仇 傲 劉西恩 陳洪海 孫志峰

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院 北京 101149)

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·開發(fā)設(shè)計·

隨鉆聲波測井儀電路系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)*

仇 傲 劉西恩 陳洪海 孫志峰

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院 北京 101149)

針對隨鉆聲波測井的要求設(shè)計了一種隨鉆聲波測井儀井下電路系統(tǒng)。通過長距離高速傳輸、系統(tǒng)控制處理程序遠(yuǎn)程升級、井下海量數(shù)據(jù)存儲等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)解決了隨鉆工作環(huán)境帶來的問題。另外，在井下電路集成STC算法，可以提供實(shí)時地層慢度。實(shí)驗(yàn)及測試結(jié)果表明，該電路系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際測量的需要。

隨鉆聲波測井儀；井下電路系統(tǒng)；遠(yuǎn)程升級；STC算法

0 引 言

近年來，聲波測井技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于隨鉆測井中。隨鉆聲波測井技術(shù)為鉆具施工和儲層評價提供了全面的數(shù)據(jù)支持[1、2]。特別是利用聲波數(shù)據(jù)估算地層孔隙度可以在鉆具施工過程中實(shí)時預(yù)測地層超壓，對于優(yōu)化鉆井作業(yè)，改善鉆井安全有著重要的幫助。和電纜聲波儀器類似，隨鉆聲波測井也是通過激勵發(fā)射換能器向地層發(fā)射聲波，然后通過接收換能器接收地層回波求取地層慢度。但是不同的是，隨鉆聲波測井儀工作在高振動和沖擊的環(huán)境中，因此整個電路系統(tǒng)都使用導(dǎo)熱膠灌封成整體安裝在鉆鋌中以減少振動和沖擊的影響。由于隨鉆測量系統(tǒng)傳輸速率很低，隨鉆聲波需要在井下完成采集波形數(shù)據(jù)的存儲，地層慢度的實(shí)時計算，當(dāng)儀器出井后，通過高速傳輸將存儲數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行下一步精細(xì)處理。

1 隨鉆聲波電路系統(tǒng)總體設(shè)計

隨鉆聲波測井儀電路系統(tǒng)由系統(tǒng)供電、系統(tǒng)控制、發(fā)射激勵、回波放大調(diào)理、數(shù)據(jù)采集處理和數(shù)據(jù)存儲和導(dǎo)出等部分組成。系統(tǒng)供電部分將井下電池輸入的21 V～36 V直流電壓變換為采集電路工作所需要的5 V低壓和發(fā)射電路需要的120 V激勵高壓。系統(tǒng)控制部分根據(jù)鉆進(jìn)速度通過內(nèi)部定時器產(chǎn)生周期性的采集脈沖，發(fā)射激勵部分在采集脈沖的控制下產(chǎn)生高壓脈沖激勵發(fā)射換能器。同時回波放大調(diào)理電路對接收換能器接收到地層回波信號進(jìn)行放大、濾波。調(diào)理好的信號輸入數(shù)據(jù)采集處理電路進(jìn)行AD變換和井下實(shí)時時差計算。完成計算后波形信號按照采集時間順序依次存入數(shù)據(jù)存儲電路中。系統(tