郭廣鎏，安旅行，陳緒濤，李西寧，王俊超，陽(yáng)質(zhì)量，秦泓江

(1.西安石油大學(xué)　陜西　西安　710065；2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司隨鉆測(cè)井中心　陜西　西安　710054；3.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶事業(yè)部　陜西　西安　710201)

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·開發(fā)設(shè)計(jì)·

基于開關(guān)泵命令對(duì)CNP儀器中子發(fā)生器的控制*

郭廣鎏1,2，安旅行2，陳緒濤2，李西寧3，王俊超1,2，陽(yáng)質(zhì)量2，秦泓江2

(1.西安石油大學(xué)陜西西安710065；2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司隨鉆測(cè)井中心陜西西安710054；3.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶事業(yè)部陜西西安710201)

摘要：可控源中子孔隙度隨鉆測(cè)井儀使用中子發(fā)生器作為放射性源,在實(shí)際隨鉆測(cè)井中，中子發(fā)生器全程工作對(duì)中子管壽命和井下電池都是極大的消耗。為了節(jié)省中子管和井下電池的工作時(shí)間，根據(jù)需要實(shí)時(shí)開啟或關(guān)閉中子發(fā)生器，提出了中子發(fā)生器控制部分響應(yīng)開關(guān)泵命令序列的設(shè)計(jì)思路。綜合各種因素使用兩個(gè)開泵和關(guān)泵命令組成序列來(lái)控制發(fā)生器在隨鉆測(cè)井作業(yè)中的開、關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可以使用開關(guān)泵命令序列控制發(fā)生器的工作，儀器因此可以取得更多有效測(cè)井資料。

關(guān)鍵詞：可控源中子孔隙度隨鉆測(cè)井儀；中子發(fā)生器；泥漿泵

0引言

中石油測(cè)井公司的可控源隨鉆中子測(cè)井儀使用一種小型加速器中子源[1]，我們稱之為中子發(fā)生器。中子發(fā)生器由中子管和相應(yīng)的供電、控制系統(tǒng)組成[2]。儀器由井下電池供電，發(fā)射中子時(shí)的耗電量是停止發(fā)射中子時(shí)的5～6倍。國(guó)外的成套隨鉆測(cè)井裝備，包括可控源中子，由泥漿發(fā)電機(jī)供電，利用泥漿循環(huán)控制中子管的工作。測(cè)井公司的隨鉆中子測(cè)井儀中子管的使用經(jīng)歷了無(wú)下發(fā)控制、開關(guān)泵命令控制兩個(gè)階段。第一階段，儀器以鉆后測(cè)量的方式下井，下井前根據(jù)工況設(shè)置儀器工作參數(shù)，其中很重要的參數(shù)就是發(fā)生器開始工作的時(shí)間和發(fā)生器工作時(shí)長(zhǎng)。第二階段，儀器以實(shí)鉆測(cè)量的方式下井，在實(shí)鉆環(huán)境下儀器利用主控下發(fā)的開關(guān)泵命令控制中子發(fā)生器的開與關(guān)。儀器的推廣使用對(duì)中子管的控制提出了更高的要求，為此，研發(fā)人員設(shè)計(jì)用開關(guān)泵命令序列來(lái)控制中子發(fā)生器，使得中子儀器更適合于商業(yè)化應(yīng)用。

1無(wú)下發(fā)控制階段

樣機(jī)處于試驗(yàn)階段，單機(jī)下井，主要驗(yàn)證儀器的原理、考察測(cè)量精度，沒有顧及更復(fù)雜的應(yīng)用問(wèn)題。此時(shí)中子儀器采用的是鉆后測(cè)方式：完井后，用鉆桿將儀器勻速推送到目的層。儀器到達(dá)測(cè)試目的層的時(shí)間以及完成對(duì)測(cè)量段的測(cè)量時(shí)間都可以大致估算確定，工作方式是：下井前預(yù)設(shè)延遲時(shí)間、工作時(shí)間，將工作參數(shù)寫給井下儀器的單片機(jī)存儲(chǔ)，下井后單片機(jī)自動(dòng)運(yùn)行程序，通過(guò)外圍電路控制中子發(fā)生器的啟動(dòng)時(shí)間以及整個(gè)工作時(shí)間[3]。

