CN202338337U - 随钻振动信号同步采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种随钻振动信号同步采集装置，该装置包括：装置本体，设置于靠近钻头的位置，所述装置本体外壁设置有仓体；控制处理单元，设置于所述装置本体的仓体当中，用于控制信号采集和处理工作；信号采集单元，与所述控制处理单元相连接，用于采集振动信号；数据存储单元，与所述控制处理单元相连接，用于将所述控制处理单元处理后的数据进行存储；通信接口电路，与所述控制处理单元相连接，用于提供与外部设备进行连接的接口；电池组，用于提供装置工作电力。本实用新型采用三通道同时采集振动数据，采集速度快，多组级联方式的存储器，可以存储大量的数据，实现了连续不间断同步采集、存储振动数据，为建立井下钻具振动理论模型提供充足的数据。

Description

随钻振动信号同步采集装置

技术领域

本实用新型涉及井下信号采集装置，尤其涉及一种随钻振动信号同步采集装置。

背景技术

钻进过程中钻头破岩会引起钻具轴向、横向和扭转振动，这些振动携带了丰富的钻具及所钻地层相关信息。利用随钻振动信号对钻具进行故障诊断、井下安全评级、地层评价及建立井下钻具振动理论模型具有重要的应用价值。为了实时准确地了解井下钻具的工作状况及地层信息，需要大量的随钻振动数据做支撑。钻具随钻振动数据大部分是利用综合录井仪在地面进行振动采集分析，由于钻杆具有梳状滤波器特性，分析得到的结果存在一定局限性。只有靠近钻头同步采集的振动数据才能反映井下工况。而井下高温、高压、空间结构狭小等恶劣因素，一直制约着井下数据存储系统的容量。

现有技术提供了一种井下钻具振动监控装置和钻具振动分析方法，它的特点是对一段时间内的振动数据采集并进行平均处理，之后与设定阈值比较，一旦超过阈值，该仪器将向地面发出预警信号以便调整钻井参数，而避免发生井下事故。这种装置缺点是数据采集为间断模式，数据存储容量较小，故不能实时反映井下工况，无法提供大量数据用于建立井下钻具振动理论模型。

在上述各种现有技术中，由于受到井下恶劣环境的影响，随钻振动信号采集和存储均没有克服数据存储容量小，无法实现连续同步采集并存储井下钻具的三轴振动信号。目前，已有的随钻测量振动仪器只是间断地采集钻具振动信号，所能存储的数据容量有限，仅用于井下安全评级，无法对井下钻具振动进行连续同步采集和存储。

发明内容

本实用新型实施例的目的在于提供一种随钻振动信号同步采集装置，以解决现有技术中只能间断地采集钻具振动信号，存储的数据容量有限，仅用于井下安全评级，无法对井下钻具振动进行连续同步采集和存储的缺陷。

为实现上述目的，本实用新型提供一种随钻振动信号同步采集装置，该装置包括：装置本体，设置于靠近钻头的位置，所述装置本体外壁设置有仓体；控制处理单元，设置于所述装置本体的仓体当中，用于控制信号采集和处理工作；信号采集单元，设置于所述装置本体的仓体当中，与所述控制处理单元相连接，用于采集振动信号；数据存储单元，设置于所述装置本体的仓体当中，与所述控制处理单元相连接，用于将所述控制处理单元处理后的数据进行存储；通信接口电路，设置于所述装置本体的仓体当中，与所述控制处理单元相连接，用于提供与外部设备进行连接的接口；电池组，设置于所述装置本体的仓体当中，与所述控制处理单元相连接，用于提供装置工作电力。

所述控制处理单元采用SPI(Serial Peripheral Interface--串行外设接口)总线系统，与所述信号采集单元相连接，读取信号采集单元数据，并进行实时压缩打包处理，再将压缩后的数据包写入所述数据存储单元；所述控制处理单元与上位机相连接，与所述上位机进行通信；所述控制处理单元与所述电池组相连接，进行供电电源统一管理。

