录井绞车传感器的无线改造技术研究*

李永钊

(中国石油长城钻探工程公司工程技术研究院 辽宁 盘锦 124010)

·开发设计·

录井绞车传感器的无线改造技术研究*

李永钊

(中国石油长城钻探工程公司工程技术研究院 辽宁 盘锦 124010)

总结了目前应用的霍尔元件式、接近开关式、光电耦合式等三类有线通信式绞车传感器的工作原理。针对录井有线通信式绞车传感器现场安装维护复杂、计数精度低、易受干扰的问题，利用无线传输技术和低功耗技术，设计一种信号发送节点，从脉冲信号处理、无线通信技术选择和供电设计等三方面对现有的绞车传感器进行改造。试验和现场应用表明，经过无线改造的绞车传感器解决了目前绞车传感器数据采集精度低、传输易受干扰的问题，具备了在钻井现场进行推广的要求，将极大促进无线钻井参数测量仪器的发展。

绞车传感器；信号发送节点；无线传输；低功耗

1 录井绞车传感器现状及问题

绞车传感器是钻井参数仪、综合录井仪的核心传感器，安装在钻机滚筒轴上来测量绞车运动的角位移量，经过计算后转换为大钩运动的上下位移。是派生参数最多的一类传感器，与井深、钻头位置、钻时、钻头进尺和起下钻速度等参数直接相关，其测量精度和准度直接关系到钻井工程的质量[1]。

目前现场大量使用的绞车传感器主要有三种类型：霍尔元件式、接近开关式、光电耦合式，均为有线通信式的绞车传感器，一般采用5～12 V直流电压供电，工作电流4～20 mA[2]。三种绞车传感器内部结构不同，工作原理也有差异。霍尔元件式绞车传感器内部固定的霍尔元件交替靠近内部磁钢时，电路输出一系列高、低电压相间的脉冲信号；光电耦合式绞车传感器内部的遮光片随绞车轴转动时，会分别阻断、导通光电耦合器中的红外线，使绞车传感器输出脉冲信号[3]；接近开关式绞车传感器内部转子部件随滚筒一起转动，转子齿轮的齿与齿间空交替地通过定子探测头前方，探测头电路输出一系列高电压与低电压相间的脉冲信号。工作过程示意如图1所示，绞车传感器通过长距离的信号线连接到信号采集箱的脉冲信号采集模块，进入存储控制系统进行处理，完成信号采集处理过程。可见三类绞车传感器最终都通过电压脉冲信号，来判断绞车的转动方向，计算大钩位移。

图1 有线通信式绞车传感器工作原理示意图

有线通信式的的绞车传感器在现场数据采集过程中暴露出了如下问题：

1)需要长距离的信号电缆，安装、拆卸受钻机工作环境制约，费时费力，对工厂化钻井和从式井组钻井等作业尤为不便。

2)信号电缆电阻过大会产生比较大的分压，绞车传感器信号处理电路输入的电压达不到处理电路信号输入的要求，在绞车转动过快时造成信号计数值丢失的现象。

3)容易受井场复杂电磁环境的干扰，干扰信号叠加在绞车传感器的输出信号上，就会使绞车传感器输出信号产生错误。

这些问题可能会导致井深测量出现误差，直接关系到录井数据以及工程监测数据的准确性。因此迫切需要一种解决方法。

2 录井绞车传感器无线改造

2.1 改造方法

针对目前现场使用的有线通信式的的绞车传感器：霍尔元件式、接近开关式、光电耦合式绞车传感器输出信号均为电压脉冲信号，可以在不改动原绞车传感器内部结构的基础上，设计一种信号发送节点，与原绞车传感器有线连接，安装在滚筒外部金属挡板上，采集、处理脉冲信号并应用短距离无线通信技术进行数据无线发送。

工作过程示意如图2所示，信号发送节点通过磁性吸盘吸附在滚筒外部金属挡板上，打开电源开关传感器开始工作后，采集绞车传感器产生的电压脉冲信号，按照设计的通讯编码协议通过无线射频天线以无线射频的方式发射到后台值班室的接收节点，接收节点接收信号并滤波整形处理，最后由信号转发器将数据发送到上位机软件，从而进行井深的计算。改造过程需要解决脉冲信号处理，无射频通信和供电设计等三个问题。

图2 无线改造绞车传感器工作过程示意图

2.2 关键技术

2.2.1 脉冲信号处理

有线通信式的的绞车传感器改造的核心部件是信号发送节点，主要功能是对绞车传感器脉冲信号进行信号整形滤波，鉴相、倍频、计数，将获得的数据按照无线通讯协议进行编码，无线发射。信号发送节点的内部结构如图3所示，包括处理器，无线射频模块，电压比较器以及电源模块等4部分。

图3 无线绞车传感器信号发送节点内部结构图

钻井现场大型电气设备产生的电磁信号会叠加在绞车传感器的输出信号上，使绞车传感器输出信号产生波动，脉冲信号的边沿呈斜坡样式，并不是标准的方波信号。为了准确处理信号，需要对绞车传感器的输出信号进行行滤波整形处理，一般采用电压比较器进行滤波整形处理。

脉冲信号经过滤波整形之后，MCU处理器将监测每对信号，在AB两相脉冲信号的每个上升或下降边沿都会产生一个脉冲信号，这样每对脉冲信号就能产生4个脉冲信号，MCU处理器完成鉴相、倍频、计数的功能。按照预先设计的通信协议，将绞车的计数值进行编码，通过无线射频模块发送到后台值班室的接收节点。

