鉆柱振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)時(shí)獲取反映井下工況信息的鉆柱振動(dòng)信號(hào)，文中設(shè)計(jì)了鉆柱振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)。采用壓電式加速度傳感器實(shí)現(xiàn)三維振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量變送，針對(duì)井場(chǎng)復(fù)雜布線情況，選用nRF905射頻模塊進(jìn)行無線信號(hào)傳輸，利用時(shí)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(duì)三維振動(dòng)信號(hào)的采集存儲(chǔ)，具有穩(wěn)定性強(qiáng)，存儲(chǔ)容量大的特點(diǎn)，為后續(xù)鉆柱振動(dòng)信號(hào)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(dòng)測(cè)量；壓電式加速度傳感器；三維振動(dòng)信號(hào)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(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。鉆柱振動(dòng)信號(hào)包含了大量的鉆井工況信息，通過采集這些振動(dòng)數(shù)據(jù)，分析其特征并做出合理的故障診斷，對(duì)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(duì)鉆柱振動(dòng)信號(hào)的采集方法分為隨鉆測(cè)量方法和地面測(cè)量方法。隨鉆測(cè)量方法是將隨鉆測(cè)量裝置安裝在鉆頭附近，用無線或有線的方式將振動(dòng)信號(hào)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(duì)測(cè)振裝置的壽命及可靠性影響很大，且數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性較差，因此應(yīng)用于振動(dòng)信號(hào)提取的隨鉆測(cè)量技術(shù)目前未能普遍應(yīng)用。地面測(cè)量方法是利用能將井底振動(dòng)的主要信息傳遞到地面的鉆柱作為介質(zhì)，對(duì)其傳遞的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，以識(shí)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(dòng)測(cè)量相比，地面測(cè)量的風(fēng)險(xiǎn)較小，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，易于推廣。
目前，國(guó)內(nèi)正逐漸形成一股研究鉆柱振動(dòng)信號(hào)的熱潮，劉志國(guó)等人已設(shè)計(jì)出一套振動(dòng)信號(hào)的采集與分析系統(tǒng)，但存在著穩(wěn)定性不足、振動(dòng)測(cè)量信息反饋不全面等問題。因此，本文設(shè)計(jì)了具有強(qiáng)穩(wěn)定性，大存儲(chǔ)空間的鉆柱振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)。在微控制器外部添加NAND flash存儲(chǔ)器以擴(kuò)展對(duì)特征信號(hào)的存儲(chǔ)空間，在系統(tǒng)中設(shè)置了外部看門狗和時(shí)鐘電路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，配合軟件對(duì)異常情況進(jìn)行及時(shí)備份并恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
鉆柱振動(dòng)信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)需要具備對(duì)鉆柱的三維振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及傳輸?shù)墓δ?。本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、存儲(chǔ)模塊、無線傳輸模塊以及保護(hù)模塊組成。為了更全面地測(cè)量鉆柱振動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)以鉆柱的三維振動(dòng)信號(hào)為被測(cè)對(duì)象，通過三軸壓電式加速度傳感器將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)整送入C8051F005微控制器處理。由于鉆井平臺(tái)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(chǔ)和顯示，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。惡劣的現(xiàn)場(chǎng)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(shí)鐘模塊，使得系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控自身異常，配合軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自我備份和恢復(fù)。
鉆柱振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。