新型存儲式側(cè)向測井儀研制

·開發(fā)設(shè)計(jì)·

新型存儲式側(cè)向測井儀研制

張晉榮鞠成夏濟(jì)根馮玉森

(中國電波傳播研究所河南新鄉(xiāng)453003)

摘要：設(shè)計(jì)了一種新型存儲式側(cè)向測井儀SEMLS-1080。該儀器是SEMLS-1000電磁波傳輸存儲式測井系統(tǒng)的分系統(tǒng)之一，通過SEMLS-1040發(fā)射機(jī)主控單元與數(shù)控測井地面系統(tǒng)掛接，完成測井功能。儀器全部采用軍用標(biāo)準(zhǔn)器件，具有很好的耐溫指標(biāo)和穩(wěn)定性。重點(diǎn)介紹儀器的設(shè)計(jì)方案和數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸、讀取及軟件功能的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：存儲式側(cè)向測井儀；存儲式測井系統(tǒng)；SDZ-5000；數(shù)據(jù)存儲；數(shù)據(jù)傳輸；DSP

作者簡介：第一張晉榮，男，1982年生，工程師，碩士，2009年畢業(yè)于吉林大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，現(xiàn)在中國電子科技集團(tuán)第二十二研究所從事電法測井儀器研制工作。E-mail：zhjr926@126.com

文章編號：中圖法分類號：P631.8+11

收稿日期：(2014-08-30編輯：姜婷)

Development of a New Memory Lateral Logging ToolZHANG JinrongJU ChengXIA JigenFENG Yusen

(ChinaResearchInstituteofRadioWavePropagation,Xinxiang,Henan453003,China)

Abstract：Designed a new memory lateral logging tool.The tool which is a subsystem of SEMLS-1000 Electromagnetic Transmission Memory Logging System,connecting numerical controlled well logging system by SEMLS-1040,completes logging function.The tool uses all electronic components by the Military standard with excellent temperature index and stability.The paper introduces the design of the tool,data measurement,data acquisition,data storage,data transmission,data read and the realization of the software function.

Key word： memory lateral logging tool， memory logging system， SDZ-5000， data storage， data transmission，DSP

0引言

目前的裸眼測井作業(yè)從施工工藝上分為三種：第一種為靠下井儀器自重帶動電纜下到測量段底部，地面絞車拖動電纜完成實(shí)時(shí)測井作業(yè)，這種測井工藝一般用于直井和小斜度井；第二種為下井儀器接在鉆桿或油管低部，靠鉆桿或油管輸送到測量段，通過特殊工藝將測井電纜與下井儀器在井下完成對接，然后由鉆桿和油管帶動儀器和電纜完成實(shí)時(shí)測井作業(yè)，這種測井工藝一般用于井況條件較好的大斜度井和短位移水平井；第三種為下井儀器經(jīng)特殊設(shè)計(jì)固定在鉆桿內(nèi)，靠鉆桿輸送到測量段低部，通過特殊工藝將下井儀器推出鉆桿，然后由鉆桿上提儀器完成存儲式測井作業(yè)，這種測井工藝一般用于井況條件惡劣的大斜度井和水平井。SDZ-3000和SDZ-5000快速測井平臺以組合能力強(qiáng)、儀器長度短、工作可靠性高被油田用戶廣泛應(yīng)用在前兩種測井作業(yè)工藝中。但是隨著目前的鉆井大提速以及特殊鉆井工藝的應(yīng)用，復(fù)雜井、大位移水平井越來越多，用戶對測井儀器的作業(yè)安全性和方便性要求也越來越高[1]，開發(fā)一種適應(yīng)這種作業(yè)需求的井下存儲式測井系統(tǒng)具有廣闊的市場前景。本文介紹新型存儲式側(cè)向測井儀SEMLS-1080的設(shè)計(jì)方案，分析了新型存儲式側(cè)向測井儀SEMLS-1080數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)讀取及軟件功能的實(shí)現(xiàn)。新型存儲式側(cè)向測井儀SEMLS-1080不但能掛接SEMLS-1000電磁波傳輸存儲式測井系統(tǒng)，而且還能掛接SDZ-5000測井系統(tǒng)，并在新疆克拉瑪依油田完成了外場試驗(yàn)及資料驗(yàn)收，獲得了用戶的一致好評。

