本發(fā)明涉及井下作業(yè)工具領(lǐng)域中的一種嵌入式井下工況隨鉆測量裝置。

背景技術(shù)：
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在石油鉆探過程中，地面鉆井技術(shù)人員需要實(shí)時(shí)了解井下壓力、振動(dòng)、沖擊、溫度等工況信息，以便于及時(shí)采取有效措施指導(dǎo)鉆井作業(yè)順利進(jìn)行。目前采取的方法主要有兩類：一類是地面間接獲取，該方法的缺點(diǎn)是測量的數(shù)據(jù)不能真實(shí)的反應(yīng)井下的實(shí)際工況，對環(huán)空壓力、振動(dòng)、沖擊、溫度等參數(shù)更是無法獲??；另一類是利用井下工程參數(shù)短節(jié)，將傳感器和測量電路安裝在獨(dú)立測量短節(jié)內(nèi)，儀器長度隨著測量參數(shù)的增加而增加，在與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等系統(tǒng)配合使用時(shí)需占用額外的空間，不利于系統(tǒng)的模塊化集成，而且安裝位置一般距離鉆頭較遠(yuǎn)，影響了測量的實(shí)時(shí)性，同時(shí)也提高了成本。因此，有必要將上述測量功能進(jìn)行集成，形成一個(gè)功能獨(dú)立的模塊化的裝置，既能提供所需參數(shù)的測量功能，又無需增加額外的空間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題,提供一種結(jié)構(gòu)簡單、功能獨(dú)立、性能可靠穩(wěn)定的嵌入式井下工況隨鉆測量裝置。它可以根據(jù)需要安裝在井下儀器的任意位置，適用于任何隨鉆儀器,既可以作為獨(dú)立的監(jiān)測模塊使用，也可以與隨鉆儀器掛接，實(shí)時(shí)上傳測量數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容如下：

嵌入式井下工況隨鉆測量裝置，包括鉆鋌、骨架、測量電路、傳感器和通信接頭，測量電路包括信號采集單元、MCU單元、通信總線、存儲(chǔ)單元和電源管理單元；電源管理單元提供傳感器和測量電路的工作電源；其中：鉆鋌外部開設(shè)有凹槽，骨架為平底弧形承壓殼體，骨架與凹槽扣合并密封連接，傳感器、測量電路和通信接頭固定安裝在骨架內(nèi)側(cè)與鉆鋌凹槽的空腔內(nèi)，傳感器感應(yīng)面由通孔徑向貫穿鉆鋌與外界連通。

上述方案還包括：

所述傳感器有振動(dòng)傳感器、沖擊傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器；所述測量電路采用電源載波通訊方式或供電和通信分離的方式，適用接口形式為RS-232、485、CAN、單總線、SPI、I2C。

骨架的四周有密封圈，四邊有螺絲孔，骨架通過螺栓固定于鉆鋌外側(cè)面。

所述的傳感器感應(yīng)面與外界相連的通孔為與骨架外側(cè)相通。

所述的傳感器感應(yīng)面與外界相連的通孔在骨架內(nèi)側(cè)，并在鉆鋌相應(yīng)位置設(shè)置通孔，且底部密封圈放置在通孔內(nèi)側(cè)。

該發(fā)明有三種工作模式：自動(dòng)監(jiān)測、數(shù)據(jù)應(yīng)答和兩種方式復(fù)用，可以由上位機(jī)進(jìn)行方式設(shè)定：自動(dòng)監(jiān)測模式是可以將實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)直接存入存儲(chǔ)器。該模式下不與外界通信并且可以將多個(gè)裝置獨(dú)立安裝在不同位置進(jìn)行分布監(jiān)控；數(shù)據(jù)應(yīng)答模式是根據(jù)通信線接收到的具體指令，并往通信總線發(fā)送測量指定的數(shù)據(jù)。無指令時(shí)處于待機(jī)狀態(tài)。該工作模式下，裝置作為一個(gè)獨(dú)立的測量模塊使用并且能耗最低；復(fù)用模式為連接器將實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器并根據(jù)接收到的具體指令往通信總線發(fā)送最新的指定數(shù)據(jù)。三種模式的存儲(chǔ)時(shí)間間隔和安全閾值可以由上位機(jī)設(shè)定，安全閾值的響應(yīng)具有最高優(yōu)先級。

本發(fā)明的益處在于該發(fā)明采用一體化的集成設(shè)計(jì)，充分利用了鉆鋌空間，無需增加額外空間就可以在位置與井下儀器連接；同時(shí)，該裝置的功能獨(dú)立，可以作為井下的實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置單獨(dú)使用，分布安裝在不同對儀器運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測。另外，當(dāng)儀器不需要監(jiān)測工況信息時(shí)可以使用一塊不帶電路和傳感器的空骨架安裝在鉆鋌的開槽處密封。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明第一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)剖面圖；

