連續(xù)油管作業(yè)機(jī)載荷校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)

黃立華，于志軍，湯清源

（1.中石油江漢機(jī)械研究所有限公司，荊州 434000；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)，克拉瑪依 834000）

連續(xù)油管作業(yè)機(jī)在作業(yè)過程中必須監(jiān)控注入頭載荷、連續(xù)管起下速度、深度等關(guān)鍵參數(shù)，其中注入頭載荷參數(shù)尤為重要，載荷的大小和動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)對(duì)于井下作業(yè)狀況的判斷具有決定性的作用。連續(xù)油管作業(yè)機(jī)在進(jìn)行沖砂、壓裂、射孔、速度管柱等作業(yè)前需進(jìn)行拉載實(shí)驗(yàn)，對(duì)連續(xù)油管力學(xué)性能和作業(yè)機(jī)的拉載能力進(jìn)行評(píng)估，確保作業(yè)機(jī)井下作業(yè)的可靠性和安全性。目前連續(xù)油管作業(yè)機(jī)載荷校準(zhǔn)采用注入頭箱體自重比對(duì)法，即每次作業(yè)之前，利用作業(yè)機(jī)配套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，獲取注入頭箱體壓在載荷傳感器上和未壓載的載荷值，兩次獲取載荷差為注入頭箱體自重，箱體自重示數(shù)與經(jīng)驗(yàn)箱體重量對(duì)比，對(duì)載荷檢測(cè)進(jìn)行校準(zhǔn)，此種方法操作過程復(fù)雜，勞動(dòng)強(qiáng)度大。箱體重量一般是出廠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，精度不高，而且受限于方法，無(wú)法檢測(cè)注入頭拉載能力大小。本研究主要是研發(fā)一種精巧型高精度連續(xù)管載荷檢測(cè)的校準(zhǔn)儀器，完成對(duì)連續(xù)管作業(yè)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)載荷參數(shù)的標(biāo)定，以及注入頭拉載極限檢測(cè)。

圖1 車裝式連續(xù)油管作業(yè)機(jī)載荷校準(zhǔn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of load calibration for truckmounted coiled tubing machine

1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 拉載裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Drawing of mechanical structure of pulling device

本校準(zhǔn)裝置由機(jī)械系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成。連續(xù)油管作業(yè)機(jī)載荷校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)外形如圖2所示，將校準(zhǔn)裝置與連續(xù)管相連，安裝到防噴管下方，安裝結(jié)束后，運(yùn)轉(zhuǎn)注入頭對(duì)連續(xù)管進(jìn)行起管操作，使管體成拉伸狀態(tài)，此時(shí)管體受拉力大小與注入頭載荷相同，比較注入頭載荷數(shù)值和校準(zhǔn)裝置受力數(shù)值，完成注入頭載荷校準(zhǔn)。利用拉載試驗(yàn)，使管體承受的拉力逐漸增大，當(dāng)管體與注入頭夾緊塊發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，裝置可以檢測(cè)出注入頭極限拉載能力，完成連續(xù)油管作業(yè)機(jī)拉載能力評(píng)估。載荷校準(zhǔn)裝置通過兩種不同工裝能完成1 1/2″和2″連續(xù)油管的注入頭載荷校準(zhǔn)和作業(yè)機(jī)拉載能力評(píng)估。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

連續(xù)油管載荷校準(zhǔn)裝置采用輪輻式結(jié)構(gòu)載荷傳感器，該傳感器采用雙臂電橋結(jié)構(gòu)。載荷信號(hào)檢測(cè)芯片AD7195是一款超低噪聲24位Σ-Δ型ADC芯片，可直接檢測(cè)小信號(hào)。硬件系統(tǒng)電路圖如圖3所示，AD7195芯片模擬區(qū)電路與數(shù)字區(qū)電路相互獨(dú)立，模擬電路電源AVDD、數(shù)字電路電源DVDD均為5V。載荷信號(hào)與AD7195 采用全差分輸入，與通道AIN1 和AIN2 連接。AD7195 芯片將AD 轉(zhuǎn)換后的載荷值存入24 位數(shù)字寄存器中，然后將載荷值通過SPI 總線傳輸至STM32F103 單片機(jī)，單片機(jī)讀取接收緩沖區(qū)載荷值，并將其發(fā)送至上位機(jī)。

