隨鉆伽馬測井探管節(jié)電降功耗控制方法與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田小超，蔣必辭

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

對于煤礦井下隨鉆伽馬測井系統(tǒng)而言，其孔中測井探管的供電方式是面臨的技術(shù)難點(diǎn)之一?，F(xiàn)有的隨鉆測量類儀器孔中探管供電方式主要有通纜鉆桿供電、電池供電，還有正在研制的孔中渦輪發(fā)電機(jī)，前2種供電方式極大的推進(jìn)了煤礦井下物探事業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，第3種供電方式的應(yīng)用預(yù)期將對煤礦井下孔中物探事業(yè)產(chǎn)生飛躍性變化。但是，這3種方式又各有各的適用工況和工藝條件：通纜鉆桿供電適用于基于通纜鉆桿供電和數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾S鉆測量系統(tǒng)，其對通纜鉆桿的強(qiáng)度、密封性及內(nèi)部空間大小要求極高[1-4]；電池供電方式使用靈活，不受鉆桿類型的影響，但其受到應(yīng)用環(huán)境、空間尺寸（主要是徑向）及煤礦井下防爆類電氣設(shè)備相關(guān)規(guī)定限制及要求[5-8]；煤礦井下孔中渦輪發(fā)電機(jī)技術(shù)源于石油物探，其能夠較好的解決孔中物探儀器供電問題[9-12]，目前還沒看到相關(guān)的應(yīng)用報(bào)道。

煤礦井下隨鉆伽馬測井系統(tǒng)采用電磁波無線傳輸方式進(jìn)行孔中測井探管與孔外數(shù)據(jù)接收裝置的數(shù)據(jù)交互，因此，為滿足實(shí)際應(yīng)用工況，其孔中測井探管采用的是電池供電方式。隨鉆測井系統(tǒng)在使用時(shí)，鉆孔軌跡參數(shù)一般點(diǎn)測，而伽馬測井參數(shù)需連續(xù)測量[13-15]，在整個(gè)測量過程中，所有測量單元均一直供電，從而導(dǎo)致孔中測井探管工作時(shí)間縮短，對于中深度及以上鉆孔不能一次鉆進(jìn)成功，需要提鉆更換電池管，這樣即使用復(fù)雜又有可能因鉆孔塌孔不能二次送鉆到已鉆進(jìn)位置等原因耽誤施工周期[16]。因此，非常有必要研究和探索新型的煤礦井下孔中物探儀器的供電方式或節(jié)能方案，作為對目前已有的這幾種供電方式缺點(diǎn)彌補(bǔ)，或結(jié)合現(xiàn)有供電方式進(jìn)行聯(lián)合使用，從而解決現(xiàn)有儀器因供電問題不能滿足所有工況和工藝條件的問題。為解決孔中探管供電時(shí)間短的問題，研發(fā)人員在測井探管中增加了基于壓力監(jiān)測的智能電源管理單元，借助在鉆進(jìn)施工時(shí)所加的鉆井液壓力來控制智能電源管理單元，即打鉆時(shí)智能電源管理單元控制孔中各探管斷電，停鉆測量時(shí)，孔外水泵泄壓智能，電源管理單元控制各測量探管上電，這種辦法在一定程度上延長了測井探管的供電時(shí)間，但隨鉆過程中測井探管各測量單元供電均切斷，僅能測量相隔鉆桿長度的測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，有效測量數(shù)據(jù)少，不利于對測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行綜合解釋與處理。

綜上所述，基于實(shí)際生產(chǎn)需要，以及現(xiàn)有解決方案存在伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)不連續(xù)、不可靠，未能解決長時(shí)間停鉆時(shí)無效耗電問題，為解決隨鉆伽馬測井系統(tǒng)孔中測井探管供電時(shí)長與鉆孔作業(yè)施工周期不匹配的矛盾，研究并設(shè)計(jì)了基于孔中探管狀態(tài)監(jiān)測的節(jié)能降功耗控制方法與系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

