鉆柱井口振動信號采集裝置研制

郝憲鋒，戴永壽，孫偉峰，曲曉俊，趙洪山，唐 波

(1.中國石油大學 信息與控制工程學院，山東 青島 266580;2.中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院, 山東 東營 257000)

0 引 言

復雜低滲油氣藏鉆井過程中，鉆頭與地層的沖擊、鉆頭的偏心鉆進、鉆柱與井壁之間的摩擦碰撞，都會產生強烈的振動。鉆柱振動信號包含了大量的鉆井工況信息，采集這些振動數據可以分析其特征并做出合理的故障診斷，對于減少井下鉆井事故、優化鉆井參數、提高鉆進速度均具有非常重要的意義[1-2]。

目前，大多數研究工作僅利用鉆柱振動信號進行巖性和地層識別，尚未見到成熟的鉆柱振動信號采集系統。所設計采集系統對反映鉆柱工況的低頻段信息研究較少，對鉆柱振動信號采集 裝置的研究大多局限于實驗室實驗，還未見地面測量鉆柱振動的專門產品。本文開展鉆柱振動井口采集裝置的研制，研究近鉆頭振動信號的提取方法，為井下鉆具工況的識別和診斷提供基礎數據[3-4]。

1 設計概述

1.1 設計指標

根據鉆柱井口振動信號采集研究需求和試驗測試，確定了采集裝置的設計指標：振動測量范圍±25g；靈敏度為每g100 mV；振動頻率范圍0.5～5 kHz；A/D轉換分辨率12位；采樣率≥20 kHz；數據無線傳輸距離>500 m；待機30 d，連續采集工作5 d。

1.2 系統組成

系統由上位機和下位機兩部分組成，其結構框圖如圖1所示[5-6]。

圖1 采集裝置結構框圖

(1)上位機包括軟件和硬件部分。

① 上位機采集軟件。為用戶提供良好的人機界面，是控制端，通過其下發控制命令即可控制下位機，同時可將所接收振動信號、電池電量信息及時間信息在顯示界面中展示，便于技術人員實時監控下位機的運行狀態。

② USB轉串口模塊。架起了上位機和無線模塊之間命令和數據通信的橋梁。

③ 無線模塊。用于采集器和上位機遠距離無線傳輸數據。

習近平總書記認為“深厚的感情必須以深刻的認識做基礎”[注]習近平：《知之深愛之切》，石家莊：河北人民出版社，2015 年，(代序)第1頁。，愛國主義也是如此。愛國主義建立在深刻認識自己國家的基礎上，因此，踐行愛國主義必須要“樹立和堅持正確的歷史觀、民族觀、國家觀、文化觀”[注]中共中央宣傳部：《習近平總書記系列重要講話讀本(2016年版)》，北京：學習出版社，2016年，第203頁。。只有深刻認識祖國的悠久歷史和深厚文化，才會不斷增強中華民族的歸屬感、認同感、尊嚴感、榮譽感，不斷增強做中國人的骨氣和底氣。

在采用高效液相色譜對目標物進行定量分析時，需要制作出工作曲線。將氯霉素標準液梯度稀釋，配制成不同濃度的標準工作液（1.3.1中方法制備）用1.3.2中所述的色譜條件進行檢測，準確吸取濃度為0.1、1、2、5 μg/ml和 10 μg/ml的標準溶液 20 μl，用有機膜過濾后注入液相色譜儀中，記錄色譜圖中的數據并計算，測定峰面積。以峰面積（Y）對進樣濃度（X）進行線性擬合，獲得的標準曲線方程：Y=4 236.2X-814.96，在 0.1～10.0 μg/ml濃度范圍相關系數 R2為0.999 5，線性關系良好。

(2)下位機是振動信號采集裝置的核心，安裝于鉆柱頂部的方鉆桿上端。主要包括：

① 鋰電池組。由鋰電池組構成，為下位機提供電能。

② 開關可控供電單元。為滿足電池供電終端低功耗設計需求，在不進行數據采集期間，關閉大功耗的模塊，盡可能減少能量消耗。

鉆柱振動信號中包含很多噪聲信息，為了減少不必要的噪聲引入，從傳感器、器件選型、電路設計多方面進行了設計考慮。信號調理電路分3路并行設計，其中1路的電路圖如圖3所示，前級U101A選用低噪聲運算放大器，結合外圍電阻和電容構成二階壓控低通濾波器，實際應用中通過改變R103、R104、C101、C102參數值，即可調節濾波器截止頻率，有效濾除三軸加速度傳感器信號中的高頻噪聲。U101B和外圍電阻構成了分壓減法電路，可將加速度傳感器所輸出的-5～+5 V信號轉換成單片機能采集的0～3 V信號，以便送入單片機AD采集端進行數據采集[10]。

③ 恒流源模塊。三軸加速度傳感器提供三路恒流源。

信號采集裝置安裝于鉆柱中方鉆桿上端，無法進行有線連接供電，因此設計中選用鋰電池供電。另外，鉆井過程中采集裝置隨著方鉆桿旋轉運動，不易進行拆卸充電。為了延長單次充電工作時長，各單元電路均按照低功耗規范設計，最大程度地減小了裝置功耗。

