钻柱井口振动信号采集装置研制

郝宪锋，戴永寿，孙伟峰，曲晓俊，赵洪山，唐 波

(1.中国石油大学 信息与控制工程学院，山东 青岛 266580;2.中石化胜利石油工程有限公司 钻井工艺研究院, 山东 东营 257000)

0 引 言

复杂低渗油气藏钻井过程中，钻头与地层的冲击、钻头的偏心钻进、钻柱与井壁之间的摩擦碰撞，都会产生强烈的振动。钻柱振动信号包含了大量的钻井工况信息，采集这些振动数据可以分析其特征并做出合理的故障诊断，对于减少井下钻井事故、优化钻井参数、提高钻进速度均具有非常重要的意义[1-2]。

目前，大多数研究工作仅利用钻柱振动信号进行岩性和地层识别，尚未见到成熟的钻柱振动信号采集系统。所设计采集系统对反映钻柱工况的低频段信息研究较少，对钻柱振动信号采集 装置的研究大多局限于实验室实验，还未见地面测量钻柱振动的专门产品。本文开展钻柱振动井口采集装置的研制，研究近钻头振动信号的提取方法，为井下钻具工况的识别和诊断提供基础数据[3-4]。

1 设计概述

1.1 设计指标

根据钻柱井口振动信号采集研究需求和试验测试，确定了采集装置的设计指标：振动测量范围±25g；灵敏度为每g100 mV；振动频率范围0.5～5 kHz；A/D转换分辨率12位；采样率≥20 kHz；数据无线传输距离>500 m；待机30 d，连续采集工作5 d。

1.2 系统组成

系统由上位机和下位机两部分组成，其结构框图如图1所示[5-6]。

图1 采集装置结构框图

(1)上位机包括软件和硬件部分。

① 上位机采集软件。为用户提供良好的人机界面，是控制端，通过其下发控制命令即可控制下位机，同时可将所接收振动信号、电池电量信息及时间信息在显示界面中展示，便于技术人员实时监控下位机的运行状态。

② USB转串口模块。架起了上位机和无线模块之间命令和数据通信的桥梁。

③ 无线模块。用于采集器和上位机远距离无线传输数据。

习近平总书记认为“深厚的感情必须以深刻的认识做基础”[注]习近平：《知之深爱之切》，石家庄：河北人民出版社，2015 年，(代序)第1页。，爱国主义也是如此。爱国主义建立在深刻认识自己国家的基础上，因此，践行爱国主义必须要“树立和坚持正确的历史观、民族观、国家观、文化观”[注]中共中央宣传部：《习近平总书记系列重要讲话读本(2016年版)》，北京：学习出版社，2016年，第203页。。只有深刻认识祖国的悠久历史和深厚文化，才会不断增强中华民族的归属感、认同感、尊严感、荣誉感，不断增强做中国人的骨气和底气。

在采用高效液相色谱对目标物进行定量分析时，需要制作出工作曲线。将氯霉素标准液梯度稀释，配制成不同浓度的标准工作液（1.3.1中方法制备）用1.3.2中所述的色谱条件进行检测，准确吸取浓度为0.1、1、2、5 μg/ml和 10 μg/ml的标准溶液 20 μl，用有机膜过滤后注入液相色谱仪中，记录色谱图中的数据并计算，测定峰面积。以峰面积（Y）对进样浓度（X）进行线性拟合，获得的标准曲线方程：Y=4 236.2X-814.96，在 0.1～10.0 μg/ml浓度范围相关系数 R2为0.999 5，线性关系良好。

(2)下位机是振动信号采集装置的核心，安装于钻柱顶部的方钻杆上端。主要包括：

① 锂电池组。由锂电池组构成，为下位机提供电能。

② 开关可控供电单元。为满足电池供电终端低功耗设计需求，在不进行数据采集期间，关闭大功耗的模块，尽可能减少能量消耗。

钻柱振动信号中包含很多噪声信息，为了减少不必要的噪声引入，从传感器、器件选型、电路设计多方面进行了设计考虑。信号调理电路分3路并行设计，其中1路的电路图如图3所示，前级U101A选用低噪声运算放大器，结合外围电阻和电容构成二阶压控低通滤波器，实际应用中通过改变R103、R104、C101、C102参数值，即可调节滤波器截止频率，有效滤除三轴加速度传感器信号中的高频噪声。U101B和外围电阻构成了分压减法电路，可将加速度传感器所输出的-5～+5 V信号转换成单片机能采集的0～3 V信号，以便送入单片机AD采集端进行数据采集[10]。

③ 恒流源模块。三轴加速度传感器提供三路恒流源。

信号采集装置安装于钻柱中方钻杆上端，无法进行有线连接供电，因此设计中选用锂电池供电。另外，钻井过程中采集装置随着方钻杆旋转运动，不易进行拆卸充电。为了延长单次充电工作时长，各单元电路均按照低功耗规范设计，最大程度地减小了装置功耗。