所述信号采集单元为加速度传感器，采用不带BUSY指示的高速SPI接口级联模式，进行轴向、横向和扭转三通道同时采集信号。

所述数据存储单元采用多个闪存串行连接并进行分组，每组的多个闪存各自级联后与SPI总线系统相连接，系统工作时只有一组闪存选通，其余各组闪存为高阻状态，一组闪存储存满后再存入下一组闪存。

所述闪存为M25P64的闪存，采用级联扩容与数据压缩相结合的方式，该闪存单片容量为8M字节，将32片该闪存分成四组，系统工作时只有一组选通，其余三组均为高阻状态，从而控制总线上的负载电容不至于太大，保证芯片按照正常速度存取数据。

所述通信接口电路为以太网控制器ENC28J60，实现工业以太网与SPI相互转换，以便所述控制处理单元与地面上位机之间实现远距离高速数据传输。

所述的控制处理单元的主控制器为dsPIC33F系列数字信号控制器，所用管脚可自定义进行映射配置。

所述电池组的供电电源为7.2V柱状锂电池组。

本实用新型的随钻振动信号同步采集装置采用轴向、横向和扭转三通道同时采集振动数据，采集速度快，多组级联方式的存储器，可以存储大量的数据，实现了连续不间断同步采集、存储振动数据，为建立井下钻具振动理论模型提供充足的数据。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的限定。在附图中：

图1是本实用新型随钻振动信号同步采集装置结构框图；

图2是本实用新型随钻振动信号同步采集装置结构示意图；

图3是本实用新型随钻振动信号同步采集装置电路原理图；

图4A和图4B是本实用新型的数据压缩算法应用实例示意图；

图5本实用新型的数据存储单元地址译码原理图；

图6是本实用新型的存储器串行级联电路原理图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型实施例做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

请参阅图1，图1是本实用新型随钻振动信号同步采集装置结构框图，如图所示，该随钻振动信号同步采集装置包括：

装置本体100，设置于靠近钻头170的位置，所述装置本体100外壁设置有仓体110；

控制处理单元120，设置于所述装置本体100的仓体110当中，用于控制信号采集和处理工作；

所述控制处理单元120采用SPI总线系统，与所述信号采集单元130相连接，读取信号采集单元数据，并进行实时压缩打包处理，再将压缩后的数据包写入所述数据存储单元140；所述控制处理单元120与上位机相连接，与所述上位机进行通信；所述控制处理单元120与所述电池组160相连接，进行供电电源统一管理。所述的控制处理单元120的主控制器为dsPIC33F系列数字信号控制器，所用管脚可自定义进行映射配置。

信号采集单元130，设置于所述装置本体100的仓体110当中，与所述控制处理单元120相连接，用于采集振动信号；

所述信号采集单元130为加速度传感器，采用不带BUSY指示的高速SPI接口级联模式，进行轴向、横向和扭转三通道同时采集信号。

数据存储单元140，设置于所述装置本体100的仓体110当中，与所述控制处理单元120相连接，用于将所述控制处理单元120处理后的数据进行存储；

所述数据存储单元140采用多个闪存串行连接并进行分组，每组的多个闪存各自级联后与SPI总线系统相连接，系统工作时只有一组闪存选通，其余各组闪存为高阻状态，一组闪存储存满后再存入下一组闪存。

所述闪存为M25P64的闪存，采用级联扩容与数据压缩相结合的方式，该闪存单片容量为8M字节，将32片该闪存分成四组，系统工作时只有一组选通，其余三组均为高阻状态，从而控制总线上的负载电容不至于太大，保证芯片按照正常速度存取数据。

