[Zusammenfassung]: Um den tatsächlichen Zustand des Bohrgestänges im Bohrloch zu verstehen, wird in diesem Beitrag ein System zur Messung von Bohrgestängeparametern für Hochtemperatur- und Hochdruckumgebungen im Bohrloch vorgestellt. Es bewältigt technische Herausforderungen wie die rauen Arbeitsbedingungen im Bohrloch, hohe Anforderungen an die Komponenten und Energieeinsparung. Die Systemzusammensetzung, die wichtigsten technischen Kennzahlen, das Hardware- und Software-Design sowie die Eigenschaften des digitalen Signalprozessors TMS320LF2407A werden detailliert beschrieben. 1 Einleitung Die Belastung und Bewegung des Bohrgestänges während des Bohrvorgangs, insbesondere in Öl- und Gasbohrungen mit komplexen Strukturen, stellen seit jeher ein wichtiges Anliegen für Bohringenieure dar. Aufgrund des Einflusses verschiedener Faktoren wie der Arbeitsbedingungen im Bohrloch, der Prüftechnik, der Elektronikkomponententechnologie, der Signalübertragung und der Forschungskosten ist das mechanische Verhalten des Bohrgestänges ein schwieriges Forschungsfeld im Bereich der Erdölbohrung. Seit den 1980er Jahren, mit der zunehmenden Reife der Mess- und Protokollierungstechnologien während des Bohrens (MWD/LWD) und der Entwicklung der Elektronik, ist es möglich geworden, systematische Untersuchungen zur Messung von Spannungen und Bewegungen im Bohrloch durchzuführen. Basierend auf nationalen und internationalen Forschungsergebnissen zur Spannungsmessung in Bohrsträngen untersucht und entwickelt diese Arbeit ein DSP-basiertes Messsystem für Bohrrohrparameter. Dieses System kann neun Parameter des Bohrstrangs messen, darunter Axialkraft, Drehmoment, Bohrdruck, Beschleunigung und Umgebungstemperatur. Es analysiert zudem den Spannungs- und Bewegungszustand des Bohrrohrs anhand der Messdaten und ermöglicht so die Echtzeitmessung der mechanischen und Bewegungsparameter des Bohrstrangs. 2. Einführung in DSP: Als dedizierter digitaler Signalverarbeitungschip ist der DSP ein Mikroprozessor, der sich besonders für die digitale Signalverarbeitung eignet. Intern verwenden DSP-Chips eine Harvard-Architektur mit getrennter Programm- und Datenverarbeitung, verfügen über dedizierte Hardware-Multiplizierer, arbeiten im Pipeline-Betrieb und bieten spezielle DSP-Befehle, die die schnelle Implementierung verschiedener digitaler Signalverarbeitungsalgorithmen ermöglichen. Digitale Signalprozessoren (DSPs) zeichnen sich durch hohe Integration, schnelle Verarbeitungsgeschwindigkeit, hohe Rechengenauigkeit, geringen Stromverbrauch und gute Echtzeitfähigkeit aus und überwinden so die Nachteile herkömmlicher Mikrocontroller wie langsame Verarbeitungsgeschwindigkeit und geringe Genauigkeit. In dieser Arbeit wird der TMS320LF2407A (im Folgenden 2407A genannt) von TI als Hauptsteuerchip des Systems verwendet. Er arbeitet mit 3,3 V, ist ein 16-poliger, stromsparender Festkomma-DSP-Chip und verfügt über einen integrierten Flash-Programmspeicher. Der 2407A integriert einen Hochgeschwindigkeits-CPU-Kern und verschiedene Peripheriegeräte: Die Befehlsausführungsgeschwindigkeit erreicht 40 MIPS, der Befehlszyklus beträgt nur 25 ns, und er bietet eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit; 544 Wörter On-Chip-Dual-Access-RAM (DARAM), 2 KB Single-Access-RAM (SARAM) und 32 KB Flash-RAM; zwei Ereignisverwaltungsmodule, EVA und EVB; einen 16-Kanal-A/D-Wandler; und mehrere Kommunikationsschnittstellen (SCI, SPI, CAN). Die Struktur des 2407A ermöglicht die Entwicklung hochintegrierter digitaler Produkte, reduziert die Gesamtgröße des Systems, vereinfacht das Schaltungsdesign, verbessert die Systemzuverlässigkeit und Störfestigkeit und eignet sich für Bohrlochmessungen. 