1設(shè)計(jì)方案

新型存儲式側(cè)向測井儀SEMLS-1080主要包括兩部分：電極棒部分和電路部分。所有的電子線路都包含在電極棒中。

1.1電極棒部分

圖1 所示為深、淺側(cè)向工作電流沿儀器軸向分布的中心分布切面圖。從圖1中也可以看出，電極棒主要由A2、A2’， A1、A1’， A1*、A1*’， M2、M2’，M1、M1’五對電極和A0 電極組成，A2、A2’， A1、A1’， A1*、A1*’， M2、M2’，M1、M1’五對電極以A0 電極為中心對稱分布。各電極功能如下：

A0主電流發(fā)射電極；

A2、A2’為深側(cè)向屏流發(fā)射電極，淺側(cè)向的回流電極；

A1、A1’為深、淺側(cè)向屏流發(fā)射電極；

M1、M2 和M1’、M2’為主監(jiān)督電極；

A1*、A2 和A1*’、A2’為輔助監(jiān)督電極。

電極棒上部的鋼筒(包括接插件)全部選用無磁材料，這樣可以避免對上部的連斜測量造成影響。

圖1　雙側(cè)向電極系及電流分布示意圖

1.2電路部分

圖2所示為新型存儲式側(cè)向測井儀SEMLS-1080的電路工作原理框圖。

圖2　電路工作原理框圖

主監(jiān)控電路測量兩對監(jiān)督電極M1和M2上的電位差，放大后產(chǎn)生主電流，調(diào)整主電流與聚焦電流的比例，使得M1和M2之間電位差趨于零，使得沿儀器軸向無工作電流流動，M2、M1、A0、M1’、M2’可視為等電位。主監(jiān)控電路實(shí)現(xiàn)深、淺側(cè)向工作電流的徑向聚焦，保證了儀器的縱向分辨率。

輔助監(jiān)控電路測量A1*、A1*’與A2電極的電位差，電路只對深側(cè)向信號放大，對淺側(cè)向信號衰減，使 A1、A2是等電位，都是深側(cè)向的屏流電極。

信號處理電路對深、淺側(cè)向電壓電流進(jìn)行信號采集與處理，同時(shí)SEMLSMCU-D依據(jù)測得的電壓、電流信號，采用新型功率控制算法控制深、淺側(cè)向功控電流源的功率輸出；通訊接口電路接收主控單元的命令，完成內(nèi)刻、測井狀態(tài)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸、儀器測量時(shí)間控制等功能?？潭入娐穼?shí)現(xiàn)儀器的內(nèi)刻度標(biāo)定。

新型存儲式側(cè)向測井儀SEMLS-1080采用模塊化設(shè)計(jì)方法，保證了在不帶保溫瓶條件下的溫度性能；為了減小發(fā)射機(jī)發(fā)射的載波大電流對深側(cè)向產(chǎn)生影響，深側(cè)向的工作頻率使用70 Hz，淺側(cè)向電路工作頻率仍為280Hz；新型存儲式側(cè)向測井儀SEMLS-1080設(shè)計(jì)為了與SDZ-5000保持兼容，原來交流供電方式要繼續(xù)保留；新型存儲式側(cè)向測井儀SEMLS-1080短節(jié)內(nèi)的DC-DC電源受SEMLS-1070連斜伽馬短節(jié)的電源關(guān)閉控制線的控制。

儀器在器件選擇上充分考慮了井下高溫運(yùn)行環(huán)境，集成電路全部采用美軍標(biāo)MIL-STD-883級，并注意降耗使用。無源器件電阻采用EE級，關(guān)鍵的無極性電容采用COG級，整機(jī)可在150 ℃連續(xù)穩(wěn)定2 h。

2主要部件功能分析

2.1硬件電路

合理布局是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的一個(gè)問題。結(jié)合各個(gè)功能電路將整個(gè)電路分為電源部分、數(shù)字電路和模擬電路部分。

電源電路有A1電源電路、A2電源電路；數(shù)字電路只有A5信號處理電路；模擬電路有A6測量電路、A8深功放電路、A9淺功放電路、A10主監(jiān)控電路、A11輔助監(jiān)控電路、A12刻度電路。儀器采用模塊化設(shè)計(jì)方法，提高溫度性能。下面著重介紹一下A5信號處理電路和A6測量電路。

