謝海明 周 靜

(西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院井下測控研究所 陜西西安)

導(dǎo)向鉆井工具的一種溫度測試方法＊

謝海明 周 靜

(西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院井下測控研究所 陜西西安)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是目前最先進的鉆井技術(shù),鉆井過程中的井下溫度是需要測量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)之一。文章介紹了在不改動原有系統(tǒng),不增加空間和硬件開銷的情況下,利用DS18B20的單總線結(jié)構(gòu),完成了一種適合鉆井過程中的溫度測量方案的設(shè)計。

導(dǎo)向鉆井;可控偏心器;單總線;溫度

0 引 言

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是目前世界上最先進的鉆井技術(shù)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具-可控偏心器在鉆井過程中溫度參數(shù)的測量可采用多種方法。

井眼中的溫度隨著地層深度的增加不斷增加,鉆井過程中泥漿液的循環(huán)雖然可以充當冷卻液的作用,但是井下復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境存在很多的不可預(yù)測性?？煽仄钠鞯目刂齐娐返墓ぷ鳒囟炔荒艹^125℃。

通過監(jiān)控井下溫度的變化,然后通過MWD上傳至地面,可以完成井下溫度的實時監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)異常問題及時處理,避免井下溫度異常對儀器的傷害。

本文主要闡述了一種結(jié)構(gòu)簡單的井下溫度測量方案。

1 溫度傳感器的選擇

可控偏心器的井下數(shù)據(jù)采集和控制平臺需要完成多種信號的采集、運算以及軌跡控制等功能。因此在原有平臺上添加溫度測量功能,只能在較小的系統(tǒng)開銷的基礎(chǔ)上完成,同時需要具有較強的抗干擾能力,高精度等。

由于控制系統(tǒng)電子元器件決定了井下溫度的范圍不能超過 125℃。溫度傳感器選擇 DALLAS的DS18B20。其溫度檢測與數(shù)字數(shù)據(jù)輸出全集成于一個芯片之上,全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出。特點[1]:1)體積小(有TSOC-8封裝);2)抗干擾力強;3)單總線數(shù)據(jù)通信;4)精度可達土0.5°C;5)檢測溫度范圍為-55°C～+125°C。

DS18B20的單總線通訊協(xié)議,可以節(jié)省硬件開銷;其數(shù)字量輸出,可以節(jié)省總系統(tǒng)的軟件開銷。其溫度測量范圍及精度可以滿足井下溫度測量的要求[2]。

2 DS18B20的單總線協(xié)議簡介

DS18B20的數(shù)據(jù)讀寫是通過時序處理位和命令字來確認信息交換的。

寫時序分為寫“0”和寫“1”,時序如圖1所示。在寫數(shù)據(jù)時序的前15μs總線需要被控制器置低電平,然后是芯片對總線數(shù)據(jù)的采樣時間,采樣時間在15μs～60μs,采樣時間內(nèi)如果控制器將總線拉高則表示寫“1”,如果控制器將總線拉低則表示寫“0”。每一位的發(fā)送都應(yīng)該有一個至少15μs的低電平起始位,隨后的數(shù)據(jù)位“0”或“1”應(yīng)該在45μs內(nèi)完成。整個數(shù)據(jù)的發(fā)送時間應(yīng)該保持在60μs～120μs,否則不能保證通信的正常。

圖1 DS18B20的數(shù)據(jù)寫時序

讀時序如圖2所示。讀時序時控制器的采樣時間需要更加精確,讀時序時也是必須先由主機產(chǎn)生至少1μs的低電平,表示讀時序的起始。隨后在總線被釋放后的15μs中DS18B20會發(fā)送內(nèi)部數(shù)據(jù)位,此時控制器判別總線為高電平表示讀出“1”,如果總線為低電平則表示讀出數(shù)據(jù)“0”。每個數(shù)據(jù)位在讀取之前都由控制器加一個起始信號。注意:必須在讀時序開始的15μs內(nèi)讀取數(shù)據(jù)位才可以保證通信的正確。讀寫時序作為基本的操作,通過組合可以實現(xiàn)各種命令及數(shù)據(jù)的傳輸。