通信接口电路150，设置于所述装置本体100的仓体110当中，与所述控制处理单元120相连接，用于提供与外部设备进行连接的接口；

所述通信接口电路150为以太网控制器ENC28J60，实现工业以太网与SPI相互转换，以便所述控制处理单元120与地面上位机之间实现远距离高速数据传输。

电池组160，设置于所述装置本体的仓体当中，与所述控制处理单元120相连接，用于提供装置工作电力。所述电池组160的供电电源为7.2V柱状锂电池组。

下面通过详细事例还说明本实用新型随钻振动信号同步采集装置的组成结构和工作过程。

本实用新型随钻振动信号同步采集装置以SPI作为系统总线，各个单元采用模块化管理。其中，控制处理单元的工作过程是：钻进过程中读取测量单元采集的振动数据，对读取的数据进行压缩打包处理，之后再写入数据存储单元；起钻后上位机经过通信接口电路向控制处理单元下传指令，控制处理单元接收到指令后开始上传数据，最终由上位机将得到的振动数据保存成若干个数据源文件，用于在地面进行后续的分析、处理。整个系统工作电流在45毫安左右，如果要在井下持续工作200小时以上，选择容量为13Ah的柱状锂电池组，给系统提供7.2VDC电源。

本实用新型随钻振动信号同步采集装置中的数据采集单元采用的振动传感器为SILICON DESIGNS公司的Model2422-100加速度传感器，单电源+5V供电，其输出为±4V模拟电压，带宽为0-2000Hz，几何尺寸：21mm×21mm×25mm。传感器不同的安装方法会对加速度计的频率响应精度产生不同的影响。通过螺栓直接连接方式将产生最高机械谐振频率。本实用新型中采用螺栓直连方式，在钻铤内部加工出两个M4的螺纹孔，将振动传感器固定在钻铤上，以实现较好的频率特性。

振动信号调理电路采用增益为0.2的差分式放大器1N159，将传感器输出信号调理到模数转换要求的电压范围，之后送入AD7980进行模数转换。AD7980工作温度可达125℃，采样精度为16位，但需要外接2.5V参考电源。利用不带BUSY指示的高速SPI接口级联模式，实现轴向、横向和扭转(GX、GY、GZ)三通道同时采集。如图3所示，将AD7980的3路CNV信号连接在一起，由DSC输出CNV控制信号，在CNV信号上升沿将启动AD7980进行转换，转换和数据读出过程中CNV信号一直保持为高电平，转换完成后通过内部移位寄存器在每个SCK下降沿将转换数据输出到SDO，16位数据高位在前，低位在后，其中SDI接到内部移位寄存器的输入。GX、GY、GZ三轴振动信号分别经过调理电路后进行模数转换，得到16位数字采样结果通过SPI总线传输到数字信号控制器(DSC)。数据采样过程是DSC发送本次采样的转换控制信号CNV给AD7980，同时，读取上次的采样结果。在每次读取数据的同时，将会启动一次采样过程，每个通道采样频率为1kHz。利用DSC强大的DMA控制功能，高速采集时减小DSC的工作负荷，通过DMA方式读取采样结果，直接传送至数据缓冲区保存。

钻进过程中钻具与井壁将受到碰撞、摩擦以及遇阻卡钻等因素的影响，振动信号会出现信号突变，必须采用一种能够描述信号局部特征的方法。目前对振动信号压缩主要采用压缩编码的方法，当信号出现奇异点时该方法将不能如实反映信号的奇异特征，从而产生较大的误差。考虑到压缩比、实时性要求，以及井下振动信号特点，本实用新型采用多分辨率小波变换压缩算法，利用DSC强大的数学运算功能，实现井下振动数据的实时压缩处理，这对振动信号大容量存储系统而言相当于间接增大了存储容量。该软件压缩算法充分利用了振动信号的特征，其重构将优于压缩编码方法，且可以保持相对较高的信号压缩比。

