基于雙處理器架構(gòu)的地層壓力測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

賴 欣， 胡 澤， 汪春浦

(1.西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500；2.川慶地質(zhì)勘探開(kāi)發(fā)研究院， 四川 成都 610051)

0 引 言

地層壓力是油藏描述的一個(gè)重要參數(shù)，多年來(lái)人們一直尋求在鉆井過(guò)程中測(cè)量地層壓力。20世紀(jì)50年代鉆桿測(cè)試(DST)和電纜測(cè)試技術(shù)相繼出現(xiàn)，鉆桿測(cè)試和電纜測(cè)試都需要長(zhǎng)時(shí)間停鉆才能進(jìn)行測(cè)量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)隨鉆測(cè)量。而且在大斜度或者水平井中使用傳統(tǒng)的鉆桿傳輸電纜測(cè)井工具進(jìn)行地層壓力測(cè)試極其耗時(shí)，存在工具下入困難等潛在風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)代隨鉆測(cè)井工具正在取代傳統(tǒng)的電纜測(cè)井工具。為了提高井場(chǎng)作業(yè)的安全性，利用隨鉆壓力測(cè)試工具提供的數(shù)據(jù)可以優(yōu)化泥漿密度和當(dāng)量循環(huán)密度，防止井涌、井噴、地層損害或地層壓裂以及循環(huán)漏失。隨鉆地層壓力數(shù)據(jù)還可以幫助校正預(yù)測(cè)性孔隙壓力算法。隨鉆地層壓力測(cè)試系統(tǒng)能在鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)時(shí)快速的提供地層壓力數(shù)據(jù)，使鉆井過(guò)程得到優(yōu)化、提高了鉆進(jìn)效率和避免了一些潛在的危險(xiǎn)[1,2]。近幾年，國(guó)外公司分別開(kāi)發(fā)了自己的隨鉆地層壓力測(cè)試工具，可提供實(shí)時(shí)地層壓力數(shù)據(jù)，且能滿足各種地層的需要。國(guó)內(nèi)這方面的研究還處于探索階段，尚無(wú)自主研發(fā)的成熟產(chǎn)品[3～5]。本文在結(jié)合國(guó)內(nèi)對(duì)地層壓力測(cè)試系統(tǒng)的探索基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了隨鉆地層壓力測(cè)量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在高溫、高壓和強(qiáng)干擾惡劣環(huán)境下對(duì)壓力信號(hào)的采集、分析、傳輸和存儲(chǔ)。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

地層壓力測(cè)控系統(tǒng)內(nèi)部具有一個(gè)閉環(huán)測(cè)量控制系統(tǒng)，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中獨(dú)立自主的完成測(cè)試。測(cè)試器主要包括測(cè)量控制模塊、分流加壓模塊、換向控制模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊，結(jié)構(gòu)如圖1所示。測(cè)量控制模塊是本系統(tǒng)核心，測(cè)量模塊在鉆井過(guò)程中不斷測(cè)量井下壓力數(shù)據(jù)和檢測(cè)各模塊的工作狀態(tài)，控制模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各模塊的控制；分流加壓模塊主要是將鉆井液分流并增壓用于驅(qū)動(dòng)探頭；換向控制模塊控制鉆井液方向?qū)崿F(xiàn)探頭的伸出與縮回；執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用是在探頭緊貼井壁后實(shí)現(xiàn)抽汲。各模塊協(xié)調(diào)配合，使系統(tǒng)形成一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)，可保證儀器準(zhǔn)確可靠的測(cè)量。

圖1 地層壓力測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)安裝在鉆柱的2個(gè)短節(jié)內(nèi)，以DSP為核心的采集系統(tǒng)安裝在一個(gè)短節(jié)中，以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)安裝在另一個(gè)短節(jié)中，2個(gè)系統(tǒng)都需要安裝在狹小的空間內(nèi)。DSP與單片機(jī)之間依靠I2C總線通信，雙處理器設(shè)計(jì)既保證系統(tǒng)的控制功能，又能滿足體積安裝要求，在只有測(cè)量需求時(shí)將控制短節(jié)取下即可。系統(tǒng)的總體框圖如圖2所示。系統(tǒng)主要包括主從處理器電路、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、光電隔離、整流模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等部分。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 微處理器電路

