鉆柱振動(dòng)信號采集系統的研究與設計

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，文中設計了鉆柱振動(dòng)信號采集系統。采用壓電式加速度傳感器實(shí)現三維振動(dòng)信號的測量變送，針對井場(chǎng)復雜布線(xiàn)情況，選用nRF905射頻模塊進(jìn)行無(wú)線(xiàn)信號傳輸，利用時(shí)鐘電路和看門(mén)狗電路提高了系統的穩定性和安全性。系統可完成對三維振動(dòng)信號的采集存儲，具有穩定性強，存儲容量大的特點(diǎn)，為后續鉆柱振動(dòng)信號的處理提供了高質(zhì)量的基礎數據。
關(guān)鍵詞：鉆柱振動(dòng)測量；壓電式加速度傳感器；三維振動(dòng)信號采集；保護電路；無(wú)線(xiàn)通信

在鉆井過(guò)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)生強烈的振動(dòng)。鉆柱振動(dòng)信號包含了大量的鉆井工況信息，通過(guò)采集這些振動(dòng)數據，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、提高鉆進(jìn)速度都具有非常重要的意義。對鉆柱振動(dòng)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(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)的方式將振動(dòng)信號傳輸到地面。這種方法采集到的數據失真較小，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，且數據傳輸的實(shí)時(shí)性較差，因此應用于振動(dòng)信號提取的隨鉆測量技術(shù)目前未能普遍應用。地面測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)，對其傳遞的振動(dòng)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，根據特征值判斷鉆頭遇卡、溜鉆、頓鉆等故障。與井下振動(dòng)測量相比，地面測量的風(fēng)險較小，數據傳輸可靠性高，易于推廣。
目前，國內正逐漸形成一股研究鉆柱振動(dòng)信號的熱潮，劉志國等人已設計出一套振動(dòng)信號的采集與分析系統，但存在著(zhù)穩定性不足、振動(dòng)測量信息反饋不全面等問(wèn)題。因此，本文設計了具有強穩定性，大存儲空間的鉆柱振動(dòng)信號采集系統。在微控制器外部添加NAND flash存儲器以擴展對特征信號的存儲空間，在系統中設置了外部看門(mén)狗和時(shí)鐘電路對系統進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，配合軟件對異常情況進(jìn)行及時(shí)備份并恢復正常工作狀態(tài)。

1 系統總體設計
鉆柱振動(dòng)信號測量系統需要具備對鉆柱的三維振動(dòng)信號進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數據采集、存儲及傳輸的功能。本系統由數據采集模塊、存儲模塊、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊以及保護模塊組成。為了更全面地測量鉆柱振動(dòng)信號，系統以鉆柱的三維振動(dòng)信號為被測對象，通過(guò)三軸壓電式加速度傳感器將振動(dòng)信號轉化成電信號，經(jīng)信號調理電路調整送入C8051F005微控制器處理。由于鉆井平臺布線(xiàn)困難，系統選用nRF905射頻模塊，將數據以無(wú)線(xiàn)的方式傳送到附近的上位機進(jìn)行處理、存儲和顯示，增強了系統的靈活性。惡劣的現場(chǎng)環(huán)境要求系統具有較高的穩定性，本系統應用了外部看門(mén)狗和時(shí)鐘模塊，使得系統能夠實(shí)時(shí)監控自身異常，配合軟件設計實(shí)現自我備份和恢復。
鉆柱振動(dòng)信號采集系統結構如圖1所示。