圖2是本發(fā)明的安裝結(jié)構(gòu)外部示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中的電源載波通信原理示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中的測量電路原理示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例中的程序流程圖；

圖6是本發(fā)明的另一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)剖面圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖和本實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述

本發(fā)明裝置一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示，主要由平底弧形承壓殼體骨架2、測量電路5、傳感器6和通信接頭3組成，骨架2四邊有螺孔9，通過螺栓固定在鉆鋌1外側(cè)。其中，傳感器6、測量電路5和通信接頭3安裝在骨架內(nèi)側(cè)，并由四周的密封圈4實(shí)現(xiàn)密封，本實(shí)施例的密封圈采用一道密封（也可以采用多道）。傳感器包括：振動(dòng)、沖擊、溫度和壓力四種，圖1中僅畫出了壓力傳感器6，其中壓力傳感器前端的感應(yīng)面由通孔8與外界相連，本實(shí)施例的通孔8在是骨架外側(cè)進(jìn)行環(huán)空壓力測量。

圖2是本發(fā)明的安裝結(jié)構(gòu)示意圖，骨架2四邊有螺孔9，通過螺栓固定在鉆鋌1外側(cè)。

本實(shí)施例的通信接頭3使用Micro-D接頭，并采用電源載波的通訊方式，如圖3所示

圖4是圖1所示實(shí)施例的測量電路原理示意圖。四個(gè)傳感器經(jīng)過信號放大處理后進(jìn)入4路同步A/D轉(zhuǎn)換器，將采集的數(shù)據(jù)交給MCU單元處理；MCU單元負(fù)責(zé)將處理后的數(shù)據(jù)存入Flash中；同時(shí)，MCU單元還可以根據(jù)通信總線接收到的控制字進(jìn)行通信和工作模式設(shè)定。該連接器的供電取自于貫通電源線，并由電源管理單元進(jìn)行電流監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行關(guān)斷操作以確保該裝置的供電穩(wěn)定可靠；另外，本實(shí)施例采用電源載波方式進(jìn)行通信，通信總線從電源線上獲取載波信號后，經(jīng)過調(diào)制解調(diào)進(jìn)入MCU單元圖中未標(biāo)出，工作原理如圖3所示。

該裝置的工作模式有三種：自動(dòng)監(jiān)測模式、數(shù)據(jù)應(yīng)答模式和自動(dòng)監(jiān)測與數(shù)據(jù)應(yīng)答復(fù)用模式。其中，自動(dòng)監(jiān)測模式可以作為井下工況的實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)，在取出儀器后由上位機(jī)讀取井下各個(gè)狀態(tài)信息以便于工程人員分析使用，也可以作為各自狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)，在超出儀器設(shè)定的閾值時(shí)發(fā)送預(yù)警指令，其中存儲(chǔ)時(shí)間間隔和安全閾值可以是固定值也可以由上位機(jī)設(shè)定；數(shù)據(jù)應(yīng)答模式為連接器根據(jù)接收到的具體指令后，往通信總線發(fā)送指定的數(shù)據(jù)，無指令時(shí)處于待機(jī)狀態(tài)，該模式下系統(tǒng)功耗最??；自動(dòng)監(jiān)測和數(shù)據(jù)應(yīng)答復(fù)用模式兼具兩種模式的優(yōu)點(diǎn)，既可以實(shí)時(shí)測量內(nèi)部全部傳感器的數(shù)據(jù)并存入電路上的存儲(chǔ)器中，也可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的安全閾值進(jìn)行不同狀態(tài)的響應(yīng)，并根據(jù)接收到的具體指令往通信總線發(fā)送最新的指定數(shù)據(jù)，其中安全閾值為最高優(yōu)先級。

圖5是本發(fā)明在自動(dòng)監(jiān)測和數(shù)據(jù)應(yīng)答復(fù)用模式下的程序流程圖。系統(tǒng)啟動(dòng)后，MCU單元首先進(jìn)行各個(gè)模塊的自檢并將返回的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)存入Flash中，如果存在異常則將異常代碼由通信總線發(fā)送給上位機(jī)。系統(tǒng)初始化后進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集，并判斷是否超出安全閾值，同時(shí)根據(jù)接收到的具體指令往通信總線發(fā)送最新的指定數(shù)據(jù)。

圖6所示的是立管內(nèi)壓力測試的實(shí)施例。本實(shí)施例中，通孔8在骨架內(nèi)側(cè)，并在鉆鋌對應(yīng)位置設(shè)置通孔，從而實(shí)現(xiàn)立柱壓力測量，該模式應(yīng)將底部的密封圈放置在通孔內(nèi)側(cè)，以確保泥漿不會(huì)進(jìn)入骨架內(nèi)腔。

上述實(shí)施例僅說明集中實(shí)施例，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式等都是可以所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。