量短節(jié)內(nèi)安裝高精度的角速度測(cè)量芯片F(xiàn)XAS21002C，最高可達(dá)到600r/min，精度可達(dá)±1r/min，采樣頻率可達(dá)2MHz，當(dāng)儀器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，角速度傳感器采集儀器轉(zhuǎn)過(guò)的角度，并以數(shù)字信號(hào)的形式傳遞給主控電路，最終通過(guò)計(jì)算得到儀器的轉(zhuǎn)速。

2.3 鉆壓扭矩

鉆壓、扭矩的測(cè)量采用由電阻式應(yīng)變片組成的惠斯通電橋。電阻應(yīng)變片是由敏感柵構(gòu)成的對(duì)形變敏感的元件，將電阻式應(yīng)變片粘貼在儀器上，儀器在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變，敏感柵便會(huì)發(fā)生形變，進(jìn)而引起電阻值的變化，通過(guò)測(cè)量變化電阻對(duì)電壓的微弱影響便可以得到外力的大小。

惠斯通電橋是由四個(gè)電阻構(gòu)成的四邊形，每個(gè)電阻稱為電橋的一個(gè)臂，如圖1 所示。四邊形ABCD 的B、D 兩點(diǎn)之間連有靈敏電流計(jì)，稱為“橋”；R1、R2、R3、Rx為四個(gè)橋臂上的定值電阻，Rx為可變待測(cè)電阻，VG為靈敏電流計(jì)。當(dāng)B、D 兩點(diǎn)之間的電勢(shì)相等時(shí)，靈敏電流計(jì)指針不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，橋中的電流為0，該狀態(tài)為電橋平衡狀態(tài)；當(dāng)B、D兩點(diǎn)電勢(shì)不等時(shí)，靈敏電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，橋中的電流不為0，說(shuō)明此時(shí)Rx的阻值發(fā)生變化了，采集VG的值，后經(jīng)過(guò)放大后由單片機(jī)進(jìn)行采集處理。

圖1 電阻式惠斯通電橋

利用粘貼在儀器凹槽內(nèi)表面的應(yīng)變片來(lái)測(cè)量鉆鋌由鉆壓、扭矩引起的應(yīng)變，應(yīng)變片的應(yīng)變量實(shí)際上是工程參數(shù)測(cè)量短節(jié)的應(yīng)變量，應(yīng)變片粘貼方式如圖2 所示。

圖2 應(yīng)變片粘貼方式

2.4 溫度

溫度傳感器采用AD590，根據(jù)環(huán)境溫度的變化輸出相應(yīng)的電流值，通過(guò)信號(hào)采集電路將該信號(hào)采集后，再通過(guò)計(jì)算回歸出儀器所在的環(huán)境溫度。

3 儀器系統(tǒng)組成

整個(gè)測(cè)量短節(jié)分為機(jī)械、電子兩部分。機(jī)械部分包括裝載傳感器的鉆鋌和傳感器。電子部分包括信號(hào)采集處理、主控、電源、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信號(hào)放大模塊等。圖3為井下儀器工作原理圖。

圖3 井下儀器工作原理圖

具體工作流程如下：電池組為整個(gè)工程參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)提供電能，為了提高儀器在井下的工作時(shí)間，設(shè)計(jì)時(shí)采用了分時(shí)測(cè)量的方式，當(dāng)儀器下鉆過(guò)程中，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，儀器到井底后，由定時(shí)器喚醒系統(tǒng)并開(kāi)始工作，采集并記錄鉆壓、扭矩、彎矩、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)及溫度數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到外部大容量的Flash內(nèi)，一次測(cè)量結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入定時(shí)休眠狀態(tài)，等待下一次數(shù)據(jù)采集。

3.1 機(jī)械部分

殼體材料選擇奧氏體不銹鋼，儀器外徑為172mm，長(zhǎng)度為0.65m，泥漿流道直徑為50mm，在鉆鋌外壁上開(kāi)槽放置電路板、傳感器及粘貼應(yīng)變片，詳見(jiàn)圖4。

圖4 機(jī)械殼體示意圖

3.2 硬件及電子電路部分

3.2.1 傳感器

扭矩、鉆壓的測(cè)量采用電阻式應(yīng)變片組成的惠斯通電橋，在儀器本體開(kāi)槽內(nèi)粘貼應(yīng)變片的儀器本體由于受力后發(fā)生形變，從而引起電阻阻值的變化，最終，通過(guò)測(cè)量電阻率上微弱變化可以得到儀器所受到的外力。溫度測(cè)量采用溫度傳感器AD590，轉(zhuǎn)速采用高精度角速度測(cè)量芯片F(xiàn)XAS21002C、振動(dòng)測(cè)量芯片ADIS16228。

3.2.2 電子電路

該工程參數(shù)測(cè)量短節(jié)內(nèi)所有電路均采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)都由電池供電，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在井下存儲(chǔ)芯片內(nèi)，起鉆后取出數(shù)據(jù)，為保證電源能維持正常的數(shù)據(jù)采集和長(zhǎng)時(shí)間保存數(shù)據(jù)，在元器件的選用、電源供電、電路設(shè)計(jì)應(yīng)采取一系列節(jié)電措施。

