一種用于隨鉆核磁共振測井的鉆柱運(yùn)動(dòng)監(jiān)測電路

呂 俊, 張嘉偉, 程晶晶*

(1.華中科技大學(xué) 人工智能與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430074; 2.中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149)

隨鉆核磁共振測井是指在鉆井的同時(shí)完成測井作業(yè)，可有效提高測井結(jié)果的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，代表著油氣探測領(lǐng)域的最新進(jìn)展[1]。在鉆井過程中，由于受井底巖層的不均勻性以及鉆井過程中鉆柱的彎曲等眾多因素的影響，鉆柱除了常規(guī)的旋轉(zhuǎn)之外，還存在著軸向振動(dòng)、橫向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)等多種振動(dòng)形式[2-3]。程晶晶等[4]提出當(dāng)鉆柱橫向振動(dòng)劇烈時(shí)，核磁共振回波信號的幅值會發(fā)生明顯的衰減。因此在測井的同時(shí)監(jiān)測鉆柱的橫向振動(dòng)位移，結(jié)合振動(dòng)數(shù)據(jù)來分析隨鉆測井回波數(shù)據(jù)，可有效提高測井結(jié)果的準(zhǔn)確性[5]。

振動(dòng)測量是一個(gè)非常經(jīng)典的問題，國內(nèi)外學(xué)者都對其進(jìn)行了大量的研究。常用的傳感器包括電渦流式位移傳感器、光學(xué)傳感器、聲發(fā)射技術(shù)和加速度計(jì)等。Courrech等[6]利用電渦流傳感器來測量轉(zhuǎn)軸與軸承之間的相對位移，該類型的測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，但是成本高，且對磁干擾非常敏感。光學(xué)測量方式應(yīng)用較為廣泛，例如機(jī)器視覺振動(dòng)識別技術(shù)[7]、激光移頻回饋技術(shù)[8]和激光散斑圖像測量技術(shù)[9]。此類方法雖然精度較高，但是都需要光學(xué)收發(fā)設(shè)備，存在體積大、安裝不方便等弊端[10]。聲發(fā)射技術(shù)在振動(dòng)測量領(lǐng)域?qū)儆谙鄬^新的技術(shù)，Tan等[11]分別利用聲發(fā)射技術(shù)、油液光譜分析技術(shù)、振動(dòng)分析技術(shù)對正齒輪點(diǎn)蝕進(jìn)行檢測，并通過試驗(yàn)比較得出聲發(fā)射技術(shù)測量靈敏度最高。但聲發(fā)射技術(shù)在傳播過程中會出現(xiàn)衰減，且難以在井下惡劣環(huán)境中使用[12]。上述傳感器都無法滿足油氣鉆井領(lǐng)域的應(yīng)用要求[13]，目前較為成熟的方案是應(yīng)用加速度計(jì)間接測量鉆鋌的振動(dòng)位移。

基于隨鉆核磁共振測井的應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)了一種運(yùn)動(dòng)監(jiān)測電路，可在井下實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆鋌的橫向振動(dòng)，為測井回波數(shù)據(jù)的修正提供支持。該電路基于Flash可編程開關(guān)技術(shù)的FPGA器件A3P1000和高性能32位DSP器件TMS320F2812，可在井下惡劣環(huán)境中滿足振動(dòng)加速度的高精度、高可靠性測量，以及中控系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信等要求。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 功能框圖

運(yùn)動(dòng)監(jiān)測電路由外接的加速度計(jì)、恒流源電路、信號處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、時(shí)序控制與信號處理電路和RS485通信電路組成。運(yùn)動(dòng)監(jiān)測電路系統(tǒng)硬件框圖如圖 1 所示。

圖1 運(yùn)動(dòng)監(jiān)測電路系統(tǒng)硬件框圖

其中，加速度計(jì)用于監(jiān)測振動(dòng)加速度的大小，基于隨鉆測井儀器中空的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使用2個(gè)兩軸加速度計(jì)測量儀器振動(dòng)加速度[14]，每一個(gè)測量軸都需要恒流源電路供電；4路信號調(diào)理電路負(fù)責(zé)對加速度計(jì)信號進(jìn)行濾波和放大處理；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)采集原始模擬信號，并送入FPGA中；時(shí)序控制和信號處理電路由DSP+FPGA組成，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)控制ADC的采集時(shí)序，DSP是整個(gè)電路的控制中心和運(yùn)算單元，控制各單元電路協(xié)同工作，并對采集到的加速度進(jìn)行實(shí)時(shí)處理；RS485通信電路負(fù)責(zé)與外界電路進(jìn)行通信，接收外界送入的指令和數(shù)據(jù)，把存儲的振動(dòng)數(shù)據(jù)打包上傳。運(yùn)動(dòng)監(jiān)測電路實(shí)物如圖 2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)監(jiān)測電路實(shí)物圖

