童茂松,曹宇欣,孫旭光
(中國石油集團測井有限公司大慶分公司,黑龍江大慶163412)
油田開發(fā)后期,水平井、三維繞障井以及大位移井逐年增多,水平位移長,技術(shù)套管淺,井況復雜、惡劣,常規(guī)的水平井與大斜度井測井工藝不能滿足要求。過鉆桿測井系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)鉆具到哪里就能測到哪里的目標[1-2],為大斜度井、大位移水平井、復雜井的測井資料采集提供了有力手段。
MeXpress過鉆桿測井系統(tǒng)井下儀種類繁多[3]。測井儀器包括自然伽馬、井斜方位、雙側(cè)向電阻率、組合聲波(聲波時差、固井質(zhì)量檢查)、陣列感應電阻率、巖性密度、補償中子、四臂井徑、三參數(shù)(井溫、鉆井液電阻率、張力)等儀器,能夠滿足儲層評價的需求。為了實現(xiàn)過鉆桿測井,必備的傳輸工具包括吊掛系統(tǒng)、供電系統(tǒng)(電池及其控制)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。由于井下儀器與工具多,外徑小(57 mm),耐溫耐壓指標要求高(175 ℃、140 MPa),對電路板的要求極高,為了減少開發(fā)工作量(儀器控制、參數(shù)采集),縮短開發(fā)周期,降低開發(fā)成本與制造成本,方便測井儀器維修與升級、后續(xù)儀器的掛接,有必要采用標準化設(shè)計,同類電路板統(tǒng)一設(shè)計、適度冗余,滿足不同井下儀器與工具的需求。
通信與控制模塊(Tool Communication and Control module,TCC)是通用模塊,應用于過鉆桿測井系統(tǒng)中所有下井儀器,是每支儀器的核心。在設(shè)計過程中需要綜合考慮所有儀器的要求,而且該模塊在過鉆桿測井施工中非常關(guān)鍵,尤其是存儲測井模式下,因為該模塊的核心作用,直接影響測井成功率。過鉆桿存儲測井時間單井次24 h左右,如果1次測井不成功,第2次測井的工作量幾乎與第1次測井相同,因此在設(shè)計中需要充分保障該模塊的可靠性。通過對過鉆桿測井儀器需求分析,綜合考慮可靠性、測井儀器需求、冗余度、適用性、成本,以滿足要求為前提,適度增加擴展接口與功能,形成了統(tǒng)一的TCC模塊,全面應用于過鉆桿測井系統(tǒng),應用效果明顯。
本文介紹了TCC模塊的構(gòu)成與功能,對單元電路進行了說明,并給出了室內(nèi)試驗結(jié)果與應用情況。
TCC模塊構(gòu)成見圖1。內(nèi)部連接器是TCC與儀器內(nèi)連接的接口,外部連接器是TCC與儀器外部的接口。該模塊采用標準化設(shè)計,適度冗余,調(diào)整內(nèi)部程序以及端口配置,可以滿足所有測井儀器的需要。
圖1 通信與控制模塊(TCC)電路框圖
TCC主要完成以下功能:①負責單支儀器的控制工作(參數(shù)監(jiān)測、內(nèi)部反饋與控制、數(shù)據(jù)采集與整理);②負責單支儀器與外部的通信(上傳測井數(shù)據(jù),接收指令并記錄指令內(nèi)容與次數(shù));③負責單支儀器的數(shù)據(jù)存儲與下載。
測井儀器不同,TCC內(nèi)部的程序不同,同時由于冗余設(shè)計,各單支儀器對其他單元的使用情況也不同。TCC模塊已經(jīng)全面應用于過鉆桿測井系統(tǒng),通過TCC模塊的程序和硬件配置,分別滿足不同儀器的需求。
電源轉(zhuǎn)換單元提供TCC模塊所需的電源。TCC模塊采用±5 V DC供電,通過該單元產(chǎn)生2.5 V基準電壓以及±5 V DC、3.3 V DC、1.5 V DC供電電壓,此外該單元還包括復位電路和濾波去耦電路。系統(tǒng)復位是采用芯片MAX708輔助完成,它能提供系統(tǒng)上電時的自動復位信號和復位按鍵的復位信號。