這種情況下，主要的參考信息是可知的，中子儀器測(cè)井曲線是完整有效的。但此時(shí)中子儀器使用的局限性是顯而易見的。只有在完井后才能下儀器，儀器用鉆桿推送下去，為能計(jì)算出較準(zhǔn)確的中子發(fā)生器的工作時(shí)間，對(duì)于起鉆或者下鉆的速度要求很嚴(yán)格。

總之，這階段對(duì)于中子發(fā)生器的控制方式簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。但所適合的環(huán)境較理想，對(duì)儀器的穩(wěn)定性、可靠性做了驗(yàn)證，沒有進(jìn)行有意義的實(shí)際隨鉆測(cè)井。

2開關(guān)泵命令控制階段

中子儀器與MWD系統(tǒng)聯(lián)接，在鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)井。此時(shí)不能預(yù)料鉆井進(jìn)度，雖然可以預(yù)設(shè)一個(gè)發(fā)生器工作的延遲時(shí)間，但無(wú)法預(yù)估發(fā)生器工作時(shí)長(zhǎng)，這種情況下，都是將發(fā)生器的工作時(shí)間設(shè)置得足夠大。發(fā)生器的D-T中子管理想工作壽命在100 h左右[4]，用來(lái)供電的電池容量有限，在實(shí)際鉆井中，鉆井進(jìn)展順利時(shí)尚不能滿足全程測(cè)井工作，當(dāng)遇阻或者堵漏時(shí)則將白白浪費(fèi)中子管壽命和井下電池電量。儀器在井下可能只得到短短幾十米的測(cè)量數(shù)據(jù)。因此在實(shí)鉆測(cè)量時(shí)對(duì)中子發(fā)生器的實(shí)時(shí)控制顯得十分必要。

MWD傳輸系統(tǒng)采用泥漿脈沖傳輸，泥漿泵的開或者關(guān)造成泥漿脈沖發(fā)生器上的壓力開關(guān)的通、斷，從而產(chǎn)生一個(gè)高或者低電平傳給驅(qū)動(dòng)短節(jié)，井下驅(qū)動(dòng)短節(jié)收到該電平后，會(huì)往總線上發(fā)送開泵或者關(guān)泵命令，此命令稱為廣播命令。泥漿脈沖傳輸速度很慢，傳輸一位數(shù)據(jù)需要0.8 s，資源十分緊張。下發(fā)命令除了廣播命令以外，就只有每種儀器各自的要數(shù)命令。開泵后，驅(qū)動(dòng)短節(jié)自動(dòng)輪發(fā)各個(gè)隨鉆測(cè)井儀器的要數(shù)命令，各儀器響應(yīng)后，上傳自己的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)給驅(qū)動(dòng)短節(jié)，最終通過(guò)泥漿脈沖發(fā)生器產(chǎn)生泥漿脈沖信號(hào)，被立管壓力傳感器接收到，地面箱體解碼，傳給主機(jī)，地面軟件顯示。

根據(jù)上面的描述，我們能利用的只有開關(guān)泵命令。在實(shí)際工作中，鉆進(jìn)的時(shí)候都要開泵泥漿循環(huán)，因此用開泵引起的開泵命令來(lái)打開中子發(fā)生器，用關(guān)泵命令來(lái)關(guān)閉發(fā)生器，目的在停鉆的時(shí)候不會(huì)浪費(fèi)中子管的壽命，也不會(huì)過(guò)多浪費(fèi)電池電量。這種控制方式能夠成功打開或者關(guān)閉發(fā)生器。

但是，在應(yīng)用中，碰到停鉆循環(huán)、堵漏循環(huán)的情況時(shí)，開關(guān)泵十分頻繁，泥漿泵打開，中子發(fā)生器隨之打開；泥漿泵關(guān)閉，發(fā)生器隨之關(guān)閉。這時(shí)鉆頭沒有鉆進(jìn)，打開發(fā)生器沒有測(cè)量意義，更糟糕的是，發(fā)生器的打開和關(guān)閉太過(guò)頻繁，中子發(fā)生器高壓忽高忽無(wú)，造成了發(fā)生器的損壞，測(cè)井徹底失敗。

所以，這階段對(duì)中子發(fā)生器實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制，方式也比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。但所適合的環(huán)境也較理想，當(dāng)鉆井工況復(fù)雜時(shí)，這樣控制也不合理。

