实验室钻井仿真平台钻柱振动测量仪设计

宋华军， 周光兵， 于 玮

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，山东 青岛 266555)

0 引 言

钻柱的振动信号是一种信息含量丰富、成分复杂的振动波,信号中包含了钻柱和钻头自身工况引起的振动,钻头与地层相互作用所激发的振动，钻柱与井壁相互碰撞及黏卡释放引起的振动等。钻柱的振动信号特征反映了井下钻具的工作状态[1-3]。在钻柱内安装一个三轴振动传感器，对钻柱振动信号进行监测和记录，利用快速傅里叶变换和小波变换处理振动频谱提取和识别钻柱的振动特征[4]，判断钻柱的井下工作状态,对可识别出的钻柱非稳定工作状态、钻柱黏卡、钻头故障等异常工况进行预警，对提高钻进速度，预防钻柱和钻头的早期损坏，减少钻井事故的发生都具有重要作用[5-6]。

为让学生直观分析钻井信号振动信息，培养学生对井下钻井平台异常工况的判断能力，基于实验室钻井仿真平台设计一款钻柱振动测量仪。当前一些钻柱振动信号采集装置通过采集地面上的振动信号进行分析处理来判别钻具的工作状态，进行相关实验分析。但此种方法不能完全反映出钻头钻柱井下的工作状态，失真较大[7-8]。同时，由于井下环境复杂，无法将测量仪数据通过有线或无线的方式传输到地面。本文设计出一款带有数据存储功能的加速度测量仪,该测量仪安装在钻井仿真平台的钻头附近，对钻头振动信号实时采集存储[9],其体积小，安装方便，存储容量大，具备井下测量的优势，能够反映钻具在井下的真实工作状态和受力状况。采用的微机电系统(MEMS)加速度传感器MPU6050相比传统的器件具有尺寸小、成本低和电路可以单片集成等优势[10-11]。

1 振动采集系统硬件设计

1.1 振动采集系统整体硬件设计

振动加速度测量仪的硬件部分主要功能是实现对钻头空间三维运动的加速度采集、存储与信号处理,硬件部分的总体构架图如图1所示。

图1 硬件设计架构

钻柱振动采集系统由下位机子系统和上位机子系统组成。下位机包括微处理器STM8L152、加速度传感器MPU6050、电源及稳压器、晶振以及存储器TF卡。MPU6050传感器的主要工作是采集钻柱x、y、z轴方向上的加速度数据，并完成对采集的模拟信号的滤波、A/D转换以及数字信号输出的功能。存储器(TF卡)用于存储传感器采集的加速度数据。稳压器可以滤除锂电池输出的电源纹波。STM8L152控制器负责读取加速度传感器中的振动信息，将数据通过FAT文件系统以HEX格式在TF卡中进行保存。上位机子系统主要包括PC机以及在PC机上运行的ShowHex格式转换软件和编写的绘图软件。通过ShowHex将保存有振动信息的HEX文件转换成直观易于处理的TXT文件，随后运行绘图控件对采集到的信息进行绘图，将三轴振动信息直观表达出来并进行分析[12]。

1.2 微型控制器

微型控制器(MCU)是微型随钻轨迹振动加速度测量仪硬件电路的核心部分，测量仪的工作环境具有安装位置有限，工作强度高，测量时间长，测量频率高的特点。根据以上的特点，选用意法公司的STM8L152作为硬件部分的控制器。STM8L152处理器具有超低功耗的特性，测量仪微控制器部分原理图如图2所示。

图2 STM8微型控制器原理图

1.3 加速度传感器

系统中选择的振动加速度传感器是InvenSense Inc.的集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计的芯片MPU6050。MPU6050对陀螺仪和加速度计分别用了3个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。一个片上1 024 Byte的FIFO，有助于降低系统功耗。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的加速度计可测范围为±2g，±4g，±8g，±16g。加速度分辨率为：6.1×10-5g，角速度分辨率为:7.6×10-3(°)/s。测量仪MPU6050部分原理图如图3所示。

图3 加速度传感器原理图

1.4 电 源

针对测量仪微型化以及测量时间长的要求，测量仪使用了微型聚合物锂电池作为电源部分。其大小仅为26 mm×12 mm×4.5 mm，容量可达到150 mA·h。测试续航时间为6 h，符合小尺寸，大容量的要求,其外形如图4所示。

图4 聚合物锂电池外形图

1.5 测量仪整体实物图

设计的振动加速度测量仪体积36 mm×18 mm×14 mm，运用3D打印技术打印ABS材质外壳，可以有效地保护内部的测量仪，方便安装到油田钻井开发模拟平台中。实物如图5所示。

图5 振动加速度测量仪

2 振动采集系统软件结构

钻井过程中，井下钻柱振动信号频率一般不超过200 Hz[13-14]。根据奈奎斯特采样定理，即采样频率大于被测信号的2倍。为准确反映钻柱井下工作环境，设定振动加速度测量仪每秒采集500次振动加速度数据，这需要对数据快速的读写操作。振动采集系统软件框图如图6所示。

由于对TF卡擦写扇区耗时较长，又要保证500 Hz的采样速率，程序采用了双缓冲区结构，即数据缓冲区和采集缓冲区。中断函数采集数据后首先存放于采集缓冲区，当确定数据缓冲区未满时再将数据送到数据缓冲区。当数据缓冲区存放满512 Byte以后才开始写扇区操作。这样即使在进行写扇区操作时，仍然能够正常的进行数据采集，保证数据不丢失。

3 实验结果及分析

用测量仪进行加速度采集并显示,将保存数据的TF卡连接到电脑上,运用绘图软件读出加速度数据并绘图描述，如图7所示。

图6 振动采集系统软件结构

图7 测量仪采集到的x、y、z三轴加速度情况

图7为手持加速度计进行多次振动的X、Y、Z三轴加速度数据波形。蓝色线代表x向加速度；红色线代表y向加速度；绿色线代表z向加速度。可以看出，该测量仪能够进行高速数据采集，采集到的加速度数据精度高，幅值范围大，满足对钻柱振动信息实时高速采集的要求。

4 结 语

从实验情况来看，设计的振动加速度测量仪可对包含丰富井下工况信息的钻柱振动信号进行采集和存储。测量仪可以快速精确地测量出钻头三轴振动加速度，以16进制数据实时存储在TF卡中。上位机能够将振动信号直观表现出来,学生可对钻柱振动信号进行分析，对钻柱粘卡等非稳定工作状态进行预警。

将振动信号变换处理后可以提取反映钻井工况的信息，从而指导钻井作业，这将大大提高钻进速度和钻井安全性，为实现安全、优质、高效钻井提供技术保障。测量仪具有便于安装、测量准确、体积小、成本低、精度高等一系列优点，也可方便地应用到其他振动测量领域。

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