1.2 加速度計(jì)電路

本設(shè)計(jì)中，加速度計(jì)選用的是DYTRAN公司的壓電式加速度計(jì)3003B，它具有靈敏度高、測量范圍廣、頻率響應(yīng)范圍廣、工作溫度范圍廣和體積小等特點(diǎn)，非常適合在井下惡劣環(huán)境中進(jìn)行振動(dòng)測量。3003B的具體參數(shù)如表1所示。

表1 3003B性能參數(shù)表

該款加速度計(jì)每一個(gè)測量軸都需要4 mA的供電電流，為了適應(yīng)井下復(fù)雜的溫度環(huán)境，基于負(fù)反饋結(jié)構(gòu)和三極管設(shè)計(jì)了一種恒流源電路，如圖 3所示。電路中的REF_OUT引腳輸入ADR423電壓基準(zhǔn)源芯片提供的3 V恒定電壓。把3 V電壓同時(shí)送入兩個(gè)同相放大電路分別放大到5 V和4.5 V，然后送入運(yùn)放U2。由于運(yùn)放在深度負(fù)反饋條件下的“虛短”特性，U2兩個(gè)輸入端的電壓都為4.5 V，電阻R7兩端的電位分別是5 V和4.5 V，選擇R7=125 Ω可使流經(jīng)R7的電流為4 mA。由于運(yùn)放的“虛斷”特性，U2反向輸入端的電流為0，因此流入三級管Q1發(fā)射級的電流就等于流經(jīng)電阻R7的電流。當(dāng)三級管工作在放大狀態(tài)時(shí)，發(fā)射級的電流和集電極電流之間的關(guān)系為ic=β/(1+β)ie，其中β為電流放大倍數(shù)，當(dāng)β較大時(shí)，ic=ie，即通過三級管集電極送入加速度計(jì)測量軸的電流為4 mA。

圖3 加速度計(jì)供電恒流源電路圖

加速度信號處理電路如圖 4所示，由高通濾波器、反向放大器和低通濾波器3個(gè)部分組成。由數(shù)據(jù)手冊可知，加速度計(jì)輸出電壓會帶有1.7～3.4 V的直流偏置，在放大電路之前設(shè)置了一個(gè)截止頻率為1.59 Hz的高通濾波器，以消除該偏置電壓。在隨鉆測井作業(yè)中，鉆井產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)的范圍為±50g，加速度計(jì)的靈敏度為2 mV/g，可知加速度計(jì)輸出有效信號的范圍為±100 mV。所選ADC的采集范圍為±1.28 V，綜合考慮提高信噪比和ADC分辨率這兩方面因素，設(shè)置電路的增益為10。由于井下的高溫環(huán)境，加速度計(jì)輸出的信號會帶有高頻熱噪聲，需要設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器來濾除高頻熱噪聲。在隨鉆測井作業(yè)過程中，產(chǎn)生的振動(dòng)加速度的頻率范圍為10 Hz～1 kHz，本設(shè)計(jì)中的二階低通濾波器的截止頻率為2.6 kHz，低通濾波器參數(shù)取R5=5.1 kΩ，R6=100 kΩ，C4=10 nF，C3=1 nF，用于濾波的電容選擇NP0材質(zhì)，以保證在高溫環(huán)境下電路性能的穩(wěn)定。加速度信號處理電路幅頻特性如圖5所示，電路呈現(xiàn)出帶通濾波器的特性，截止頻率為1.6 Hz和2.6 kHz，通帶增益為20 dB，能夠?qū)崿F(xiàn)直流偏置信號和高頻熱噪聲信號的濾除和加速度信號的放大。

圖4 加速度計(jì)信號處理電路

圖5 加速度計(jì)信號處理電路幅頻特性

1.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

運(yùn)動(dòng)板外接兩個(gè)加速度計(jì)，每個(gè)加速度計(jì)測量兩路加速度信號。為了保證信號采集的同時(shí)性，盡可能縮短順序采樣造成的延時(shí)，電路中設(shè)計(jì)4路ADC并行采樣，單片ADC采集電路的原理圖如圖6所示。ADC芯片選擇的是TI公司的ADS8678，這是一款高采樣率、低功耗、小體積以及可在高溫環(huán)境下工作的多通道ADC采集芯片，可通過SPI接口與MCU進(jìn)行通信。ADS8678共有8個(gè)采集通道，每一個(gè)采集通道的選擇以及輸入電壓范圍都可以配置。本設(shè)計(jì)中，每片ADC采集一路加速度信號，其余的通道留作備用，可同時(shí)采集4路加速度信號。選擇電壓基準(zhǔn)源芯片REF5040作為外部基準(zhǔn)源，該款芯片的輸出電壓溫漂最大值為1.5×10-6/℃，遠(yuǎn)小于ADC內(nèi)部基準(zhǔn)源的溫漂，可有效提高輸出的穩(wěn)定性。ADS8678的性能參數(shù)如表 2所示。