圖3 載荷傳感器采樣電路圖Fig.3 Load sensor sampling circuit diagram

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該校準(zhǔn)裝置程序設(shè)計(jì)主要包括AD7195 載荷信號(hào)采集、SPI 接口數(shù)據(jù)發(fā)送、以及STM32 單片機(jī)SPI 端口數(shù)據(jù)接收三部分程序編寫，其系統(tǒng)程序流程如圖4所示。載荷傳感器采用5V 直流電壓激勵(lì)，靈敏度為2.0mV/V，傳感器輸出0~10mV 電壓信號(hào)。AD7195 的硬件配置以及AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果的獲取均是通過對(duì)特定寄存器讀寫操作完成，AD7195 初始化程序完成配置寄存器CON的設(shè)置，設(shè)置增益PGA為128（通道量程范圍為±39.06mV），選用直流激勵(lì)、雙極性工作模式、輸入端緩沖區(qū)使能、數(shù)字濾波器斬波使能。通道配置主要完成通道使能、外部校準(zhǔn)模式、基準(zhǔn)電壓、滿量程寄存器的設(shè)置。STM 單片機(jī)SPI 通訊程序主要完成SPI 模式選擇、GPIO 和時(shí)鐘使能、Flash 數(shù)據(jù)寄存器ID獲取、寄存器讀寫操作等。載荷檢測(cè)采用連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，循環(huán)執(zhí)行載荷采集過程。轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)寄存器中RDY 位變?yōu)榈碗娖剑D(zhuǎn)換結(jié)果讀取后RDY 位變?yōu)楦唠娖健?/p>

圖4 程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.4 Programming flow chart

4 系統(tǒng)誤差分析與校準(zhǔn)

該裝置作為連續(xù)油管作業(yè)機(jī)載荷校準(zhǔn)儀器，檢測(cè)精度必須滿足連續(xù)油管作業(yè)機(jī)井下作業(yè)要求。載荷校準(zhǔn)裝置的測(cè)量誤差來源主要分兩部分，①傳感器檢測(cè)誤差；②AD 轉(zhuǎn)換誤差以及模擬信號(hào)傳輸過程誤差。輪輻式載荷傳感器出廠標(biāo)定檢測(cè)精度為C2，即檢測(cè)精度為0.002%，其量程為0~600kN，計(jì)算得到的最大絕對(duì)誤差為0.012kN。

AD7195 是一個(gè)24 位的A/D 轉(zhuǎn)換器，由于受采樣速率、噪聲、芯片放大倍數(shù)的約束，實(shí)際AD 轉(zhuǎn)換有效位數(shù)在19.2到21.4之間（參考芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)）。AD轉(zhuǎn)換誤差為最小量化步長(zhǎng)△的1/2，最小量化步長(zhǎng)計(jì)算公式如公式1 所示[7-9]。其中Fs 為輸入信號(hào)的量程，N為量化器有效位數(shù)，取N=19計(jì)算得到AD轉(zhuǎn)換誤差對(duì)應(yīng)載荷值為0.0005kN，相比于傳感器自身誤差可忽略不計(jì)。

載荷模擬信號(hào)在傳輸過程中會(huì)受到一定電磁噪聲干擾發(fā)生信號(hào)衰減，造成檢測(cè)誤差。利用FLUKE 726 高精度多功能過程校驗(yàn)儀輸出0~10mV 模擬信號(hào)至校準(zhǔn)裝置，檢測(cè)模擬信號(hào)傳輸過程誤差。FLUKE726作為標(biāo)準(zhǔn)儀器其自身精度為0.025%，模擬加載卸載循環(huán)過程10 次，取其中誤差最大一組結(jié)果如表1 所示，實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差最大值為0.52%，將輸入電壓與檢測(cè)載荷進(jìn)行線性擬合，得出系統(tǒng)具有較好線性。連續(xù)油管作業(yè)機(jī)載荷校準(zhǔn)誤差為傳感器檢測(cè)誤差與電量信號(hào)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)誤差的之和，綜上分析校準(zhǔn)裝置誤差小于1%。相比于箱體自重法校準(zhǔn)精度大大提高，同時(shí)也滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用需求。