煤礦井下隨鉆伽馬測井系統(tǒng)是一款集鉆孔軌跡參數(shù)（傾角、方位角、工具面角）測量、鉆孔周圍地層自然伽馬參數(shù)測量及鉆孔實(shí)鉆深度測量于一體的隨鉆測量儀器。系統(tǒng)由地面安裝于PC端的數(shù)據(jù)處理與綜合解釋軟件、煤礦井下孔口防爆終端與監(jiān)測系統(tǒng)軟件、煤礦井下無線電磁波數(shù)據(jù)收發(fā)裝置、煤礦井下孔中測井探管、煤礦井下孔口深度測量裝置5大部分組成，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure block diagram

煤礦井下隨鉆伽馬測井系統(tǒng)分地面部分和井下部分，其中，地面部分主要是指安裝于PC端的數(shù)據(jù)處理與綜合解釋軟件，井下部分是指分孔中測井探管部分和孔口深度測量裝置。

PC端數(shù)據(jù)處理與綜合解釋軟件用于進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的管理與繪圖以及煤層綜合解釋分析等，以具有良好跨平臺特性的Qt作為軟件的開發(fā)環(huán)境，以具有Qt拓展功能的標(biāo)準(zhǔn)C++語言進(jìn)行開發(fā)，并以O(shè)penGL為三維繪圖引擎。煤礦井下孔口防爆終端（以下簡稱孔口終端）采用基于Windows平臺的高性能工控機(jī)，并在其上安裝了專用的隨鉆監(jiān)控系統(tǒng)軟件。在測量前通過無線電磁波收發(fā)單元進(jìn)行孔中測井探管配置參數(shù)的下發(fā)，完成測量后測量數(shù)據(jù)的接收，孔口終端接收到的測井?dāng)?shù)據(jù)由隨鉆監(jiān)控軟件進(jìn)行測井?dāng)?shù)據(jù)與孔深數(shù)據(jù)以系統(tǒng)時(shí)間為標(biāo)尺進(jìn)行匹配，并且計(jì)算軌跡偏差及鉆孔軌跡空間位置。煤礦井下孔中測井探管（以下簡稱孔中測井探管）由符合礦用安全要求的鋰離子電池組、電源本安電路、基于STM32單片機(jī)的主控電路、測斜單元、伽馬測量單元及無線電磁波收發(fā)單元等組成；可對鉆孔施工過程中的實(shí)時(shí)鉆具姿態(tài)信息（傾角、方位角、工具面角）和所鉆地層周圍自然伽馬放射性強(qiáng)度信息進(jìn)行測量，由主控電路進(jìn)行測量信息統(tǒng)計(jì)與打包，經(jīng)無線電磁波收發(fā)單元向孔外發(fā)送；測斜單元主要是鉆具實(shí)時(shí)姿態(tài)信息傾角、方位角、工具面向角的測量，傾角和工具面角是通過三軸加速度傳感器及其相關(guān)解算芯片測量和計(jì)算獲取，方位角是通過基于大地磁場測量的三軸磁感式傳感器及其相關(guān)解算芯片測量和計(jì)算獲取[17]；伽馬測量單元主要是對所鉆地層周圍放射性射線強(qiáng)度信息進(jìn)行測量，并將此物理量通過信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為與強(qiáng)度信息成正比的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號[13,18]。煤礦井下孔外深度測量裝置（以下簡稱測深裝置）用于鉆孔實(shí)鉆深度的測量，采用的是傳統(tǒng)的光電碼盤脈沖計(jì)數(shù)原理，將與光電碼盤計(jì)數(shù)軸相連的測深滾輪通過夾持器與鉆桿精密配合，且夾持器和測深滾輪可跟隨鉆桿的鉆進(jìn)抖動，確保測量可靠性和精度，因鉆桿行進(jìn)產(chǎn)生的深度增加信息將按照預(yù)設(shè)間隔實(shí)時(shí)發(fā)送給孔口終端的隨鉆監(jiān)控系統(tǒng)軟件[19-20]。

2 節(jié)電降功耗控制機(jī)理

隨鉆伽馬測井系統(tǒng)孔中測井探管應(yīng)用于煤礦井下鉆孔中，受鉆孔孔徑和鉆桿內(nèi)過水量最低要求限制，孔中測井探管的外徑必須限制在一定范圍內(nèi)，因此，電池組僅能采用線性布置，且按照煤礦安全相關(guān)規(guī)定，所采用的電池組總?cè)萘恳脖仨毾薅ㄔ谝欢ǚ秶鷥?nèi)。為延長儀器有效工作時(shí)長，除在儀器設(shè)計(jì)時(shí)采用低功耗芯片外，還應(yīng)從其他方面采取措施。

