撞擊式取心器遙測系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

王磊 宗艷波 鄭俊華

摘要：鉆桿輸送方式取心儀器，通過利用遙測編碼的功能，串接一只或多只取心槍和選發(fā)器，取心遙測系統(tǒng)是鉆桿輸送模塊化取心器儀器串所必須的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，由它完成各種井下儀器與地面系統(tǒng)之間的通訊及數(shù)據(jù)傳輸。實現(xiàn)一次下井可以同時取心幾百顆巖心，減輕勞動強度，提高測井時效。

關(guān)鍵詞：取心儀器；遙測系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；信號傳輸

引言：

取心遙測系統(tǒng)將地面系統(tǒng)發(fā)送來的命令轉(zhuǎn)發(fā)給儀器串中的目標(biāo)儀器，同時將目標(biāo)儀器傳送來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到地面系統(tǒng)；采集一些電子線路內(nèi)部及儀器外部的幾個傳感器上的參數(shù)。儀器電子線路部分主要有數(shù)字電路、模擬電路、伽馬總成、通訊驅(qū)動等組成。

1遙測系統(tǒng)設(shè)計

遙測系統(tǒng)總框圖及簡介

1.1 通訊驅(qū)動

由地面發(fā)送的命令，進(jìn)入通訊驅(qū)動電路，經(jīng)放大、整形后，一路直接送至命令總線，供井下儀器串使用；另一路則由串行口送至通訊及數(shù)據(jù)采集控制電路，在該電路對命令進(jìn)行解碼，并給CPU發(fā)送有效中斷，使CPU通過并行口將命令讀走，執(zhí)行相關(guān)命令。另外，來自本儀器的M2數(shù)據(jù)及來自儀器串的M2數(shù)據(jù)經(jīng)通訊驅(qū)動電路整形、驅(qū)動后上傳至地面，從而完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

1.2通訊及數(shù)據(jù)采集和控制

該電路主要完成通訊部分及數(shù)據(jù)采集和控制部分兩大部分的功能。通訊部分是將來自驅(qū)動電路的命令（UDI）進(jìn)行解碼，并執(zhí)行相關(guān)動作，從而完成命令的接收；同時在該板的CPU會通過并行口將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)在移位時鐘的驅(qū)動下串行進(jìn)入編譯碼器，編碼后由BZO/輸出到通訊驅(qū)動電路，從而完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。

數(shù)據(jù)采集和控制部分是將來自模擬信號和電極處理電路的信號在SOC的控制下進(jìn)行采集。包括多路開關(guān)選擇放大倍數(shù)選擇、采樣保持及A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的信號，由CPU通過并行口送至通訊部分進(jìn)行編碼及發(fā)送。

2 遙測系統(tǒng)電路描述

2.1通訊驅(qū)動電路

該電路的主要功能是：完成來自地面的通信信號的放大、整形及轉(zhuǎn)發(fā)；M2數(shù)據(jù)的發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)如圖所示。此電路采用高集成度的厚膜電路進(jìn)行的設(shè)計。命令通道：這個通道接收來自地面系統(tǒng)發(fā)送下來數(shù)據(jù)并且把這個命令再發(fā)送到數(shù)據(jù)總線上。這些數(shù)據(jù)字可以是命令也可以是數(shù)據(jù)，這取決于這些命令字中的曼徹斯特同步位。M2數(shù)據(jù)通道這部分電路對接收到的M2數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和濾波，以M2的方式發(fā)送到M2通訊變壓器上，進(jìn)行M2數(shù)據(jù)發(fā)送。

2.2通訊及數(shù)據(jù)采集和控制電路

該電路主要分兩部分：通訊電路部分、數(shù)據(jù)采集和控制電路部分。在實際應(yīng)用中這兩部分電路被集成在一個印制板上并，采用高集成度的厚膜電路進(jìn)行的設(shè)計，見附圖。為敘述方便，現(xiàn)分為兩部分介紹厚膜內(nèi)部電路的原理進(jìn)行分析：

a 通訊電路部分

由原理框圖不難看出，通訊電路主要完成兩個任務(wù)：命令的接收和數(shù)據(jù)的發(fā)送。對這厚膜電路內(nèi)部做一下簡要說明：

來自通訊驅(qū)動電路的串行信號UDI（本儀器的命令數(shù)據(jù)）首先進(jìn)入IC4（HD15530編碼譯碼器）的8腳，經(jīng)IC4譯碼后由4腳串行輸出（SDO）到移位寄存器IC6和IC9中，經(jīng)IC6和IC9并行輸出至數(shù)據(jù)鎖存器IC7和IC10中，同時產(chǎn)生接收有效中斷信號/VALID給數(shù)據(jù)采集和控制電路，對CPU進(jìn)行中斷，使CPU通過并行口將所接受的命令數(shù)據(jù)讀走，從而完成命令的接收任務(wù)。