主控單元主要由1片ARM和1片F(xiàn)PGA組成。ARM是核心單元,采用基于工作頻率高達120 MHz的高性能ARM?CortexTM-M3 32位RISC內(nèi)核的STM32F207,Flash存儲器和系統(tǒng)SRAM的容量分別為1 M字節(jié)和128 kB,4 kB的后備SRAM。帶有3個12位ADC模塊、2個DAC模塊、1個低功耗RTC、12個通用16位定時器(包括2個用于電機控制的PWM定時器)、2個通用32位定時器[4],完全能夠滿足過鉆桿測井系統(tǒng)現(xiàn)有測井儀器及后期開發(fā)的成像類測井儀器的需求。FPGA主要作為端口擴展,采用ACTEL公司的A3P125,它內(nèi)部集成了125 k個邏輯門陣列,可以滿足設(shè)計需求。
主控單元完成:①單支儀器數(shù)據(jù)管理,包括測井原始數(shù)據(jù)、診斷信息、存儲單元信息、收到的指令及其次數(shù)等數(shù)據(jù)打包,上傳到儀器外部總線上;②過鉆桿測井儀器內(nèi)部控制,對測井數(shù)據(jù)、儀器反饋信息等進行分析后,通過內(nèi)部總線或者雙向IO口(共7路)對測井儀器進行控制,包括原始信號程控放大、功率控制、儀器保護等;③診斷信息模數(shù)轉(zhuǎn)換,通過內(nèi)部ADC實現(xiàn)診斷信息AD采集,并計算、轉(zhuǎn)換為最終結(jié)果;④外部模數(shù)轉(zhuǎn)換單元控制,控制TCC的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元工作;⑤為數(shù)模轉(zhuǎn)換提供信號(DAC_SIG),該信號送入模數(shù)轉(zhuǎn)換單元,經(jīng)過調(diào)理即可滿足測井儀器對模擬信號的需求;⑥時鐘計時,以ARM中的定時器作為實時時鐘的基準,無需附加外圍器件,通過編程就可實現(xiàn)時鐘功能,并在對時指令的作用下更新時鐘;⑦數(shù)據(jù)存儲與下載管理,STM32采用FSMC總線,通過FPGA擴展,實現(xiàn)存儲單元控制與數(shù)據(jù)交換。
診斷信息測量單元負責對TCC模塊的電源電壓(±5 V、3.3 V、1.5 V)以及電路板溫度進行監(jiān)控,用于后期對TCC故障判斷。根據(jù)這個需求,對這些參數(shù)的檢查精度要求并不高,只需判斷是否在允許范圍內(nèi)即可,可采用STM32內(nèi)部的ADC通道。STM32F207的12位ADC是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它有18個通道,可測量16個外部和2個內(nèi)部信號源。各通道的AD轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。ADC的結(jié)果可以左對齊或右對齊方式存儲在16位數(shù)據(jù)寄存器中[4]。
圖3 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元電路框圖
圖2 診斷信息測量單元原理圖
圖2為診斷信息測量的電路原理圖。將這些測量值送入主控單元,通過其內(nèi)部ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,得到診斷信息。
內(nèi)部ADC的基準電壓為2.5 V,為了保證參數(shù)測量范圍滿足STM32內(nèi)部ADC的模擬輸入范圍,不同參數(shù)的測量方式略有不同。5 V DC、3.3 V DC、1.5 V DC等3個電源電壓檢測(P5V-MEAS、P3.3V-MEAS、P1.5V-MEAS)是通過電阻分壓實現(xiàn)。-5 V DC經(jīng)過電阻分壓后,通過反相同比例放大即可得到(N5V-MEAS)。電路板溫度測量采用電阻溫度探測器(Resistance Temperature Detector,RTD),由于過鉆桿測井儀器的工作溫度范圍較大,從-40 ℃一直到175 ℃,相應的RTD阻值變化范圍較大,通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò),分3個區(qū)間同時測量RTD的阻值(RTD11、RTD12、RTD13),使得3個測量值必有1個滿足AD的模擬輸入要求。