該系統(tǒng)使用雙處理器架構(gòu)，主MCU主要負(fù)責(zé)對(duì)四路壓力數(shù)據(jù)的采集、處理等；從MCU負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)的智能控制，從而使該系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。主MCU采用TMS320F2812 DSP芯片，工作頻率達(dá)到150 MHz，采用經(jīng)典哈佛總線結(jié)構(gòu)，集成了豐富的外部資源，包括16 路12位ADC，16 路PWM 輸出、3個(gè)32 位通用定時(shí)器、128k 的16 位Flash存貯器等，并具有McBSP,SPI,SCI 和擴(kuò)展的CAN 總線等接口，保證了控制和信號(hào)處理的快速性和實(shí)時(shí)性；從MCU采用AVR單片機(jī)Atmega 8，該芯片具有PWM通道、SPI總線、I2C總線等，具備AVR高檔單片機(jī)MEGE系列的全部性能和特點(diǎn)，方便了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采集MCU和控制MCU之間的數(shù)據(jù)傳輸采用雙口RAM 方式，這種操作快速有效，而且,2個(gè)處理器之間的工作互不影響。

2.2 電源模塊

隨鉆地層壓力測(cè)試系統(tǒng)需要大功率電源，井下渦輪發(fā)電機(jī)依靠鉆井液的循環(huán)發(fā)出電力，整流模塊將渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電變換成所需要的直流電。測(cè)量控制核心電路使用了獨(dú)立的電池供電，光電隔離將驅(qū)動(dòng)部分與測(cè)量控制核心有效分離，保證了測(cè)量控制的精確性。

2.3 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理技術(shù)是井下信號(hào)處理的關(guān)鍵技術(shù)，在鉆井過(guò)程中，井下信號(hào)伴有高溫、強(qiáng)壓及強(qiáng)震蕩而帶來(lái)的各種噪聲，對(duì)傳感器輸出的有用信號(hào)進(jìn)行有效放大非常重要。圖3所示信號(hào)調(diào)理電路系統(tǒng)選用了AD公司的AD8574芯片，該芯片內(nèi)部集成了四路放大器，超低的失調(diào)、漂移和偏置電流特性，具有軌到軌輸入和輸出擺幅能力，可以滿足3.3V單電源工作。傳感器輸入的是差分信號(hào)，為了避免負(fù)電壓在單電源運(yùn)放中出現(xiàn)，電路設(shè)計(jì)中引入?yún)⒖茧妷禾Ц咻斎胫?，從而保證輸入和輸出都處在運(yùn)放較理想的狀態(tài)。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路圖

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路選用了ATMEL公司的AT45DB321D芯片。該芯片支持高速SPI串行接口，具有8M字節(jié)的容量。為了能讓系統(tǒng)在井下長(zhǎng)時(shí)間工作，并將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái)，系統(tǒng)將2塊芯片經(jīng)過(guò)線譯碼并聯(lián)接在處理器上來(lái)擴(kuò)展存儲(chǔ)容量。

2.5 單線數(shù)據(jù)傳輸

為了便于機(jī)械方面的連接，井下采集系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)一根RS—232總線傳送給泥漿脈沖器，脈沖器通過(guò)泥漿脈沖將數(shù)據(jù)傳送到地面，系統(tǒng)特別采用儀器的機(jī)械本體用來(lái)作為參考地，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸框圖

采用軟件控制發(fā)送和接收的分時(shí)處理，系統(tǒng)軟件定義了每幀數(shù)據(jù)的幀頭、校驗(yàn)位和幀尾，用于識(shí)別數(shù)據(jù)的傳輸方向和命令格式，校驗(yàn)位用于校驗(yàn)此幀數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)丟失和是否發(fā)送數(shù)據(jù)沖突。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，包括主程序和子程序模塊。采用了匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言混合編程，從而達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)化。內(nèi)部監(jiān)視和外部看門狗電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)程序的運(yùn)行，防止“死機(jī)”現(xiàn)象。系統(tǒng)軟件分為測(cè)量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分,系統(tǒng)總體軟件流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