來自數(shù)據(jù)采集和控制電路的數(shù)據(jù)，經(jīng)CPU通過并行口寫到移位寄存器IC8和IC11中，并在寫入第二個字節(jié)后啟動數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)在移位時鐘IC4的TD的驅(qū)動下，從IC8和IC11的9腳（Q7）串行輸入到IC4的18腳（SDI），經(jīng)編碼后由IC4的15腳（/BZO）輸出至通訊驅(qū)動電路，從而完成數(shù)據(jù)的發(fā)送任務(wù)。

b 數(shù)據(jù)采集和控制電路部分

這一部分電路主要分兩個單元，即控制部分和數(shù)據(jù)采集部分。結(jié)合原理框圖和電路圖對厚膜內(nèi)部電路作簡要介紹。控制部分：這部分是以SOC為微控制器的控制電路，它完成下列三個功能：

控制通訊電路的編碼譯碼器接受串行數(shù)據(jù)、接收中斷和執(zhí)行所接受命令，控制編碼譯碼器發(fā)送串行數(shù)據(jù)；

控制數(shù)據(jù)采集過程的順序和讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；

控制儀器上所有的繼電器、模擬開關(guān)的動作和相關(guān)的驅(qū)動電路。

c 數(shù)據(jù)采集接口（并行口）

到目前為止，這個接口是最大的輸入/輸出應(yīng)用接口，已經(jīng)達(dá)到15個。它們被分成4個功能控制和數(shù)據(jù)總線，以便于數(shù)據(jù)采集處理。

數(shù)據(jù)采集部分：

這一部分電路主要對來自儀器內(nèi)部和外部的模擬信號進(jìn)行比較、增益選擇、采樣保持及A/D轉(zhuǎn)換，在SOC的控制下完成發(fā)送。具體介紹如下：

為滿足寬動態(tài)范圍、雙極性工作和測量精度的要求，設(shè)計的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路已能夠滿足這些規(guī)格要求。在電路中，提供了一個參考數(shù)據(jù)，這個參考電壓數(shù)據(jù)是為對已轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的應(yīng)用而另外附加的信息，基本轉(zhuǎn)換器 產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的574 A/D轉(zhuǎn)換芯片，工作在單極性模式，0-10V輸入范圍，精度為12位。

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

2018年4月，在勝利勝坨地區(qū)3-7-斜更133上井試驗，其井深2380m，溫度100度左右，本儀器串測得GR、R0.5、SP和其它曲線具有相關(guān)性。裝槍發(fā)射40彈，發(fā)射40顆，發(fā)射率達(dá)到100%。儀器達(dá)到了儀預(yù)期的效果。

取心選發(fā)器采用程控的方法實現(xiàn)選發(fā)器的“選”和“發(fā)”，操作靈活，地面操作員利用鍵盤命令或鼠標(biāo)就可完成跟蹤、選發(fā)、點火等工作，大大降低了勞動強度。其機械部分采用了抗震加固設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，提高抗沖擊能力，降低了故障率。

每只取心槍均帶有獨立的選發(fā)控制電路，設(shè)置可地址，設(shè)有兩級安全開關(guān)，由數(shù)字命令進(jìn)行選通和點火控制，安全性高。外部連線少，點火壓降小，可靠性高。

5結(jié)束語

取心器遙測系統(tǒng)的設(shè)計使取心槍可多只串接使用，大大提高了一次下井取心數(shù)量?？梢愿鶕?jù)實際需要一次下井取心幾百顆，能適用于各種電纜及鉆桿輸送，尤其適用于5000米以上的超深井和高溫井，普及后會提高井壁取心的工作效率，降低勞動強度。自主研制，不僅節(jié)省大量成本，而且提高取心時效。同時依靠高新技術(shù)為爭取更多的市場份額提供技術(shù)保障，提高中標(biāo)率，創(chuàng)造新的經(jīng)濟增長點。

基金項目：頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室開放基金資助。

（作者單位：中國石化石油工程技術(shù)研究院）