劉 佳，李喬喬

（1.廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院，廣東廣州 510900；2.新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團）有限公司，河南新鄉(xiāng) 453000）

0 引言

鉆桿是石油天然氣和地質(zhì)勘探鉆井作業(yè)的重要用具，鉆桿主要依賴管體和鉆桿接頭兩部分經(jīng)過摩擦焊合連合在一起。鉆探開發(fā)過程中，單個鉆桿由鉆桿接頭部件的螺紋相連，來保障鉆井過程的順利進行。型號不同、鋼級不同的鉆桿，API（American Petroleum Institute，美國石油學(xué)會）標準針對上扣扭矩制定了嚴苛的條件。如果鉆探過程中，鉆桿的上扣扭矩過勁容易擠傷螺紋，常常出現(xiàn)粘扣，鉆桿間螺紋的結(jié)合強度及密封性會打折扣；當上扣扭矩不夠時，容易造成鉆桿間松扣和脫扣導(dǎo)致密封性減弱等現(xiàn)象，嚴重影響正常鉆井作業(yè)。鉆探過程中對上扣扭矩實行動態(tài)監(jiān)測，不僅能保障鉆桿間螺紋的結(jié)合強度和密封性安全，而且保護鉆桿螺紋和接頭，使其能夠循環(huán)利用，是科學(xué)鉆井的必要措施。

1 上扣扭矩監(jiān)測系統(tǒng)的作用

鉆桿動力鉗上扣扭矩監(jiān)測系統(tǒng)主要用于鉆修井勘探開發(fā)過程中實時監(jiān)測鉆桿動力鉗的上扣扭矩，能幫助司鉆及時明晰設(shè)備工況，便于掌控鉆桿連接是否符合API 標準，減少過扭矩的現(xiàn)象，避免由于接頭形變導(dǎo)致事故，避免鉆桿斷裂事故等極度鉆探情形下給鉆探質(zhì)量造成嚴重損失，對保證安全鉆井有相當重要的現(xiàn)實意義，進而達成安全生產(chǎn)的目的。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

鉆桿動力鉗上扣扭矩監(jiān)測系統(tǒng)主要由上扣扭矩傳感器模塊、按鍵模塊、上扣扭矩采集模塊、顯示模塊、無線通信模塊、遠程監(jiān)測模塊組成。上扣扭矩采集模塊采用單片機微控制器開發(fā)，上扣扭矩傳感器模塊經(jīng)過信號處理后傳送到上扣扭矩采集模塊，按鍵模塊完成上扣扭矩的設(shè)置，上扣扭矩采集模塊采集上扣扭矩信號經(jīng)工程計算后傳送到顯示模塊進行顯示，遠程監(jiān)測模塊通過無線通信模塊傳輸數(shù)據(jù)。位于室外的監(jiān)測系統(tǒng)的防爆等級按照行業(yè)標準必須≥ExdⅡBT4，防護等級必須≥IP56。系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2.1 上扣扭矩傳感器模塊

上扣扭矩傳感器模塊由上扣扭矩傳感器、連接電纜及安裝附件組成。上扣扭矩傳感器采用壓力式扭矩傳感器，將鉆桿動力鉗量程為0～41.3685 MPa（0～6000 PSI）的液壓信號轉(zhuǎn)換為DC 4～20 mA 電流信號，鉆桿動力鉗上扣扭矩與電流信號成正比例關(guān)系。上扣扭矩傳感器模塊經(jīng)過信號處理后傳送到上扣扭矩采集模塊進行采集處理?，F(xiàn)場安裝時通常先將鉆桿動力鉗壓力表拆卸下來，然后通過三通接頭將壓力表與壓力式扭矩傳感器和本體相連。

2.2 按鍵模塊

按鍵模塊主要由標定/監(jiān)測按鈕和數(shù)碼開關(guān)組成。標定/監(jiān)測按鈕按下時，鉆桿動力鉗上扣扭矩監(jiān)測系統(tǒng)處于標定狀態(tài)，鉆桿動力鉗上扣扭矩監(jiān)測系統(tǒng)循環(huán)顯示數(shù)碼開關(guān)標定系數(shù)K 和數(shù)碼開關(guān)標定系數(shù)B。標定/監(jiān)測按鈕彈起時，鉆桿動力鉗上扣扭矩監(jiān)測系統(tǒng)處于監(jiān)測狀態(tài)。

