DSP在随钻井下管柱参数测量系统中的应用

　　1 引言

　　油气井，尤其是复杂结构井在钻井过程中井下管柱的受力与运动状况，一直是钻井科技人员关注的问题之一。由于受到井下工作环境、测试技术、电子元器件技术水平、信号传输、研究成本等多方面因素的影响，井下钻柱的力学行为是石油钻井领域研究的一个难点。20世纪80年代后，随着随钻测量技术(MWD)和随钻测井技术(LWD)的日趋成熟以及电子技术的发展，人们才得以有条件进行井下钻柱受力和运动实测方面的系统研究。

　　本文在国内外钻柱井下受力实测成果的基础上，研究设计了一种基于DSP的井下管柱参数实测系统。该系统可以测量钻柱的轴向力、扭矩、钻压、加速度和环境温度等9个参数，并可根据测得的基本数据对井下管柱的受力和运动状态进行分析，实现了井下钻柱力学及运动参数的实时测量。

　　2 DSP简介

　　DSP作为数字信号处理专用芯片，是一种特别适用于进行数字信号处理的微处理器，DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以快速的实现各种数字信号处理算法。DSP具有集成度高、运算速度快、计算精度高、功耗低、实时性好等特点，弥补了传统单片机计算速度慢、精度低的缺陷。

　　本文采用TI公司的TMS320LF2407A(以下简称2407A)作为系统的主控芯片，供电电压为3.3V，16血的定点低功耗DSP芯片，片内带Flash程序存储器。2407A内部集成了高速的CPU内核和各种外设器件：指令的执行速度可达40MIPS，指令周期仅为25ns，运算速度快;具有544字片内双存取RAM(DARAM)，2k单存取RAM(SARAM)和32k的闪速存储器(FLASHRAM);两个事件管理器模块EVA和EVB;16通道A/D转换器;多种通讯外设接口(SCI，SPI，CAN)等。

　　2407A的结构便于设计高集成度的数字产品，减小了整个系统的体积，使得电路的设计简单化，提高了系统的可靠性和抗干扰性，适合井下作业。

　　3 测量系统组成

　　随钻井下管柱参数测量系统主要完成随钻测量过程中数据的采集、存储与传输等任务。在钻井过程中实时测量钻柱的轴向力、扭矩、钻压、弯曲应力、加速度、内、外压力和环境温度等9个参数。硬件结构框图如图1所示。

　　该系统主要由以下几部分组成：电源(电池)、传感器、信号调理电路、DSP、存储器、通信接口等。主要分为两大部分：井下仪器部分，以DSP作为主控制器;地面部分，完成数据分析及显示。

　　测试系统是由DSP构成的存贮式高速采样系统，系统的主要技术指标：井眼尺寸：118～119mm;最高耐压：60MPa;最高环境温度：125℃;最大允许振动：200m/s2;测量通道：9路;数据存储容量：4Mb;工作时间：20h。