⑤ 信號調理電路。將恒流源模塊輸出的-5～+5 V電壓信號轉換成0～3.3 V電壓信號，同時濾除信號中的高頻干擾信號。

⑥ 線性穩壓模塊。為存儲模塊、單片機主控模塊、無線模塊及時鐘模塊供電。

⑦ MSP430單片機。下位機主控模塊，協調各子模塊正常工作。

⑧ 無線模塊。數據傳輸模塊，實現采集終端和遠程上位機間的數據傳輸。

參考Luo等[19]的方法并做部分修改：10 mL丁香酚與90 mL 3 mol·L-1氫氧化鈉溶液混合，高壓蒸汽滅菌鍋中加熱到121 ℃并保持10 min，得到澄清透明溶液，冷卻備用。

接著，有學生圍出圖4，這也占2格嗎？怎么說明它也占2格？學生自然地采用了圖5的方式說明：原來，4格的一半也是2格（倍拼的方法如期而至）！

⑩ NAND FLASH存儲模塊。提供采集數據冗余存儲功能，當遠程數據存儲出現故障時，將采集數據存儲在本地NAND FLASH中。

⑨ 時鐘模塊。為采集數據提供輔助時間信息。

1.3 工作過程

上位機設置完采樣頻率和通信波特率后，發送啟動采集命令，下位機收到命令后由低功耗休眠模式進入實時數據采集模式。在單片機控制下，打開可控供電單元供電通道，分別為恒流源和信號調理電路提供+24 V和±5 V供電電壓，三軸測振傳感器進入工作狀態。其輸出信號經過恒流源模塊和信號調理電路轉換與調理，送至單片機AD采集端。單片機按照預設采樣頻率采集3個軸向的振動信息和時鐘信息，并按照通信協議，將數據打包，通過無線模塊發出。上位機接收到有效的數據偵后，對其解碼，繪制實時曲線，并將采集數據存儲至數據庫，以便后期查詢和分析。完成采集后，通過上位機向下位機發送低功耗工作命令，下位機關斷可控供電單元供電，進入低功耗待機模式。

2 裝置關鍵技術

2.1 振動采集傳感器選型設計

鉆柱振動低頻段信息用于工況識別，高頻信息用于巖性和低層識別，信號頻率覆蓋范圍寬，因此所采集信號頻帶較寬[7]。

LC0110需要恒流源供電，為保證系統的可靠性，直接選用了配套產品LC0207E恒流供電模塊。該模塊采用18～30 V直流電壓供電，其電壓輸出端可為加速度模塊供電，信號輸出端輸出包含加速度信息的電壓信號，輸出電壓-5～+5 V，對應加速度-25～+25g。

2.2 信號采集端低功耗設計

④ 三軸加速度傳感器。壓電式高精度三軸測振模塊。

富滇銀行深入學習貫徹黨中央、國務院關于金融服務小微企業、服務“三農”和脫貧攻堅的重要政策精神，認真貫徹落實省委、省政府及監管機構發展普惠金融的相關要求，凝聚全行各條線、各機構力量，從機制優化、業務推進、項目拓展等方面持續攻堅克難，取得了階段性成績。截至9月末，全行支持微型企業培育貸款603筆，貸款金額4．19億元，完成省工信委調整計劃的102．08%。9月末全行普惠金融貸款余額45．98億元，較年初增加4．35億元，為完成全年指標任務奠定了堅實基礎。

圖中：U13和U3是帶有關斷功能的開關電源模塊；CTL為使能端，低電平有效；P24VON是來自單片機的控制信號，當其為高電平時，Q2和Q3導通，集電極輸出低電壓，U13和U3被使能，分別輸出24 V和±5 V電壓，低電平時，三極管Q2和Q3關斷，集電極輸出高電壓，U13和U3被禁用，模塊不提供輸出電壓。

設計中壓電加速度傳感器恒流供電模塊和采集調理電路是主要的功率消耗單元。而傳感器需要采用恒流源供電，且其輸出雙極性電壓，因此信號調理電路需采用雙電源供電。為降低系統功耗，在非數據采集周期，關斷非核心單元供電。電路設計如圖2所示。

從動態視角看 （圖4），1978～2017年我國經濟重心與要素稟賦重心的一致性指標呈現出多個波峰和波谷的特征，其中波峰代表經濟重心與稟賦重心同向移動，波谷代表經濟重心與稟賦重心反向移動。

圖2 恒流源及調理部分供電控制電路

主控制器選用MSP430系列單片機，非數據采集時間段控制器進入低功耗模式。數據無線傳輸選用帶有自喚醒功能的低功耗模塊，僅在傳輸數據期間打開無線模塊發射功能，其余時間關閉數據發射，無線模塊工作在低功耗喚醒模式。實時監聽主機命令，一旦收到有效的控制命令，喚醒無線模塊，并發出觸發信號喚醒控制器，采集裝置進入采集工作模式[8-9]。