模數(shù)轉(zhuǎn)換單元負責對儀器的關(guān)鍵模擬量進行轉(zhuǎn)換,主要是測井原始信號,例如雙側(cè)向的深淺側(cè)向電壓電流、四臂井徑位移傳感器輸出信號。受到STM32F207內(nèi)部ADC精度(12 bit)的限制,需要外擴16位 ADC,以精確測量測井儀器的原始信號。
圖3為數(shù)模轉(zhuǎn)換單元電路框圖,主要由2路AD轉(zhuǎn)換電路組成構(gòu)成,二者原理相同,能夠提供8通道模擬量(AIN0~AIN7)的AD轉(zhuǎn)換。來自于主控單元的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的控制信號包括2個AD芯片控制信號以及模擬開關(guān)控制信號(MUX0、MUX1)。為了更好地抑制共模噪聲,采用差分輸入方式進行AD轉(zhuǎn)換。
由圖3可見,在控制信號(MUX0、MUX1)的作用下,模擬多路復用器選擇需要進行AD轉(zhuǎn)換的模擬信號,模擬信號經(jīng)過電壓跟隨后,進行反相比例放大得到VIN-信號,不同的單支儀器可以根據(jù)自身的輸入信號來調(diào)整放大電路的參數(shù),結(jié)果需要進行刻度。VIN-信號經(jīng)過反相電路得到VIN+信號。VIN+和VIN-信號分別接到AD轉(zhuǎn)換器的差分輸入端口IN+和IN-,經(jīng)過AD變換后,得到數(shù)字信號,送至主控單元進行處理。
AD轉(zhuǎn)換芯片為AD7676AST,16位分辨率,且功耗低(典型值67 mW)。采用8位并行接口通信。VREF接2.5 V基準電壓,ADC_CS和ADC_RD接片選和讀使能,ADC_CNV接AD啟動轉(zhuǎn)換的請求信號,ADC_PD接低功耗使能,ADC_BUSY接AD忙信號,ADC_BYTESWAP接高低8位交換使能。高低8位數(shù)據(jù)合并由主控單元完成。
模擬多路復用器采用AD公司基于iCMOS結(jié)構(gòu)的雙四選一芯片ADG1409,可以承受高電源電壓,功耗極低,尺寸小,因而非常適合于外徑小于57 mm的過鉆桿測井儀器,尤其是在存儲式測井工藝所需要的儀器中。
數(shù)模轉(zhuǎn)換單元用于產(chǎn)生模擬信號,控制測井儀器工作狀態(tài)(功率輸出、高壓控制、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等)或提供測井儀器所需的模擬量(傳感器激勵等)。
圖4為數(shù)模轉(zhuǎn)換單元框圖,實現(xiàn)直流信號數(shù)模轉(zhuǎn)換和交流信號數(shù)模轉(zhuǎn)換。來自主控單元的模擬信號(DAC_SIG1)經(jīng)過2級低通濾波后,輸出直流模擬信號(DAC_OUT1)。來自主控單元的交流模擬信號(DAC_SIG2)經(jīng)過2級帶通濾波后,輸出平滑的正弦波模擬信號(DAC_OUT2)。不同的儀器可以根據(jù)自身的需要修改2級放大電路的參數(shù)。
圖4 數(shù)模轉(zhuǎn)換單元框圖
采用存儲單元是因為在存儲測井過程中,需要實時存儲數(shù)據(jù),以便在儀器取出井口后,讀取數(shù)據(jù)進行處理。該存儲單元用于存儲單支儀器的數(shù)據(jù),包括測井數(shù)據(jù)、時間信息、儀器診斷信息等。
