鉆壓和扭矩測量系統設計

為了實現實時采集并存儲鉆鋌的受力情況數據，根據模塊化設計思想，對測量系統的硬件電路進行了設計。根據數據采集、存儲和傳輸要求選擇了滿足功能與環境要求的主控芯片，設計了數據采集電路、信號放大電路和應變橋補償電路，確保在溫度、功耗、精度等方面適用于井下環境；同時實現了數據采集模塊、Flash存儲模塊和電壓補償模塊的軟件設計，采用RS485通信實現上位機與鉆壓和扭矩測量處理模塊的數據傳輸，通過上位機軟件完成對標定參數和補償數據的校驗編幀，發送給鉆壓、扭矩測量處理模塊；制定鉆壓、扭矩測量電路的標定方法，對設計儀器進行了標定和驗證，確定了測量電路測得的應變電橋輸出電壓值與實際加載的載荷間的對應關系。試驗結果表明，該測量系統運行正常，滿足試驗要求。該測量系統的成功研制可為隨鉆應力測量中被試產品的質量評價、產品的工作效率評價及井下工況的評估提供技術支撐。

鉆壓；扭矩；測量電路；采集存儲；上位機；標定

TE927

A

202407047

Design of WOB amp; Torque Measurement System

Guo Ruqiang¹"Li Yonghong¹"Ni Guobin¹"""Yue Fengying²

（1.School of Instrument and Electronics， North University of China; 2.School of Electrical and Control Engineering， North University of China）

In order to achieve real-time collection and storage of force data on drill collars， the hardware circuit of the measurement system was designed according to the principle of modular design. The main control chip that meets functional and environmental requirements were selected， and the data acquisition circuit， signal amplification circuit and strain bridge compensation circuit were designed， according to the data acquisition， storage and transmission requirements， to ensure the suitability for underground environments in terms of temperature， power consumption， and accuracy. Moreover， software design was completed for data acquisition module， Flash storage module and voltage compensation module， RS485 communication was used to achieve data transmission between the upper computer and the weight on bit （WOB） amp; torque measurement and processing module， and the calibration parameters and compensation data were verified and framed using the upper computer software and then sent to the WOB amp; torque measurement and processing module. A calibration method for the WOB amp; torque measurement circuit was developed， and the designed instrument was calibrated and validated. The correspondence between the output voltage value of the strain bridge measured by the measurement circuit and the actual load was determined. The experimental results indicate that the measurement system operates normally and meets the experimental requirements. The successful design of the WOB amp; torque measurement system provides a technical support to the quality and efficiency evaluation of product under stress measurement while drilling and the assessment of donwhole conditions.

WOB; torque; measurement circuit; collection and storage; upper computer; calibration

0"引"言

郭如強，等：鉆壓和扭矩測量系統設計

隨著石油工業的快速發展，勘探開發深度不斷增加、井下地層結構越發復雜，鉆井人員在鉆井過程中遇到的困難越來越多，尤其表現在各種隨鉆參數的測量（測量變得十分復雜）上^［1-2］。伴隨著深井、斜井、水平井和高溫高壓井等各式各樣井的開發，鉆井事故頻繁發生^［3-4］。由于鉆井目標區域的擴大，目標區塊的地層環境條件差別也有所不同。當前多數鉆井過程都依賴傳統的設備采集地面數據，以此來判斷井下的實際情況^［5-6］。但是隨著鉆井深度加深，各式各樣井的不斷出現，地面測量所得的數據與井下工況的實際情形存在著不小的差別，無法滿足對各式各樣井實際勘探測量的需求^［7-8］。隨著國內外電子信息領域的飛速發展，更為豐富的數據采集技術應用到了鉆井生產作業中，測量傳感器的體積越來越小，芯片的處理速度大幅提高，隨鉆測量（Measurement While Drilling，MWD）技術漸漸地發展起來。隨鉆測量是指將電子機械裝置安裝在石油工業的鉆井鉆具組合處進行井下測量。隨鉆測量系統可以在鉆頭工作的同時測量井下各種參數（如鉆壓、扭矩、溫度等），并將數據上傳到地面來指導人員安全高效地實施鉆井作業^［9-12］。

