連續油管作業機載荷校準裝置設計

黃立華，于志軍，湯清源

（1.中石油江漢機械研究所有限公司，荊州 434000；2.中國石油大學（北京）克拉瑪依校區，克拉瑪依 834000）

連續油管作業機在作業過程中必須監控注入頭載荷、連續管起下速度、深度等關鍵參數，其中注入頭載荷參數尤為重要，載荷的大小和動態變化趨勢對于井下作業狀況的判斷具有決定性的作用。連續油管作業機在進行沖砂、壓裂、射孔、速度管柱等作業前需進行拉載實驗，對連續油管力學性能和作業機的拉載能力進行評估，確保作業機井下作業的可靠性和安全性。目前連續油管作業機載荷校準采用注入頭箱體自重比對法，即每次作業之前，利用作業機配套數據采集系統，獲取注入頭箱體壓在載荷傳感器上和未壓載的載荷值，兩次獲取載荷差為注入頭箱體自重，箱體自重示數與經驗箱體重量對比，對載荷檢測進行校準，此種方法操作過程復雜，勞動強度大。箱體重量一般是出廠經驗數據，精度不高，而且受限于方法，無法檢測注入頭拉載能力大小。本研究主要是研發一種精巧型高精度連續管載荷檢測的校準儀器，完成對連續管作業機數據采集系統載荷參數的標定，以及注入頭拉載極限檢測。

圖1 車裝式連續油管作業機載荷校準示意圖Fig.1 Schematic diagram of load calibration for truckmounted coiled tubing machine

1 機械系統設計

圖2 拉載裝置機械結構圖Fig.2 Drawing of mechanical structure of pulling device

本校準裝置由機械系統、測量系統、數據處理系統構成。連續油管作業機載荷校準裝置結構外形如圖2所示，將校準裝置與連續管相連，安裝到防噴管下方，安裝結束后，運轉注入頭對連續管進行起管操作，使管體成拉伸狀態，此時管體受拉力大小與注入頭載荷相同，比較注入頭載荷數值和校準裝置受力數值，完成注入頭載荷校準。利用拉載試驗，使管體承受的拉力逐漸增大，當管體與注入頭夾緊塊發生相對滑動時，裝置可以檢測出注入頭極限拉載能力，完成連續油管作業機拉載能力評估。載荷校準裝置通過兩種不同工裝能完成1 1/2″和2″連續油管的注入頭載荷校準和作業機拉載能力評估。

2 硬件系統設計

連續油管載荷校準裝置采用輪輻式結構載荷傳感器，該傳感器采用雙臂電橋結構。載荷信號檢測芯片AD7195是一款超低噪聲24位Σ-Δ型ADC芯片，可直接檢測小信號。硬件系統電路圖如圖3所示，AD7195芯片模擬區電路與數字區電路相互獨立，模擬電路電源AVDD、數字電路電源DVDD均為5V。載荷信號與AD7195 采用全差分輸入，與通道AIN1 和AIN2 連接。AD7195 芯片將AD 轉換后的載荷值存入24 位數字寄存器中，然后將載荷值通過SPI 總線傳輸至STM32F103 單片機，單片機讀取接收緩沖區載荷值，并將其發送至上位機。

圖3 載荷傳感器采樣電路圖Fig.3 Load sensor sampling circuit diagram

3 軟件系統設計

該校準裝置程序設計主要包括AD7195 載荷信號采集、SPI 接口數據發送、以及STM32 單片機SPI 端口數據接收三部分程序編寫，其系統程序流程如圖4所示。載荷傳感器采用5V 直流電壓激勵，靈敏度為2.0mV/V，傳感器輸出0~10mV 電壓信號。AD7195 的硬件配置以及AD 轉換結果的獲取均是通過對特定寄存器讀寫操作完成，AD7195 初始化程序完成配置寄存器CON的設置，設置增益PGA為128（通道量程范圍為±39.06mV），選用直流激勵、雙極性工作模式、輸入端緩沖區使能、數字濾波器斬波使能。通道配置主要完成通道使能、外部校準模式、基準電壓、滿量程寄存器的設置。STM 單片機SPI 通訊程序主要完成SPI 模式選擇、GPIO 和時鐘使能、Flash 數據寄存器ID獲取、寄存器讀寫操作等。載荷檢測采用連續轉換模式，循環執行載荷采集過程。轉換結束狀態寄存器中RDY 位變為低電平，轉換結果讀取后RDY 位變為高電平。