表1 載荷校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)誤差比對(duì)Tab.1 Systematic error comparison of load calibrators device

載荷校準(zhǔn)裝置安裝完成后，受注入頭結(jié)構(gòu)、連續(xù)管管徑、連續(xù)油管伸出注入頭長(zhǎng)度等因素的影響，載荷初始值存在較大差異，安裝后需要對(duì)校準(zhǔn)裝置進(jìn)行清零和系統(tǒng)標(biāo)定。AD7195 支持內(nèi)部校準(zhǔn)和外部校準(zhǔn)兩種模式，本系統(tǒng)采用外部校準(zhǔn)方式，通過加載外部標(biāo)準(zhǔn)砝碼的方式完成對(duì)應(yīng)通道失調(diào)寄存器和量程寄存器的修正。系統(tǒng)標(biāo)定部分代碼如下所示：

void AD7195_Calibrate （unsigned char mode，unsigned char channel）

｛unsigned long oldRegValue = 0x0；

unsigned long newRegValue = 0x0；

AD7195_ChannelSelect（channel）；

oldRegValue=AD7195_GetRegisterValue（AD7190_REG_MODE，3，1）；

oldRegValue&=~AD7195_MODE_SEL（0x7）；

newRegValue=oldRegValue|AD7195_MODE_SEL（mode）；

ADI_PART_CS_LOW；

//CS is not modified。

AD7195_SetRegisterValue（AD7190_REG_MODE，newRegValue，3，0）；

AD7195_WaitRdyGoLow（）；

ADI_PART_CS_HIGH；

｝

載荷校準(zhǔn)裝置標(biāo)定方法及界面如圖5所示，載荷校準(zhǔn)裝置與注入頭端連續(xù)管連接完成后，將當(dāng)前AD轉(zhuǎn)換內(nèi)碼值作為系統(tǒng)零點(diǎn)，完成系統(tǒng)零點(diǎn)遷移。在校準(zhǔn)儀上放置標(biāo)準(zhǔn)砝碼，將標(biāo)準(zhǔn)砝碼重量與當(dāng)前AD 轉(zhuǎn)換內(nèi)碼值賦值標(biāo)定系統(tǒng)相應(yīng)參數(shù)，計(jì)算得到失調(diào)校準(zhǔn)系數(shù)，修改相應(yīng)寄存器完成校準(zhǔn)儀的標(biāo)定。

圖5 無(wú)線載荷校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)標(biāo)定Fig.5 Calibration of wireless load calibration device system

載荷校準(zhǔn)裝置與注入頭末端連續(xù)管連接，其距離地面較高，拆接線較為復(fù)雜。載荷校準(zhǔn)裝置數(shù)據(jù)傳輸采用無(wú)線傳輸，目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸多采用移動(dòng)4G 網(wǎng)絡(luò)，且移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需付費(fèi)使用。油田野外作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)信號(hào)弱的問題。本設(shè)計(jì)采用LoRa 無(wú)線電臺(tái)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)透明傳輸，大大降低了設(shè)備安裝難度。

4 結(jié)語(yǔ)

該連續(xù)油管載荷校準(zhǔn)裝置采用輪輻式載荷傳感器的結(jié)構(gòu)，使得校準(zhǔn)裝置不受防噴管內(nèi)徑的限制。數(shù)據(jù)傳輸采用無(wú)線Lora電臺(tái)傳輸技術(shù)避免了復(fù)雜的拆裝過程，同時(shí)Lora無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用為石油裝備無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸提供了一種新的解決方案。與箱體自重校準(zhǔn)法相比，該校準(zhǔn)裝置大大提高了校準(zhǔn)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)載荷校準(zhǔn)準(zhǔn)確度也大大提高。該校準(zhǔn)裝置適用于中石油江漢機(jī)械研究所研制的ZR90、ZR180、ZR270、ZR360、ZR450 等型號(hào)的連續(xù)油管作業(yè)機(jī)，目前該校準(zhǔn)裝置已申請(qǐng)專利。