连续油管作业机载荷校准装置设计

黄立华，于志军，汤清源

（1.中石油江汉机械研究所有限公司，荆州 434000；2.中国石油大学（北京）克拉玛依校区，克拉玛依 834000）

连续油管作业机在作业过程中必须监控注入头载荷、连续管起下速度、深度等关键参数，其中注入头载荷参数尤为重要，载荷的大小和动态变化趋势对于井下作业状况的判断具有决定性的作用。连续油管作业机在进行冲砂、压裂、射孔、速度管柱等作业前需进行拉载实验，对连续油管力学性能和作业机的拉载能力进行评估，确保作业机井下作业的可靠性和安全性。目前连续油管作业机载荷校准采用注入头箱体自重比对法，即每次作业之前，利用作业机配套数据采集系统，获取注入头箱体压在载荷传感器上和未压载的载荷值，两次获取载荷差为注入头箱体自重，箱体自重示数与经验箱体重量对比，对载荷检测进行校准，此种方法操作过程复杂，劳动强度大。箱体重量一般是出厂经验数据，精度不高，而且受限于方法，无法检测注入头拉载能力大小。本研究主要是研发一种精巧型高精度连续管载荷检测的校准仪器，完成对连续管作业机数据采集系统载荷参数的标定，以及注入头拉载极限检测。

图1 车装式连续油管作业机载荷校准示意图Fig.1 Schematic diagram of load calibration for truckmounted coiled tubing machine

1 机械系统设计

图2 拉载装置机械结构图Fig.2 Drawing of mechanical structure of pulling device

本校准装置由机械系统、测量系统、数据处理系统构成。连续油管作业机载荷校准装置结构外形如图2所示，将校准装置与连续管相连，安装到防喷管下方，安装结束后，运转注入头对连续管进行起管操作，使管体成拉伸状态，此时管体受拉力大小与注入头载荷相同，比较注入头载荷数值和校准装置受力数值，完成注入头载荷校准。利用拉载试验，使管体承受的拉力逐渐增大，当管体与注入头夹紧块发生相对滑动时，装置可以检测出注入头极限拉载能力，完成连续油管作业机拉载能力评估。载荷校准装置通过两种不同工装能完成1 1/2″和2″连续油管的注入头载荷校准和作业机拉载能力评估。

2 硬件系统设计

连续油管载荷校准装置采用轮辐式结构载荷传感器，该传感器采用双臂电桥结构。载荷信号检测芯片AD7195是一款超低噪声24位Σ-Δ型ADC芯片，可直接检测小信号。硬件系统电路图如图3所示，AD7195芯片模拟区电路与数字区电路相互独立，模拟电路电源AVDD、数字电路电源DVDD均为5V。载荷信号与AD7195 采用全差分输入，与通道AIN1 和AIN2 连接。AD7195 芯片将AD 转换后的载荷值存入24 位数字寄存器中，然后将载荷值通过SPI 总线传输至STM32F103 单片机，单片机读取接收缓冲区载荷值，并将其发送至上位机。

图3 载荷传感器采样电路图Fig.3 Load sensor sampling circuit diagram

3 软件系统设计

该校准装置程序设计主要包括AD7195 载荷信号采集、SPI 接口数据发送、以及STM32 单片机SPI 端口数据接收三部分程序编写，其系统程序流程如图4所示。载荷传感器采用5V 直流电压激励，灵敏度为2.0mV/V，传感器输出0~10mV 电压信号。AD7195 的硬件配置以及AD 转换结果的获取均是通过对特定寄存器读写操作完成，AD7195 初始化程序完成配置寄存器CON的设置，设置增益PGA为128（通道量程范围为±39.06mV），选用直流激励、双极性工作模式、输入端缓冲区使能、数字滤波器斩波使能。通道配置主要完成通道使能、外部校准模式、基准电压、满量程寄存器的设置。STM 单片机SPI 通讯程序主要完成SPI 模式选择、GPIO 和时钟使能、Flash 数据寄存器ID获取、寄存器读写操作等。载荷检测采用连续转换模式，循环执行载荷采集过程。转换结束状态寄存器中RDY 位变为低电平，转换结果读取后RDY 位变为高电平。

