扶正器测试系统研究与实现

摘  要： 根据扶正器结构与测量需求，设计实现了扶正器综合测试系统。系统综合利用了管道压力、光电和应变测量等多种手段，完成了扶正器在旋转过程中的推力、转速、推出偏差角的测量，从而为扶正器的检验与校正提供了有力手段。
关键词： 扶正器；测试系统；应力测量；偏差角测量

    扶正器是一种在油田生产中广泛使用的工具，其基本功能是用来保证旋转对象始终处在某个方向上，减少旋转前进中的方向偏差[1，2]。本文所涉及的扶正器是安装在钻头上在垂直钻井过程中用于纠正钻进方向的工具。当钻头偏离重力方向时，扶正器会在偏离方向对井壁施加一个纠正推力，将钻头推回到正确方向，保证钻头始终处于垂直方向。扶正器是机械装置，在使用一段时间后，会出现纠偏推力方向与偏差方向不一致的情况，严重时会严重影响钻进方向。因此，要定期对扶正器进行测试与校正。
1 系统需求
    需要测试的扶正器是一种新式机械扶正器，由重锤、泥浆导向装置和扶正片构成，其中重锤用于测量出重力方向，始终垂直向下。当扶正器轴线不与重力方向相同时，重锤产生一个微小偏移，此偏移通过杠杆放大后控制泥浆导向装置，将钻井泥浆导流到与重力方向相反的扶正片活塞上，活塞上受到的压力将扶正片向外推出，与井壁摩擦，对扶正器施加一个与偏移方向相反的推力，从而保证扶正器轴线始终维持在重力方向上。在钻井过程中，扶正器与钻头安装在一起，随同钻头一起旋转，利用钻井泥浆的压力进行工作。
    在测试校正过程中需要测量的参数有3个：扶正器活塞推出力、推出偏差角度、推出力与转速关系。
2 测试方法分析
    为实现对多个参数进行测量，在研究具体的扶正器结构与特性的基础上，设计了以下测试方案。
2.1 推出力测试方案
    扶正器的推力来自于循环泥浆压力，根据泥浆管道压力与推出活塞面积，可以计算出活塞的推力为：
    F=p×s                      (1)
其中：p为泥浆管道压力，与泥浆泵排量成正比关系；s为推出活塞面积，不同型号的活塞面积不同。
    管道压力的测量采用了泥浆压力传感器，传感器量程为30 MP，输出信号为4 mA～20 mA电流，通过I/V变换和A/D转换后可以得到管道压力。推出力通过计算可以得到。
2.2 推出偏差角测量
    推出偏差角是最重要的参数，如果偏差角过大，扶正器不但起不到扶正的作用，反而会导致更大的倾斜角。推出偏差角定义为图1中的θ，为最大推力方向与扶正器倾斜方向的夹角, 其中，最大推力方向为扶正片最大张开位置。

    为了测量θ，测量时在扶正片上安装一块弹簧片，具体安装位置如图2所示。在扶正片受到活塞推力后，扶正片向外凸出，弹簧片受力伸长，通过记录扶正片受力情况，可以得到推力最大值以及产生最大值的时刻。
    如图2所示，当活塞向上运动时，受到弹簧片阻止，从而导致弹簧片拉伸。由于弹簧片两端固定，因此弹簧片受到的推力变成弹簧片内部的应力，使用应变片可以测出弹簧片应力大小。弹簧片应力大小f满足：
    f=F×sinα　　　　　　　　　　(2)