依據(jù)工程測量對測井?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)際需要，測斜數(shù)據(jù)以每根鉆桿長度距離進(jìn)行點(diǎn)測即可滿足對軌跡測量與計(jì)算的需要，測井?dāng)?shù)據(jù)盡可能的涵蓋整個(gè)測量過程的有效深度范圍，對應(yīng)的有效測量過程即為在鉆進(jìn)過程中測斜單元斷電，伽馬測量單元保持上電并按照預(yù)設(shè)時(shí)間間隔統(tǒng)計(jì)測量和存儲伽馬數(shù)據(jù)；在停鉆加鉆桿時(shí)對測斜單元上電并有效測量，伽馬測量單元保持上電并按照預(yù)設(shè)時(shí)間間隔統(tǒng)計(jì)測量和存儲伽馬數(shù)據(jù)，同時(shí)無線電磁波收發(fā)單元對采集的測斜數(shù)據(jù)和抽道的伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)經(jīng)無線電磁波信號向孔外發(fā)送；在遇到工作人員交接班、鉆機(jī)故障、停電檢修等長時(shí)間停鉆時(shí)，測斜單元和伽馬測量單元均斷電。針對如上所述有效的測量過程，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制算法及其對應(yīng)的硬件電路。

2.1 節(jié)能降功耗電路

節(jié)能降功耗電路原理框圖如圖2。在隨鉆伽馬測井系統(tǒng)孔中測井探管原電路基礎(chǔ)上，增加了探管狀態(tài)監(jiān)測電路及2路獨(dú)立開關(guān)電路。

圖2 電路原理框圖Fig.2 Circuit principle block diagram

狀態(tài)監(jiān)測電路用于對孔中測井探管當(dāng)前工作狀態(tài)的識別，即是打鉆狀態(tài)還是停鉆狀態(tài)，在鉆進(jìn)施工過程中無論定向鉆進(jìn)還是回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)都會因鉆具切削地層或自身旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生較大幅度的振動，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)借助于對振動或沖擊強(qiáng)度的判斷來識別，孔中測井探管當(dāng)前狀態(tài)。選用超低功耗（nA級）、超小體積、超低成本的三軸加速度傳感器ADXL362及其外圍電路作為狀態(tài)監(jiān)測電路的主芯片。

開關(guān)電路用于對各測量單元斷電或上電決定的執(zhí)行，控制邏輯執(zhí)行依據(jù)來源于STM32主控電路對采集到的狀態(tài)監(jiān)測電路返回信號的分析與綜合判斷。設(shè)計(jì)了2路獨(dú)立的開關(guān)電路，開關(guān)電路1執(zhí)行對測斜單元斷電與上電操作，開關(guān)電路2執(zhí)行對測斜單元斷電與上電操作。選用低功耗、小體積、低成本的貼片式三極管和MOS管及其外圍電路作為開關(guān)電路的主控芯片。

2.2 探管工作狀態(tài)識別算法

狀態(tài)監(jiān)測電路的輸出信號用于識別孔中測井探管的狀態(tài)，即運(yùn)動狀態(tài)和靜止?fàn)顟B(tài)，對應(yīng)的是孔中測井探管打鉆狀態(tài)和停鉆狀態(tài)，設(shè)計(jì)包含5個(gè)狀態(tài)：離線狀態(tài)、檢測狀態(tài)、運(yùn)動狀態(tài)、短靜止?fàn)顟B(tài)、長靜止?fàn)顟B(tài)。各個(gè)狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖3。

圖3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系框圖Fig.3 State transition relationship block diagram

測井探管狀態(tài)識別控制系統(tǒng)始終存在2個(gè)概率：虛警率和漏檢率。一般來說虛警率與漏檢率無法同時(shí)達(dá)到任意小，在一定條件下虛警率越小則漏檢率就越大，反之亦然。