隨鉆測量工作模式可以分為2種：一種是依靠井下存儲芯片存儲各種參數數據，工具出井后在地面下載測量的數據；另一種是鉆井過程實時上傳數據，可以通過鉆井液壓力脈沖、電磁波和聲波等方式進行數據傳輸^［13-14］。數據存儲模塊主要用來對采集處理得到的鉆壓、扭矩等數據進行實時的存儲，并通過上位機進行讀取^［15］。Flash（閃存）是一種非易失性存儲器，具備在線多次擦除的能力，即使在掉電的情況下，閃存中的數據也不會丟失，并且在重新上電后，用戶可以方便地獲取存儲在閃存器中的數據。閃存的優點在于其高度的可靠性、小巧的體積、低電源功耗和強大的抗振性能等^［16-18］。筆者在現有近鉆頭參數測量技術的基礎上，依據井下鉆鋌測量技術要求，設計并制作了相應的測量電路；通過軟件設計，采用RS485通信實現了上位機與鉆壓、扭矩測量處理模塊的數據傳輸；制定鉆壓扭矩測量電路的標定方法，對設計儀器進行了標定和驗證，確定了測量電路測得的應變電橋輸出電壓值與實際加載載荷間的對應關系。

1"測量系統設計

設計的測量短節應用在井下1 000～3 000 m的石油鉆井環境，此井下工況需要隨鉆測量設備必須抗高溫高壓、耐振動。短節安裝在鉆頭與鉆桿之間，短節上設有帶密封保護板的凹槽，用于安裝傳感器和測量電路板。測量系統框圖如圖1所示。采用薄膜應變傳感器測量拉壓力和扭矩，通過電橋電路將電阻值的變化轉換為電壓輸出，再通過儀表放大器放大后送入后級多路模擬開關切換，供ADC進行模數轉換。模數轉換結果一方面由MCU送入Flash存儲，另一方面可通過RS485接口進行上位機通信。測量系統設計可分為測量電路的硬件設計和軟件設計。

2"硬件設計

2.1"測量電路總體方案

為滿足井下175 ℃高溫環境正常工作的環境指標，測量電路必須全部選用耐高溫器件。根據鉆壓、扭矩測量的需要以及應變片的布局、搭橋方式，采用如圖2所示的測量電路方案。

左側依次往下為扭矩測量全橋、4路拉壓力1/4橋及1路溫度傳感器采集；電橋測得的電壓信號經儀表放大器放大后輸出，因傳感器測得的每路信號各有特點，故每一路都需經儀表放大器放大輸出至下一級，再經后級多路模擬開關切換，供ADC轉換為數字信號；數字信號一方面由MCU存儲至Flash，另一方面可通過RS485接口傳輸至上位機。為實現應變片溫度補償，每路應變電橋皆配置獨立的數模轉換器，微調橋路供電電壓，由實時溫度測量電橋感知的溫度和鉆井液壓傳感器測得的壓力依據預先標定的結果確定微調值的大小。

2.2"測量電路模塊

2.2.1"主控模塊

隨鉆設備所處的作業環境要求微處理器要在長時間高溫的環境中發出或接收命令，因此主控CPU必須具備耐高溫的特質。本設計選用TI公司的高溫微處理芯片SM470R1B1 M作為核心控制器，可在-55～210 ℃的極端溫度范圍內長期工作。內置1 MiB程序存儲器，高溫Flash存儲器選用LHM256 MiB高溫NOR Flash存儲器，可以滿足支持10個工作日的數據存儲需求。RS485通信接口芯片為SN65HVD11，適合應用在高溫的井下環境中，如圖3所示。

