鉆柱振動信號采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計

摘要：為了實時獲取反映井下工況信息的鉆柱振動信號，文中設(shè)計了鉆柱振動信號采集系統(tǒng)。采用壓電式加速度傳感器實現(xiàn)三維振動信號的測量變送，針對井場復(fù)雜布線情況，選用nRF905射頻模塊進(jìn)行無線信號傳輸，利用時鐘電路和看門狗電路提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。系統(tǒng)可完成對三維振動信號的采集存儲，具有穩(wěn)定性強(qiáng)，存儲容量大的特點，為后續(xù)鉆柱振動信號的處理提供了高質(zhì)量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：鉆柱振動測量；壓電式加速度傳感器；三維振動信號采集；保護(hù)電路；無線通信

在鉆井過程中，鉆頭與地層的沖擊、鉆頭的偏心鉆進(jìn)、鉆柱與井壁之間的摩擦碰撞，都會產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動。鉆柱振動信號包含了大量的鉆井工況信息，通過采集這些振動數(shù)據(jù)，分析其特征并做出合理的故障診斷，對于減少鉆井事故、優(yōu)化鉆井參數(shù)、提高鉆進(jìn)速度都具有非常重要的意義。對鉆柱振動信號的采集方法分為隨鉆測量方法和地面測量方法。隨鉆測量方法是將隨鉆測量裝置安裝在鉆頭附近，用無線或有線的方式將振動信號傳輸?shù)降孛?。這種方法采集到的數(shù)據(jù)失真較小，但由于井下條件惡劣(如高溫、高壓和高沖擊等)，對測振裝置的壽命及可靠性影響很大，且數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性較差，因此應(yīng)用于振動信號提取的隨鉆測量技術(shù)目前未能普遍應(yīng)用。地面測量方法是利用能將井底振動的主要信息傳遞到地面的鉆柱作為介質(zhì)，對其傳遞的振動信號進(jìn)行采集，以識別鉆柱共振、鉆頭磨損、鉆柱與井壁摩擦等工況特征，根據(jù)特征值判斷鉆頭遇卡、溜鉆、頓鉆等故障。與井下振動測量相比，地面測量的風(fēng)險較小，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，易于推廣。
目前，國內(nèi)正逐漸形成一股研究鉆柱振動信號的熱潮，劉志國等人已設(shè)計出一套振動信號的采集與分析系統(tǒng)，但存在著穩(wěn)定性不足、振動測量信息反饋不全面等問題。因此，本文設(shè)計了具有強(qiáng)穩(wěn)定性，大存儲空間的鉆柱振動信號采集系統(tǒng)。在微控制器外部添加NAND flash存儲器以擴(kuò)展對特征信號的存儲空間，在系統(tǒng)中設(shè)置了外部看門狗和時鐘電路對系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測，配合軟件對異常情況進(jìn)行及時備份并恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
鉆柱振動信號測量系統(tǒng)需要具備對鉆柱的三維振動信號進(jìn)行實時動態(tài)數(shù)據(jù)采集、存儲及傳輸?shù)墓δ?。本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、存儲模塊、無線傳輸模塊以及保護(hù)模塊組成。為了更全面地測量鉆柱振動信號，系統(tǒng)以鉆柱的三維振動信號為被測對象，通過三軸壓電式加速度傳感器將振動信號轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)整送入C8051F005微控制器處理。由于鉆井平臺布線困難，系統(tǒng)選用nRF905射頻模塊，將數(shù)據(jù)以無線的方式傳送到附近的上位機(jī)進(jìn)行處理、存儲和顯示，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。惡劣的現(xiàn)場環(huán)境要求系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)應(yīng)用了外部看門狗和時鐘模塊，使得系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控自身異常，配合軟件設(shè)計實現(xiàn)自我備份和恢復(fù)。
鉆柱振動信號采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。