3開關(guān)泵命令序列控制的設(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)思路

單純用開關(guān)泵命令控制發(fā)生器，很可能對(duì)中子發(fā)生器造成損害。為此我們尋求一種開關(guān)泵命令組合來(lái)現(xiàn)實(shí)中子發(fā)生器的地面控制。APS公司的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)RSM(Rotary Steerable Motor)[5]下行通訊是通過(guò)循環(huán)泥漿泵來(lái)改變鉆井液排量，使其在特定的時(shí)間周期和特定的序列內(nèi)高于和低于特定的閥值排量來(lái)完成,如圖1所示。我們不具備控制鉆井液排量的手段，能操作的就就是關(guān)泵和開泵，由此產(chǎn)生的開、關(guān)泵命令使其各自保持一定的時(shí)間周期，以幾個(gè)開泵和關(guān)泵命令組合形成一個(gè)序列，做為一個(gè)下發(fā)命令控制中子發(fā)生器。

圖1　RSM系統(tǒng)的一種下發(fā)命令

基于以上思路，設(shè)計(jì)了發(fā)生器的開和關(guān)兩種命令，如圖2、圖3所示。兩種命令均采用五次開、關(guān)泵命令的組合，開泵狀態(tài)時(shí)間均保持在2 min，關(guān)泵狀態(tài)時(shí)間均保持在1 min。這種設(shè)計(jì)既避免對(duì)其他儀器誤操作，同時(shí)也考慮了在實(shí)際測(cè)井中的可操作性。

圖2　開發(fā)生器命令

圖3　關(guān)發(fā)生器命令

3.2發(fā)生器控制的實(shí)現(xiàn)

儀器采集部分與高壓控制部分并聯(lián)于總線上與系統(tǒng)通訊，如圖4所示。采集部分負(fù)責(zé)儀器數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)；高壓控制部分負(fù)責(zé)中子發(fā)生器的開和關(guān)。

圖4　采集部分、高壓控制部分與總線連接圖

發(fā)生器控制設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)如圖5所示。圖5為開、關(guān)泵命令處理流程圖，在地面實(shí)施開關(guān)泵為手動(dòng)操作，其操作時(shí)間間隔有一定誤差，因此程序?qū)﹂_、關(guān)泵命令的識(shí)別設(shè)置了一個(gè)時(shí)間偏差范圍，開、關(guān)泵命令的偏差分別為±15 s和±10 s。

當(dāng)高壓控制部分識(shí)別到開/關(guān)發(fā)生器命令時(shí)，高壓控制板的單片機(jī)通過(guò)控制D/A轉(zhuǎn)換器的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)中子發(fā)生器的開/關(guān)。

圖5　開、關(guān)泵命令處理流程圖

命令序列的響應(yīng)成功與否通過(guò)下發(fā)要數(shù)命令給采集部分，從上傳的數(shù)據(jù)可以識(shí)別是否儀器響應(yīng)成功(見表1)。工作人員可根據(jù)實(shí)時(shí)上傳的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行相應(yīng)操作，直到儀器成功響應(yīng)發(fā)生器的開關(guān)命令。

3.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

完成了井下軟件的開發(fā)和單板調(diào)試工作，我們對(duì)中子發(fā)生器的控制功能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可控源中子儀器在中子發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中我們通過(guò)串口調(diào)試軟件發(fā)送開泵和關(guān)泵命令，一個(gè)序列發(fā)完后，發(fā)要數(shù)命令查看響應(yīng)結(jié)果，如圖6所示。圖6中的AA 04 00 AE是關(guān)泵命令，AA 04 01 AF是開泵命令，24 04 A1 C9是中子儀器要數(shù)命令。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，點(diǎn)“手動(dòng)發(fā)送”下發(fā)開/關(guān)泵命令以組成開/關(guān)發(fā)生器序列，每次發(fā)送必須保證在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2，其中δti(i=1,2,3,4,5)是指開/關(guān)發(fā)生器命令序列中第i次開/關(guān)泵命令的發(fā)送時(shí)間偏離規(guī)定時(shí)間的誤差。從表2可以看出時(shí)間偏差在規(guī)定的范圍內(nèi)，儀器都能正常響應(yīng)。