该压缩算法的实现按照以下步骤进行：

①初始化。根据实际信号f，确定逼近空间V_j；然后选取f_j∈V_j，使范数||f_j-f||最小，即f_j是f在V_j中的最佳逼近。设P_j是L²(R)到V_j的正交投影，则P_jf∈V_j是f在V_j中的最佳逼近，并且有

其中 $c_k^j=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}f\left(x\right){\mathrm{\φ}}_{j,k}\left(x\right)\mathrm{dx}.$

②迭代。由初始化得到f_j∈V_j，尺度系数为φ_j，k(x)，那么由分解算法

以及

可以求出{c_j-1，k}和{d_j-1，k}，即可将f_j分解为：

f_j＝f_j-1+W_j-1

$f_{j-1}=\underset{k\∈Z}{\mathrm{\Σ}}{c}_{j-1,k}{\mathrm{\φ}}_{j-1,k}\∈V_{j-1}$

$w_{j-1}=\underset{k\∈Z}{\mathrm{\Σ}}{d}_{j-1,k}{\mathrm{\φ}}_{j-1,k}\∈W_{j-1}$

同样可对f_j-1分解成：f_j-1＝f_j-2+w_j-2

③终止。对于给定信号f进行分解目的是要对其进行处理，在数据压缩中通常要分解多层。在进行数据压缩时，要将绝对值小的小波系数d设为零，而只保留那些绝对值大的小波系数，解压缩时由处理后的小波系数和尺度系数进行重构。

$c_{j,m}=\underset{k\∈Z}{\mathrm{\Σ}}h(m-2k)c_{j-1,k}+\underset{k\∈Z}{\mathrm{\Σ}}g(m-2k)d_{j-1,k}$

求得小波系数c_j，k，即由w_j-1和f_j-1求出f_j＝f_j-1+w_j-1，其中

$f_{j-1}=\underset{k\∈Z}{\mathrm{\Σ}}{c}_{j-1,k}{\mathrm{\φ}}_{j-1,k}\∈V_{j-1},$ $w_{j-1}=\underset{k\∈Z}{\mathrm{\Σ}}{d}_{j-1,k}{\mathrm{\φ}}_{j-1,k}\∈W_{j-1}.$

该算法应用实例如图4A和图4B所示，某口井振动信号原始波形，采用整周期采样方式，其采样点数为1024点。通过选取合适的门限对原始信号以4∶1压缩比进行压缩，之后对压缩数据进行解压缩以还原信号，信号解压缩后失真较小，满足数据处理的要求。

目前能承受井下高温的串行存储器容量均不大，无法满足井下振动数据实时存储需要。在数据存储系统容量较小时，可以用线选方法实现存储器片选地址译码。该方法优点是硬件接口简单，缺点是寻址的存储器芯片数量受DSC端口输出线位数限制，当存储容量较大，且存储器芯片数量较多时，将占用较多的端口资源。如图5所示，本实用新型采用数字信号控制器(DSC)端口输出片选信号CS1～CS3和控制信号GS1～GS4、BS、W。CS1～CS3经过74HC138译码器后产生8个片选信号MS01～MS08，BS控制74HC138使能；GS1～GS4则控制4片74HC125缓冲器使能端，从而控制SPI2总线上的所挂的器件数量。

本实用新型随钻振动信号同步采集装置中的数据存储单元采用单片容量为8M字节的串行闪存M25P64作为系统的基本存储单元，将32片存储器M25P64分成四组，各自级联后挂在SPI2总线上，以构成256M字节的大容量数据存储系统，如图6所示。在大容量存储系统中，各个存储器的SPI总线都是并联在一起的，由于输入电容的存在，当芯片数量大于20时，总线上的负载电容可达100pF，为保证正确读写数据，需降低SCK的频率，这样会降低存储器芯片的工作速度。因此，四组M25P64系统工作时只有一组选通，其余三组均为高阻状态，从而控制了总线上的负载电容不至于太大，保证芯片可按照正常速度存取数据。

