扶正器是一種在油田生產中廣泛使用的工具，其基本功能是用來保證旋轉對象始終處在某個方向上，減少旋轉前進中的方向偏差[1，2]。本文所涉及的扶正器是安裝在鉆頭上在垂直鉆井過程中用于糾正鉆進方向的工具。當鉆頭偏離重力方向時，扶正器會在偏離方向對井壁施加一個糾正推力，將鉆頭推回到正確方向，保證鉆頭始終處于垂直方向。扶正器是機械裝置，在使用一段時間后，會出現糾偏推力方向與偏差方向不一致的情況，嚴重時會嚴重影響鉆進方向。因此，要定期對扶正器進行測試與校正。
1 系統需求
    需要測試的扶正器是一種新式機械扶正器，由重錘、泥漿導向裝置和扶正片構成，其中重錘用于測量出重力方向，始終垂直向下。當扶正器軸線不與重力方向相同時，重錘產生一個微小偏移，此偏移通過杠桿放大后控制泥漿導向裝置，將鉆井泥漿導流到與重力方向相反的扶正片活塞上，活塞上受到的壓力將扶正片向外推出，與井壁摩擦，對扶正器施加一個與偏移方向相反的推力，從而保證扶正器軸線始終維持在重力方向上。在鉆井過程中，扶正器與鉆頭安裝在一起，隨同鉆頭一起旋轉，利用鉆井泥漿的壓力進行工作。
    在測試校正過程中需要測量的參數有3個：扶正器活塞推出力、推出偏差角度、推出力與轉速關系。
2 測試方法分析
    為實現對多個參數進行測量，在研究具體的扶正器結構與特性的基礎上，設計了以下測試方案。
2.1 推出力測試方案
    扶正器的推力來自于循環泥漿壓力，根據泥漿管道壓力與推出活塞面積，可以計算出活塞的推力為：
    F=p×s                      (1)
其中：p為泥漿管道壓力，與泥漿泵排量成正比關系；s為推出活塞面積，不同型號的活塞面積不同。
    管道壓力的測量采用了泥漿壓力傳感器，傳感器量程為30 MP，輸出信號為4 mA～20 mA電流，通過I/V變換和A/D轉換后可以得到管道壓力。推出力通過計算可以得到。
2.2 推出偏差角測量
    推出偏差角是最重要的參數，如果偏差角過大，扶正器不但起不到扶正的作用，反而會導致更大的傾斜角。推出偏差角定義為圖1中的θ，為最大推力方向與扶正器傾斜方向的夾角, 其中，最大推力方向為扶正片最大張開位置。

    為了測量θ，測量時在扶正片上安裝一塊彈簧片，具體安裝位置如圖2所示。在扶正片受到活塞推力后，扶正片向外凸出，彈簧片受力伸長，通過記錄扶正片受力情況，可以得到推力最大值以及產生最大值的時刻。
    如圖2所示，當活塞向上運動時，受到彈簧片阻止，從而導致彈簧片拉伸。由于彈簧片兩端固定，因此彈簧片受到的推力變成彈簧片內部的應力，使用應變片可以測出彈簧片應力大小。彈簧片應力大小f滿足：
    f=F×sinα　　　　　　　　　　(2)