2.2.2 通信技术选择

钻井现场有多种大型电气设备，电磁环境复杂，这关系到无线射频模块通讯频段的选择。在正常钻井作业中，使用场强计监测干扰信号的数据表明，现场干扰信号频段主要集中在 200～260 MHz、330～500 MHz和800～1 100 MHz。常用的短距离无线通信技术主要有： ZigBee、蓝牙(Bluetooth)、无线局域网802.11b(WiFi)、无线433 MHz、915 MHz频段等，几种通信方式特点见表1[4]。

比较发现ZigBee技术和无线433 MHz、915 MHz通信技术适合用于绞车传感器信号的无线发送，鉴于433 MHz无线通信技术成熟，抗干扰能力强，传输距离远，同时便于实现低功耗，选择433 MHz无线通信技术来解决无线传感器的通信问题。

表1 各种通信方式的特点

2.2.3 供电设计

独立供电是无线绞车传感器必须解决的实际问题，一般采用电池供电。为降低信号发送节点的功耗，从硬件选择和软件设置上采用了一系列措施，硬件上：

1)采用低功耗的元器件芯片；

2)降低微处理器工作频率；

3)选用支持休眠模式的芯片[5]。

程序控制上对传感器进行能耗管理，包括：

1)合理制定通信协议，减少数据包无用信息，有效缩短数据长度，减少发送时间，降低功耗；

2)使用错误检测和校正机制可以在给定误码率的条件下有效减少数据包的重传。

实验室选用5 V供电的接近开关式绞车传感器无线改造后，信号发送节点能耗测试数据见表2。

表2 无线改造绞车传感器能耗试验数据

注：空闲状态指信号发送节点工作间歇状态，只有绞车传感器和微控制器工作，其他元器件均断电。

信号发送节点各部分功耗占节点总功耗的百分比如图4所示。

图4 信号发送节点各部分功耗百分比

数据表明信号发送节点中控制器模块的功耗很低，绝大部分能量消耗在无线传输模块和原传感器供电上。室内试验和现场应用表明，采用20 Ah的高性能工业电池连续工作时间超过60天，更换电池也非常方便。

目前使用的有线通信式的绞车传感器供电电压5～12 V不等，无线改造后电源供电模块可以采用12 V，20 Ah高性能锂电池供电。针对不同的绞车传感器可以使用LDO电源管理芯片进行降压处理。

3 试验效果

经过无线改造的绞车传感器替代原来有线通信式的绞车传感器，在钻井现场成功试验了数十井次，试验结果表明，传感器在现场安装维护简易，井深等参数采集跟踪准确，抗电磁干扰能力得到很大提高。同时电池供电的方式能保证传感器在现场连续工作超过60天，证明了无线改造的绞车传感器能够取代有线通信式的绞车传感器，适合推广应用。

4 结束语

通过改造的技术方法和实际的试验数据分析可以看出，应用短距离无线传输技术和低功耗技术改造现有的绞车传感器是可行的。经过无线改造后的绞车传感器，去掉了信号采集线缆，既减轻了安装、拆卸工作量，又可以避免线缆分压造成的信号计数丢失；同时大大提高了抗电磁干扰能力，可以适应钻井现场的复杂电磁环境。另外，改造成本很低，使钻井测量设备模块化、小型化成为可能，是对钻井无线测控技术的一次成功探索。

[1] 张旭梅,刘 飞,郭 静,等. 一种新的油气田钻井参数监测方法和系统.2001,22(6):73-76.

[2] 王立波,张 卫,蔡 辉. 绞车传感器通用数据采集接口设计.录井工程,2008,19(3):62-64.

[3] 章志峰. DLS综合录井仪绞车传感器国产化改造[J]. 录井工程, 2010,21(1):68-70.

[4] 刘 剑,马同奇,沈 铁,等.无线钻井参数监测系统的设计与实现[J].录井工程,2011,22(1):52-55.

[5] 钟 涛,王豪才. CMOS集成电路的功耗优化和低功耗设计技术[J].微电子学,2000,30(2)：106-112.

Research on Wireless Improvement of the Logging Drawworks Sensors

LI Yongzhao

(CNPCEngineeringandTechnologyResearchInstituteofGreatwallDrillingCompany,Panjin,Liaoning124010，China)

The principles of three types of sensors widely used in cable draw-works are summarized, which include the Hall element, proximity switch, optical coupler, etc. In view of the complex maintenance procedure, low counting accuracy and sensitivity to interference of cable draw-works sensors, a signal transmission node is designed based on wireless communication and low power technologies, and the cable draw-works sensors are modified aiming at the pulse signal processing, wireless communication selection and power supply mode. Experiment results and field applications indicate the new wireless draw-works sensors have solved low data acquisition accuracy and low stable transmission of the cable draw-works sensors, and reach satisfactory results. This improvement can promote the development of wireless drilling parameter measuring instruments.

drawworks sensor; signal transmission node; wireless transmission; low power consumption

国家科技重大专项课题“钻井工程一体化软件”(编号：2016ZX05020-006)

李永钊，男，1986年生，工程师，2012年毕业于中国石油大学(华东)油气井工程专业，获硕士学位，现主要从事无线低功耗钻井参数仪的研发工作。E-mail:576648761@qq.com

TE27

A

2096-0077(2017)04-0008-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.04.002

2016-11-06 编辑：高红霞)