測(cè)量系統(tǒng)的軟件功能實(shí)現(xiàn)對(duì)四路壓力數(shù)據(jù)的采集，在采集的過(guò)程中隨時(shí)用井下內(nèi)壓數(shù)據(jù)更新內(nèi)部一個(gè)緩沖區(qū)，判斷是否出現(xiàn)地面下傳的3個(gè)指定脈沖控制命令，在接收到地面指令后要過(guò)I2C總線喚醒控制系統(tǒng)，在此過(guò)程中隨時(shí)監(jiān)測(cè)各壓力數(shù)據(jù)的變化，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，并將采集到的環(huán)空壓力和地層壓力等數(shù)據(jù)通過(guò)SPI總線實(shí)時(shí)的存儲(chǔ)。

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)要保證在正常鉆井時(shí)保持睡眠狀態(tài)，接收到測(cè)量系統(tǒng)的喚醒中斷后開(kāi)始對(duì)電磁閥的精確控制，在此過(guò)程中隨時(shí)與測(cè)量系統(tǒng)交互信息。

4 系統(tǒng)測(cè)試

隨鉆地層壓力測(cè)試器是在鉆井過(guò)程中利用短暫的停鉆時(shí)間來(lái)測(cè)量地層壓力。在停鉆后，地面通過(guò)對(duì)泵的開(kāi)閉形成3個(gè)脈沖信號(hào)，此3個(gè)脈沖信號(hào)被約定為一個(gè)開(kāi)始測(cè)量命令，井下高精度傳感器采集到3個(gè)壓力脈沖后則開(kāi)始控制井下電磁閥的工作。井口泵開(kāi)閉命令波形圖如圖6(a)所示，該圖說(shuō)明井下能正確接收到井口排量泵的開(kāi)閉產(chǎn)生的命令。測(cè)量系統(tǒng)接收到命令后，控制系統(tǒng)發(fā)出一系列的電磁閥控制，測(cè)試器則伸出一個(gè)密封的探頭緊貼井壁。隨后測(cè)試器進(jìn)行一系列的壓降和壓力恢復(fù)測(cè)試，壓降和壓力恢復(fù)曲線如圖6 (b)所示，通過(guò)壓力的下降和恢復(fù)從而計(jì)算出相應(yīng)的地層壓力數(shù)據(jù)，最后控制閥讓探頭縮回，完成一次測(cè)量。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)波形圖

隨鉆地層壓力測(cè)量依靠鉆井期間的短暫暫?？焖偻瓿傻貙訅毫y(cè)試，分析測(cè)試期間測(cè)得的壓力曲線漸變規(guī)律可實(shí)時(shí)獲取地層壓力信息。通過(guò)采用不同測(cè)量參數(shù)分析不同滲透率地層，從得到的測(cè)量壓力響應(yīng)曲線分析可知，實(shí)際測(cè)量控制時(shí)間不超過(guò)3 min，加上儀器探頭定位、探頭外伸與密封和探頭回收時(shí)間，單次測(cè)量時(shí)間不會(huì)超過(guò)5 min，避免單次測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的工具遇卡等潛在危險(xiǎn)。

5 結(jié) 論

1)本測(cè)量控制系統(tǒng)作為地層壓力控制器的大腦,具有體積小、功耗低、可靠性高等特點(diǎn)；

2)系統(tǒng)能準(zhǔn)確可靠地測(cè)量隨鉆地層壓力數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸部分準(zhǔn)確地將采集到的壓力數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和經(jīng)過(guò)單線串口傳輸?shù)矫}沖發(fā)生器，保證了隨鉆地層壓力測(cè)試器的順利工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下電磁閥的精確控制；

3)該系統(tǒng)解決了井下大功率供電和大功率電源散熱的問(wèn)題，采用2種供電方式保證了系統(tǒng)的可靠性。

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