2.3 上扣扭矩采集模塊

上扣扭矩采集模塊采用單片機微控制器開發(fā)為主控制器，包括隔離安全柵、無線通信接口電路、CPU 模塊、電源模塊、按鍵接口電路、顯示驅(qū)動接口電路組成。設(shè)計中單片機微控制器采用ADμC7026 集成了ARM7TDMI 內(nèi)核，運算和處理速度較高，8 kB 片內(nèi)SRAM，62 kB FLASH，12 位分辨率的ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，PCB 電路板設(shè)計時采用LQFP 小封裝，采用表面貼裝技術(shù)，提高了電路的穩(wěn)定性和可靠性，抗干擾能力強，適用于鉆井工況場合。

2.4 顯示模塊

顯示模塊通過顯示驅(qū)動接口電路與上扣扭矩采集模塊連接，實時顯示鉆桿動力鉗上扣扭矩。

2.5 無線通信模塊

無線通信模塊主要由SX1278 貼片型射頻集成電路從屬電路組成?；贚oRa 擴頻技術(shù)擁有通信距離長和傳輸功耗低的好處，抗干擾能力強，適合于環(huán)境復(fù)雜的鉆探開發(fā)環(huán)境長距離數(shù)據(jù)傳輸功能。工作頻段為410～525 MHz，支持全球免許可的ISM頻段，工作電壓為2.0～3.7 V，便于電池應(yīng)用的方案。

2.5 遠程監(jiān)測模塊

遠程檢測模塊通過無線通信模塊與上扣扭矩采集模塊無線長距離數(shù)據(jù)傳輸連接，上扣扭矩參數(shù)自動保存在服務(wù)器，現(xiàn)場技術(shù)人員隨時查詢井下鉆具的實時和歷史數(shù)據(jù)，包括鉆具編號、使用時間、施工人員、井號、上扣扭矩最大值，指揮部可經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)遠程瀏覽。

3 軟件設(shè)計

鉆桿動力鉗上扣扭矩監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計主要由初始化子程序模塊、讀標定系數(shù)K 子程序模塊、讀標定系數(shù)B 子程序模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序模塊、數(shù)據(jù)處理子程序模塊、上位機通信子程序模塊、標定系數(shù)顯示子程序模塊、延時子程序模塊等部分組成，軟件流程如圖2 所示。

圖2 軟件設(shè)計流程

鉆桿動力鉗上扣扭矩監(jiān)測系統(tǒng)開機上電后，上扣扭矩采集模塊的單片機通過初始化子程序模塊進行初始化配置，配置定時器的工作模式和初始值，允許中斷源對應(yīng)的中斷位，并配置優(yōu)先級別，配置串口相應(yīng)工作模式和通信波特率，預(yù)先配置的數(shù)據(jù)變量和命令字；然后通過讀標定系數(shù)K 子程序模塊、讀標定系數(shù)B 子程序模塊，讀出數(shù)碼開關(guān)分別為標定系數(shù)K 和標定系數(shù)B；若標定/監(jiān)測按鈕彈起時，鉆桿動力鉗上扣扭矩監(jiān)測系統(tǒng)處于監(jiān)測狀態(tài)，采集上扣扭矩傳感器信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序模塊，數(shù)據(jù)濾波的處理，上扣扭矩工程值的轉(zhuǎn)換后，在顯示模塊顯示鉆桿動力鉗上扣扭矩實時數(shù)據(jù)；若標定/監(jiān)測按鈕按下時，鉆桿動力鉗上扣扭矩監(jiān)測系統(tǒng)處于標定狀態(tài)，系統(tǒng)循環(huán)顯示數(shù)碼開關(guān)“標定系數(shù)K”和數(shù)碼開關(guān)“標定系數(shù)B”。上扣扭矩傳感器模塊通過無線通信模塊調(diào)用上位機通信子程序，將上扣扭矩工程值傳輸?shù)缴衔粰C進行記錄和處理。

4 結(jié)語

提出的鉆桿動力鉗上扣扭矩監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，具有操作簡便、實現(xiàn)成本低、靈活性高的特點，從而增長鉆具使用年限，降低鉆井成本。通過實時監(jiān)測上扣扭矩能針對鉆具失效及時采取跟蹤分析，避免和減少鉆桿失效事故的發(fā)生，確保鉆井質(zhì)量。上扣扭矩監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計制作成本低，性能穩(wěn)定，操作方便，具備較好的經(jīng)濟收益和社會效益，達到了低投入高回報。保證了鉆機安全，對實現(xiàn)安全鉆井有相當重要的現(xiàn)實意義，進而完成安全生產(chǎn)的目的。鉆桿動力鉗上扣扭矩系統(tǒng)還需鄰近地層特性輔助識別，從而提高系統(tǒng)的智能化水平。