氣體鉆井井下扭矩測量無線傳輸系統研究設計

摘 要： 在氣體鉆井中，為實時了解井下的真實工況，及時處理井下安全風險，需要對井下近鉆頭扭矩參數實時監測。因此，研究設計了一種采用電阻應變式測量扭矩技術和微波隨鉆數據傳輸技術的扭矩測量無線傳輸系統，該系統采用C8051F3XX系列單片機為主控制器，完成了數據采集、數據存儲和數據傳輸的硬件電路和軟件程序設計，使用信號中繼傳輸的方式大幅提升微波通信距離，測量井深達到3 000 m，并開發了配套的上位機監測軟件，實現了井下扭矩的隨鉆監測。實驗結果說明系統無線傳輸時延短，能實時采集、傳輸、顯示扭矩，滿足氣體鉆井中井下扭矩測量的要求。

關鍵詞： 扭矩測量； 微波傳輸； 隨鉆測量； 氣體鉆井； 中繼傳輸； 無線傳輸

中圖分類號： TN92?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）19?0095?04

Abstract： To obtain the real downhole working condition in real time and timely solve the downhole safety risk for gas dril?ling， it is necessary to monitor the torque parameter of downhole near bit in real time. A torque measurement wireless transmission system using the resistance strain torque measuring technology and microwave while drilling data transmission technology is researched and designed. The C8051F3XX series microcontroller is taken as the main controller of the system to realize the hardware circuit and software program designs of data acquisition， data storage and data transmission. The signal relay transmission method can enhance the microwave communication distance greatly， and make the measured well depth reach up to 3 000 m. The matched host?computer monitoring software was developed， and the while drilling detection of downhole torque was realized. The experimental results show that the system has short wireless transmission delay， can acquire， transmit and display the torque in real time， and meets the demand of downhole torque measurement for gas drilling.

Keywords： torque measurement； microwave transmission； measurement while drilling； gas drilling； relay transmission； wireless transmission

0 引 言

氣體鉆井是近年來發展起來的一種欠平衡鉆井方式，和傳統泥漿鉆井相比，氣體鉆井主要有提高機械鉆速，降低鉆井綜合成本，保護油氣產層，增加油氣產量等優點[1]。在氣體鉆井過程中，為預防發生卡鉆、掉牙輪、斷鉆具等事故的發生，預防措施之一就是實時監測鉆井過程井下近鉆頭扭矩的變化情況。

目前測量扭矩的方式主要有隨鉆測量（MWD）和地面測量。在國內外市場上，隨鉆測量工具的信號傳輸以泥漿脈沖和電磁波為主。泥漿脈沖測量工具雖然技術比較成熟，但因其采用鉆井液脈沖傳輸方式，無法應用于氣體鉆井等沒有連續液相的鉆井中；電磁波測量工具是利用低頻電磁波在地層中的傳播進行信號的傳輸，低電阻率地層會使信號大幅度衰減，受地層特性影響較大，測量深度有限[2]。在地面測量扭矩，受地層、巖性等影響導致測量精度存在許多不足，不能準確地反映鉆柱在井下的運動情況[3]。

本文設計了一種適于氣體鉆井的扭矩測量無線傳輸系統，測量深度超過3 000 m、信號傳輸速率大于100 Kb/s，在近鉆頭鉆具的測試中能夠準確測量其在井下扭矩的瞬時值并記錄整個鉆井過程的扭矩曲線，使現場技術人員可以實時監測井下扭矩和準確預測井下異常情況。

1 系統關鍵技術原理

1.1 應變測試法測試扭矩

扭矩傳感器按測量原理可分為傳遞法、力平衡法和能量轉換法[4?5]。在三種扭矩測量方法中，傳遞法和平衡力法為直接測量扭矩方法，測量方便、精確度高，但力平衡法只能用于勻速工作的情況下。而能量轉換法為間接測量的方法，測量誤差較小，所以本設計采用傳遞法測量扭矩。

由材料力學知，在扭矩作用下，彈性軸將會產生形變，在軸表面與軸成45°和135°的斜面上受到法向應力，此法向應力為主應力，其數值等于橫截面上的最大剪應力[6]?？蓪兤谘貜椥暂S軸線成45°，135°方向粘貼在軸表面，就會受到相應的最大拉應力和壓應力，并將它們連成差動全橋。因為本設計中測量短節的空間限制，只能采用粘貼單片全橋應變片。利用鉆鋌在受力過程中的形變帶動電阻應變片橋路輸出的變化， 在理想情況下，扭矩變化量?電阻變化量?電壓變化量三者之間為線性關系[7]，通過測量電壓變化量，就可以準確測量井下鉆柱的扭矩大小。