2.2.2"采集電路

采集電路以亞德諾（ADI）的AD7981模數轉換芯片為核心。AD7981是精確快速、低功耗、單電源的16位ADC，能夠將模擬信號轉換為數字信號，其通過SPI接口與主控CPU進行連接。出于滿足多通道實時采集6路模擬信號的需求，每路模擬信號經過放大電路放大后進入多路復用器，6路模擬信號復用到一個輸出通道上，以此來實現多通道實時采集。前端以ADI的8選1模擬開關ADG5298進行信號切換，信號在被AD7981芯片采集前，經過儀表放大器INA333-HT放大，并以OPA211-HT連接成電壓跟隨器的形式進行阻抗匹配。信號采集電路如圖4所示。

2.2.3"放大電路

應變片傳感器的應變變化經測量電路轉化的電壓信號是微弱的毫伏級信號，并且4個拉壓電橋放大板的放大倍數相同，而扭矩和溫度測量電橋放大板的放大倍數不同。本文選用ADI的低功耗通用型精密儀表放大器INA128HD，其具有差分輸入特性，共模抑制比高、溫漂小，可有效降低噪聲干擾。放大電路如圖5所示。根據組橋形式的需要，通過在放大板焊接精密電阻或外連應變片，組成全橋、半橋或1/4橋。不同需求的放大倍數可通過INA128的1號和8號管腳間精密電阻進行設定。

2.2.4"補償電路

補償電路的引入是為了修正因溫度和液壓變化引起的橋路輸出電壓的不穩定性。通過不同溫度下無載荷電橋平衡時的電壓補償值和RS485傳送的實時液壓大小，由MCU控制可調精密電源電壓值的輸出，以獲得所需的電壓值。

應變橋補償電路選用DAC芯片AD5600用作電壓調整，可在175 ℃高溫下持續工作1 000 h。通過數模轉換器AD5600對補償電壓信號進行處理，隨后經過電壓跟隨器、分壓電路、同向加法器處理，通過后級運算放大電路與固定電壓進行加法運算，使得電壓調整的范圍縮小到某個較小區間；最終通過多路復用器ADG5298切換輸出測量拉壓力和扭矩信號橋路的補償電壓。應變橋補償電路如圖6所示。

2.3"采集電路板設計

采集電路板的設計包括采集電路長板和放大電路圓板。其中采集電路長板尺寸為260 mm×50 mm，高度小于12 mm。放大電路圓板直徑20 mm，加外殼后直徑略小于25 mm，厚度可控制在不超過12 mm（單塊圓板）或18 mm（2塊圓板）。電路板的設計對整個系統的可靠性有重要的影響，因此在PCB設計中應關注：①為避免數字信號對模擬信號的影響，將數字地與模擬地分隔開，通過0 Ω電阻連接；②傳感器放大部分需要設計在單獨的放大板上，放大板安裝在應變片裝貼孔內；③前置放大部分設計專門的屏蔽盒，將整個放大電路放入屏蔽盒內；④采集板前端開槽，便于引線，后端為15芯接插件；⑤FPC插座焊接在放大圓板上，應變片與放大圓板通過FPC軟排線連接。

3"軟件設計

3.1"總體功能

軟件部分實現的功能是AD采集、電壓補償、通道切換、數據編幀、Flash的讀寫和擦除操作以及RS485數據通信。上位機軟件完成對標定參數和補償數據的校驗編幀，然后發送給鉆壓扭矩測量處理模塊，以及完成對采集數據的回讀。上位機軟件和鉆壓、扭矩測量模塊功能交互框圖如圖7所示。

系統上電后首先對MCU主控芯片進行初始化，對程序設計中所用到的相關寄存器進行定義，配置不同功能模塊用到的特殊寄存器和設置I/O口的工作模式；之后對ADC、DAC以及Flash進行配置，使其進入預工作狀態。一系列準備工作完成后，通過上位機發送指令，系統開始采集工作。補償數據通過AD5600數模轉換模塊轉換成模擬信號提供給測量電橋，測量電橋輸出的信號經AD7981采樣處理最后存儲到Flash中，需要時通過RS485通信接口發送給上位機。數據的采集、處理和發送流程圖如圖8所示。

