摘 要： 在氣體鉆井中，為實(shí)時(shí)了解井下的真實(shí)工況，及時(shí)處理井下安全風(fēng)險(xiǎn)，需要對井下近鉆頭扭矩參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測。因此，研究設(shè)計(jì)了一種采用電阻應(yīng)變式測量扭矩技術(shù)和微波隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的扭矩測量無線傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用C8051F3XX系列單片機(jī)為主控制器，完成了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布娐泛蛙浖绦蛟O(shè)計(jì)，使用信號中繼傳輸?shù)姆绞酱蠓嵘⒉ㄍㄐ啪嚯x，測量井深達(dá)到3 000 m，并開發(fā)了配套的上位機(jī)監(jiān)測軟件，實(shí)現(xiàn)了井下扭矩的隨鉆監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明系統(tǒng)無線傳輸時(shí)延短，能實(shí)時(shí)采集、傳輸、顯示扭矩，滿足氣體鉆井中井下扭矩測量的要求。

關(guān)鍵詞： 扭矩測量； 微波傳輸； 隨鉆測量； 氣體鉆井； 中繼傳輸； 無線傳輸

中圖分類號： TN92?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）19?0095?04

Abstract： To obtain the real downhole working condition in real time and timely solve the downhole safety risk for gas dril?ling， it is necessary to monitor the torque parameter of downhole near bit in real time. A torque measurement wireless transmission system using the resistance strain torque measuring technology and microwave while drilling data transmission technology is researched and designed. The C8051F3XX series microcontroller is taken as the main controller of the system to realize the hardware circuit and software program designs of data acquisition， data storage and data transmission. The signal relay transmission method can enhance the microwave communication distance greatly， and make the measured well depth reach up to 3 000 m. The matched host?computer monitoring software was developed， and the while drilling detection of downhole torque was realized. The experimental results show that the system has short wireless transmission delay， can acquire， transmit and display the torque in real time， and meets the demand of downhole torque measurement for gas drilling.

Keywords： torque measurement； microwave transmission； measurement while drilling； gas drilling； relay transmission； wireless transmission

0 引 言

氣體鉆井是近年來發(fā)展起來的一種欠平衡鉆井方式，和傳統(tǒng)泥漿鉆井相比，氣體鉆井主要有提高機(jī)械鉆速，降低鉆井綜合成本，保護(hù)油氣產(chǎn)層，增加油氣產(chǎn)量等優(yōu)點(diǎn)[1]。在氣體鉆井過程中，為預(yù)防發(fā)生卡鉆、掉牙輪、斷鉆具等事故的發(fā)生，預(yù)防措施之一就是實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆井過程井下近鉆頭扭矩的變化情況。

目前測量扭矩的方式主要有隨鉆測量（MWD）和地面測量。在國內(nèi)外市場上，隨鉆測量工具的信號傳輸以泥漿脈沖和電磁波為主。泥漿脈沖測量工具雖然技術(shù)比較成熟，但因其采用鉆井液脈沖傳輸方式，無法應(yīng)用于氣體鉆井等沒有連續(xù)液相的鉆井中；電磁波測量工具是利用低頻電磁波在地層中的傳播進(jìn)行信號的傳輸，低電阻率地層會(huì)使信號大幅度衰減，受地層特性影響較大，測量深度有限[2]。在地面測量扭矩，受地層、巖性等影響導(dǎo)致測量精度存在許多不足，不能準(zhǔn)確地反映鉆柱在井下的運(yùn)動(dòng)情況[3]。

本文設(shè)計(jì)了一種適于氣體鉆井的扭矩測量無線傳輸系統(tǒng)，測量深度超過3 000 m、信號傳輸速率大于100 Kb/s，在近鉆頭鉆具的測試中能夠準(zhǔn)確測量其在井下扭矩的瞬時(shí)值并記錄整個(gè)鉆井過程的扭矩曲線，使現(xiàn)場技術(shù)人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)測井下扭矩和準(zhǔn)確預(yù)測井下異常情況。

1 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)原理

1.1 應(yīng)變測試法測試扭矩

扭矩傳感器按測量原理可分為傳遞法、力平衡法和能量轉(zhuǎn)換法[4?5]。在三種扭矩測量方法中，傳遞法和平衡力法為直接測量扭矩方法，測量方便、精確度高，但力平衡法只能用于勻速工作的情況下。而能量轉(zhuǎn)換法為間接測量的方法，測量誤差較小，所以本設(shè)計(jì)采用傳遞法測量扭矩。