1.2 扭矩傳感器非線性校正

非線性，又稱線性度，表征傳感器輸出?輸入校準曲線與所選定的作為工作直線的擬合直線之間的偏離程度。對傳感器的非線性校正有硬件和軟件方法，軟件方法有插值法、計算法和查表法[8]。硬件方法校正需要使用很多硬件電路，由于功耗高以及占用空間，不適于氣體鉆井井下測量，因此，本系統采用計算法進行扭矩傳感器的非線性校正。

由理論計算知，[M=εEWn1+μ，]其中E為彈性軸的楊氏模量；[Wn]為抗扭截面系數；[μ]為彈性軸的泊松比。扭矩[M]和應變[ε]是正比關系，直接利用公式或繪制輸入輸出曲線圖來估計曲線斜率的大小求解扭矩，誤差較大，影響系統精度。故用基于最小二乘法的曲線擬合法來擬合輸出的應變[ε]和輸入的扭矩[M]的線性方程，這種方法的基本原理是使傳感器校準數據的殘差的平方和最小。

經計算，測量精度小于2.5%，符合測量要求。將其通過編程存入單片機，由應變[ε]引起的電壓變化經過采樣、濾波后，送入單片機后直接進入計算程序進行計算，即可得到經過線性化處理的輸出參數扭矩[M。]該方法實現了系統刻度智能化轉換和非線性自校正的功能，改善了系統靜態性能，提高了系統的測量精度。

1.3 鉆柱內微波傳輸原理

鉆柱內微波的傳輸過程中主要使用波導技術，該技術一般由圓柱形的空心金屬管組成，用于傳導電磁波[9]。對于氣體鉆井，鉆柱內的介質為氣體，其對微波功率的衰減貢獻很小，可忽略不計，那么鉆柱可看作是理想圓波導。按照波導理論計算的微波頻率，能用的頻段是2.4 GHz和5.8 GHz，5.8 GHz頻段的功率收發模塊體積較大，不便于安裝到井下，2.4 GHz頻段的中、大功率收發模塊體積小，適合安裝到井下狹小的空間，故采用2.4 GHz頻段進行鉆柱內微波通信[10]。

實際微波傳輸測試結果表明若只依靠單級點對點傳輸不能實現3 000 m的傳輸距離，延長井下微波通信模塊的有效通信距離的方法有三種，提高微波發射功率、減少鉆桿內微波傳輸的衰減和無線中繼傳輸，而提高發射功率需要大功率的供電系統，受井下環境限制不能實現，由理論研究和測試得知鉆具尺寸和內壁銹蝕程度是影響微波傳輸衰減的主要因素，減少鉆桿內微波傳輸的衰減對鉆桿尺寸和內壁質量要求太高。故本設計應用無線中繼技術解決此問題，無線中繼傳輸技術的基本原理是利用AP（Access Point）的無線接力功能，將無線信號從一個中繼點傳送到下一個中繼點，通過引入信號中繼的方式增大微波信號的有效傳輸距離，降低了發射功率的要求，同時可以縮小井下儀器內電池的體積，延長微波通信模塊的井下工作時間。

2 扭矩測量無線傳輸系統的設計

扭矩測量無線傳輸系統硬件部分主要包括扭矩傳感器模塊、信號調理模塊、數據采集模塊、數據存儲模塊、微波通信模塊、串口通信模塊、電源模塊及單片機控制模塊。系統的設計框架圖如圖1所示。

扭矩傳感器將測量短節受扭矩作用產生的應變量轉化成電壓信號，經信號調理電路放大濾波后，轉換為適合于C8051F35X單片機的輸入信號，再通過片內24位精度A/D轉換功能對其完成模數轉換，單片機將信號處理后傳輸到微波通信模塊進行編碼調制發送，經過鉆柱內的中繼模塊接力傳輸，微波通信模塊接收端接收到信號后進行解調和譯碼，經過RS 232電平轉換傳輸到上位機對信號進行分析處理，實現扭矩的實時監測，并設置了備用的數據存儲模塊，可以在將測量短節從井下取出后，通過預留的串行通信模塊讀取數據存儲模塊中的扭矩數據，便于對比分析無線傳輸的精度。

2.1 信號調理模塊

測量短節受扭矩產生的應變量是很微弱的，所以扭矩傳感器測得的電壓信號也是非常微弱的且波動范圍也比較大，存在很大的共模干擾成分。因此，必須在傳感器后面接上信號放大調理電路，對傳感器采集到的信號進行放大并且濾掉共模干擾成分，這樣才能釆集到比較準確的數據。為了提高共模抑制比和穩定性，本系統采用放大器AD623和OP196組成兩級放大，并采取了限壓保護功能，防止輸出電壓過高損壞單片機。經實驗驗證，信號調理模塊性能穩定可靠，滿足設計要求。