3.2"數據校驗與編幀

上位機將想要發送的數據解析出來之后，點擊校驗加頭按鈕，上位機會自動計算出數據的2字節校驗和，并添加到數據數組中，然后給數據加上命令幀頭0xEB90EB90EB90。點擊命令按鈕，選擇相應的命令名稱，點擊發送按鈕即可將數據發送給主控芯片。

圖8"數據的采集、處理和發送流程圖

Fig.8"Data acquisition， processing and transmission process

4"標"定

標定的目的是明確測量電路測得的應變電橋輸出的電壓值與實際加載的載荷間的對應關系。首先由標定臺架給出一定量載荷，然后由測量電路測量得到應變電橋的輸出電壓，記錄臺架給出的定量載荷與測量電路的輸出電壓；改變標定臺架的定量載荷，重復上述過程；最后得到載荷與電壓的關系。

4.1"拉壓力標定試驗

由于鉆鋌長桿較長且中間無支撐，水平放置時長桿懸空部分引起的附加彎矩相對較大，所以中間加以支撐，盡量排除掉附加彎矩。利用標定臺架給鉆鋌長桿施加單拉壓載荷，通過軟件回讀電橋電壓輸出值，對試驗加載過程以及卸載過程中的數據進行平均處理，多點平均后記錄標定結果，如表1、表2所示。

由于拉壓橋放大倍數計算結果與實際存在偏差，拉壓橋2的輸出結果中，部分數據出現過早飽和，出現飽和的壓力值在125 kN左右，需通過減小放大倍數加以調整。

由于臺架拉方向施加載荷有限，且在過零點時由于應變滯后效應以及臺架間隙曠動等因素的影響，小載荷（近零點）時輸入輸出關系線性度較差。

拉壓橋、扭矩橋的輸出與輸入載荷的關系如圖9、圖10所示。由圖9和圖10可以看出，不同拉壓載荷對扭矩橋的輸出影響可忽略不計。

4.2"扭矩標定試驗

扭矩標定結果如表3所示。對試驗中的加載過程以及卸載過程中的數據進行平均處理，得到最終輸出電壓與扭矩的對應關系。

輸出電壓與單扭矩載荷輸入的關系如圖11所示。由圖11可以看出，扭矩標定曲線的線性度較好，但同時扭矩載荷對拉壓橋的輸出影響相對較大，為近似的線性關系。

4.3"試驗結果與分析

從標定結果來看，在單獨施加拉壓載荷與單獨施加扭矩載荷的條件下，單拉壓載荷對扭矩橋的輸出影響不大，而單扭矩載荷對拉壓橋的輸出有較大的影響。這是因為扭矩橋為全橋，拉壓對全橋的4個橋臂影響大致相同，所以單拉壓載荷對于扭矩全橋輸出基本沒有影響；而拉壓橋為1/4橋，1/4橋在施加扭矩載荷時，始終有一橋臂受到扭矩引起的軸向附加應變，造成橋路輸出失衡。

改進措施：將用于拉壓力測量的1/4橋改為半橋接法，如圖12所示。半橋使用2個應變片，另外2個電阻分別為精密電阻。相比于1/4橋，半橋的測量精度有了明顯提高，同時也能夠檢測應變片的溫度漂移等誤差。

在鉆鋌周向增加補償臂應變片，可在受扭矩載荷時同時變形，抵消測量橋臂軸向拉伸的絕大部分影響；同時，該補償臂也具有適當的溫度補償作用。

5"結"論

（1）針對某鉆井項目的需要，研究了一種測量隨鉆參數的測量短節工具，設計了能夠測量鉆壓、扭矩的硬件測量電路和軟件系統。

（2）針對井下高溫等環境限制因素進行器件選型，確保在溫度、功耗、精度等方面適用于井下環境。

（3）根據本次設計的性能指標和功能要求，對鉆鋌進行標定試驗，分析出測量電路測得的應變電橋輸出的電壓值與實際加載的載荷間的對應關系，利用高溫烘箱和加壓井對鉆鋌進行溫度補償和液壓補償試驗。該測量系統能夠正常運行，并且滿足試驗要求。

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