采用3組鋰電池并聯構成電池組供電，每組由2節鋰電串接，容量為10.8 Ah，充滿時輸出電壓8.4 V。根據電池容量和電路的功率消耗，計算得出兩種工作模式下的理論工作時長，如表1所示。

表1 采集裝置功率消耗明細表

2.3 信號降噪調理電路

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

圖3 信號降噪調理電路

2.4 裝置固定卡箍研制

振動信號采集裝置安裝在方鉆桿上方，鉆井過程中會隨著方鉆桿提升至數10 m高度，且鉆井過程中鉆柱一直工作于轉動和振動狀態。采集裝置一旦脫落，可能對井口工作人員造成嚴重的人身傷害。另外，三軸測振傳感器和鉆柱之間必須實現可靠固定，才能保證振動信號采集的有效性。

結合實際安裝需求，設計了一款具有高可靠性的采集裝置固定卡箍，其結構示意圖及實物圖如圖4所示。主要包括儀器盒底座、三軸加速度傳感器底座、雙緊固圓環和緊固螺栓。卡箍整體采用304不銹鋼設計，連接處采用氬弧焊焊接。儀器盒上部裝有隔板，用于保護塑料材質儀器盒。背部、底部和前部采用鏤空設計，利于無線信號傳輸。傳感器底座采用三軸向自攻絲固定，確保了固定的可靠性。兩道緊固圓環采用環抱式可調結構設計，其固定直徑可在一定范圍內靈活調節。固定螺絲均采用防松螺母固定，保證了各單元固定的可靠性[11]。

由滲透矩陣疊加原則可以看出，整體滲透矩陣中的元素kij僅僅與i節點和j節點在含有該節點單元的局部位置有關系，與疊加時選擇單元的先后順序沒有關系。因此，本文在編制程序時，首先分別對裂隙系統和孔隙系統進行整體滲透矩陣的組裝，最終對所有節點進行統一編號，組裝成整個滲流系統的整體滲透矩陣。

圖4 卡箍結構示意及實物圖

3 井場試驗測試

為了驗證裝置整機工作可靠性、信號傳輸質量及采集軟件的穩定性，在勝利油田“勝2-斜108井”開展了試驗測試工作。

3.1 鉆井試驗條件

勝2-斜108井一開井深325.00 m，固井侯凝36 h后開始掃塞，水泥塞面深295.00 m，掃塞段295.00～325.00 m，段長30.00 m。

3.2 試驗安裝現場

裝置現場安裝如圖5所示，左側是采集裝置的實物圖，右側是裝置安裝于方鉆桿上方的現場安裝圖。選擇安裝于方鉆桿上方，在該處上下0.5 m左右有明顯的直徑變化，因此，即使卡箍出現輕微松動，也不會脫落。

多年來，很少有貪官是通過《黨政領導干部收入申報規定》和《黨政領導干部考核暫行規定》被發現的。因此，在落實相關條例規定時，要增加審核、公示、考核、懲治等環節內容。《國家公職人員行為道德典》以近年來出臺的一批黨規為制定根據，提升至道德層面約束官員。《國家公職人員腐敗犯罪懲治條例》則應該以近年來“兩院”出臺的司法解釋為基礎制定。［8］

圖5 裝置安裝現場

3.3 數據采集及分析

上位機數據采集軟件的截圖如圖6所示。界面上方顯示了采集裝置電池電量和時間信息，主界面縱向顯示了三軸振動曲線。可以看出，不同時間段加速度區分明顯，其中A區橫向振動較為明顯，縱向振動幅度小，分析原因是由于實際鉆井生產中，底座安裝不能完全水平，這樣方補心軸向與方鉆桿的下行方向便不重合，方鉆桿下行過程中會在某一方向擠壓方補心，致使方鉆桿受橫向載荷作用。在橫向載荷以及方鉆桿與方補心滾子之間的摩擦力的作用下，打鉆過程中方鉆桿下行載荷釋放時，有蹩跳，橫向振動較大。B區各軸向振動幅度均很小，分析是停鉆換鉆桿階段。C區各軸向均產生了較大幅度的振動，分析是掃水泥塞鉆進中隨著牙輪自轉和鉆具公轉過程中，牙輪鉆頭的齒牙作用在塞面上時，齒牙與塞面的接觸發生單齒、雙齒接觸塞面的過程變換，在由鉆具重量形成的軸向鉆壓載荷的作用下，鉆具產生軸向振動，加之方鉆桿擠壓方補心造成的橫向振動。

圖6 上位機三軸振動信號采集界面

4 結 語

本文所研制鉆柱井口振動信號采集裝置具有采集精度高、待機時間長、無線數據傳輸穩定、設備安裝便捷等特點。設備研制成功后，開展了井場現場實驗，驗證了采集裝置、卡箍、軟件等模塊工作的可靠性和使用的便利性，并驗證了所采集歷史數據的有效性，為井下鉆柱工況的在線識別和診斷提供基礎數據。