圖2 DS18B20的數(shù)據(jù)讀時序

3 系統(tǒng)構(gòu)建實現(xiàn)及軟件程序編制

在本系統(tǒng)中,主控芯片采用單片機C8051F060。本單片機具有豐富的片上資源,可以靈活的構(gòu)建復(fù)雜的采集控制系統(tǒng)。DS18B20芯片的單總線設(shè)計,可以在不占用原有系統(tǒng)硬件端口的情況下實現(xiàn)精確的溫度測量。單片機C8051F060的 P5.7腳和DS18B20的 2腳 DQ相連[3]。

實現(xiàn)單片機與DS18B20的單總線通訊,需要編寫專門的通訊程序。本文主要介紹 C8051F060完成溫度讀取的操作方法。軟件主框圖如圖3所示。

常用DS18B20的命令簡介:

CC為跳過 DS18B20的序列號匹配;44為啟動DS18B20的溫度轉(zhuǎn)換;BE為讀取DS18B20的暫存器數(shù)據(jù);33為讀取DS18B20的序列號;55為DS18B20序列號匹配命令。

軟件編制:

1)DS18B20的每個數(shù)據(jù)傳輸操作必須以一個復(fù)位命令作為開始。

圖3 程序流程圖

2)在本單總線系統(tǒng)中只有一個器件,故在使用過程中使用“CC”,不進行序列號匹配,節(jié)省時間。

3)溫度數(shù)據(jù)的讀取在命令“BE”發(fā)送后,DS18B20自動發(fā)送給單片機。

4)接收到的二進制溫度數(shù)值需要進行數(shù)據(jù)補碼轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)束語

本文主要針對可控偏心器在鉆井過程中的溫度測量問題。該方案能夠在不顯著增加空間的情況下,完成溫度精確測量,測量精度能夠達到±0.5℃。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,獨特的單總線設(shè)計,節(jié)省硬件開銷,為以后增加其他單總線設(shè)備搭建了平臺。

[1] 洪志剛.傳感器原理及應(yīng)用[M].長沙:中南大學(xué)出版社,2007

[2] 萬光毅.SoC單片機實驗、實踐與應(yīng)用設(shè)計 -基于C8051F系列[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006

[3] 潘琢金,譯.C8051F060/1/2/3/4/5/6/7混合信號 ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊.2002(資料)

·專利技術(shù)·

專利名稱:高密度交流電磁測量電阻率儀

專利申請?zhí)?CN200620113965.2

公開號:CN2901343

申請日:2006.05.16

公開日:2007.05.16

申請人:北京奧地探測儀器公司

本實用新型涉及一種高密度交流電磁測量電阻率儀,主要包括:交流電磁測量單元、電纜、電極和磁傳感器連接單元,所述交流電阻率測量單元主要由前置放大濾波部件、主放大器、選頻檢測部件、模/數(shù)轉(zhuǎn)換部件、接口電路、CPU控制器和總線組成,其特征在于所述電極和磁傳感器連接單元為多路電極轉(zhuǎn)換單元,該多路電極轉(zhuǎn)換單元主要由多路電極電纜接口,電場電磁信號轉(zhuǎn)換排序部件,信號輸出部件組成。本實用新型適用于對大地地層電阻率的探測,具有測量深度大,快速,獲取數(shù)據(jù)量大,測量效果好,而且使用方便快捷的優(yōu)點。

(杭州市科技信息研究院 王元蓀提供)

Xie Haiming and Zhou Jing.A temperature measurement method of the steerable drilling instrument.PI, 2010,24(3):3～4

The rotary steering drilling technology is the most advanced drilling technology.The downhole temperature is one of the most important parameters during drilling.The paper accomplishes a suitable method to measure the downhole temperature based on one-wire bus,while not changing the system and not increasing the place and additional hardware overhead.

steerable drilling;controllable bias;unidirectional bus;temperature

TE243

B

1004-9134(2010)03-0003-02

“十一五”國家863重點項目“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)工程化技術(shù)研究”(2007AA090801-01)、國家科技重大專項“多枝導(dǎo)流適度出砂技術(shù)”(2008ZX05024-003-05))和西安石油大學(xué)科技創(chuàng)新基金項目(Z08032)

謝海明,男,1982年生,西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院助教,從事旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)研究。郵編:710065

2009-08-22 編輯:高紅霞)

·儀器設(shè)備·