圖4 程序設計流程圖Fig.4 Programming flow chart

4 系統誤差分析與校準

該裝置作為連續油管作業機載荷校準儀器，檢測精度必須滿足連續油管作業機井下作業要求。載荷校準裝置的測量誤差來源主要分兩部分，①傳感器檢測誤差；②AD 轉換誤差以及模擬信號傳輸過程誤差。輪輻式載荷傳感器出廠標定檢測精度為C2，即檢測精度為0.002%，其量程為0~600kN，計算得到的最大絕對誤差為0.012kN。

AD7195 是一個24 位的A/D 轉換器，由于受采樣速率、噪聲、芯片放大倍數的約束，實際AD 轉換有效位數在19.2到21.4之間（參考芯片數據手冊）。AD轉換誤差為最小量化步長△的1/2，最小量化步長計算公式如公式1 所示[7-9]。其中Fs 為輸入信號的量程，N為量化器有效位數，取N=19計算得到AD轉換誤差對應載荷值為0.0005kN，相比于傳感器自身誤差可忽略不計。

載荷模擬信號在傳輸過程中會受到一定電磁噪聲干擾發生信號衰減，造成檢測誤差。利用FLUKE 726 高精度多功能過程校驗儀輸出0~10mV 模擬信號至校準裝置，檢測模擬信號傳輸過程誤差。FLUKE726作為標準儀器其自身精度為0.025%，模擬加載卸載循環過程10 次，取其中誤差最大一組結果如表1 所示，實驗相對誤差最大值為0.52%，將輸入電壓與檢測載荷進行線性擬合，得出系統具有較好線性。連續油管作業機載荷校準誤差為傳感器檢測誤差與電量信號轉換環節誤差的之和，綜上分析校準裝置誤差小于1%。相比于箱體自重法校準精度大大提高，同時也滿足現場實際應用需求。

表1 載荷校準裝置系統誤差比對Tab.1 Systematic error comparison of load calibrators device

載荷校準裝置安裝完成后，受注入頭結構、連續管管徑、連續油管伸出注入頭長度等因素的影響，載荷初始值存在較大差異，安裝后需要對校準裝置進行清零和系統標定。AD7195 支持內部校準和外部校準兩種模式，本系統采用外部校準方式，通過加載外部標準砝碼的方式完成對應通道失調寄存器和量程寄存器的修正。系統標定部分代碼如下所示：

void AD7195_Calibrate （unsigned char mode，unsigned char channel）

｛unsigned long oldRegValue = 0x0；

unsigned long newRegValue = 0x0；

AD7195_ChannelSelect（channel）；

oldRegValue=AD7195_GetRegisterValue（AD7190_REG_MODE，3，1）；

oldRegValue&=~AD7195_MODE_SEL（0x7）；

newRegValue=oldRegValue|AD7195_MODE_SEL（mode）；

ADI_PART_CS_LOW；

//CS is not modified。

AD7195_SetRegisterValue（AD7190_REG_MODE，newRegValue，3，0）；

AD7195_WaitRdyGoLow（）；

ADI_PART_CS_HIGH；

｝

載荷校準裝置標定方法及界面如圖5所示，載荷校準裝置與注入頭端連續管連接完成后，將當前AD轉換內碼值作為系統零點，完成系統零點遷移。在校準儀上放置標準砝碼，將標準砝碼重量與當前AD 轉換內碼值賦值標定系統相應參數，計算得到失調校準系數，修改相應寄存器完成校準儀的標定。

圖5 無線載荷校準裝置系統標定Fig.5 Calibration of wireless load calibration device system

載荷校準裝置與注入頭末端連續管連接，其距離地面較高，拆接線較為復雜。載荷校準裝置數據傳輸采用無線傳輸，目前工業現場無線數據傳輸多采用移動4G 網絡，且移動網絡需付費使用。油田野外作業現場存在移動通訊網絡信號弱的問題。本設計采用LoRa 無線電臺進行點對點透明傳輸，大大降低了設備安裝難度。

4 結語

該連續油管載荷校準裝置采用輪輻式載荷傳感器的結構，使得校準裝置不受防噴管內徑的限制。數據傳輸采用無線Lora電臺傳輸技術避免了復雜的拆裝過程，同時Lora無線通信技術的應用為石油裝備無線數據傳輸提供了一種新的解決方案。與箱體自重校準法相比，該校準裝置大大提高了校準效率、減輕勞動強度，同時載荷校準準確度也大大提高。該校準裝置適用于中石油江漢機械研究所研制的ZR90、ZR180、ZR270、ZR360、ZR450 等型號的連續油管作業機，目前該校準裝置已申請專利。