其中F是活塞推力，α为活塞凸出后弹簧片与扶正器所在方向的夹角。由于F可以通过管道压力和活塞面积求出，f可以通过应变测量求出，从而可以得到α。其实不用关心f的大小，只需要关心f的最大值出现的位置即可。只要旋转过程中，f的最大值出现在扶正片旋转到扶正器倾斜方向时，就说明此时纠偏推力在倾斜方向是最大的。
    为了得到f最大值和扶正器倾斜方向的偏差角，可以在扶正器倾斜方向上设置一个强光源，在扶正片上安装光敏传感器，从而在扶正器旋转过程中产生倾斜方向的定位信号。通过记录定位信号产生时间t1与f最大值产生时间t2之间的时间差Δt，以及扶正器旋转周期时间T，可以计算出推出偏差角θ。
2.3 转速测量
    转速测量可以通过对光信号的周期测量得出。
    在不同的排量与转速下对推力、偏差角、旋转周期测量，统计测量结果就可以得到推出偏差角度、推出力与转速关系。
3 系统详细设计与实现
3.1 系统结构
    测试时将扶正器安装于支架上，然后用水泵打压，并且控制扶正器以不同的速度旋转，模拟井下状态，在扶正器上安装测量模块，在其运动中完成测量。测量系统如图3所示。由于系统处于运动状态，因此测量模块采用电池供电和无线通信方式进行测量是一种比较好的方法。系统分为测量模块和上位机模块。测量模块由应变、光敏和压力测量组成，应变片安装于弹簧片上，测量扶正片推出时的应力。压力测量使用了压力变送器，光敏测量使用了光敏电阻。测量结果通过无线发送电路发送出去。

    测量开始时，由支架上面的电机带动扶正器旋转，由水泵给扶正器加入循环压力，然后分别测量水压、推出应力和定位光敏信号。测量模块由于需要和扶正器一起旋转，要求必须小巧轻薄，而且在旋转过程中不影响扶正器，因此必须采用高速小体积电路。
    上位机模块主要完成数据接收和数据处理，由无线接收电路和计算机组成。
3.2 测量模块硬件实现
    测量模块电路主要完成压力、应力和光强测量。应力测量使用了惠斯通电桥，压力测量使用了电流-电压变换电路，光敏测量使用了光敏电阻。三路输入信号经过放大后进入单片机，由单片机内部12位ADC进行转换，分别经过标度变换和数字滤波得到测量结果。测量结果通过NRF24L01无线发射电路发送给上位机。
    系统测量模块电路如图4所示。图中，P1是压力变送器，采用12 V供电，输出4 mA～20 mA电流，通过R1变换为0.2 V～1 V电压信号，R6是应变测量电桥，采用350 Ω应变片，测量扶正片推出力，应变片安装在图2所示的弹簧片上。LR1是光敏电阻，测量环境光强，LR1的值随着光强度的增加而减小；U2是控制器，采用SiliconLab生产的C8051F206单片机，此单片机内部有多路开关和带采样保持的12位A/D转换器，使用了TQFP-48封装，只占用1cm2的PCB面积，是测量模块的核心[3]；U4是无线发射控制器，采用Nordic公司生产的单芯片2.4 G收发器NRF24L01。此芯片拥有发射速率快、功耗低的优点，在不发送数据时可以进入休眠状态，NRF24L01与C8051F206采用SPI总线通信，此总线控制器集成在C8051F206中，采用主从模式工作[4]；U1和U3是精密微功耗仪器专用放大器INA122，其内部由一个经典4运放电路和温度补偿电路组成，只需要外接一个可调电阻，就可以对输入信号放大，最大放大倍数为1 000倍。选用INA122的另一个原因是它可以单电源工作，非常适合电池供电模式。组合开关S1一共有8个状态，用来设置系统工作模式，在测量不同型号的扶正器时，设置不同的状态，以便系统读取预存的测量参数。