2.1.1A5信號處理電路

A5信號處理電路以SEMLSMCU-D模塊為核心，主要完成以下功能：

1)產(chǎn)生深、淺側(cè)向工作頻率信號

SEMLSMCU-D模塊的核心處理芯采用ADSPBF506F-ENG，芯片晶振為25 MHz高溫有源晶振，內(nèi)核時(shí)鐘頻率，最高可達(dá)400MHz。通過片上集成的以太網(wǎng)接口和CAN總線接口，可為用戶提供嵌入式連接功能[2]。通過核定時(shí)器中斷可以產(chǎn)生不被中斷打斷的70 Hz和280 Hz方波信號。

2)信號的采集與處理

SEMLSMCU-D模塊采用單通道16位AD采集芯片AD7665，采集速率可達(dá)500kSPS，采集速率444 kSPS時(shí)，功耗為64 MW，采集速率100 SPS時(shí)，功耗僅為15μW?？芍С执?、并行數(shù)據(jù)傳輸模式，48腳封裝；AD7665參考基準(zhǔn)電壓為2.5 V(REF端)，可采集電壓范圍為+10 V～-10 V，采集精度為0.305 2 mv，輸出數(shù)字量為16位補(bǔ)碼形式。

深、淺側(cè)向的電壓、電流信號，自然電位信號和溫度通過AD7503八選一開關(guān)，經(jīng)過緩沖后送到SEMLSMCU-D模塊進(jìn)行AD采集。

3)功率控制

新型存儲式側(cè)向測井儀SEMLS-1080需要進(jìn)行70Hz，280Hz功率控制，通過SEMLSMCU-D模塊提供兩路DA輸出。DA采用AD公司的AD5025芯片，它是一款5V供電，12位，兩路D/A輸出，SPI通訊的D/A轉(zhuǎn)換器。進(jìn)行155 ℃兩個(gè)小時(shí)，175 ℃兩個(gè)小時(shí)溫度試驗(yàn)，要求反復(fù)做，累積工作時(shí)間24小時(shí)。器件工作正常，數(shù)據(jù)誤差：滿量程2500mV輸出時(shí)，數(shù)據(jù)最大誤差約為7.1 mV，誤差0.284%；1 250 mV輸出時(shí)，誤差0.4%。

4)數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)存儲功能是將采集到的深、淺側(cè)向的電壓、電流信號，自然電位信號和溫度保存到SEMLSMCU-D模塊大容量存儲器NAND FLASH中，也可以通過CAN通信接口送到主控單元中存儲，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙備份，增強(qiáng)儀器可靠性。大容量存儲器NAND FLASH采用青島智騰公司的LDMF1GA。該閃存芯片是通過與非單元結(jié)構(gòu)來增大容量的。它可以在800 μs內(nèi)完成一頁2kB的編程操作，還可以在1.5 ms 內(nèi)完成256 kB的擦除操作，同時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)能以50 ns/Byte的速度讀出，其存儲規(guī)格為8 Gbit。

5)計(jì)時(shí)處理功能

實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)時(shí)，根據(jù)產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號的不同，可以分為兩種方法：一是以CPU 中的定時(shí)器作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘的基準(zhǔn)，二是采用專用的時(shí)鐘日歷芯片。前者由于利用CPU 中的定時(shí)器資源，因此無需附加外圍器件，通過編程就可實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘功能，但精度受CPU 的外接晶振、電容的影響，誤差較大，一般24 h累計(jì)誤差為數(shù)十秒，只能用于精度要求不高的場合，后者是一種專用的時(shí)鐘日歷芯片，具有計(jì)時(shí)準(zhǔn)確(24 h累計(jì)誤差可控制在幾秒)，接口較簡單等優(yōu)點(diǎn)，并且市面上有多種計(jì)時(shí)芯片可供選擇。