3. Zusammensetzung des Messsystems Das Bohrrohr-Parametermesssystem übernimmt während des Bohrvorgangs die Datenerfassung, -speicherung und -übertragung. Während des Bohrens werden neun Parameter in Echtzeit gemessen: Axialkraft, Drehmoment, Bohrdruck, Biegespannung, Beschleunigung, Innen- und Außendruck sowie die Umgebungstemperatur des Bohrstrangs. Das Hardware-Strukturdiagramm ist in Abbildung 1 dargestellt. Das System besteht im Wesentlichen aus folgenden Komponenten: Stromversorgung (Batterie), Sensoren, Signalaufbereitungsschaltung, DSP, Speicher und Kommunikationsschnittstelle. Es ist in zwei Bereiche unterteilt: den Bohrloch-Instrumentenbereich mit dem DSP als Hauptsteuerung und den Oberflächenbereich für die Datenanalyse und -anzeige. Das Testsystem ist ein speicherbasiertes Hochgeschwindigkeits-Abtastsystem mit einem DSP. Die wichtigsten technischen Spezifikationen des Systems sind: Bohrlochdurchmesser: 118–119 mm; Maximale Druckbeständigkeit: 60 MPa; maximale Umgebungstemperatur: 125 °C; maximal zulässige Vibration: 200 m/s²; Messkanäle: 9 Kanäle; Datenspeicherkapazität: 4 MB; Betriebsdauer: 20 Stunden. Aufgrund dieser technischen Spezifikationen muss das System unter hohen Temperaturen, hohem Druck sowie starken Stößen und Vibrationen arbeiten können. Dies stellt hohe Anforderungen an die Komponenten und ist eine zentrale technische Herausforderung für das Messsystem. Aufgrund der langen Betriebsdauer sind ein geringer Stromverbrauch und ein effizienter Betriebsmodus erforderlich. Das Bohrlochparameter-Messsystem ist in einem speziell entwickelten kurzen Abschnitt installiert und wird während des Bohrvorgangs als Verbindungsstück mit dem Bohrgestänge verbunden. Die erfassten Daten müssen während der Messung nicht per Kabel nach oben übertragen werden; Messung und Datenaufzeichnung erfolgen im Bohrloch. Nach der Messung wird das Bohrlochmessgerät geborgen und über eine universelle serielle Schnittstelle (RS-232) und die zugehörige Schnittstellenschaltung zur weiteren Analyse und Verarbeitung mit einem Oberflächenrechner verbunden. Das gesamte Messsystem basiert auf einem digitalen Signalprozessor (DSP), der primär für die Datenerfassung, -filterung, -speicherung und die Kommunikation mit dem Oberflächenrechner zuständig ist. 3.1 Signalaufbereitungsschaltung: Sensoren erfassen neun Signale, darunter Axialkraft, Bohrdruck und Drehmoment, und wandeln diese in Spannungswerte um. Da die Ausgangsspannung relativ schwach ist, wird eine Signalaufbereitungsschaltung benötigt. Dieses System verwendet den BB-Instrumentenverstärker INA326. Seine einzigartige Topologie ermöglicht positive und negative Grenzwerte für die Eingangs- und Ausgangsleistung und zeichnet sich durch ein hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis, geringen Stromverbrauch und hohe Genauigkeit aus. Dadurch eignet er sich ideal für Anwendungen mit einfacher Spannungsversorgung, geringem Stromverbrauch und hoher Präzisionsmessleistung. Der INA326 ist ein CMOS-Eingangsverstärker, der die schwachen Sensorausgangssignale zu einem Standardspannungssignal von 0–3,3 V verstärkt. Ein Rail-to-Rail-Operationsverstärker OP496GS dient als Spannungsfolger mit starker negativer Rückkopplung und