基于PIC的井下超聲井徑測(cè)量系統(tǒng)研制

李 蘇，劉西恩，陶愛(ài)華，李春楠

（中海油服油田技術(shù)研究院 河北 燕郊 065201）

在油氣探測(cè)開(kāi)發(fā)中，井徑信息是描述油氣藏特征的重要參數(shù)之一，是勘探，鉆井，測(cè)井，完井和采油工程中的一個(gè)重要參數(shù)[1]，是評(píng)價(jià)地層信息的重要依據(jù)，特別是在隨鉆過(guò)程中，井徑信息能提供大量關(guān)于鉆井效率的信息和在鉆進(jìn)，測(cè)井和完鉆過(guò)程中及時(shí)檢測(cè)出可能遇到的問(wèn)題，因此如何準(zhǔn)確獲得井徑信息是目前測(cè)井中大家比較關(guān)心的問(wèn)題，在實(shí)際鉆井中，井徑測(cè)量是派生出來(lái)的，而不是直接的物理測(cè)量，換句話說(shuō)就是鉆進(jìn)的過(guò)程中沒(méi)有用機(jī)械臂去測(cè)量，這些井徑測(cè)量可以用不同的測(cè)量方式進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)楦鞣N方式探測(cè)深度不同，因此會(huì)有不同的應(yīng)用，文中討論的是基于PIC的井下超聲井徑測(cè)量系統(tǒng)。

1 井下超聲井徑測(cè)量原理

超聲井徑測(cè)量?jī)x的功能是在石油勘探過(guò)程中，提供即時(shí)的井徑及其相關(guān)信息。測(cè)量?jī)x的主要部件是3個(gè)自發(fā)自收的超聲換能器，它們以120度的角度等間隔排列在儀器的周圍，當(dāng)換能器向外發(fā)射一列脈沖時(shí)，在井壁上反射聲波，換能器將接收到這一反射回波，反射回波遇到換能器表面時(shí)仍將反射回去，從而形成井壁的第二次反射回波[2]，由得到回波的傳播時(shí)間，在已知泥漿聲速的情況下，由公式（1）獲得換能器表面與井壁之間的距離。其中v為泥漿聲速，t為首次回波到達(dá)時(shí)間（往返）。

那么，同時(shí)有3個(gè)按規(guī)律排列的換能器同時(shí)發(fā)射聲波時(shí)，根據(jù)“三點(diǎn)確定圓的原理”，通過(guò)幾何運(yùn)算方法，就能確定井孔的直徑、圓心以及其他一些相關(guān)參數(shù)。因此超聲井徑電路需要準(zhǔn)確地測(cè)出首波到時(shí)，從而通過(guò)幾何運(yùn)算，算出井徑值。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

井下超聲井徑電路系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成，如圖1所示，分別為模擬前端，信號(hào)采集，主控單元，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通訊模塊。該電路采集超聲回波信號(hào)并在井下存儲(chǔ)，將將計(jì)算的井徑數(shù)據(jù)發(fā)送到中控電路由其上傳，該系統(tǒng)能夠完成超聲波換能器探頭的聲源激勵(lì)，信號(hào)濾波，回波到時(shí)采集，磁通門(mén)和加速度計(jì)信號(hào)采集，井徑計(jì)算，測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，并能夠通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳輸井徑值。

2.1 模擬前端

圖1 超聲井徑測(cè)量硬件的設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Block diagram of the hardware design of the ultrasonic diametermeasurement

圖2 模擬前端框圖Fig.2 Block diagram of the AFE

前端主要包括阻抗變化，信號(hào)選擇，程控放大，濾波電路等。由超聲探頭接收到的回波能量較小，為此，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)預(yù)放大電路，將回波信號(hào)先進(jìn)行一定的幅度、功率放大，然后送到后級(jí)進(jìn)行濾波、程控放大等處理。超聲探頭的內(nèi)阻較高，在設(shè)計(jì)預(yù)放大電路時(shí)，必須進(jìn)行阻抗變換。此外，儀器共有3路超聲波探頭。3路探頭工作時(shí)為順序發(fā)射，采集探頭回波，即3路探頭不會(huì)同時(shí)工作。為減少器件數(shù)量，降低調(diào)試難度，并降低儀器功耗，可以共用3路探頭的回波信號(hào)調(diào)理電路。

2.2 信號(hào)采集

A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬前端輸入的全波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送到主控單元進(jìn)行處理。根據(jù)本文設(shè)計(jì)要求，需要的最大A/D轉(zhuǎn)換速率為2.5 Msps，數(shù)據(jù)位寬為14位。A/D轉(zhuǎn)換的主要器件為ADC芯片，根據(jù)電路連接結(jié)構(gòu)分為外接的獨(dú)立ADC芯片，和主控器件內(nèi)部集成的ADC外設(shè)。主控器件要求采用DSP處理器，而一般DSP處理器集成的ADC外設(shè)的位寬均低于14位，必須選擇一款滿足要求的獨(dú)立ADC芯片。ADC進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)必須接入?yún)⒖茧娦盘?hào)，作為轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)。

圖3 AD采集電路結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of the AD acquisition

2.3 主控單元

主控芯片為dsPIC33FJ128GP706A-H/PT（簡(jiǎn)稱GP706A），該芯片工作溫度為150℃。dsPIC33FJ系列芯片為DSC類型 CPU，集成有DSP[3]單元，即有MCU的 I/O控制能力，又有DSP較強(qiáng)的運(yùn)算能力[4]。GP706A的外設(shè)如下：

