扶正器是一種在油田生產(chǎn)中廣泛使用的工具,，其基本功能是用來(lái)保證旋轉(zhuǎn)對(duì)象始終處在某個(gè)方向上，減少旋轉(zhuǎn)前進(jìn)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(jìn)方向的工具。當(dāng)鉆頭偏離重力方向時(shí),，扶正器會(huì)在偏離方向?qū)谑┘右粋€(gè)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(jī)械裝置,，在使用一段時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)糾偏推力方向與偏差方向不一致的情況,，嚴(yán)重時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響鉆進(jìn)方向,。因此，要定期對(duì)扶正器進(jìn)行測(cè)試與校正,。
1 系統(tǒng)需求
    需要測(cè)試的扶正器是一種新式機(jī)械扶正器,，由重錘、泥漿導(dǎo)向裝置和扶正片構(gòu)成,，其中重錘用于測(cè)量出重力方向,，始終垂直向下。當(dāng)扶正器軸線不與重力方向相同時(shí),，重錘產(chǎn)生一個(gè)微小偏移,，此偏移通過杠桿放大后控制泥漿導(dǎo)向裝置，將鉆井泥漿導(dǎo)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(duì)扶正器施加一個(gè)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(zhuǎn),，利用鉆井泥漿的壓力進(jìn)行工作,。
    在測(cè)試校正過程中需要測(cè)量的參數(shù)有3個(gè)：扶正器活塞推出力、推出偏差角度,、推出力與轉(zhuǎn)速關(guān)系,。
2 測(cè)試方法分析
    為實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，在研究具體的扶正器結(jié)構(gòu)與特性的基礎(chǔ)上,，設(shè)計(jì)了以下測(cè)試方案,。
2.1 推出力測(cè)試方案
    扶正器的推力來(lái)自于循環(huán)泥漿壓力，根據(jù)泥漿管道壓力與推出活塞面積,，可以計(jì)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(guān)系；s為推出活塞面積,，不同型號(hào)的活塞面積不同。
    管道壓力的測(cè)量采用了泥漿壓力傳感器,，傳感器量程為30 MP,，輸出信號(hào)為4 mA～20 mA電流，通過I/V變換和A/D轉(zhuǎn)換后可以得到管道壓力,。推出力通過計(jì)算可以得到,。
2.2 推出偏差角測(cè)量
    推出偏差角是最重要的參數(shù)，如果偏差角過大,，扶正器不但起不到扶正的作用,，反而會(huì)導(dǎo)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?yàn)榉稣畲髲堥_位置。

    為了測(cè)量θ,，測(cè)量時(shí)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(zhǎng)，通過記錄扶正片受力情況,，可以得到推力最大值以及產(chǎn)生最大值的時(shí)刻,。
    如圖2所示,，當(dāng)活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到彈簧片阻止,，從而導(dǎo)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(nèi)部的應(yīng)力,，使用應(yīng)變片可以測(cè)出彈簧片應(yīng)力大小,。彈簧片應(yīng)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(yīng)變測(cè)量求出，從而可以得到α,。其實(shí)不用關(guān)心f的大小,，只需要關(guān)心f的最大值出現(xiàn)的位置即可。只要旋轉(zhuǎn)過程中,，f的最大值出現(xiàn)在扶正片旋轉(zhuǎn)到扶正器傾斜方向時(shí),，就說(shuō)明此時(shí)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(shè)置一個(gè)強(qiáng)光源,，在扶正片上安裝光敏傳感器，從而在扶正器旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生傾斜方向的定位信號(hào),。通過記錄定位信號(hào)產(chǎn)生時(shí)間t1與f最大值產(chǎn)生時(shí)間t2之間的時(shí)間差Δt,，以及扶正器旋轉(zhuǎn)周期時(shí)間T，可以計(jì)算出推出偏差角θ,。
2.3 轉(zhuǎn)速測(cè)量
    轉(zhuǎn)速測(cè)量可以通過對(duì)光信號(hào)的周期測(cè)量得出,。
    在不同的排量與轉(zhuǎn)速下對(duì)推力、偏差角,、旋轉(zhuǎn)周期測(cè)量,，統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果就可以得到推出偏差角度、推出力與轉(zhuǎn)速關(guān)系,。
3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    測(cè)試時(shí)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(zhuǎn),，模擬井下狀態(tài),，在扶正器上安裝測(cè)量模塊，在其運(yùn)動(dòng)中完成測(cè)量,。測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示,。由于系統(tǒng)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此測(cè)量模塊采用電池供電和無(wú)線通信方式進(jìn)行測(cè)量是一種比較好的方法,。系統(tǒng)分為測(cè)量模塊和上位機(jī)模塊,。測(cè)量模塊由應(yīng)變,、光敏和壓力測(cè)量組成，應(yīng)變片安裝于彈簧片上,，測(cè)量扶正片推出時(shí)的應(yīng)力,。壓力測(cè)量使用了壓力變送器，光敏測(cè)量使用了光敏電阻,。測(cè)量結(jié)果通過無(wú)線發(fā)送電路發(fā)送出去,。