孔中測井探管工作狀態(tài)算法旨在最大化的識別靜止?fàn)顟B(tài)后進(jìn)行關(guān)閉部分外設(shè)，降低隨鉆伽馬測井系統(tǒng)孔中測井探管的功耗，但又不可過度嚴(yán)苛。在執(zhí)行過程過，整個(gè)孔中測井探管狀態(tài)識別算法具有以下幾個(gè)特征：①運(yùn)動檢測敏感性：為降低孔中測井探管狀態(tài)識別系統(tǒng)虛警率，使孔中測井探管不遺漏正常的工作時(shí)段，針對運(yùn)動的檢測較為敏感，在任意狀態(tài)下只要判斷滿足運(yùn)動條件立刻進(jìn)行狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換；②靜止檢測低通性：靜態(tài)檢測過程較為謹(jǐn)慎，任何靜止?fàn)顟B(tài)達(dá)成需要滿足一定連續(xù)靜態(tài)時(shí)長門限要求。

采用ADXL362低功耗加速度計(jì)芯片作為運(yùn)動數(shù)據(jù)采集的來源進(jìn)行運(yùn)動狀態(tài)與靜止?fàn)顟B(tài)之間的條件判斷。同時(shí)啟動了運(yùn)動檢測和靜止檢測功能相對運(yùn)動檢測模式，并設(shè)定相應(yīng)相對檢測模式及門限，從而達(dá)到運(yùn)動和靜態(tài)判斷。

1）打鉆狀態(tài)識別。當(dāng)狀態(tài)監(jiān)測電路采集到的加速度值超過了預(yù)設(shè)的閾值并持續(xù)了預(yù)設(shè)的時(shí)間時(shí)，即檢測到運(yùn)動事件。在相對配置中，當(dāng)狀態(tài)監(jiān)測電路采集到的加速度樣本至少比內(nèi)部定義的參考高出預(yù)設(shè)的量且持續(xù)用戶定義的時(shí)間時(shí)，即ABS（加速度－參考）＞閾值時(shí)檢測到運(yùn)動事件。

2）停鉆狀態(tài)識別。當(dāng)狀態(tài)監(jiān)測電路采集到的加速度值低于預(yù)設(shè)的閾值并持續(xù)預(yù)設(shè)的時(shí)間時(shí)，即檢測到靜止事件。使用相對靜止檢測時(shí)，當(dāng)狀態(tài)監(jiān)測電路采集到的加速度樣本與內(nèi)部定義的參考相比，加速度樣本在預(yù)設(shè)的量以內(nèi)且持續(xù)預(yù)設(shè)的時(shí)間時(shí)，即ABS（加速度－參考）＜閾值時(shí)，則檢測到靜止事件。

2.3 探管控制邏輯

通過狀態(tài)監(jiān)測電路采集的加速度變化信號經(jīng)SPI總線傳送至主控電路并由狀態(tài)識別算法進(jìn)行識別分析，并下發(fā)對應(yīng)的斷電與上電控制指令，由開關(guān)電路1/2進(jìn)行執(zhí)行。對測斜單元與伽馬測量單元執(zhí)行的供電邏輯控制如下：

1）測斜單元供電邏輯。測斜單元只在檢測到靜止?fàn)顟B(tài)后進(jìn)行一定時(shí)長的上電工作，之后斷電等待下次上電。在其余狀態(tài)下均保持?jǐn)嚯姞顟B(tài)，以達(dá)到最大程度節(jié)電。通電時(shí)長的確定以確保可采集有效測斜數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

2）伽馬測量單元供電邏輯。當(dāng)檢測到長靜止發(fā)生時(shí)，主控電路會下發(fā)關(guān)閉伽馬測量單元開關(guān)電路的指令。其他狀態(tài)下伽馬測量單元供電開關(guān)電路打開，保持伽馬測量單元處于工作狀態(tài)。長靜止即長時(shí)間停鉆狀態(tài)，該時(shí)間長度以現(xiàn)場長時(shí)間停鉆最短時(shí)間長度來設(shè)定，一般在幾十分鐘。