器件 引腳數(shù) 閃存程序存儲(chǔ)器（KB）RAM（KB）（1）16位定時(shí)器輸入捕捉輸出比較標(biāo)準(zhǔn)PWM編解碼器接口ADC UART SPI I2CTM 增強(qiáng)型CANTM最大I/O引腳數(shù)（2） 封裝dsPIC33FJ1 28GP706A 64 128 16 9 8 8 1 2個(gè) ADC，18路能道2 2 2 2 53 PT，NR

GP706A的輸入電源為單路+3.3 V，降低了對(duì)電源種類的要求。在150℃下，最高工作主頻為20 MHz，此時(shí)工作電流為60mA左右。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

目前儀器工作時(shí)無(wú)法上傳大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)，地面只能顯示部分參數(shù)。因此，超聲井徑儀采集到的全波列數(shù)據(jù)、工具面角數(shù)據(jù)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等均需要存儲(chǔ)到井下[5]。

每個(gè)采樣點(diǎn)的波形數(shù)據(jù)很多，且電路工作時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)較多，最大存儲(chǔ)器容量大于900 Mbit。井下由于器件工藝水平和成本的限制，無(wú)法找到單芯片容量大于900 Mbit的存儲(chǔ)芯片，為此，需要采用多片存儲(chǔ)芯片級(jí)聯(lián)的方式，提供足夠的容量。此部分電路結(jié)構(gòu)如下：

2.5 通訊模塊

通訊模塊主要分井下總線和數(shù)據(jù)上傳總線。其中井下總線結(jié)構(gòu)為：

圖4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of data storage

超聲井徑儀直接與中控電路通信，二者的通信總線為RS485總線。RS485總線為成熟的工業(yè)總線，包括UART控制器和RS485驅(qū)動(dòng)器，UART控制器負(fù)責(zé)控制驅(qū)動(dòng)器發(fā)送數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳到主控單元。RS485驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)將UART控制器傳來(lái)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成差分信號(hào)發(fā)送到RS485總線上，并將RS485總線上的差分信號(hào)轉(zhuǎn)為UART控制器可識(shí)別的信號(hào)。

鉆井結(jié)束后，超聲井徑儀需要通過(guò)數(shù)據(jù)上傳總線傳輸井下存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，該總線與數(shù)據(jù)讀取裝置連接。由于井下最大存儲(chǔ)數(shù)據(jù)＞900MBbit，為加快數(shù)據(jù)讀取速度，需要選擇一種通信速率較高的數(shù)據(jù)總線。由于隨鉆超聲井徑儀與數(shù)據(jù)讀取裝置間的電纜長(zhǎng)度為150m，該數(shù)據(jù)上傳總線還必須滿足長(zhǎng)距離通信的要求。

適合長(zhǎng)距離通信的數(shù)據(jù)總線包括CAN總線、RS485總線、以太網(wǎng)總線等。

CAN總線在150m的通信電纜上，最高通信速率只能達(dá)到300～400 kbps，無(wú)法滿足要求；以太網(wǎng)總線需要的硬件資源較多，電路復(fù)雜，也不滿足要求。綜合考慮各種總線的通信速率與電路結(jié)構(gòu)后，最終選擇了RS485總線。

3 固件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是單片機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，PIC33FJ的內(nèi)核CPU結(jié)構(gòu)是按照精簡(jiǎn)指令集和高透明指令的宗旨來(lái)設(shè)計(jì)的[6]，因此單片機(jī)開(kāi)發(fā)采用專門(mén)用于PIC33FJ系列單片機(jī)而設(shè)計(jì)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，編程采用C語(yǔ)言，該芯片作為主CPU，在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)回波采集，溫度采集，監(jiān)控信號(hào)采集等，采集數(shù)據(jù)的處理，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)通訊等，其固件的主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart

4 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的井下超聲井徑測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的測(cè)試，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，采集了大量數(shù)據(jù)，多次測(cè)量了井徑數(shù)據(jù)，并與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比，其結(jié)果準(zhǔn)確穩(wěn)定，由于長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下信息，例如波形信息，方位信息，井徑信息等，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器可以根據(jù)地面配置要求存儲(chǔ)幾百個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)，可以方便對(duì)數(shù)據(jù)回訪，滿足了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的要求。

[1]阮玉柱，陳凡，胥召.超聲波測(cè)徑在鉆井過(guò)程中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古石油化工，2010（23）：130-135.RUAN Yu-zhu，CHEN Fan，XU Zhao.The application in the drilling of the ultrasonic logging[J]. Inner Mongulia Petrochemical Industry，2010（23）:130-135.

[2]楚澤涵.聲波測(cè)井原理[M].北京：石油石油工業(yè)出版社，1987.

[3]石朝林.dsPIC數(shù)字信號(hào)控制器入門(mén)與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2009.

[4]梁海浪.dsPIC數(shù)字信號(hào)控制器C程序開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2006.

[5]彭琰舉，趙毅，潘海洋.基于PIC16F877單片機(jī)的井下壓力測(cè)量技術(shù)研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012（5）：146-148 PENG Yan-ju，ZHAO Yi，PAN Hai-yang.Research of down hole pressure measurement technology based on PIC16F877 microcontroller[J].Electronic Design Engineering，2012 （5）:146-148.

[6]石倩，潘興明，孫成芹.基于PIC16F688的隨鉆儀器鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013（8）：177-179.SHIQian，PAN Xing-ming，SUN Cheng-qin.Design of lithium battery monitoring system of measuring while drilling tools based on PIC16F688[J].Electronic Design Engineering，2013（8）：177-179.