⑤ 信号调理电路。将恒流源模块输出的-5～+5 V电压信号转换成0～3.3 V电压信号，同时滤除信号中的高频干扰信号。

⑥ 线性稳压模块。为存储模块、单片机主控模块、无线模块及时钟模块供电。

⑦ MSP430单片机。下位机主控模块，协调各子模块正常工作。

⑧ 无线模块。数据传输模块，实现采集终端和远程上位机间的数据传输。

参考Luo等[19]的方法并做部分修改：10 mL丁香酚与90 mL 3 mol·L-1氢氧化钠溶液混合，高压蒸汽灭菌锅中加热到121 ℃并保持10 min，得到澄清透明溶液，冷却备用。

接着，有学生围出图4，这也占2格吗？怎么说明它也占2格？学生自然地采用了图5的方式说明：原来，4格的一半也是2格（倍拼的方法如期而至）！

⑩ NAND FLASH存储模块。提供采集数据冗余存储功能，当远程数据存储出现故障时，将采集数据存储在本地NAND FLASH中。

⑨ 时钟模块。为采集数据提供辅助时间信息。

1.3 工作过程

上位机设置完采样频率和通信波特率后，发送启动采集命令，下位机收到命令后由低功耗休眠模式进入实时数据采集模式。在单片机控制下，打开可控供电单元供电通道，分别为恒流源和信号调理电路提供+24 V和±5 V供电电压，三轴测振传感器进入工作状态。其输出信号经过恒流源模块和信号调理电路转换与调理，送至单片机AD采集端。单片机按照预设采样频率采集3个轴向的振动信息和时钟信息，并按照通信协议，将数据打包，通过无线模块发出。上位机接收到有效的数据侦后，对其解码，绘制实时曲线，并将采集数据存储至数据库，以便后期查询和分析。完成采集后，通过上位机向下位机发送低功耗工作命令，下位机关断可控供电单元供电，进入低功耗待机模式。

2 装置关键技术

2.1 振动采集传感器选型设计

钻柱振动低频段信息用于工况识别，高频信息用于岩性和低层识别，信号频率覆盖范围宽，因此所采集信号频带较宽[7]。

LC0110需要恒流源供电，为保证系统的可靠性，直接选用了配套产品LC0207E恒流供电模块。该模块采用18～30 V直流电压供电，其电压输出端可为加速度模块供电，信号输出端输出包含加速度信息的电压信号，输出电压-5～+5 V，对应加速度-25～+25g。

2.2 信号采集端低功耗设计

④ 三轴加速度传感器。压电式高精度三轴测振模块。

富滇银行深入学习贯彻党中央、国务院关于金融服务小微企业、服务“三农”和脱贫攻坚的重要政策精神，认真贯彻落实省委、省政府及监管机构发展普惠金融的相关要求，凝聚全行各条线、各机构力量，从机制优化、业务推进、项目拓展等方面持续攻坚克难，取得了阶段性成绩。截至9月末，全行支持微型企业培育贷款603笔，贷款金额4．19亿元，完成省工信委调整计划的102．08%。9月末全行普惠金融贷款余额45．98亿元，较年初增加4．35亿元，为完成全年指标任务奠定了坚实基础。

图中：U13和U3是带有关断功能的开关电源模块；CTL为使能端，低电平有效；P24VON是来自单片机的控制信号，当其为高电平时，Q2和Q3导通，集电极输出低电压，U13和U3被使能，分别输出24 V和±5 V电压，低电平时，三极管Q2和Q3关断，集电极输出高电压，U13和U3被禁用，模块不提供输出电压。

设计中压电加速度传感器恒流供电模块和采集调理电路是主要的功率消耗单元。而传感器需要采用恒流源供电，且其输出双极性电压，因此信号调理电路需采用双电源供电。为降低系统功耗，在非数据采集周期，关断非核心单元供电。电路设计如图2所示。

从动态视角看 （图4），1978～2017年我国经济重心与要素禀赋重心的一致性指标呈现出多个波峰和波谷的特征，其中波峰代表经济重心与禀赋重心同向移动，波谷代表经济重心与禀赋重心反向移动。

图2 恒流源及调理部分供电控制电路

主控制器选用MSP430系列单片机，非数据采集时间段控制器进入低功耗模式。数据无线传输选用带有自唤醒功能的低功耗模块，仅在传输数据期间打开无线模块发射功能，其余时间关闭数据发射，无线模块工作在低功耗唤醒模式。实时监听主机命令，一旦收到有效的控制命令，唤醒无线模块，并发出触发信号唤醒控制器，采集装置进入采集工作模式[8-9]。

