[发明专利]钻柱振动信号采集系统

说明书

技术领域

本发明属于信号采集装置领域，尤其涉及一种钻柱振动信号采集系统。

背景技术

钻柱振动是钻井过程中常见的物理现象，携有非常丰富的井下钻具信息。长期的钻井实践与研究表明，钻柱的高幅振动、跳钻、大幅度的粘滑扭转振动对钻井过程极具破坏作用，是钻具损坏的主要原因，不仅会影响钻井速度，还易使钻柱疲劳破坏，诱发钻井事故，大大增加了钻井成本和风险。截止目前对于钻柱系统简单的直井钻柱的振动理论的分析基本成熟，形成了差分法、有限元法、有线形分析方法和纵横弯曲法等方法。但作为重要钻井参数的振动信号，在国内一直没有得到有效利用。仅限于理论性的研究和室内的实验，特别是国内在钻柱振动测量手段上远落后于西方国家；目前国内还未见到来自现场的试验报告，尚未有成熟的钻井振动信号采集、信号分析与钻井故障诊断系统。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供一种钻柱振动信号采集系统。

本发明所述钻柱振动信号采集系统，包括振动传感器、放大器、滤波器、数模转换器、控制器和通信模块；所述振动传感器设置有三个，分别为X轴振动传感器、Y轴振动传感器和Z轴振动传感器；所述通讯模块设置有RS232接口；所述X轴振动传感器、Y轴振动传感器和Z轴振动传感器均与放大器相电连接；所述放大器经滤波器与数模转换器相电连接；所述数模转换器与控制器相电连接；所述控制器与通信模块相电连接。

本发明所述的钻柱振动信号采集系统，所述通讯模块为无线通讯模块。

本发明所述的钻柱振动信号采集系统，所述无线通讯模块采用的为ZigBee无线通讯模块。

本发明所述的钻柱振动信号采集系统，所述控制器采用MSP-EXP430处理器。

本发明所述的钻柱振动信号采集系统，所述振动传感器频率范围为0-20000Hz。

本发明所述的钻柱振动信号采集系统，所述振动传感器的温度范围为负40-125摄氏度。

本发明所述的钻柱振动信号采集系统，所述振动传感器采用的为LC1002振动传感器。

本发明所述的钻柱振动信号采集系统，实现了钻柱振动信号的地面实时采集、分析、处理、显示及故障诊断等功能。为认知所钻地层的井下工况和岩性分析，为优化钻头设计和井下钻具组合结构、优化钻井参数，防止钻具事故及由振动引起的钻井异常现象的发生提供重要的技术支撑。

具体实施方式

本发明所述钻柱振动信号采集系统，包括振动传感器、放大器、滤波器、数模转换器、控制器和通信模块；所述振动传感器设置有三个，分别为X轴振动传感器、Y轴振动传感器和Z轴振动传感器；所述通讯模块设置有RS232接口；所述X轴振动传感器、Y轴振动传感器和Z轴振动传感器均与放大器相电连接；所述放大器经滤波器与数模转换器相电连接；所述数模转换器与控制器相电连接；所述控制器与通信模块相电连接。

本发明所述的钻柱振动信号采集系统，所述通讯模块为无线通讯模块。所述无线通讯模块采用的为ZigBee无线通讯模块。所述控制器采用MSP-EXP430处理器。所述振动传感器频率范围为0-20000Hz。所述振动传感器的温度范围为负40-125摄氏度。所述振动传感器采用的为LC1002振动传感器。

本系统采用MSP-EXP430G2553作为核心控制器，该控制器是一款超低功耗的单片机，具有5中节电模式，内置12位A/D；供电电压1.8V~3.6V；为了提高采集精度，本系统采用了外部扩展的16位AD，满足采集振动信号的要求。振动传感器是监测钻柱振动的重要环节，由于在钻井过程中，钻柱时刻处于旋转状态，这就要求加速度计具有良好的中频和高频率特性。本文选择朗斯公司的LC1002振动传感器，量程范围±20 g；灵敏度250 mv/g；频率范围0~20000 Hz；温度范围-40~125 ℃。由于振动信号比较微弱，因此本文采用可调增益的放大器，确保采集的信号满足AD的量程需求。当处于不同的钻进过程中时，钻柱的振动特性有所不同，因此，本设计根据不同的钻井状态，选择不同的中心频率的滤波器，确保了采集精度。钻柱振动信号采集系统软件包括了MSPE- XP430G2的软件和计算机上的分析软件。其中，MSPE-XP430G2的软件部分完成单片机的初始化、数据采集、AD 转换、FLASH 读写、通信等功能；计算机上的分析软件是基于Labview的回放分析软件，实现对数据的回放、谱分析，振动的信息提取等。其功能主要包括：串口通信、用户登陆、数据采集、数据分析、数据存储和历史数据读取。由于LabVIEW是基于模块化程序设计思想，因此在程序开发过程中也遵循着这一基本的思想，在程序开发过程中也遵循着这一基本的思想，在建各种功能模块，最后再进行集成和调试。单片机与PC机间的通信采用ZigBee协议进行无线传输。实现了钻柱振动信号的地面实时采集、分析、处理、显示及故障诊断等功能。为认知所钻地层的井下工况和岩性分析，为优化钻头设计和井下钻具组合结构、优化钻井参数，防止钻具事故及由振动引起的钻井异常现象的发生提供重要的技术支撑。