3.3 测量模块软件实现
    测量模块在软件的控制下完成三种待测数据的测量，并对数据进行数值滤波和标度变换，将结果发送到上位机。由于光信号和推力信号是测量偏差角的关键，必须严格同步，否则会导致测量误差，因此采用了巡回测量方式。软件在上电后进行初始化。Timer1初始化为计数状态，其溢出中断作为ADC的启动信号，并在完成SPI总线初始化后进入循环等待状态，主程序没有出口。在每次Timer1中断中依次测量压力、光强和应力，测量时使用通道控制变量I区别测量数据，I总是在0、1、2之间循环变化，不同的I测量不同的信号，测量完成后将结果发送到上位机。
3.4 上位机数据接收模块硬件实现
    上位机由NRF24L01接收电路和C8051F206单片机为核心构成，主要接收测量模块发送来的测量数据。为了与计算机通信，使用了C8051F206中集成的UART总线，并经过SP3223电平变换得到满足RS232电平的信号[5]。
3.5 无线通信协议
    为了保证系统数据正常传输，设计了简单的高层数据通信协议。协议由一个ASCII码起始位开始，后面紧跟多位ASCII数字符号，以明码方式传送。不同的测量数据有不同的起始位，例如压力信号以字母‘P’开始，光强信号以字母‘L’开始，而应力信号以字母‘S’开始。每个采样周期分别测量一次压力、光强和应力，协议中还采用了固定小数位的方法，减少了数据量，典型数据包格式是P××××L××××S××××。
3.6 上位机软件实现
    上位机软件采用VS2008为开发工具，以C#语言开发，使用了serialPort对象管理通信接口，在内存中开辟缓冲区存储接收的数据，每当有数据发送到接收端口时，系统会触发DataReceived事件，处理DataReceived事件的代码就是数据接收代码：
private void serialPort1_DataReceived(object sender，
System.IO.Ports.SerialDataReceivedEventArgs e)
{
    int bytesCanRead=serialPort1.BytesToRead；
    //接收缓冲区可读数据字节数
    if(bytesCanRead>MAXLEN)
//MAXLEN是预定义的数据读取长度
    {
    string strbuf+=serialPort1.ReadExisting()；
//一次读取缓冲区所以数据存储到缓冲区
    int[]PData=GetP(strbuf)；//取缓冲区中的压力数据
    int[]LData=GetL(strbuf)；//取缓冲区中的压力数据
    int[]SData=GetS(strbuf)；//取缓冲区中的压力数据
    bool r=Updatebuf(strbuf)；//更新缓冲区
    }
}
    RS232口接收到的数据都是ASCII码，而且是字符形式。首先将字符串存储在strbuf中，然后进行字符串分析，分别取出各种数据转换为数字。由于使用了固定小数位表示测量结果，因此程序中可以使用int类型存储数据，以提高运算速度和处理速度。
    程序运行时的测量曲线如图5所示，主要界面显示测试数据的波形曲线，共有三条曲线，从上到下分别是管道压力曲线、推力曲线和光信号曲线。其中光信号曲线为光强的倒数，即光越强曲线数值越低。正常情况下，光强曲线和推力曲线有相同的周期，每旋转一周，扶正器的扶正片向外推出一次。如果推力有偏差角，则曲线的最大值与光信号最小值有一个时间差，由此时间差可以计算出推力偏差角。从曲线可以很容易看出扶正器参数是否有故障，具体的数值在屏幕上方以数字的形式显示。

    从图中光信号曲线可以知道，如果在测试时，最强光照不在扶正器预设方向，则会产生较大误差。在扶正器旋转过程中，必须保证光源比环境光高很多，才能对旋转角度进行度量。
    通过测量可以很好地检测出扶正器的问题。如果推力均值与管道压力不满足正比关系，则说明压力通道有堵塞；如果推出角与偏差角相差大于5°，则必须对扶正器进行矫正。
    通过对多只扶正器的测量试验，证明系统能够很好地完成测量。通过试验，可以得到以下结论：
    (1)以环境光作为旋转工具的参考信号，可以很好地定位工具在不同旋转角度的状态。
    (2)通过提高系统的采样频率，可以提高系统的测量精度，如果每个周期每个信号采样720次以上，可以保证测量精度在0.5°以内。
    (3)扶正器的扶正片推出力在以f最大值为中心的一个范围内存在。如果此范围过大，会导致扶正器的摆动。
参考文献
[1] 文先敏.套管旋流扶正器水力结构的分析及优化[D].中国石油大学，2007：11-17.
[2] 甘庆明，黄伟.定向井油管扶正器设计及应用[J].石油矿场机械，2009(6)：48-50.
[3] 李硕.C8051单片机在无人机飞行控制器中的应用[J].兵工自动化，2007(10)：84-86.
[4] 李泉溪，孙君顶.基于无线传感器网络的煤矿报警系统 节点的设计及实现[J].微计算机信息，2008(5)：265-267.
[5] 孙梅.基于ATmega128的泥浆压力脉冲信号仿真器[J].微计算机信息，2009(25)：78-79.