图4 程序设计流程图Fig.4 Programming flow chart

4 系统误差分析与校准

该装置作为连续油管作业机载荷校准仪器，检测精度必须满足连续油管作业机井下作业要求。载荷校准装置的测量误差来源主要分两部分，①传感器检测误差；②AD 转换误差以及模拟信号传输过程误差。轮辐式载荷传感器出厂标定检测精度为C2，即检测精度为0.002%，其量程为0~600kN，计算得到的最大绝对误差为0.012kN。

AD7195 是一个24 位的A/D 转换器，由于受采样速率、噪声、芯片放大倍数的约束，实际AD 转换有效位数在19.2到21.4之间（参考芯片数据手册）。AD转换误差为最小量化步长△的1/2，最小量化步长计算公式如公式1 所示[7-9]。其中Fs 为输入信号的量程，N为量化器有效位数，取N=19计算得到AD转换误差对应载荷值为0.0005kN，相比于传感器自身误差可忽略不计。

载荷模拟信号在传输过程中会受到一定电磁噪声干扰发生信号衰减，造成检测误差。利用FLUKE 726 高精度多功能过程校验仪输出0~10mV 模拟信号至校准装置，检测模拟信号传输过程误差。FLUKE726作为标准仪器其自身精度为0.025%，模拟加载卸载循环过程10 次，取其中误差最大一组结果如表1 所示，实验相对误差最大值为0.52%，将输入电压与检测载荷进行线性拟合，得出系统具有较好线性。连续油管作业机载荷校准误差为传感器检测误差与电量信号转换环节误差的之和，综上分析校准装置误差小于1%。相比于箱体自重法校准精度大大提高，同时也满足现场实际应用需求。

表1 载荷校准装置系统误差比对Tab.1 Systematic error comparison of load calibrators device

载荷校准装置安装完成后，受注入头结构、连续管管径、连续油管伸出注入头长度等因素的影响，载荷初始值存在较大差异，安装后需要对校准装置进行清零和系统标定。AD7195 支持内部校准和外部校准两种模式，本系统采用外部校准方式，通过加载外部标准砝码的方式完成对应通道失调寄存器和量程寄存器的修正。系统标定部分代码如下所示：

void AD7195_Calibrate （unsigned char mode，unsigned char channel）

｛unsigned long oldRegValue = 0x0；

unsigned long newRegValue = 0x0；

AD7195_ChannelSelect（channel）；

oldRegValue=AD7195_GetRegisterValue（AD7190_REG_MODE，3，1）；

oldRegValue&=~AD7195_MODE_SEL（0x7）；

newRegValue=oldRegValue|AD7195_MODE_SEL（mode）；

ADI_PART_CS_LOW；

//CS is not modified。

AD7195_SetRegisterValue（AD7190_REG_MODE，newRegValue，3，0）；

AD7195_WaitRdyGoLow（）；

ADI_PART_CS_HIGH；

｝

载荷校准装置标定方法及界面如图5所示，载荷校准装置与注入头端连续管连接完成后，将当前AD转换内码值作为系统零点，完成系统零点迁移。在校准仪上放置标准砝码，将标准砝码重量与当前AD 转换内码值赋值标定系统相应参数，计算得到失调校准系数，修改相应寄存器完成校准仪的标定。

图5 无线载荷校准装置系统标定Fig.5 Calibration of wireless load calibration device system

载荷校准装置与注入头末端连续管连接，其距离地面较高，拆接线较为复杂。载荷校准装置数据传输采用无线传输，目前工业现场无线数据传输多采用移动4G 网络，且移动网络需付费使用。油田野外作业现场存在移动通讯网络信号弱的问题。本设计采用LoRa 无线电台进行点对点透明传输，大大降低了设备安装难度。

4 结语

该连续油管载荷校准装置采用轮辐式载荷传感器的结构，使得校准装置不受防喷管内径的限制。数据传输采用无线Lora电台传输技术避免了复杂的拆装过程，同时Lora无线通信技术的应用为石油装备无线数据传输提供了一种新的解决方案。与箱体自重校准法相比，该校准装置大大提高了校准效率、减轻劳动强度，同时载荷校准准确度也大大提高。该校准装置适用于中石油江汉机械研究所研制的ZR90、ZR180、ZR270、ZR360、ZR450 等型号的连续油管作业机，目前该校准装置已申请专利。