表1　儀器對(duì)發(fā)生器開、關(guān)命令響應(yīng)的問(wèn)題及處理方案

圖6　實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖

序列δt1/sδt2/sδt3/sδt4/sδt5/s響應(yīng)開發(fā)生器序列2-3-454響應(yīng)正常13-573響應(yīng)正常-26-72-6響應(yīng)正常1-5583響應(yīng)正常32-3-61響應(yīng)正常關(guān)發(fā)生器序列-274-82響應(yīng)正常15-3-2-5響應(yīng)正常8-95-30響應(yīng)正常-253-64響應(yīng)正常25-673響應(yīng)正常

本次實(shí)驗(yàn)環(huán)境較為理想，在實(shí)鉆中考慮到開/關(guān)泵時(shí)間不準(zhǔn)確、泥漿壓力傳感隨著時(shí)間變化等不確定因素的增多，都將成為干擾因素[6]。但如表1中，若單次的命令序列沒有被成功響應(yīng)，可以再次手動(dòng)發(fā)送直到儀器成功響應(yīng)。

4結(jié)論

本文基于開關(guān)泵命令對(duì)隨鉆可控源中子儀器的中子發(fā)生器實(shí)時(shí)控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)、單板調(diào)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1)從設(shè)計(jì)思路上來(lái)講，成功的利用了隨鉆測(cè)井系統(tǒng)里的開關(guān)泵命令(廣播命令)，并使用組合序列避免不必要的開/關(guān)中子發(fā)生器。

2)成功實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)對(duì)隨鉆可控源中子儀器的中子發(fā)生器開關(guān)控制，在實(shí)鉆作業(yè)中，將可以延長(zhǎng)中子管的有效使用時(shí)間和井下電池的供電時(shí)間。

3)在野外實(shí)鉆環(huán)境中，手動(dòng)操作、泥漿脈沖信號(hào)衰減等不確定因素可能會(huì)導(dǎo)致單次開/關(guān)發(fā)生器序列命令未能成功響應(yīng)，可以通過(guò)重復(fù)發(fā)送直到儀器成功響應(yīng)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李安宗，秦泓江，王 珺，等.隨鉆可控源中子測(cè)井儀器研究[J].石油鉆采工藝,2011,33(5):105-109.

[2] 呂俊濤.脈沖中子發(fā)生器高壓控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)[J].同位素，2008,21(3):155-160.

[3] 閆水浪.隨鉆可控源中子測(cè)井儀研究[D].中國(guó)石油大學(xué),2010.

[4] 梁峰，吳軍隨，麻惠生.耐高溫長(zhǎng)壽命測(cè)井中子管[J].測(cè)井技術(shù)，1999,23(1):62.

[5] APS公司.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向螺桿(RSM675)[EB/OL].[2015-02-10].http://www.aps-tech.com /chi/.

[6] 楊謙.泥漿脈沖器脈沖發(fā)生機(jī)理研究[D].吉林大學(xué),2011.

Controlling Neutron Generator of CNP Tool Based on Pump Switch Command

GUO GuangLiu1,2,AN Lvxing2,CHEN Xutao2,LI Xining3,WANG Junchao1,2,YANG Zhiliang2,QIN Hongjiang2

(1.Xi′an Shiyou University,Xi′an,Shaanxi 710065,China; 2.LWD Logging Center,China Petroleum Logging Co.Ltd.,Xi′an,Shaanxi 710065,China; 3.Changqing Division,China Petroleum Logging Co.Ltd.,Xi′an,Shaanxi 710201,China;)

Abstract：Controllable Neutron Porosity(CNP) logging while drilling tool adopts neutron generator as radioactive source in logging.So the life of neutron tube and batteries in the tool would be consumed greatly in practical work.In order to save the working time of the neutron tube and battery,real-time control of the generator is needed.The design method for the neutron generator responsing to the mud-pump command is proposed.Considering the variety of factors,two pump-on and pump-off commands as sequences are used to control the generator while logging.The experiments show that the command sequences can successfully control the generator in the tool，and the instrument can obtain more effective logging data.

Key words：controllable neutron porosity LWD tool；D-T neutron generator；mud pump

基金項(xiàng)目：中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目(CPL2013-D03)

第一作者簡(jiǎn)介：郭廣鎏，男，1977年生，2002年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院計(jì)算機(jī)軟件專業(yè)，目前在中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司隨鉆測(cè)井中心從事隨鉆中子儀器研發(fā)工作。E-mail：dqggliu@sina.com

中圖法分類號(hào)：P631.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-0077(2016)03-0028-04

(收稿日期：2015-10-19編輯：屈憶欣)