目前選用Epson Toyocom公司的RA-8565SA時(shí)鐘芯片內(nèi)置32.768 Khz接口單元，采用I2C串行總線(400 Khz)，工作電壓范圍1.8 V-5.5 V，最高工作溫度為125℃，包括時(shí)刻、日歷，警報(bào)器、定時(shí)器功能等。電源自動切換電路如圖3(a)所示，掉電檢測切換電源芯片選用美信的MAX690，其功能為當(dāng)輸入到VCC的電壓高于備用電池(BATTERY)的電壓時(shí)，通過內(nèi)部選擇開關(guān)將VCC連到VOUT，由輸入到VCC的電壓提供供電電壓給圖3(b)所示的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片RA-8565SA；當(dāng)輸入到VCC的電壓低于備用電池(BATTERY)的電壓時(shí)，通過內(nèi)部選擇開關(guān)將電池(BATTERY)電壓VBATT連到VOUT，由電池(BATTERY)提供供電電壓給圖3(b)所示的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片RA-8565SA。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片與DSP的接口電路如圖3(b)所示，ADSPBF506F-ENG通過I2C(SCL、SDA)數(shù)據(jù)總線訪問RA-8565SA實(shí)時(shí)時(shí)鐘內(nèi)部寄存器。報(bào)警中斷通過INT中斷引腳輸出到DSP，DSP接收到報(bào)警中斷后，將RA-8565SA內(nèi)部工作方式配置為每500 ms中斷一次，(通過INT3中斷引腳輸出)也就是每500 ms存儲一次數(shù)據(jù)。ADSPBF506F-ENG接收到INT3中斷后，進(jìn)行相應(yīng)的AD采集處理，數(shù)據(jù)存儲及時(shí)間換算。計(jì)時(shí)處理電路見圖3。

圖3　計(jì)時(shí)處理電路

2.1.2A6測量電路

A6測量電路分為電壓測量電路和電流測量電路，電壓和電流測量電路采用模塊化設(shè)計(jì)，兩者共用一個(gè)模塊。將中心頻率調(diào)節(jié)電阻和放大倍數(shù)調(diào)節(jié)電阻放在外面，便于調(diào)節(jié)。

1)電壓測量電路設(shè)計(jì)

第一級為寬帶放大器，深、淺側(cè)向共用。深、淺側(cè)向電壓通道總增益均為24。

第二級為深、淺側(cè)向電壓通道采用無限增益多路負(fù)反饋有源二階帶通濾波器[3]，其電路形式如圖4所示。

圖4　帶通濾波工作原理框圖

為了計(jì)算方便，取C1=C2=C，電路的傳輸函數(shù)為：

(1)

(2)

通帶中心角頻率ω0處的電壓放大倍數(shù)：

(3)

(4)

深通道帶通濾波器中心頻率為f0=70Hz，增益為Au(0)=2，Q=5，根據(jù)中心頻率選擇電容，因?yàn)橹行念l率為70 Hz，故取C1=C2=0.22 μF[4]，代入公式(2)、(3)、(4)可求得：R1≈25.85 kΩ，R2≈1.077 kΩ，R3≈103.4 kΩ。

淺通道帶通濾波器中心頻率為f0=280 Hz，增益為Au(0)=2，Q=5，取C1=C2=0.1 μF，代入公式(2)、(3)、(4)可求得：R1≈14.2 kΩ，R1≈592 Ω，R1≈56.9 kΩ。

2)電流測量電路設(shè)計(jì)

和電壓測量通道原理一樣，僅僅通道增益設(shè)置不一樣。深、淺側(cè)向電流通道總增益均為240，這里不再贅述。

2.2軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)核心為SEMLSMCU-D，開發(fā)環(huán)境采用Visual DSP++。實(shí)現(xiàn)功能為深淺側(cè)向電壓、電流采集，自然電位采集，主控單元通訊，系統(tǒng)對時(shí)、校時(shí)，數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)讀取。

一上電，SEMLSMCU-D讀取NANDFLASH中的參數(shù)，也可以通過數(shù)控測井地面系統(tǒng)配置新的參數(shù)，同時(shí)還要讀取RA8565-SA外部時(shí)鐘，當(dāng)500 ms報(bào)警中斷到來后，SEMLSMCU-D通過控制八選一開關(guān)將深淺側(cè)向、SP、溫度信號依次選入并進(jìn)入AD采集，然后對采集的深淺側(cè)向數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波、相關(guān)檢測和功率控制，完成若干次循環(huán)后進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，直到下一次500 ms報(bào)警中斷到來?？傮w流程圖見圖5。

圖5　總體流程圖

3結(jié)束語

采用DSP和大容量高溫存儲器的新型存儲式側(cè)向測井儀SEMLS-1080在較短時(shí)間內(nèi)研制成功，與SEMLS-1000電磁波傳輸存儲式測井系統(tǒng)和SDZ-5000測井系統(tǒng)配接后成為勘探測井的主力儀器，該儀器調(diào)試方便，工作穩(wěn)定，測量精度較高，已經(jīng)在新疆克拉瑪依油田完成了外場試驗(yàn)及資料驗(yàn)收，獲得了用戶的一致好評。

參 考 文 獻(xiàn)

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