2.2 數據采集模塊

為節約硬件空間，采用C8051F35X單片機內置的A/D轉換功能，分辨率24位，該ADC具有在片校準功能，可以使用內部的2.5 V電壓基準，也可以用差分外部基準進行比率測量，且可編程進行偏移校正和滿度校正， 校正結果會自動保存在單片機的SFR中。

2.3 數據存儲模塊

為防止因微波通信模塊故障導致信號傳輸不到上位機和驗證數據傳輸精確性，系統使用華邦公司生產的非遺失性閃速存儲器W25Q128FVFI作為數據存儲器將采集的數據存儲，該芯片容量為128 Mb，具有先進的寫保護機制，支持速度高達104 MHz的SPI兼容總線的存取操作，通過SPI串行接口與C8051F35X單片機通信，工作電壓范圍為2.7～3.6 V，可以滿足井下低功耗的設計要求。

2.4 微波傳輸模塊

微波通信模塊的研制遵循以下原則：能夠發射所需頻段的微波、模塊體積小能夠裝入鉆具、通信微波功率較大能夠保證一定的傳輸距離、成本低廉。微波通信模塊主要包括主控芯片、無線射頻芯片、通用模塊和信號發射模塊幾部分，通過UART接口和數據采集模塊連接，使用接口協議獲取井下采集數據并上傳，采用無線射頻信道，利用ZigBee傳輸方式發送。

2.5 串口通信模塊

C8051F35X單片機的串行口電平為TTL電平標準，而PC串行口的電平標準為RS?232C標準，使用MAXIM公司生產的MAX3266E芯片實現電平轉換，為減小PCB板體積，串口通信模塊僅需在測量短節從井下取出后，與測量系統在PCB上預留的串口引腳接上，即可把存儲在存儲器W25Q128FVFI中的數據通過RS?232C串行口傳輸給上位機。

2.6 電源模塊

受氣體鉆井工作環境的限制，無法通過從地面下進入有線電纜的方式對井下設備進行供電，信號采集與發射模塊和微波信號中繼模塊最終采用的是電池供電的方式，用井下專用的耐高溫、高容量的鋰電池，單節 3.7 V，本設計中各模塊的工作電壓為3.3 V，故選用LP2985LV作為電源調理芯片，為系統提供穩定的3.3 V電壓。

3 系統軟件設計

本系統軟件設計包括單片機和上位機軟件設計兩部分。用集成完全版Keil 8051工具的Silicon IDE 對C8051F35X單片機開發測試，利用Keil 軟件編寫單片機主程序，完成I/O端口、A/D轉化、串口初始化、數據發射和接收等功能，再通過Silicon IDE 分析調試環境，保證模擬外設性能。

氣體鉆井井下扭矩測量無線傳輸系統配套處理軟件實現井下扭矩測量參數監控的設計要求是：由下位機硬件部分數據采集系統獲得相關的電信號數據，然后由監控軟件將這些電信號經過處理和標定以實時曲線和數值兩種形式顯示，可以實時監測整套系統的通信狀況，采集每個所用中繼短節的溫度、電量與接收信號強度等信息，便于現場操作人員在第一時間了解井下采集參數與微波通信情況，同時將每個模塊上傳的信息數據保存成各自獨立的文件，便于日后測量數據的調閱分析。根據以上的功能需求分析，基于SQL Server 2008 數據庫和Visual Studio 2010 開發平臺，采用C#語言，完成了上位機監控系統各個模塊的開發，上位機系統總體框圖如圖2所示。

配套處理軟件從功能上主要分成兩部分，即數據監控軟件和數據管理軟件，其中監控軟件以實時數據為核心，管理軟件以歷史數據為核心。該套處理軟件實現了扭矩的實時處理與顯示、系統內各模塊工作狀態的監控、歷史數據調取分析等功能，并可擴展成多源數據進行集中監測，實時監測氣體鉆井中各類井下工程參數。

4 結 語

針對電磁波測量受地層特性影響較大和泥漿脈沖不能用于氣體鉆井的問題，本設計利用鉆柱內微波傳輸和中繼信號傳輸的方式大幅提升了微波通信的距離，并開發配套的上位機監測軟件，實現了氣體鉆井井下扭矩的隨鉆監測，為實時了解井下的真實工況和及時處理井下安全風險提供了技術支持。

下井實驗表明，所設計的扭矩無線測量系統無線傳輸時延短，能夠實時準確地釆集、傳輸和顯示扭矩測量數據，能穩定可靠工作160 h，測量精度小于2.5%，測量深度超過3 000 m，滿足氣體鉆井中井下扭矩測量的實際要求。

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