由于過鉆桿測井儀器工作時間長,需要一定的存儲空間,且要求數(shù)據(jù)存儲安全可靠。因此,在該儀器中采用NAND FLASH MT29F32G,容量為32 Gbit/s,數(shù)據(jù)可保存10年,擦除/寫操作10萬次。采用有糾錯能力的存儲方法,可工作到175 ℃,讀寫總線支持同步模式和異步模式,平均寫速度達到16 Mbit/s,工作電壓3.3 V,能保證長時間的測井數(shù)據(jù)存儲與測后數(shù)據(jù)下載需求。
存儲器單元還包括SRAM存儲芯片,主要用于建立文件信息表,該表顯示NAND中保存了多少個文件。單個文件的內(nèi)容有:文件序號、首塊塊號、末塊塊號、文件長度、文件創(chuàng)建時間、文件修改時間。
通信接口單元由儀器內(nèi)部通信接口單元和儀器外部通信接口單元2部分組成。
內(nèi)部通信接口單元實現(xiàn)TCC模塊與測井儀器內(nèi)部其他電路通信,實現(xiàn)測井與儀器控制。主要包括1路CAN接口驅(qū)動(CAN2)、1路I2C接口驅(qū)動、1路SPI總線。TCC還有7路帶電壓保護的雙向IO口,用于井下儀器的內(nèi)部控制、脈沖計數(shù)等。
外部通信接口實現(xiàn)測井儀器與外部設(shè)備之間的信息交換,包括指令收發(fā)、數(shù)據(jù)交換。主要由1路CAN接口驅(qū)動(CAN1)、1路485接口驅(qū)動(485總線)、1路USB接口、1路UART接口驅(qū)動(UART4)。外部CAN總線用于本儀器與井下儀器總線上的信息交換,USB總線和485總線用于單支儀器的數(shù)據(jù)讀取。
(1)通信性能測試。TCC外部通信方式是CAN和RS485,貫徹了整個過鉆桿系統(tǒng)的所有儀器。不僅通訊距離長、節(jié)點多,而且通訊數(shù)據(jù)量大導致通訊速率高,為此在室溫和高溫(175 ℃、8 h)下對這2種通信方式進行了測試。結(jié)果表明:CAN通訊,在50 m距離,10個節(jié)點和通訊速率1 Mbit/s時,通信錯誤率為0;RS485通訊,在50 m距離,10個節(jié)點和通信速率4 Mbit/s時,通訊錯誤率為0。通過這些實驗,可以證明CAN和RS485的可靠性,并能滿足過鉆桿系統(tǒng)的要求。
(2)儀器管理測試。在過鉆桿測井系統(tǒng)中,某些測井儀器需要在供電后進行一系列自動控制,例如組合聲波測井儀器與陣列感應電阻率測井儀器,需要在供電后儀器自檢、上傳數(shù)據(jù)等。在室溫和高溫(175 ℃、8 h)下對測井儀器的TCC模塊進行測試,結(jié)果表明:所有的儀器均能正常工作,檢驗了儀器管理功能。
(3)數(shù)據(jù)存儲測試。過鉆桿測井系統(tǒng)在現(xiàn)場應用時,需要進行數(shù)據(jù)存儲。TCC存儲本儀器的數(shù)據(jù)的同時,將數(shù)據(jù)發(fā)送至總線上,用于總存儲或者地面顯示。通過對比TCC數(shù)據(jù)和發(fā)送至總線的數(shù)據(jù),可以檢驗TCC存儲數(shù)據(jù)的可靠性。
在室溫和高溫175 ℃環(huán)境下測試時,將所有儀器連接,并通過遙測將數(shù)據(jù)上傳。測后對比表明,存儲的本儀器數(shù)據(jù)與地面上對應的數(shù)據(jù)完全一致。
過鉆桿測井系統(tǒng)在大慶油田、吉林油田和新疆油田試驗與應用200余井次,井底溫度最高達到148 ℃。測井成功率達到92%,資料合格率100%。
在現(xiàn)場試驗與應用中,全部采用穿串測井,部分試驗采用大滿貫測井(也就是所有儀器同時連接下井),最遠通信距離(指的是到達遙測的距離)達到57 m,通信未出現(xiàn)故障,表明TCC功能正常。而且有50余口井采用存儲測井,通信正常,單支儀器的存儲數(shù)據(jù)正常。
研究開發(fā)的過鉆桿測井儀器通信與控制模塊是一個通用模塊,作為測井儀器的核心模塊,已經(jīng)全面應用于過鉆桿測井系統(tǒng),在生產(chǎn)上得到了應用。過鉆桿測井儀器通信與控制模塊也為其他測井系統(tǒng)開發(fā)提供了參考思路。