摘要：為了實時獲取反映井下工況信息的鉆柱振動信號，文中設計了鉆柱振動信號采集系統。采用壓電式加速度傳感器實現三維振動信號的測量變送，針對井場復雜布線情況，選用nRF905射頻模塊進行無線信號傳輸，利用時鐘電路和看門狗電路提高了系統的穩定性和安全性。系統可完成對三維振動信號的采集存儲，具有穩定性強，存儲容量大的特點，為后續鉆柱振動信號的處理提供了高質量的基礎數據。
關鍵詞：鉆柱振動測量；壓電式加速度傳感器；三維振動信號采集；保護電路；無線通信

在鉆井過程中，鉆頭與地層的沖擊、鉆頭的偏心鉆進、鉆柱與井壁之間的摩擦碰撞，都會產生強烈的振動。鉆柱振動信號包含了大量的鉆井工況信息，通過采集這些振動數據，分析其特征并做出合理的故障診斷，對于減少鉆井事故、優化鉆井參數、提高鉆進速度都具有非常重要的意義。對鉆柱振動信號的采集方法分為隨鉆測量方法和地面測量方法。隨鉆測量方法是將隨鉆測量裝置安裝在鉆頭附近，用無線或有線的方式將振動信號傳輸到地面。這種方法采集到的數據失真較小，但由于井下條件惡劣(如高溫、高壓和高沖擊等)，對測振裝置的壽命及可靠性影響很大，且數據傳輸的實時性較差，因此應用于振動信號提取的隨鉆測量技術目前未能普遍應用。地面測量方法是利用能將井底振動的主要信息傳遞到地面的鉆柱作為介質，對其傳遞的振動信號進行采集，以識別鉆柱共振、鉆頭磨損、鉆柱與井壁摩擦等工況特征，根據特征值判斷鉆頭遇卡、溜鉆、頓鉆等故障。與井下振動測量相比，地面測量的風險較小，數據傳輸可靠性高，易于推廣。
目前，國內正逐漸形成一股研究鉆柱振動信號的熱潮，劉志國等人已設計出一套振動信號的采集與分析系統，但存在著穩定性不足、振動測量信息反饋不全面等問題。因此，本文設計了具有強穩定性，大存儲空間的鉆柱振動信號采集系統。在微控制器外部添加NAND flash存儲器以擴展對特征信號的存儲空間，在系統中設置了外部看門狗和時鐘電路對系統進行實時監測，配合軟件對異常情況進行及時備份并恢復正常工作狀態。

1 系統總體設計
鉆柱振動信號測量系統需要具備對鉆柱的三維振動信號進行實時動態數據采集、存儲及傳輸的功能。本系統由數據采集模塊、存儲模塊、無線傳輸模塊以及保護模塊組成。為了更全面地測量鉆柱振動信號，系統以鉆柱的三維振動信號為被測對象，通過三軸壓電式加速度傳感器將振動信號轉化成電信號，經信號調理電路調整送入C8051F005微控制器處理。由于鉆井平臺布線困難，系統選用nRF905射頻模塊，將數據以無線的方式傳送到附近的上位機進行處理、存儲和顯示，增強了系統的靈活性。惡劣的現場環境要求系統具有較高的穩定性，本系統應用了外部看門狗和時鐘模塊，使得系統能夠實時監控自身異常，配合軟件設計實現自我備份和恢復。
鉆柱振動信號采集系統結構如圖1所示。