由材料力學(xué)知，在扭矩作用下，彈性軸將會(huì)產(chǎn)生形變，在軸表面與軸成45°和135°的斜面上受到法向應(yīng)力，此法向應(yīng)力為主應(yīng)力，其數(shù)值等于橫截面上的最大剪應(yīng)力[6]?？蓪?yīng)變片在沿彈性軸軸線成45°，135°方向粘貼在軸表面，就會(huì)受到相應(yīng)的最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，并將它們連成差動(dòng)全橋。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中測量短節(jié)的空間限制，只能采用粘貼單片全橋應(yīng)變片。利用鉆鋌在受力過程中的形變帶動(dòng)電阻應(yīng)變片橋路輸出的變化， 在理想情況下，扭矩變化量?電阻變化量?電壓變化量三者之間為線性關(guān)系[7]，通過測量電壓變化量，就可以準(zhǔn)確測量井下鉆柱的扭矩大小。

1.2 扭矩傳感器非線性校正

非線性，又稱線性度，表征傳感器輸出?輸入校準(zhǔn)曲線與所選定的作為工作直線的擬合直線之間的偏離程度。對傳感器的非線性校正有硬件和軟件方法，軟件方法有插值法、計(jì)算法和查表法[8]。硬件方法校正需要使用很多硬件電路，由于功耗高以及占用空間，不適于氣體鉆井井下測量，因此，本系統(tǒng)采用計(jì)算法進(jìn)行扭矩傳感器的非線性校正。

由理論計(jì)算知，[M=εEWn1+μ，]其中E為彈性軸的楊氏模量；[Wn]為抗扭截面系數(shù)；[μ]為彈性軸的泊松比。扭矩[M]和應(yīng)變[ε]是正比關(guān)系，直接利用公式或繪制輸入輸出曲線圖來估計(jì)曲線斜率的大小求解扭矩，誤差較大，影響系統(tǒng)精度。故用基于最小二乘法的曲線擬合法來擬合輸出的應(yīng)變[ε]和輸入的扭矩[M]的線性方程，這種方法的基本原理是使傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的殘差的平方和最小。

經(jīng)計(jì)算，測量精度小于2.5%，符合測量要求。將其通過編程存入單片機(jī)，由應(yīng)變[ε]引起的電壓變化經(jīng)過采樣、濾波后，送入單片機(jī)后直接進(jìn)入計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，即可得到經(jīng)過線性化處理的輸出參數(shù)扭矩[M。]該方法實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)刻度智能化轉(zhuǎn)換和非線性自校正的功能，改善了系統(tǒng)靜態(tài)性能，提高了系統(tǒng)的測量精度。

1.3 鉆柱內(nèi)微波傳輸原理

鉆柱內(nèi)微波的傳輸過程中主要使用波導(dǎo)技術(shù)，該技術(shù)一般由圓柱形的空心金屬管組成，用于傳導(dǎo)電磁波[9]。對于氣體鉆井，鉆柱內(nèi)的介質(zhì)為氣體，其對微波功率的衰減貢獻(xiàn)很小，可忽略不計(jì)，那么鉆柱可看作是理想圓波導(dǎo)。按照波導(dǎo)理論計(jì)算的微波頻率，能用的頻段是2.4 GHz和5.8 GHz，5.8 GHz頻段的功率收發(fā)模塊體積較大，不便于安裝到井下，2.4 GHz頻段的中、大功率收發(fā)模塊體積小，適合安裝到井下狹小的空間，故采用2.4 GHz頻段進(jìn)行鉆柱內(nèi)微波通信[10]。