3 節(jié)能降功耗控制系統(tǒng)具體實(shí)施方式

孔中測井探管節(jié)能降功耗控制系統(tǒng)控制方法的實(shí)施流程圖如圖4。

圖4 控制方法實(shí)施流程圖Fig.4 Flow chart of control method implementation

首先，在煤礦井下施工鉆場對隨鉆伽馬測井系統(tǒng)的孔中測井探管進(jìn)行組裝上電，測斜單元與伽馬測量單元將上電工作，然后節(jié)能降功耗控制系統(tǒng)控制過程如下：

A過程：測斜單元和伽馬測量單元都工作；并保存測斜數(shù)據(jù)與伽馬計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)。

B過程：測斜單元不工作，伽馬測量單元正常工作，保存伽馬計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)。

C過程：測斜單元不工作，伽馬測量單元不工作，均不保存數(shù)據(jù)。

狀態(tài)監(jiān)測模塊監(jiān)測孔中測井探管的振動情況：若監(jiān)測到的實(shí)時(shí)振動不大于預(yù)設(shè)的振動閾值，且持續(xù)時(shí)間t＜T1，則孔中測井探管的測斜單元和伽馬測量單元均保持前一時(shí)刻的狀態(tài)（即保持?jǐn)嚯娀蛘呱想姡蝗舫掷m(xù)時(shí)間T1≤t＜T2，則執(zhí)行A過程；若持續(xù)時(shí)間T2≤t＜T3，則執(zhí)行B過程；若該振動狀態(tài)持續(xù)時(shí)間t≥T3，則執(zhí)行C過程。

若狀態(tài)監(jiān)測模塊監(jiān)測孔中測井探管的振動大于預(yù)設(shè)的振動閾值，且該狀態(tài)持續(xù)時(shí)間t＜T1，則孔中測井探管的測斜單元和伽馬測量單元均保持前一時(shí)刻的狀態(tài)；該振動狀態(tài)持續(xù)時(shí)間t≥T1，執(zhí)行B過程。

如上描述的各時(shí)間點(diǎn)，定義如下：T1為系統(tǒng)抗擾動時(shí)間，s，其設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)為大于非人為操作引起的無效振動或人為調(diào)整鉆桿等引起的短振動的持續(xù)時(shí)間以及各種非正常測量需要的短停鉆的時(shí)間，非正常測量是指沒有在事先設(shè)置的測量探點(diǎn)進(jìn)行的停鉆測量；T2的大小應(yīng)能夠使測斜單元至少完成3次有效測量,測斜傳感器單次采樣時(shí)間為1s；T3為長時(shí)間停鉆門限時(shí)間，s,其設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)為要能排除絕大多數(shù)短時(shí)間的正常生產(chǎn)作業(yè)活動，又能在鉆機(jī)故障、停電檢修等長時(shí)間停鉆時(shí)盡可能及時(shí)切斷探管各測量單元電源，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)；測斜單元數(shù)據(jù)采樣周期與伽馬測量單元數(shù)據(jù)采樣周期設(shè)置一樣，一般可設(shè)為2s；時(shí)間閾值T1、T2、T3的設(shè)置也可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況需求進(jìn)行調(diào)整；振動閾值根據(jù)實(shí)際工況確定，也可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況需求進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，可設(shè)為2g。

4 結(jié) 語

針對煤礦井下隨鉆伽馬測井系統(tǒng)孔中測井探管供電時(shí)長與鉆孔作業(yè)施工周期不匹配的矛盾，研究并設(shè)計(jì)了基于孔中探管狀態(tài)監(jiān)測的節(jié)能降功耗控制方法與系統(tǒng)?？字袦y井探管節(jié)能降功耗控制方法能有效解決現(xiàn)有的電源管理方法引起的有效測量數(shù)據(jù)少、不可靠的問題，能保證測井過程中有效數(shù)據(jù)的采集量，避免伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)不連續(xù)的問題；孔中測井探管節(jié)能降功耗控制方法不僅可以實(shí)現(xiàn)隨鉆測井過程中測斜單元無效供電的斷電控制，還可以解決因現(xiàn)場交接班、鉆機(jī)故障、停電檢修等長時(shí)間停鉆時(shí)的無效供電問題，延長電池組的孔中供電時(shí)間，避免因測井探管電池供電時(shí)間不足所產(chǎn)生的鉆工施工過程中未終孔而提鉆換電池管的無效工作。