采用3组锂电池并联构成电池组供电，每组由2节锂电串接，容量为10.8 Ah，充满时输出电压8.4 V。根据电池容量和电路的功率消耗，计算得出两种工作模式下的理论工作时长，如表1所示。

表1 采集装置功率消耗明细表

2.3 信号降噪调理电路

m_Subscipition.AddDataMonitoredItem(new NodeId("/Channel/MachineAxis/actToolBasePos[u1,1] ", 2), Mnt_Lb1, ClientApi_ValueChanged, 100, out monitoredItemServerHandle);//读取刀具位置的X坐标

图3 信号降噪调理电路

2.4 装置固定卡箍研制

振动信号采集装置安装在方钻杆上方，钻井过程中会随着方钻杆提升至数10 m高度，且钻井过程中钻柱一直工作于转动和振动状态。采集装置一旦脱落，可能对井口工作人员造成严重的人身伤害。另外，三轴测振传感器和钻柱之间必须实现可靠固定，才能保证振动信号采集的有效性。

结合实际安装需求，设计了一款具有高可靠性的采集装置固定卡箍，其结构示意图及实物图如图4所示。主要包括仪器盒底座、三轴加速度传感器底座、双紧固圆环和紧固螺栓。卡箍整体采用304不锈钢设计，连接处采用氩弧焊焊接。仪器盒上部装有隔板，用于保护塑料材质仪器盒。背部、底部和前部采用镂空设计，利于无线信号传输。传感器底座采用三轴向自攻丝固定，确保了固定的可靠性。两道紧固圆环采用环抱式可调结构设计，其固定直径可在一定范围内灵活调节。固定螺丝均采用防松螺母固定，保证了各单元固定的可靠性[11]。

由渗透矩阵叠加原则可以看出，整体渗透矩阵中的元素kij仅仅与i节点和j节点在含有该节点单元的局部位置有关系，与叠加时选择单元的先后顺序没有关系。因此，本文在编制程序时，首先分别对裂隙系统和孔隙系统进行整体渗透矩阵的组装，最终对所有节点进行统一编号，组装成整个渗流系统的整体渗透矩阵。

图4 卡箍结构示意及实物图

3 井场试验测试

为了验证装置整机工作可靠性、信号传输质量及采集软件的稳定性，在胜利油田“胜2-斜108井”开展了试验测试工作。

3.1 钻井试验条件

胜2-斜108井一开井深325.00 m，固井侯凝36 h后开始扫塞，水泥塞面深295.00 m，扫塞段295.00～325.00 m，段长30.00 m。

3.2 试验安装现场

装置现场安装如图5所示，左侧是采集装置的实物图，右侧是装置安装于方钻杆上方的现场安装图。选择安装于方钻杆上方，在该处上下0.5 m左右有明显的直径变化，因此，即使卡箍出现轻微松动，也不会脱落。

多年来，很少有贪官是通过《党政领导干部收入申报规定》和《党政领导干部考核暂行规定》被发现的。因此，在落实相关条例规定时，要增加审核、公示、考核、惩治等环节内容。《国家公职人员行为道德典》以近年来出台的一批党规为制定根据，提升至道德层面约束官员。《国家公职人员腐败犯罪惩治条例》则应该以近年来“两院”出台的司法解释为基础制定。［8］

图5 装置安装现场

3.3 数据采集及分析

上位机数据采集软件的截图如图6所示。界面上方显示了采集装置电池电量和时间信息，主界面纵向显示了三轴振动曲线。可以看出，不同时间段加速度区分明显，其中A区横向振动较为明显，纵向振动幅度小，分析原因是由于实际钻井生产中，底座安装不能完全水平，这样方补心轴向与方钻杆的下行方向便不重合，方钻杆下行过程中会在某一方向挤压方补心，致使方钻杆受横向载荷作用。在横向载荷以及方钻杆与方补心滚子之间的摩擦力的作用下，打钻过程中方钻杆下行载荷释放时，有蹩跳，横向振动较大。B区各轴向振动幅度均很小，分析是停钻换钻杆阶段。C区各轴向均产生了较大幅度的振动，分析是扫水泥塞钻进中随着牙轮自转和钻具公转过程中，牙轮钻头的齿牙作用在塞面上时，齿牙与塞面的接触发生单齿、双齿接触塞面的过程变换，在由钻具重量形成的轴向钻压载荷的作用下，钻具产生轴向振动，加之方钻杆挤压方补心造成的横向振动。

图6 上位机三轴振动信号采集界面

4 结 语

本文所研制钻柱井口振动信号采集装置具有采集精度高、待机时间长、无线数据传输稳定、设备安装便捷等特点。设备研制成功后，开展了井场现场实验，验证了采集装置、卡箍、软件等模块工作的可靠性和使用的便利性，并验证了所采集历史数据的有效性，为井下钻柱工况的在线识别和诊断提供基础数据。