實(shí)際微波傳輸測試結(jié)果表明若只依靠單級點(diǎn)對點(diǎn)傳輸不能實(shí)現(xiàn)3 000 m的傳輸距離，延長井下微波通信模塊的有效通信距離的方法有三種，提高微波發(fā)射功率、減少鉆桿內(nèi)微波傳輸?shù)乃p和無線中繼傳輸，而提高發(fā)射功率需要大功率的供電系統(tǒng)，受井下環(huán)境限制不能實(shí)現(xiàn)，由理論研究和測試得知鉆具尺寸和內(nèi)壁銹蝕程度是影響微波傳輸衰減的主要因素，減少鉆桿內(nèi)微波傳輸?shù)乃p對鉆桿尺寸和內(nèi)壁質(zhì)量要求太高。故本設(shè)計(jì)應(yīng)用無線中繼技術(shù)解決此問題，無線中繼傳輸技術(shù)的基本原理是利用AP（Access Point）的無線接力功能，將無線信號從一個(gè)中繼點(diǎn)傳送到下一個(gè)中繼點(diǎn)，通過引入信號中繼的方式增大微波信號的有效傳輸距離，降低了發(fā)射功率的要求，同時(shí)可以縮小井下儀器內(nèi)電池的體積，延長微波通信模塊的井下工作時(shí)間。

2 扭矩測量無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

扭矩測量無線傳輸系統(tǒng)硬件部分主要包括扭矩傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、微波通信模塊、串口通信模塊、電源模塊及單片機(jī)控制模塊。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示。

扭矩傳感器將測量短節(jié)受扭矩作用產(chǎn)生的應(yīng)變量轉(zhuǎn)化成電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理電路放大濾波后，轉(zhuǎn)換為適合于C8051F35X單片機(jī)的輸入信號，再通過片內(nèi)24位精度A/D轉(zhuǎn)換功能對其完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)將信號處理后傳輸?shù)轿⒉ㄍㄐ拍K進(jìn)行編碼調(diào)制發(fā)送，經(jīng)過鉆柱內(nèi)的中繼模塊接力傳輸，微波通信模塊接收端接收到信號后進(jìn)行解調(diào)和譯碼，經(jīng)過RS 232電平轉(zhuǎn)換傳輸?shù)缴衔粰C(jī)對信號進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)扭矩的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并設(shè)置了備用的數(shù)據(jù)存儲模塊，可以在將測量短節(jié)從井下取出后，通過預(yù)留的串行通信模塊讀取數(shù)據(jù)存儲模塊中的扭矩?cái)?shù)據(jù)，便于對比分析無線傳輸?shù)木取?/p>

2.1 信號調(diào)理模塊

測量短節(jié)受扭矩產(chǎn)生的應(yīng)變量是很微弱的，所以扭矩傳感器測得的電壓信號也是非常微弱的且波動(dòng)范圍也比較大，存在很大的共模干擾成分。因此，必須在傳感器后面接上信號放大調(diào)理電路，對傳感器采集到的信號進(jìn)行放大并且濾掉共模干擾成分，這樣才能釆集到比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。為了提高共模抑制比和穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用放大器AD623和OP196組成兩級放大，并采取了限壓保護(hù)功能，防止輸出電壓過高損壞單片機(jī)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，信號調(diào)理模塊性能穩(wěn)定可靠，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

為節(jié)約硬件空間，采用C8051F35X單片機(jī)內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換功能，分辨率24位，該ADC具有在片校準(zhǔn)功能，可以使用內(nèi)部的2.5 V電壓基準(zhǔn)，也可以用差分外部基準(zhǔn)進(jìn)行比率測量，且可編程進(jìn)行偏移校正和滿度校正， 校正結(jié)果會(huì)自動(dòng)保存在單片機(jī)的SFR中。

2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

為防止因微波通信模塊故障導(dǎo)致信號傳輸不到上位機(jī)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸精確性，系統(tǒng)使用華邦公司生產(chǎn)的非遺失性閃速存儲器W25Q128FVFI作為數(shù)據(jù)存儲器將采集的數(shù)據(jù)存儲，該芯片容量為128 Mb，具有先進(jìn)的寫保護(hù)機(jī)制，支持速度高達(dá)104 MHz的SPI兼容總線的存取操作，通過SPI串行接口與C8051F35X單片機(jī)通信，工作電壓范圍為2.7～3.6 V，可以滿足井下低功耗的設(shè)計(jì)要求。

2.4 微波傳輸模塊

微波通信模塊的研制遵循以下原則：能夠發(fā)射所需頻段的微波、模塊體積小能夠裝入鉆具、通信微波功率較大能夠保證一定的傳輸距離、成本低廉。微波通信模塊主要包括主控芯片、無線射頻芯片、通用模塊和信號發(fā)射模塊幾部分，通過UART接口和數(shù)據(jù)采集模塊連接，使用接口協(xié)議獲取井下采集數(shù)據(jù)并上傳，采用無線射頻信道，利用ZigBee傳輸方式發(fā)送。