    測(cè)量開始時(shí)，由支架上面的電機(jī)帶動(dòng)扶正器旋轉(zhuǎn),，由水泵給扶正器加入循環(huán)壓力,，然后分別測(cè)量水壓、推出應(yīng)力和定位光敏信號(hào),。測(cè)量模塊由于需要和扶正器一起旋轉(zhuǎn),，要求必須小巧輕薄，而且在旋轉(zhuǎn)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(jī)模塊主要完成數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理，由無(wú)線接收電路和計(jì)算機(jī)組成,。
3.2 測(cè)量模塊硬件實(shí)現(xiàn)
    測(cè)量模塊電路主要完成壓力,、應(yīng)力和光強(qiáng)測(cè)量。應(yīng)力測(cè)量使用了惠斯通電橋,，壓力測(cè)量使用了電流-電壓變換電路,，光敏測(cè)量使用了光敏電阻。三路輸入信號(hào)經(jīng)過放大后進(jìn)入單片機(jī),，由單片機(jī)內(nèi)部12位ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，分別經(jīng)過標(biāo)度變換和數(shù)字濾波得到測(cè)量結(jié)果,。測(cè)量結(jié)果通過NRF24L01無(wú)線發(fā)射電路發(fā)送給上位機(jī),。
    系統(tǒng)測(cè)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(hào),，R6是應(yīng)變測(cè)量電橋，采用350 Ω應(yīng)變片,，測(cè)量扶正片推出力,，應(yīng)變片安裝在圖2所示的彈簧片上。LR1是光敏電阻,，測(cè)量環(huán)境光強(qiáng),，LR1的值隨著光強(qiáng)度的增加而減?。籙2是控制器,，采用SiliconLab生產(chǎn)的C8051F206單片機(jī),，此單片機(jī)內(nèi)部有多路開關(guān)和帶采樣保持的12位A/D轉(zhuǎn)換器，使用了TQFP-48封裝,，只占用1cm2的PCB面積,，是測(cè)量模塊的核心[3]；U4是無(wú)線發(fā)射控制器,，采用Nordic公司生產(chǎn)的單芯片2.4 G收發(fā)器NRF24L01,。此芯片擁有發(fā)射速率快、功耗低的優(yōu)點(diǎn),，在不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)可以進(jìn)入休眠狀態(tài),，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(nèi)部由一個(gè)經(jīng)典4運(yùn)放電路和溫度補(bǔ)償電路組成,，只需要外接一個(gè)可調(diào)電阻,，就可以對(duì)輸入信號(hào)放大，最大放大倍數(shù)為1 000倍,。選用INA122的另一個(gè)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(guān)S1一共有8個(gè)狀態(tài),，用來(lái)設(shè)置系統(tǒng)工作模式,，在測(cè)量不同型號(hào)的扶正器時(shí)，設(shè)置不同的狀態(tài),，以便系統(tǒng)讀取預(yù)存的測(cè)量參數(shù),。

3.3 測(cè)量模塊軟件實(shí)現(xiàn)
    測(cè)量模塊在軟件的控制下完成三種待測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值濾波和標(biāo)度變換,，將結(jié)果發(fā)送到上位機(jī),。由于光信號(hào)和推力信號(hào)是測(cè)量偏差角的關(guān)鍵，必須嚴(yán)格同步,，否則會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差,，因此采用了巡回測(cè)量方式。軟件在上電后進(jìn)行初始化,。Timer1初始化為計(jì)數(shù)狀態(tài),，其溢出中斷作為ADC的啟動(dòng)信號(hào)，并在完成SPI總線初始化后進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài),，主程序沒有出口,。在每次Timer1中斷中依次測(cè)量壓力,、光強(qiáng)和應(yīng)力，測(cè)量時(shí)使用通道控制變量I區(qū)別測(cè)量數(shù)據(jù),，I總是在0,、1、2之間循環(huán)變化,，不同的I測(cè)量不同的信號(hào),，測(cè)量完成后將結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)。
3.4 上位機(jī)數(shù)據(jù)接收模塊硬件實(shí)現(xiàn)
    上位機(jī)由NRF24L01接收電路和C8051F206單片機(jī)為核心構(gòu)成,，主要接收測(cè)量模塊發(fā)送來(lái)的測(cè)量數(shù)據(jù),。為了與計(jì)算機(jī)通信，使用了C8051F206中集成的UART總線,，并經(jīng)過SP3223電平變換得到滿足RS232電平的信號(hào)[5],。
3.5 無(wú)線通信協(xié)議
