基于MSP-EXP430的钻柱振动信号采集系统设计

张　京　郝花丽　惠月红　白文豪　徐　涛　西安石油大学电子工程学院　陕西西安　710065



基于MSP-EXP430的钻柱振动信号采集系统设计

张京郝花丽惠月红白文豪徐涛西安石油大学电子工程学院陕西西安710065

【文章摘要】

针对钻柱振动易于影响钻具使用寿命的问题，以钻柱振动信号为研究对象，基于MSP-EXP430 单片机，结合信号处理技术，采用压电式加速度传感器采集钻柱的三维振动信号，利用RS232或ZigBee技术完成传输数据，以Labview2010软件平台构建系统的监控和分析软件，最终实现钻具振动信号的地面实时采集、分析、处理、显示及故障诊断。本项目的开展将实时提取钻柱振动信息，为认知所钻地层的井下工况和岩性分析，为优化钻头设计和井下钻具组合结构、优化钻井参数，防止钻具事故及由振动引起的钻井异常现象的发生提供重要的技术支撑。

【关键词】

MSP-EXP430；钻柱振动；信号采集

0　引言

钻柱振动是钻井过程中常见的物理现象，携有非常丰富的井下钻具信息。长期的钻井实践与研究表明，钻柱的高幅振动、跳钻、大幅度的粘滑扭转振动对钻井过程极具破坏作用，是钻具损坏的主要原因，不仅会影响钻井速度，还易使钻柱疲劳破坏，诱发钻井事故，大大增加了钻井成本和风险。因此，研究钻具振动对预测钻具故障状态、提高钻井速度，降低钻井风险有着十分重要的意义。

图1　钻柱振动信息采集器原理框图

图2　钻柱振动信息采集软件框图

针对钻柱振动可能给钻井和钻柱带来的损害问题，Finnie、Bailey和Garrett W RBesausion等人围绕着钻柱振动问题开展了大量的理论研究。Lutz等人在井口接头放置仪表化的传动钻杆上测量振动，并采用滑环传送监测数据进行分析。中国石油大学（北京）高岩副教授、郭学增教授在钻具振动检测与分析方面开展了颇有成效的研究，总结出了三牙轮钻头的工作特征，即三牙轮钻头条件下钻柱纵向振动的规律和波谱特征，把振动信号按分析频率分为低频段、中频段和高频段。此外国内的中国石油大学大庆石油学院等单位也进行了大量的钻柱振动力学方面的研究，也取得了一些认识与进展。截止目前对于钻柱系统简单的直井钻柱的振动理论的分析基本成熟，形成了差分法、有限元法、有线形分析方法和纵横弯曲法等方法。但作为重要钻井参数的振动信号，在国内一直没有得到有效利用，仅限于理论性的研究和室内的实验，特别是国内在钻柱振动测量手段上远落后于西方国家；目前国内还未见到来自现场的试验报告，尚未有成熟的钻井振动信号采集、信号分析与钻井故障诊断系统。

本文将以钻柱振动为研究对象，以MSPEXP430 单片机作为核心控制器，结合信号处理技术，采用压电式加速度传感器采集钻柱的三维振动信号，利用RS232或ZigBee技术完成传输数据，以Labview2010软件平台构建系统的监控和分析软件，最终实现钻具振动信号的地面实时采集、分析、处理、显示及故障诊断。

1　钻柱振动信号采集系统硬件设计

钻柱振动信号采集系统由：MSPEXP430处理器、振动传感器、前置放大器、滤波器、通信模块和电源模块构成。图1给出了钻柱振动信息采集器原理框图，

1.1主控制器

本系统采用MSP-EXP430G2553作为核心控制器，该控制器是一款超低功耗的单片机，具有5中节电模式，内置12位A/D；供电电压1.8V~3.6V；为了提高采集精度，本系统采用了外部扩展的16位AD，满足采集振动信号的要求。

1.2振动传感器

振动传感器是监测钻柱振动的重要环节，由于在钻井过程中，钻柱时刻处于旋转状态，这就要求加速度计具有良好的中频和高频率特性。本文选择朗斯公司的LC1002振动传感器，量程范围±20 g；灵敏度250 mv/g；频率范围0~20000 Hz；温度范围-40~125 ℃。

1.3放大器

由于振动信号比较微弱，因此本文采用可调增益的放大器，确保采集的信号满足AD的量程需求。

1.4滤波器

当处于不同的钻进过程中时，钻柱的振动特性有所不同，因此，本设计根据不同的钻井状态，选择不同的中心频率的滤波器，确保了采集精度。

2　钻柱振动信号采集系统软件设计

钻柱振动信号采集系统软件包括了MSPEXP430G2的软件和计算机上的分析软件。其中，MSPE-XP430G2的软件部分完成单片机的初始化、数据采集、AD 转换、FLASH 读写、通信等功能；计算机上的分析软件是基于Labview的回放分析软件，实现对数据的回放、谱分析，振动的信息提取等。其功能主要包括：串口通信、用户登陆、数据采集、数据分析、数据存储和历史数据读取。由于LabVIEW是基于模块化程序设计思想，因此在程序开发过程中也遵循着这一基本的思想，在总体方案确定后，根据所需的不同功能分别组建各种功能模块，最后再进行集成和调试。单片机与PC机间的通信采用ZigBee协议进行无线传输。

图3　钻柱振动信息采集系统实物

3　结束语

针对钻柱振动易于影响钻具使用寿命的问题，以钻柱振动信号为研究对象，基于MSPEXP430 单片机设计了一套钻柱振动信号采集系统，实现了钻柱振动信号的地面实时采集、分析、处理、显示及故障诊断等功能。为认知所钻地层的井下工况和岩性分析，为优化钻头设计和井下钻具组合结构、优化钻井参数，防止钻具事故及由振动引起的钻井异常现象的发生提供重要的技术支撑。

【参考文献】

[1]FinnieL，BaileyJJ．An Experimental Study of Drill-String Vibration[J]. Journal Of Engineering for Industry, 1960, 82(2):129-135

[2]GarrettWR．The Effect of a Down Hole Shock Absorber on Drill Bit ant Drill SternPerformance[C]，1962，ASME，62-PET-21

[3]Schen，SnellBH．Optimization of Bit Drilling Performance Using a New Small Vibration Logging Tool，SPE/ IADC 92336 was presented at 2005 SPE/IADC Drilling Conference held in Amsterdam，The Netherlands，23-25 February 2005

[4]Lutz J，Raynaud M，GstalderS. Instantaneous Logging Based on a Dynamic Theory of Drilling[J]. Journal of Petroleum Technology, 1972, 24:750-758

[5]高岩，刘志国，郭学增．钻柱轴向振动固有频率的计算和测量[J]．西安石油学院学报（自然科学版），2000，15(1):39-43

[6]徐鸿志.空气钻井条件下钻柱振动特性研究[D].山东：中国石油大学，2009：40-48.

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目资助（编号：201410705032）