實(shí)驗(yàn)室鉆井仿真平臺(tái)鉆柱振動(dòng)測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

宋華軍， 周光兵， 于 瑋

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266555)

0 引 言

鉆柱的振動(dòng)信號(hào)是一種信息含量豐富、成分復(fù)雜的振動(dòng)波,信號(hào)中包含了鉆柱和鉆頭自身工況引起的振動(dòng),鉆頭與地層相互作用所激發(fā)的振動(dòng)，鉆柱與井壁相互碰撞及黏卡釋放引起的振動(dòng)等。鉆柱的振動(dòng)信號(hào)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(gè)三軸振動(dòng)傳感器，對(duì)鉆柱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄，利用快速傅里葉變換和小波變換處理振動(dòng)頻譜提取和識(shí)別鉆柱的振動(dòng)特征[4]，判斷鉆柱的井下工作狀態(tài),對(duì)可識(shí)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(jìn)行預(yù)警，對(duì)提高鉆進(jìn)速度，預(yù)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(xué)生直觀分析鉆井信號(hào)振動(dòng)信息，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)井下鉆井平臺(tái)異常工況的判斷能力，基于實(shí)驗(yàn)室鉆井仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)一款鉆柱振動(dòng)測(cè)量?jī)x。當(dāng)前一些鉆柱振動(dòng)信號(hào)采集裝置通過(guò)采集地面上的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析處理來(lái)判別鉆具的工作狀態(tài)，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(shí)，由于井下環(huán)境復(fù)雜，無(wú)法將測(cè)量?jī)x數(shù)據(jù)通過(guò)有線或無(wú)線的方式傳輸?shù)降孛妗１疚脑O(shè)計(jì)出一款帶有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的加速度測(cè)量?jī)x,該測(cè)量?jī)x安裝在鉆井仿真平臺(tái)的鉆頭附近，對(duì)鉆頭振動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)[9],其體積小，安裝方便，存儲(chǔ)容量大，具備井下測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，能夠反映鉆具在井下的真實(shí)工作狀態(tài)和受力狀況。采用的微機(jī)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(shì)[10-11]。

1 振動(dòng)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 振動(dòng)采集系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)

振動(dòng)加速度測(cè)量?jī)x的硬件部分主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆頭空間三維運(yùn)動(dòng)的加速度采集、存儲(chǔ)與信號(hào)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(jì)架構(gòu)

鉆柱振動(dòng)采集系統(tǒng)由下位機(jī)子系統(tǒng)和上位機(jī)子系統(tǒng)組成。下位機(jī)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(chǔ)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(duì)采集的模擬信號(hào)的濾波、A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)字信號(hào)輸出的功能。存儲(chǔ)器(TF卡)用于存儲(chǔ)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(fù)責(zé)讀取加速度傳感器中的振動(dòng)信息，將數(shù)據(jù)通過(guò)FAT文件系統(tǒng)以HEX格式在TF卡中進(jìn)行保存。上位機(jī)子系統(tǒng)主要包括PC機(jī)以及在PC機(jī)上運(yùn)行的ShowHex格式轉(zhuǎn)換軟件和編寫的繪圖軟件。通過(guò)ShowHex將保存有振動(dòng)信息的HEX文件轉(zhuǎn)換成直觀易于處理的TXT文件，隨后運(yùn)行繪圖控件對(duì)采集到的信息進(jìn)行繪圖，將三軸振動(dòng)信息直觀表達(dá)出來(lái)并進(jìn)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(dòng)加速度測(cè)量?jī)x硬件電路的核心部分，測(cè)量?jī)x的工作環(huán)境具有安裝位置有限，工作強(qiáng)度高，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)量頻率高的特點(diǎn)。根據(jù)以上的特點(diǎn)，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(cè)量?jī)x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(dòng)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(jì)的芯片MPU6050。MPU6050對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別用了3個(gè)16位的ADC，將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。一個(gè)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(yùn)動(dòng)，傳感器的加速度計(jì)可測(cè)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(cè)量?jī)xMPU6050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(duì)測(cè)量?jī)x微型化以及測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)的要求，測(cè)量?jī)x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(dá)到150 mA·h。測(cè)試?yán)m(xù)航時(shí)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(cè)量?jī)x整體實(shí)物圖

設(shè)計(jì)的振動(dòng)加速度測(cè)量?jī)x體積36 mm×18 mm×14 mm，運(yùn)用3D打印技術(shù)打印ABS材質(zhì)外殼，可以有效地保護(hù)內(nèi)部的測(cè)量?jī)x，方便安裝到油田鉆井開(kāi)發(fā)模擬平臺(tái)中。實(shí)物如圖5所示。

圖5 振動(dòng)加速度測(cè)量?jī)x

2 振動(dòng)采集系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

鉆井過(guò)程中，井下鉆柱振動(dòng)信號(hào)頻率一般不超過(guò)200 Hz[13-14]。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，即采樣頻率大于被測(cè)信號(hào)的2倍。為準(zhǔn)確反映鉆柱井下工作環(huán)境，設(shè)定振動(dòng)加速度測(cè)量?jī)x每秒采集500次振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，這需要對(duì)數(shù)據(jù)快速的讀寫操作。振動(dòng)采集系統(tǒng)軟件框圖如圖6所示。

由于對(duì)TF卡擦寫扇區(qū)耗時(shí)較長(zhǎng)，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(dāng)確定數(shù)據(jù)緩沖區(qū)未滿時(shí)再將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。當(dāng)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存放滿512 Byte以后才開(kāi)始寫扇區(qū)操作。這樣即使在進(jìn)行寫扇區(qū)操作時(shí)，仍然能夠正常的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，保證數(shù)據(jù)不丟失。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

用測(cè)量?jī)x進(jìn)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(yùn)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(dòng)采集系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

圖7 測(cè)量?jī)x采集到的x、y、z三軸加速度情況

圖7為手持加速度計(jì)進(jìn)行多次振動(dòng)的X、Y、Z三軸加速度數(shù)據(jù)波形。藍(lán)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(cè)量?jī)x能夠進(jìn)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(duì)鉆柱振動(dòng)信息實(shí)時(shí)高速采集的要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

從實(shí)驗(yàn)情況來(lái)看，設(shè)計(jì)的振動(dòng)加速度測(cè)量?jī)x可對(duì)包含豐富井下工況信息的鉆柱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)。測(cè)量?jī)x可以快速精確地測(cè)量出鉆頭三軸振動(dòng)加速度，以16進(jìn)制數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在TF卡中。上位機(jī)能夠?qū)⒄駝?dòng)信號(hào)直觀表現(xiàn)出來(lái),學(xué)生可對(duì)鉆柱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，對(duì)鉆柱粘卡等非穩(wěn)定工作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警。

將振動(dòng)信號(hào)變換處理后可以提取反映鉆井工況的信息，從而指導(dǎo)鉆井作業(yè)，這將大大提高鉆進(jìn)速度和鉆井安全性，為實(shí)現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、高效鉆井提供技術(shù)保障。測(cè)量?jī)x具有便于安裝、測(cè)量準(zhǔn)確、體積小、成本低、精度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，也可方便地應(yīng)用到其他振動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域。

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