    為了保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)正常傳輸，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的高層數(shù)據(jù)通信協(xié)議,。協(xié)議由一個(gè)ASCII碼起始位開始,，后面緊跟多位ASCII數(shù)字符號(hào)，以明碼方式傳送,。不同的測(cè)量數(shù)據(jù)有不同的起始位,，例如壓力信號(hào)以字母‘P’開始，光強(qiáng)信號(hào)以字母‘L’開始,，而應(yīng)力信號(hào)以字母‘S’開始,。每個(gè)采樣周期分別測(cè)量一次壓力、光強(qiáng)和應(yīng)力,，協(xié)議中還采用了固定小數(shù)位的方法,，減少了數(shù)據(jù)量，典型數(shù)據(jù)包格式是P××××L××××S××××,。
3.6 上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)
    上位機(jī)軟件采用VS2008為開發(fā)工具,，以C#語(yǔ)言開發(fā)，使用了serialPort對(duì)象管理通信接口,，在內(nèi)存中開辟緩沖區(qū)存儲(chǔ)接收的數(shù)據(jù)，每當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端口時(shí),，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)DataReceived事件,，處理DataReceived事件的代碼就是數(shù)據(jù)接收代碼：
private void serialPort1_DataReceived(object sender，
System.IO.Ports.SerialDataReceivedEventArgs e)
{
    int bytesCanRead=serialPort1.BytesToRead,；
    //接收緩沖區(qū)可讀數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)
    if(bytesCanRead>MAXLEN)
//MAXLEN是預(yù)定義的數(shù)據(jù)讀取長(zhǎng)度
    {
    string strbuf+=serialPort1.ReadExisting(),；
//一次讀取緩沖區(qū)所以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到緩沖區(qū)
    int[]PData=GetP(strbuf)；//取緩沖區(qū)中的壓力數(shù)據(jù)
    int[]LData=GetL(strbuf),；//取緩沖區(qū)中的壓力數(shù)據(jù)
    int[]SData=GetS(strbuf),；//取緩沖區(qū)中的壓力數(shù)據(jù)
    bool r=Updatebuf(strbuf),；//更新緩沖區(qū)
    }
}
    RS232口接收到的數(shù)據(jù)都是ASCII碼，而且是字符形式,。首先將字符串存儲(chǔ)在strbuf中,，然后進(jìn)行字符串分析，分別取出各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字,。由于使用了固定小數(shù)位表示測(cè)量結(jié)果,，因此程序中可以使用int類型存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以提高運(yùn)算速度和處理速度,。
    程序運(yùn)行時(shí)的測(cè)量曲線如圖5所示,，主要界面顯示測(cè)試數(shù)據(jù)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(hào)曲線。其中光信號(hào)曲線為光強(qiáng)的倒數(shù),，即光越強(qiáng)曲線數(shù)值越低,。正常情況下，光強(qiáng)曲線和推力曲線有相同的周期,，每旋轉(zhuǎn)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(hào)最小值有一個(gè)時(shí)間差,，由此時(shí)間差可以計(jì)算出推力偏差角。從曲線可以很容易看出扶正器參數(shù)是否有故障,，具體的數(shù)值在屏幕上方以數(shù)字的形式顯示,。

    從圖中光信號(hào)曲線可以知道，如果在測(cè)試時(shí),，最強(qiáng)光照不在扶正器預(yù)設(shè)方向,，則會(huì)產(chǎn)生較大誤差。在扶正器旋轉(zhuǎn)過程中,，必須保證光源比環(huán)境光高很多,，才能對(duì)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行度量。
    通過測(cè)量可以很好地檢測(cè)出扶正器的問題,。如果推力均值與管道壓力不滿足正比關(guān)系,，則說(shuō)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(duì)扶正器進(jìn)行矯正,。
    通過對(duì)多只扶正器的測(cè)量試驗(yàn)，證明系統(tǒng)能夠很好地完成測(cè)量。通過試驗(yàn),，可以得到以下結(jié)論：
    (1)以環(huán)境光作為旋轉(zhuǎn)工具的參考信號(hào),，可以很好地定位工具在不同旋轉(zhuǎn)角度的狀態(tài)。
    (2)通過提高系統(tǒng)的采樣頻率,，可以提高系統(tǒng)的測(cè)量精度,，如果每個(gè)周期每個(gè)信號(hào)采樣720次以上，可以保證測(cè)量精度在0.5°以內(nèi),。
    (3)扶正器的扶正片推出力在以f最大值為中心的一個(gè)范圍內(nèi)存在,。如果此范圍過大，會(huì)導(dǎo)致扶正器的擺動(dòng),。
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