其中F是活塞推力，α為活塞凸出后彈簧片與扶正器所在方向的夾角。由于F可以通過管道壓力和活塞面積求出，f可以通過應變測量求出，從而可以得到α。其實不用關心f的大小，只需要關心f的最大值出現的位置即可。只要旋轉過程中，f的最大值出現在扶正片旋轉到扶正器傾斜方向時，就說明此時糾偏推力在傾斜方向是最大的。
    為了得到f最大值和扶正器傾斜方向的偏差角，可以在扶正器傾斜方向上設置一個強光源，在扶正片上安裝光敏傳感器，從而在扶正器旋轉過程中產生傾斜方向的定位信號。通過記錄定位信號產生時間t1與f最大值產生時間t2之間的時間差Δt，以及扶正器旋轉周期時間T，可以計算出推出偏差角θ。
2.3 轉速測量
    轉速測量可以通過對光信號的周期測量得出。
    在不同的排量與轉速下對推力、偏差角、旋轉周期測量，統計測量結果就可以得到推出偏差角度、推出力與轉速關系。
3 系統詳細設計與實現
3.1 系統結構
    測試時將扶正器安裝于支架上，然后用水泵打壓，并且控制扶正器以不同的速度旋轉，模擬井下狀態，在扶正器上安裝測量模塊，在其運動中完成測量。測量系統如圖3所示。由于系統處于運動狀態，因此測量模塊采用電池供電和無線通信方式進行測量是一種比較好的方法。系統分為測量模塊和上位機模塊。測量模塊由應變、光敏和壓力測量組成，應變片安裝于彈簧片上，測量扶正片推出時的應力。壓力測量使用了壓力變送器，光敏測量使用了光敏電阻。測量結果通過無線發送電路發送出去。

    測量開始時，由支架上面的電機帶動扶正器旋轉，由水泵給扶正器加入循環壓力，然后分別測量水壓、推出應力和定位光敏信號。測量模塊由于需要和扶正器一起旋轉，要求必須小巧輕薄，而且在旋轉過程中不影響扶正器，因此必須采用高速小體積電路。
    上位機模塊主要完成數據接收和數據處理，由無線接收電路和計算機組成。
3.2 測量模塊硬件實現
    測量模塊電路主要完成壓力、應力和光強測量。應力測量使用了惠斯通電橋，壓力測量使用了電流-電壓變換電路，光敏測量使用了光敏電阻。三路輸入信號經過放大后進入單片機，由單片機內部12位ADC進行轉換，分別經過標度變換和數字濾波得到測量結果。測量結果通過NRF24L01無線發射電路發送給上位機。
    系統測量模塊電路如圖4所示。圖中，P1是壓力變送器，采用12 V供電，輸出4 mA～20 mA電流，通過R1變換為0.2 V～1 V電壓信號，R6是應變測量電橋，采用350 Ω應變片，測量扶正片推出力，應變片安裝在圖2所示的彈簧片上。LR1是光敏電阻，測量環境光強，LR1的值隨著光強度的增加而減小；U2是控制器，采用SiliconLab生產的C8051F206單片機，此單片機內部有多路開關和帶采樣保持的12位A/D轉換器，使用了TQFP-48封裝，只占用1cm2的PCB面積，是測量模塊的核心[3]；U4是無線發射控制器，采用Nordic公司生產的單芯片2.4 G收發器NRF24L01。此芯片擁有發射速率快、功耗低的優點，在不發送數據時可以進入休眠狀態，NRF24L01與C8051F206采用SPI總線通信，此總線控制器集成在C8051F206中，采用主從模式工作[4]；U1和U3是精密微功耗儀器專用放大器INA122，其內部由一個經典4運放電路和溫度補償電路組成，只需要外接一個可調電阻，就可以對輸入信號放大，最大放大倍數為1 000倍。選用INA122的另一個原因是它可以單電源工作，非常適合電池供電模式。組合開關S1一共有8個狀態，用來設置系統工作模式，在測量不同型號的扶正器時，設置不同的狀態，以便系統讀取預存的測量參數。