einer Verstärkung nahe 1. Seine Hauptfunktion besteht darin, die Ausgangsimpedanz des Signalaufbereitungsmoduls zu reduzieren und die Signaldämpfung zu verringern, wodurch die digitale Signalverarbeitung (DSP) erleichtert wird. 3.2 Abtastmodul: Der A/D-Wandler spielt eine entscheidende Rolle im Messsystem und wird in eingebetteten Systemen zur Erfassung externer Signale eingesetzt. Die beste Möglichkeit, die durch die A/D-Wandlung entstehende Instabilität zu reduzieren, ist die Integration des A/D-Wandlers in die Schaltung, beispielsweise mit dem 2407A. Der 2407A verfügt über einen integrierten 10-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC) mit 16 Kanälen und Pipeline-Architektur, der eine Wandlungsgeschwindigkeit von unter 500 ns erreicht. Er bietet automatische Sortierfunktionen mit zwei unabhängigen Sortierern (SEQ1 und SEQ2), die bis zu acht analoge Wandlungskanäle auswählen können. Diese können unabhängig im Dual-Sorter-Modus oder kaskadiert im 16-Kanal-Sorter-Modus betrieben werden. Er kann individuell auf 16 Ergebnispufferregister (RESULT0–RESULT15) zugreifen, um Wandlungsergebnisse zu speichern; mehrere Triggerquellen können die A/D-Wandlung auslösen. Dieses System arbeitet im Kaskadenmodus. Neun aufbereitete Signale werden dem DSP zur A/D-Wandlung zugeführt, und die gewandelten Signale werden temporär in RESULT0-8 gespeichert. 3.3 Speichermodul: Der 2407A-Chip verfügt über 32 kW On-Chip-Flash-Programmspeicher, der den Speicherbedarf des DSP-Systems deckt. 2,5 kW RAM reichen für die Datenspeicherung nicht aus, weshalb ein externer Speicher mit größerer Kapazität erforderlich ist. Da die unter Tage gesammelten Daten auch bei Stromausfall erhalten bleiben müssen, um nach der Bergung des Systems vom PC zur weiteren Analyse und Verarbeitung abgerufen werden zu können, wurde ein nichtflüchtiger Speicher gewählt: Dieses System verwendet den seriellen Flash-Chip AT45DB321C von Atmel. Er bietet eine Speicherkapazität von 4 MB, arbeitet mit 2,7–3,6 V, hat einen geringen Stromverbrauch (typischer Lesestrom: 10 mA, Standby-Strom: nur 6 µA) und kann millionenfach gelöscht/verändert werden. Es enthält einen nichtflüchtigen Hauptspeicher und zwei 528-Byte-SRAM-Pufferseiten, insgesamt 8192 Seiten à 528 Byte. 3.4 Kommunikationsmodul Das Kommunikationsmodul dient hauptsächlich dem Informationsaustausch zwischen dem DSP und dem PC. Der 2407A verfügt über eine integrierte asynchrone serielle Schnittstelle (SCI). Diese serielle Schnittstelle kann mit einem externen MAX232-Chip verbunden werden, um den Datenaustausch zwischen DSP und PC zu realisieren. Der MAX232-Chip zeichnet sich durch geringen Stromverbrauch, hohe Integration und eine +5-V-Spannungsversorgung aus. Da der 2407A mit +3,3 V versorgt wird, muss zwischen MAX232 und 2407A eine Pegelwandlungsschaltung eingefügt werden. Ein SN54LS245 erfüllt diese Anforderungen. 4 Software-Design Der Softwareteil des Systems zur Messung von Bohrlochparametern umfasst das DSP-Software-Design auf der unteren Ebene und das PC-Design auf der oberen Ebene. 4.1 DSP-Software-Design Das DSP-Messprogramm umfasst im Wesentlichen Funktionen wie die Initialisierung des DSP-Systems, die Datenerfassung, die FFT-Filterung und die Datenspeicherung. Die Programmierumgebung basiert auf der integrierten Entwicklungssoftware CCS von TI. Durch die Verwendung spezieller DSP-Befehle lässt sich beim Programmieren viel Zeit sparen. Das System verwendet eine gemischte Programmierung in C und Assembler. Das Hauptprogramm ist in C geschrieben, während Unterprogramme wie die Datenerfassung und die FFT-Filterung Assembler verwenden. Der Programmablauf ist in Abbildung 3 dargestellt. 