圖6 單片ADC采集電路原理圖

表2 ADS8678性能參數(shù)表

1.4 時(shí)序控制與信號處理電路

時(shí)序控制與信號處理電路由DSP和FPGA及其相關(guān)電路組成，F(xiàn)PGA選擇的是ACTEL公司的A3P1000，該款FPGA芯片基于Flash可編程開關(guān)技術(shù)，安全性和可靠性都極高，并且功耗較低，非常適合井下惡劣的工作環(huán)境；DSP選擇的是TI公司的TMS320F2812，該款處理器為TI公司生產(chǎn)的C2000系列的DSP芯片，可靠性高，計(jì)算能力強(qiáng)，最高主頻可達(dá)150 MHz。為了保證在井下高溫環(huán)境中正常工作，DSP和FPGA都選用了軍品級芯片。

FPGA主要負(fù)責(zé)ADC芯片的時(shí)序控制和數(shù)據(jù)預(yù)處理工作。在振動(dòng)采集開始之前，向ADC的寄存器中寫入相應(yīng)的指令來選擇被采集的通道、輸入電壓的范圍、ADC的采集模式和ADC輸出數(shù)據(jù)的格式；在振動(dòng)采集過程中，控制ADC的采樣率，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；在每一組數(shù)據(jù)采集完畢后，通過外部中斷的方式通知DSP讀取數(shù)據(jù)。DSP是整塊電路的控制中心，通過RS485電路與外界進(jìn)行通信，接收中控系統(tǒng)下發(fā)的采樣率參數(shù)和工作指令，隨后根據(jù)接收到的參數(shù)和指令來控制整個(gè)電路的振動(dòng)采集工作，并把振動(dòng)數(shù)據(jù)上傳給中控系統(tǒng)。

2 采集與數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的軟件程序主要實(shí)現(xiàn)ADC的時(shí)序控制、振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的存儲和上傳等功能。主體程序包括系統(tǒng)初始化配置子程序、ADC控制子程序、數(shù)據(jù)通信子程序、加速度采集子程序、振動(dòng)數(shù)據(jù)存儲和上傳子程序等，程序流程如圖 7所示。

圖7 程序流程圖

系統(tǒng)在上電初始化后，DSP控制FPGA完成ADC的初始化配置工作，包括采集通道和采集方式的選取、輸入電壓的范圍和數(shù)據(jù)上傳的格式。在ADC配置完畢過后，F(xiàn)PGA控制ADC進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待采集工作的開始。外界中控系統(tǒng)會通過RS485下發(fā)采樣率和采集指令，運(yùn)動(dòng)電路在接收到采集指令過后，便開始采集加速度數(shù)據(jù)。FPGA對ADC采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，再通過外部中斷的方式通知DSP讀取數(shù)據(jù)，并將讀取的原始振動(dòng)數(shù)據(jù)存入SRAM中，等待采集結(jié)束后通過RS485自動(dòng)上傳原始振動(dòng)數(shù)據(jù)。

3 高溫測試

3.1 測試裝置與試驗(yàn)過程

在隨鉆測井過程中，測井儀器需在150 ℃的高溫環(huán)境下正常工作。目前市面上有許多汽車電子芯片和軍用芯片可廣泛用于高溫環(huán)境中，在實(shí)際使用這些芯片進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要仔細(xì)評估其性能和溫度耐受性[15-16]。本設(shè)計(jì)中的芯片都是經(jīng)過溫度測試篩選出來的，在150 ℃環(huán)境下都可長時(shí)間正常工作，并且關(guān)鍵模擬電路的電容選用的都是NP0材質(zhì)的電容。為了測試運(yùn)動(dòng)監(jiān)測電路在高溫環(huán)境下的性能，對運(yùn)動(dòng)監(jiān)測電路進(jìn)行了高溫實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖 8所示(供電部分省略)，將電路板放置于高溫烘箱中，使用耐高溫導(dǎo)線給電路供電，把電路關(guān)鍵部位測試點(diǎn)從高溫烘箱引出并與計(jì)算機(jī)、示波器和萬用表相連。