3.3 測量模塊軟件實現
    測量模塊在軟件的控制下完成三種待測數據的測量，并對數據進行數值濾波和標度變換，將結果發送到上位機。由于光信號和推力信號是測量偏差角的關鍵，必須嚴格同步，否則會導致測量誤差，因此采用了巡回測量方式。軟件在上電后進行初始化。Timer1初始化為計數狀態，其溢出中斷作為ADC的啟動信號，并在完成SPI總線初始化后進入循環等待狀態，主程序沒有出口。在每次Timer1中斷中依次測量壓力、光強和應力，測量時使用通道控制變量I區別測量數據，I總是在0、1、2之間循環變化，不同的I測量不同的信號，測量完成后將結果發送到上位機。
3.4 上位機數據接收模塊硬件實現
    上位機由NRF24L01接收電路和C8051F206單片機為核心構成，主要接收測量模塊發送來的測量數據。為了與計算機通信，使用了C8051F206中集成的UART總線，并經過SP3223電平變換得到滿足RS232電平的信號[5]。
3.5 無線通信協議
    為了保證系統數據正常傳輸，設計了簡單的高層數據通信協議。協議由一個ASCII碼起始位開始，后面緊跟多位ASCII數字符號，以明碼方式傳送。不同的測量數據有不同的起始位，例如壓力信號以字母‘P’開始，光強信號以字母‘L’開始，而應力信號以字母‘S’開始。每個采樣周期分別測量一次壓力、光強和應力，協議中還采用了固定小數位的方法，減少了數據量，典型數據包格式是P××××L××××S××××。
3.6 上位機軟件實現
    上位機軟件采用VS2008為開發工具，以C#語言開發，使用了serialPort對象管理通信接口，在內存中開辟緩沖區存儲接收的數據，每當有數據發送到接收端口時，系統會觸發DataReceived事件，處理DataReceived事件的代碼就是數據接收代碼：
private void serialPort1_DataReceived(object sender，
System.IO.Ports.SerialDataReceivedEventArgs e)
{
    int bytesCanRead=serialPort1.BytesToRead；
    //接收緩沖區可讀數據字節數
    if(bytesCanRead>MAXLEN)
//MAXLEN是預定義的數據讀取長度
    {
    string strbuf+=serialPort1.ReadExisting()；
//一次讀取緩沖區所以數據存儲到緩沖區
    int[]PData=GetP(strbuf)；//取緩沖區中的壓力數據
    int[]LData=GetL(strbuf)；//取緩沖區中的壓力數據
    int[]SData=GetS(strbuf)；//取緩沖區中的壓力數據
    bool r=Updatebuf(strbuf)；//更新緩沖區
    }
}
    RS232口接收到的數據都是ASCII碼，而且是字符形式。首先將字符串存儲在strbuf中，然后進行字符串分析，分別取出各種數據轉換為數字。由于使用了固定小數位表示測量結果，因此程序中可以使用int類型存儲數據，以提高運算速度和處理速度。
    程序運行時的測量曲線如圖5所示，主要界面顯示測試數據的波形曲線，共有三條曲線，從上到下分別是管道壓力曲線、推力曲線和光信號曲線。其中光信號曲線為光強的倒數，即光越強曲線數值越低。正常情況下，光強曲線和推力曲線有相同的周期，每旋轉一周，扶正器的扶正片向外推出一次。如果推力有偏差角，則曲線的最大值與光信號最小值有一個時間差，由此時間差可以計算出推力偏差角。從曲線可以很容易看出扶正器參數是否有故障，具體的數值在屏幕上方以數字的形式顯示。

    從圖中光信號曲線可以知道，如果在測試時，最強光照不在扶正器預設方向，則會產生較大誤差。在扶正器旋轉過程中，必須保證光源比環境光高很多，才能對旋轉角度進行度量。
    通過測量可以很好地檢測出扶正器的問題。如果推力均值與管道壓力不滿足正比關系，則說明壓力通道有堵塞；如果推出角與偏差角相差大于5°，則必須對扶正器進行矯正。
    通過對多只扶正器的測量試驗，證明系統能夠很好地完成測量。通過試驗，可以得到以下結論：
    (1)以環境光作為旋轉工具的參考信號，可以很好地定位工具在不同旋轉角度的狀態。
    (2)通過提高系統的采樣頻率，可以提高系統的測量精度，如果每個周期每個信號采樣720次以上，可以保證測量精度在0.5°以內。
    (3)扶正器的扶正片推出力在以f最大值為中心的一個范圍內存在。如果此范圍過大，會導致扶正器的擺動。
參考文獻
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