4.2 Host-Computer-Design Das Host-Computer-Design umfasst im Wesentlichen die Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI), die die erfassten Daten anzeigt, analysiert, grafisch darstellt und ausgibt. Die HMI wurde mit VB entwickelt und lässt sich funktionsbezogen in vier Bereiche unterteilen: Benutzeroberfläche, Kommunikationsschnittstelle, Datenverarbeitung und Grafikdarstellung. (1) Die Benutzeroberfläche besteht hauptsächlich aus dem Systemhauptmenü und verschiedenen Dialogfeldern, z. B. dem Kalibrierungsdialogfeld, dem Parametereinstellungsdialogfeld und dem Kommunikationsdialogfeld. Über das Menü und die Dialogfelder können die Benutzer mit dem Computer interagieren. (2) Die Kommunikationsschnittstelle wurde gemäß der Kommunikationsvereinbarung zwischen dem Bohrlochmessgerät und dem Bodenrechner entwickelt, um den Datenaustausch zwischen den beiden Systemen zu ermöglichen. Dies umfasst die Prüfung des Bohrlochmessgeräts, die Parametereinstellung und den Empfang der erfassten Daten. Zur Verbesserung der Kommunikationszuverlässigkeit wird eine CRC-Verifizierung eingesetzt. (3) Die Datenverarbeitung umfasst die Verarbeitung von Kalibrierungsdaten, die Verarbeitung von Felddaten und die Datenspeicherung. Kalibrierungsdaten sind die Daten, die bei der Kalibrierung des Messgeräts eingegeben werden. Die Verarbeitung von Kalibrierungsdaten ist die interaktive Durchführung der Kalibrierung durch den Benutzer über ein Dialogfeld und das anschließende Speichern der verarbeiteten Kalibrierungsdaten. Die Verarbeitung von Felddaten ist die Umrechnung des vom Bohrlochsensor erfassten Spannungswerts in den tatsächlichen Messwert mithilfe der Kalibrierungsdaten anhand eines bestimmten Algorithmus und das anschließende Speichern. (4) Kurvendarstellung: In einem Popup-Fenster werden die zeitlichen Veränderungen der neun Parameter anhand der Datendatei dargestellt. Es können mehrere Fenster gleichzeitig geöffnet werden, um mehrere Kurven zu beobachten. 5. Fazit: Aufgrund der rauen Arbeitsumgebung und zahlreicher Störfaktoren muss die Störfestigkeit des Messsystems für Bohrrohrparameter in Bohranlagen umfassend berücksichtigt werden. Das System verwendet zwei Arten von Störschutzmaßnahmen: Hardware- und Software-basierte. Die Hardware-Störschutzmaßnahmen umfassen die sinnvolle Anordnung der Leiterplattenkomponenten und die Verdrahtung sowie Verschlüsselung und Schutz vor Wasser und Feuchtigkeit. Die Software-Störschutzmaßnahmen nutzen den internen Watchdog-Timer (WD) 2407A und eine Software-Trap-Technologie zur Überwachung des Software- und Hardwarebetriebs. Dadurch wird ein Programmabsturz effektiv verhindert und ein automatischer Neustart nach einem Absturz sichergestellt. Das System wurde im Bohrloch getestet und hat sich als effektiv erwiesen. Es liefert zuverlässige Daten und speichert diese zuverlässig. Dieses Messsystem kann die Kräfte und Bewegungen des Bohrgestänges im Bohrloch präzise beschreiben. Durch den Einsatz eines DSP als Systemkern ist die Hardwarestruktur vereinfacht, der Stromverbrauch gering, die Leistung stabil und die Echtzeitfähigkeit gut. Das System zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit und Störfestigkeit aus. Quelle: China Instrument and Control System