本实用新型的随钻振动信号同步采集装置作为一个独立测量短节，使用时靠近钻头位置安装。为了保证该装置拆装方便、密封可靠、抗高压和强振动，装置本体结构按照通用标准设计与钻铤的对接结构、用于安装电子线路电路板、电池组以及振动传感器的仓体，其中，电子线路电路板在安装之前，要采用减振橡胶进行封装。如图2所示，短节总长度为1800mm，内径为58mm，外径为178mm，接头上下螺纹扣采用NC50标准扣。本体外壁上共有6个仓体，用于安装系统电子线路电路板、振动传感器以及电池筒，所有仓体均为盖板式密封结构，防止仓体内部各个部件受高压泥浆而破坏，由螺钉固定在本体上，便于拆装。本体外壁上有一个信号口，用于该测量短节与上位机进行通信。

本实用新型的随钻振动信号同步采集装置，可以在井下连续200小时不间断同步采集、存储振动数据，为详细了解井下钻具振动状态，建立井下钻具振动理论模型提供足够的振动数据，对钻进技术进行深入研究具有重要意义。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种随钻振动信号同步采集装置，其特征在于，该随钻振动信号同步采集装置包括：

装置本体，设置于靠近钻头的位置，所述装置本体外壁设置有仓体；

控制处理单元，设置于所述装置本体的仓体当中，用于控制信号采集和处理工作；

信号采集单元，设置于所述装置本体的仓体当中，与所述控制处理单元相连接，用于采集振动信号；

数据存储单元，设置于所述装置本体的仓体当中，与所述控制处理单元相连接，用于将所述控制处理单元处理后的数据进行存储；

通信接口电路，设置于所述装置本体的仓体当中，与所述控制处理单元相连接，用于提供与外部设备进行连接的接口；

电池组，设置于所述装置本体的仓体当中，与所述控制处理单元相连接，用于提供装置工作电力。

2.根据权利要求1所述的随钻振动信号同步采集装置，其特征在于：

所述控制处理单元采用SPI总线系统，与所述信号采集单元相连接，读取信号采集单元数据，并进行实时压缩打包处理，再将压缩后的数据包写入所述数据存储单元；

所述控制处理单元与上位机相连接，与所述上位机进行通信；

所述控制处理单元与所述电池组相连接，进行供电电源统一管理。

3.根据权利要求1或2所述的随钻振动信号同步采集装置，其特征在于：

所述信号采集单元为加速度传感器，采用不带BUSY指示的高速SPI接口级联模式，进行轴向、横向和扭转三通道同时采集信号。

4.根据权利要求2所述的随钻振动信号同步采集装置，其特征在于：

所述数据存储单元采用多个闪存串行连接并进行分组，每组的多个闪存各自级联后与SPI总线系统相连接，系统工作时只有一组闪存选通，其余各组闪存为高阻状态，一组闪存储存满后再存入下一组闪存。

5.根据权利要求4所述的随钻振动信号同步采集装置，其特征在于：

所述闪存为M25P64的闪存，采用级联扩容与数据压缩相结合的方式，该闪存单片容量为8M字节，将32片该闪存分成四组，系统工作时只有一组选通，其余三组均为高阻状态，从而控制总线上的负载电容不至于太大，保证芯片按照正常速度存取数据。

6.根据权利要求1或2所述的随钻振动信号同步采集装置，其特征在于：

所述通信接口电路为以太网控制器ENC28J60，实现工业以太网与SPI相互转换，以便所述控制处理单元与地面上位机之间实现远距离高速数据传输。

7.根据权利要求1或2所述的随钻振动信号同步采集装置，其特征在于：

所述的控制处理单元的主控制器为dsPIC33F系列数字信号控制器，所用管脚可自定义进行映射配置。

8.根据权利要求1或2所述的随钻振动信号同步采集装置，其特征在于：

所述电池组的供电电源为7.2V柱状锂电池组。

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