钻杆动力钳上扣扭矩监测系统设计

刘 佳，李乔乔

（1.广州南洋理工职业学院，广东广州 510900；2.新乡航空工业（集团）有限公司，河南新乡 453000）

0 引言

钻杆是石油天然气和地质勘探钻井作业的重要用具，钻杆主要依赖管体和钻杆接头两部分经过摩擦焊合连合在一起。钻探开发过程中，单个钻杆由钻杆接头部件的螺纹相连，来保障钻井过程的顺利进行。型号不同、钢级不同的钻杆，API（American Petroleum Institute，美国石油学会）标准针对上扣扭矩制定了严苛的条件。如果钻探过程中，钻杆的上扣扭矩过劲容易挤伤螺纹，常常出现粘扣，钻杆间螺纹的结合强度及密封性会打折扣；当上扣扭矩不够时，容易造成钻杆间松扣和脱扣导致密封性减弱等现象，严重影响正常钻井作业。钻探过程中对上扣扭矩实行动态监测，不仅能保障钻杆间螺纹的结合强度和密封性安全，而且保护钻杆螺纹和接头，使其能够循环利用，是科学钻井的必要措施。

1 上扣扭矩监测系统的作用

钻杆动力钳上扣扭矩监测系统主要用于钻修井勘探开发过程中实时监测钻杆动力钳的上扣扭矩，能帮助司钻及时明晰设备工况，便于掌控钻杆连接是否符合API 标准，减少过扭矩的现象，避免由于接头形变导致事故，避免钻杆断裂事故等极度钻探情形下给钻探质量造成严重损失，对保证安全钻井有相当重要的现实意义，进而达成安全生产的目的。

2 系统整体设计

钻杆动力钳上扣扭矩监测系统主要由上扣扭矩传感器模块、按键模块、上扣扭矩采集模块、显示模块、无线通信模块、远程监测模块组成。上扣扭矩采集模块采用单片机微控制器开发，上扣扭矩传感器模块经过信号处理后传送到上扣扭矩采集模块，按键模块完成上扣扭矩的设置，上扣扭矩采集模块采集上扣扭矩信号经工程计算后传送到显示模块进行显示，远程监测模块通过无线通信模块传输数据。位于室外的监测系统的防爆等级按照行业标准必须≥ExdⅡBT4，防护等级必须≥IP56。系统组成框图如图1 所示。

图1 系统组成框图

2.1 上扣扭矩传感器模块

上扣扭矩传感器模块由上扣扭矩传感器、连接电缆及安装附件组成。上扣扭矩传感器采用压力式扭矩传感器，将钻杆动力钳量程为0～41.3685 MPa（0～6000 PSI）的液压信号转换为DC 4～20 mA 电流信号，钻杆动力钳上扣扭矩与电流信号成正比例关系。上扣扭矩传感器模块经过信号处理后传送到上扣扭矩采集模块进行采集处理。现场安装时通常先将钻杆动力钳压力表拆卸下来，然后通过三通接头将压力表与压力式扭矩传感器和本体相连。

2.2 按键模块

按键模块主要由标定/监测按钮和数码开关组成。标定/监测按钮按下时，钻杆动力钳上扣扭矩监测系统处于标定状态，钻杆动力钳上扣扭矩监测系统循环显示数码开关标定系数K 和数码开关标定系数B。标定/监测按钮弹起时，钻杆动力钳上扣扭矩监测系统处于监测状态。

2.3 上扣扭矩采集模块

上扣扭矩采集模块采用单片机微控制器开发为主控制器，包括隔离安全栅、无线通信接口电路、CPU 模块、电源模块、按键接口电路、显示驱动接口电路组成。设计中单片机微控制器采用ADμC7026 集成了ARM7TDMI 内核，运算和处理速度较高，8 kB 片内SRAM，62 kB FLASH，12 位分辨率的ADC 模数转换器，PCB 电路板设计时采用LQFP 小封装，采用表面贴装技术，提高了电路的稳定性和可靠性，抗干扰能力强，适用于钻井工况场合。

2.4 显示模块

显示模块通过显示驱动接口电路与上扣扭矩采集模块连接，实时显示钻杆动力钳上扣扭矩。

2.5 无线通信模块

无线通信模块主要由SX1278 贴片型射频集成电路从属电路组成。基于LoRa 扩频技术拥有通信距离长和传输功耗低的好处，抗干扰能力强，适合于环境复杂的钻探开发环境长距离数据传输功能。工作频段为410～525 MHz，支持全球免许可的ISM频段，工作电压为2.0～3.7 V，便于电池应用的方案。

2.5 远程监测模块

远程检测模块通过无线通信模块与上扣扭矩采集模块无线长距离数据传输连接，上扣扭矩参数自动保存在服务器，现场技术人员随时查询井下钻具的实时和历史数据，包括钻具编号、使用时间、施工人员、井号、上扣扭矩最大值，指挥部可经过网络远程浏览。

3 软件设计

钻杆动力钳上扣扭矩监测系统软件设计主要由初始化子程序模块、读标定系数K 子程序模块、读标定系数B 子程序模块、模数转换子程序模块、数据处理子程序模块、上位机通信子程序模块、标定系数显示子程序模块、延时子程序模块等部分组成，软件流程如图2 所示。

图2 软件设计流程

钻杆动力钳上扣扭矩监测系统开机上电后，上扣扭矩采集模块的单片机通过初始化子程序模块进行初始化配置，配置定时器的工作模式和初始值，允许中断源对应的中断位，并配置优先级别，配置串口相应工作模式和通信波特率，预先配置的数据变量和命令字；然后通过读标定系数K 子程序模块、读标定系数B 子程序模块，读出数码开关分别为标定系数K 和标定系数B；若标定/监测按钮弹起时，钻杆动力钳上扣扭矩监测系统处于监测状态，采集上扣扭矩传感器信号经模数转换子程序模块，数据滤波的处理，上扣扭矩工程值的转换后，在显示模块显示钻杆动力钳上扣扭矩实时数据；若标定/监测按钮按下时，钻杆动力钳上扣扭矩监测系统处于标定状态，系统循环显示数码开关“标定系数K”和数码开关“标定系数B”。上扣扭矩传感器模块通过无线通信模块调用上位机通信子程序，将上扣扭矩工程值传输到上位机进行记录和处理。

4 结语

提出的钻杆动力钳上扣扭矩监测系统设计，具有操作简便、实现成本低、灵活性高的特点，从而增长钻具使用年限，降低钻井成本。通过实时监测上扣扭矩能针对钻具失效及时采取跟踪分析，避免和减少钻杆失效事故的发生，确保钻井质量。上扣扭矩监测系统设计制作成本低，性能稳定，操作方便，具备较好的经济收益和社会效益，达到了低投入高回报。保证了钻机安全，对实现安全钻井有相当重要的现实意义，进而完成安全生产的目的。钻杆动力钳上扣扭矩系统还需邻近地层特性辅助识别，从而提高系统的智能化水平。