圖8 高溫實(shí)驗(yàn)裝置圖

電路高溫性能測試分為2個(gè)部分：加速度信號處理電路通帶增益測試和線性度測試。測試中需控制高溫烘箱的溫度依次在如下4個(gè)溫度點(diǎn)：25 ℃、85 ℃、140 ℃和155 ℃，前3個(gè)溫度點(diǎn)每個(gè)保持30 min，最后1個(gè)溫度點(diǎn)維持240 min，烘箱溫度變化如圖 9所示。

圖9 烘箱溫度變化圖

3.2 加速度信號處理電路高溫性能測試

加速度信號處理電路是由運(yùn)放構(gòu)成的模擬電路，其濾波和放大性能會隨溫度變化而變化，因此監(jiān)控加速度信號處理電路在高溫環(huán)境下的性能是非常重要的。

3.2.1 通帶增益測試

通頻帶特性是評估放大電路的一個(gè)極其重要的指標(biāo)，一個(gè)性能優(yōu)良的放大電路應(yīng)該在其通帶之內(nèi)具有穩(wěn)定的增益。在隨鉆測井作業(yè)中，產(chǎn)生的振動(dòng)信號的頻率在10 Hz～1 kHz之間。高溫試驗(yàn)中，在10 Hz～1 kHz之間選擇了10個(gè)頻率點(diǎn)來評估加速度信號處理電路在高溫環(huán)境下的通帶增益，測試結(jié)果如圖 10所示。放大電路的設(shè)計(jì)增益是20 dB，可以看出，在不同環(huán)境下，電路的通帶增益一直在20 dB左右，沒有明顯的變化。4路加速度信號處理電路在不同溫度下實(shí)測增益與設(shè)計(jì)增益(20 dB)的最大偏差如表 3所示，在高溫環(huán)境下，電路增益偏差最大不超過1.5 dB。以上闡述可以表明，加速度信號處理電路在高溫環(huán)境下具有良好的通頻帶特性。

圖10 4路加速度信號處理電路高溫頻帶特性圖

表3 不同溫度時(shí)實(shí)測增益與設(shè)計(jì)增益(20 dB)最大偏差

3.2.2 線性度測試

線性度測試是指在輸入電壓幅值等步長變化的情況下測試電路輸入與輸出之間的關(guān)系，不同溫度下加速度信號處理電路線性度測試結(jié)果如圖 11所示?？梢钥闯雒恳粭l信號處理電路在不同溫度下線性度基本保持一致，用擬合曲線來表示電路的線性度特性，擬合公式為

圖11 4路加速度信號處理電路高溫線性度測試

(1)

式中：x為輸入信號幅值(mV)；y為輸出電壓幅值(V)。

常用非線性偏差來說明特性曲線偏離擬合直線的程度，非線性偏差的公式為

(2)

式中：Δym為采集數(shù)據(jù)與擬合直線的最大偏差；yFS為傳感器滿量程輸出。

4路信號處理電路在不同溫度下的非線性偏差如表 4所示。電路的非線性偏差小于3%，說明電路在不同溫度下都有良好的線性度。

表4 4路信號處理電路在不同溫度下非線性偏差

4 振動(dòng)測試

4.1 試驗(yàn)裝置與測試過程

隨鉆核磁共振測井儀器在作業(yè)過程中會伴隨有劇烈的機(jī)械振動(dòng)，為了檢驗(yàn)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測電路在振動(dòng)環(huán)境下的性能，將整個(gè)硬件測量系統(tǒng)(包括運(yùn)動(dòng)監(jiān)測電路和加速度計(jì))通過定制的機(jī)械卡具安裝在蘇試試驗(yàn)集團(tuán)的高加速度應(yīng)力與篩選試驗(yàn)系統(tǒng)(HASS)平臺(型號HH-900-150B)上做振動(dòng)試驗(yàn)，振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)框圖和試驗(yàn)平臺分別如圖 12和圖 13所示。