（1）信號(hào)采集處理模塊。應(yīng)變片輸出的電信號(hào)十分微弱，為mV 級(jí)別，并且井下高溫、高壓和高振動(dòng)的鉆井工況對(duì)信號(hào)的采集影響非常大，為此，信號(hào)采集電路必須保證將干擾信號(hào)濾掉的同時(shí)，對(duì)有用的mV 級(jí)別進(jìn)行濾波、放大，考慮到供電系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁噪聲，本系統(tǒng)采用了交流電為惠斯通電器供電。轉(zhuǎn)速、溫度、振動(dòng)等傳感器的輸出信號(hào)直接采集，經(jīng)過(guò)計(jì)算后存儲(chǔ)在Flash內(nèi)[4]。

（2）主控模塊。核心芯片采用MC9S08DZ60 單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集控制、內(nèi)部通訊、功能復(fù)位、實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及儀器工作狀態(tài)檢測(cè)等功能。

（3）電源模塊。系統(tǒng)電能由電池組提供，電源模塊主要實(shí)現(xiàn)將電池組供給的電能轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊所需電壓5V 和3.3V 等功能。選用MAX5033 系列開(kāi)關(guān)電源芯片，開(kāi)關(guān)頻率為125kHz、輸出電流500mA、存儲(chǔ)溫度范圍-65℃～+150℃，可輸出3.3V、5V 兩種電壓，該芯片特點(diǎn)為輸入電壓范圍寬7.5～76V，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)94%，滿足系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)要求。

（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。核心芯片采用M25P64 串行FLASH 存儲(chǔ)芯片，用來(lái)是實(shí)現(xiàn)鉆壓、扭矩、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速以及溫度等工程參數(shù)的存儲(chǔ)。采用了陣列式存儲(chǔ)技術(shù)，存儲(chǔ)介質(zhì)選擇基于NOR Flash 技術(shù)的M25P64 芯片，其存儲(chǔ)容量為64Mbit、工作電壓2.7～3.6V、SPI 總線接口、最高支持75MHz 波特率，采用陣列式存儲(chǔ)設(shè)計(jì)，四片F(xiàn)lash 接力存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，容量擴(kuò)至256Mbit，存儲(chǔ)時(shí)間超過(guò)200h。

（5）信號(hào)放大模塊。井下復(fù)雜的鉆井工況對(duì)信號(hào)采集影響非常大，而且電阻式應(yīng)變片構(gòu)成的惠斯通電橋輸出信號(hào)為mV級(jí)，為了保證信號(hào)不會(huì)丟失，在信號(hào)放大時(shí)，采用了鎖相放大技術(shù)和多級(jí)放大技術(shù)，最終得到0～5V的有用信號(hào)。

（6）通訊接口模塊。地面數(shù)據(jù)回放時(shí)的通訊接口，采用MAX242MJN串口通訊電路實(shí)現(xiàn)。

3.3 軟件部分

該測(cè)量短節(jié)所測(cè)得的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在儀器內(nèi)部，當(dāng)儀器起到地面后，需要利用軟件將數(shù)據(jù)進(jìn)行回放。利用C 編寫(xiě)該地面數(shù)據(jù)回放軟件，井下儀器內(nèi)的外部時(shí)鐘電路為每一幀數(shù)據(jù)添加了一個(gè)時(shí)間戳，在地面數(shù)據(jù)回放時(shí)，將該時(shí)間戳與井深對(duì)應(yīng)，這樣形成了不同深度的各種工程參數(shù)，方便日后的研究，也為今后該區(qū)鉆井提供工程上的依據(jù)。

4 儀器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2016 年11 月，在杏6-31-平657 井開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，累計(jì)測(cè)量42h，進(jìn)尺230m，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回讀、處理，繪制出圖。圖5為接單根到打完該單根過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速和儀器轉(zhuǎn)速的對(duì)比圖，可看到轉(zhuǎn)盤(pán)提速到32r/min 過(guò)程中，井下儀器的提速過(guò)程，在剛接近穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)，儀器轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了輕微的跳動(dòng)，說(shuō)明儀器有輕微的反扭力。

圖5 轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速和儀器轉(zhuǎn)速對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回讀、處理，繪制出了儀器在X、Y、Z軸3 個(gè)方向的振動(dòng)。從圖6 中可以看到X、Y 軸的振動(dòng)基本在0～4g之間，Z軸的振動(dòng)基本在0～2.5g之間。

圖6 三軸振動(dòng)

5 結(jié)論

井下工程參數(shù)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)是監(jiān)控鉆井過(guò)程中的井下工程參數(shù)的重要工具?；贛C9S08DZ60 單片機(jī)為核心的井下工程參數(shù)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，可以為現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員實(shí)時(shí)提供井下鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)和溫度等工程參數(shù)，進(jìn)而了解和分析井下工況。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在鉆井過(guò)程中，鉆頭附近的儀器鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、溫度等參數(shù)的測(cè)量，采用了數(shù)據(jù)的陣列式存儲(chǔ)方式，四片F(xiàn)lash 接力存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，容量擴(kuò)至256Mbit，存儲(chǔ)時(shí)間超過(guò)200h，制訂了系統(tǒng)總線通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)下行、上行，并能夠兼容自主研發(fā)的儀器通訊系統(tǒng)，研制的井下工程參數(shù)隨鉆測(cè)量?jī)x器，可以和現(xiàn)有的任意儀器掛接，真正實(shí)現(xiàn)鉆頭附近處的工程參數(shù)測(cè)量，提高井控效率，達(dá)到安全、高效鉆井的目的[5]。