2.5 串口通信模塊

C8051F35X單片機(jī)的串行口電平為TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，而PC串行口的電平標(biāo)準(zhǔn)為RS?232C標(biāo)準(zhǔn)，使用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX3266E芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，為減小PCB板體積，串口通信模塊僅需在測量短節(jié)從井下取出后，與測量系統(tǒng)在PCB上預(yù)留的串口引腳接上，即可把存儲在存儲器W25Q128FVFI中的數(shù)據(jù)通過RS?232C串行口傳輸給上位機(jī)。

2.6 電源模塊

受氣體鉆井工作環(huán)境的限制，無法通過從地面下進(jìn)入有線電纜的方式對井下設(shè)備進(jìn)行供電，信號采集與發(fā)射模塊和微波信號中繼模塊最終采用的是電池供電的方式，用井下專用的耐高溫、高容量的鋰電池，單節(jié) 3.7 V，本設(shè)計(jì)中各模塊的工作電壓為3.3 V，故選用LP2985LV作為電源調(diào)理芯片，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的3.3 V電壓。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)兩部分。用集成完全版Keil 8051工具的Silicon IDE 對C8051F35X單片機(jī)開發(fā)測試，利用Keil 軟件編寫單片機(jī)主程序，完成I/O端口、A/D轉(zhuǎn)化、串口初始化、數(shù)據(jù)發(fā)射和接收等功能，再通過Silicon IDE 分析調(diào)試環(huán)境，保證模擬外設(shè)性能。

氣體鉆井井下扭矩測量無線傳輸系統(tǒng)配套處理軟件實(shí)現(xiàn)井下扭矩測量參數(shù)監(jiān)控的設(shè)計(jì)要求是：由下位機(jī)硬件部分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得相關(guān)的電信號數(shù)據(jù)，然后由監(jiān)控軟件將這些電信號經(jīng)過處理和標(biāo)定以實(shí)時(shí)曲線和數(shù)值兩種形式顯示，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測整套系統(tǒng)的通信狀況，采集每個(gè)所用中繼短節(jié)的溫度、電量與接收信號強(qiáng)度等信息，便于現(xiàn)場操作人員在第一時(shí)間了解井下采集參數(shù)與微波通信情況，同時(shí)將每個(gè)模塊上傳的信息數(shù)據(jù)保存成各自獨(dú)立的文件，便于日后測量數(shù)據(jù)的調(diào)閱分析。根據(jù)以上的功能需求分析，基于SQL Server 2008 數(shù)據(jù)庫和Visual Studio 2010 開發(fā)平臺，采用C#語言，完成了上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)各個(gè)模塊的開發(fā)，上位機(jī)系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

配套處理軟件從功能上主要分成兩部分，即數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件和數(shù)據(jù)管理軟件，其中監(jiān)控軟件以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為核心，管理軟件以歷史數(shù)據(jù)為核心。該套處理軟件實(shí)現(xiàn)了扭矩的實(shí)時(shí)處理與顯示、系統(tǒng)內(nèi)各模塊工作狀態(tài)的監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)調(diào)取分析等功能，并可擴(kuò)展成多源數(shù)據(jù)進(jìn)行集中監(jiān)測，實(shí)時(shí)監(jiān)測氣體鉆井中各類井下工程參數(shù)。

4 結(jié) 語

針對電磁波測量受地層特性影響較大和泥漿脈沖不能用于氣體鉆井的問題，本設(shè)計(jì)利用鉆柱內(nèi)微波傳輸和中繼信號傳輸?shù)姆绞酱蠓嵘宋⒉ㄍㄐ诺木嚯x，并開發(fā)配套的上位機(jī)監(jiān)測軟件，實(shí)現(xiàn)了氣體鉆井井下扭矩的隨鉆監(jiān)測，為實(shí)時(shí)了解井下的真實(shí)工況和及時(shí)處理井下安全風(fēng)險(xiǎn)提供了技術(shù)支持。

下井實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的扭矩?zé)o線測量系統(tǒng)無線傳輸時(shí)延短，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地釆集、傳輸和顯示扭矩測量數(shù)據(jù)，能穩(wěn)定可靠工作160 h，測量精度小于2.5%，測量深度超過3 000 m，滿足氣體鉆井中井下扭矩測量的實(shí)際要求。

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