圖12 振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)框圖

圖13 振動(dòng)試驗(yàn)平臺

在試驗(yàn)過程中，給振動(dòng)臺設(shè)定一個(gè)豎直方向加速度值，開始振動(dòng)之后，振動(dòng)系統(tǒng)會控制機(jī)械裝置不斷錘擊振動(dòng)臺底部，使振動(dòng)臺以一定的加速度振動(dòng)，同時(shí)振動(dòng)臺底部有一個(gè)加速度傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測振動(dòng)臺在豎直方向的振動(dòng)加速度值。振動(dòng)系統(tǒng)每隔一段時(shí)間會根據(jù)振動(dòng)臺底部加速度計(jì)上傳的數(shù)據(jù)計(jì)算出前一段時(shí)間振動(dòng)加速度的均方根值，并將計(jì)算出來的均方根值與設(shè)定值相比較，通過負(fù)反饋控制的方式使振動(dòng)臺的振動(dòng)加速度穩(wěn)定在設(shè)定值。當(dāng)振動(dòng)臺的振動(dòng)穩(wěn)定在設(shè)定值之后，外部上位機(jī)通過RS485給運(yùn)動(dòng)監(jiān)測電路下發(fā)采樣率指令和開始采集指令，電路中負(fù)責(zé)采集豎直方向振動(dòng)加速度的通路為ACC1-X和ACC2-X，采集完畢后，電路將檢測到的加速度數(shù)據(jù)通過RS485總線上傳到上位機(jī)。

4.2 振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

振動(dòng)臺的振動(dòng)通過夾具傳遞到電路板和傳感器時(shí)會發(fā)生衰減，故2個(gè)加速度計(jì)測量到的振動(dòng)加速度值都小于振動(dòng)臺設(shè)定值，具體的衰減比例與振動(dòng)臺的振動(dòng)幅度，振動(dòng)臺、夾具和電路板的材質(zhì)以及電路板和傳感器的安裝方式有關(guān)。將振動(dòng)臺的振動(dòng)分別設(shè)定為20g、30g、40g、50g和60g，當(dāng)振動(dòng)穩(wěn)定之后，控制電路以固定的采樣率采集一段時(shí)間的振動(dòng)加速度，計(jì)算出這段時(shí)間振動(dòng)加速度的均方根值，并與振動(dòng)臺提供的加速度均方根值比較，結(jié)果如圖 14所示。

圖14 振動(dòng)臺加速度與檢測加速度對比

對圖 14中兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合，可得到振動(dòng)臺提供的加速度x與2個(gè)加速度計(jì)檢測到的加速度(y1-X，y2-X)滿足關(guān)系式:

(3)

最小二乘擬合精度用標(biāo)準(zhǔn)差表示為

(4)

式中：t為擬合未知量的個(gè)數(shù)；n為測量次數(shù)；vi為殘差。根據(jù)式(4)可計(jì)算出2條擬合曲線的精度分別為

(5)

可以看出，加速度的估計(jì)偏差不大于0.3g。

加速度測量誤差主要是隨機(jī)誤差，來源于以下3個(gè)方面：傳感器測量誤差、電路噪聲和加速度計(jì)安裝引入的誤差。由于隨機(jī)誤差取值不可預(yù)知，用標(biāo)準(zhǔn)差來表示其分散程度，標(biāo)準(zhǔn)差合成公式為

(6)

式中：q為誤差來源數(shù)目；σi為單項(xiàng)隨機(jī)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差；ai為該項(xiàng)誤差的傳遞系數(shù)。由表 1和表 3可知，加速度計(jì)測量噪聲標(biāo)準(zhǔn)差[17]為0.02g，兩路加速度信號處理電路實(shí)測增益分別為19.2216 dB和19.5943 dB，因此兩個(gè)加速度計(jì)測量噪聲標(biāo)準(zhǔn)差最終傳遞結(jié)果為0.1829g和0.1909g，傳感器測量噪聲標(biāo)準(zhǔn)差占據(jù)最終估計(jì)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差的60%以上?？梢钥闯?，振動(dòng)加速度測量誤差主要來源于加速度計(jì)本身，電路引入的誤差非常小，即可說明本設(shè)計(jì)電路可以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)加速度的精確測量。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測電路由集成的加速度計(jì)、信號處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、時(shí)序控制和信號處理電路組成，實(shí)現(xiàn)了在隨鉆測井高溫強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境下的加速度測量。電路中設(shè)計(jì)了負(fù)反饋運(yùn)放式的恒流源電路給加速度計(jì)供電，在高溫環(huán)境下有良好的供電性能；根據(jù)加速度信號的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了信號濾波和放大電路，提高了信噪比；針對4路加速度原始信號輸入，設(shè)計(jì)了4路ADC并行采樣的電路結(jié)構(gòu)，提高了采集的同步性。將電路放置在高溫烘箱中，模擬井下工作環(huán)境來測試電路性能，結(jié)果表明該電路在高溫環(huán)境下工作性能良好。將電路和傳感器安裝在振動(dòng)平臺上進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，將不同振動(dòng)環(huán)境下的測量結(jié)果與設(shè)定值相對比，表明該電路可以很好地完成振動(dòng)采集工作。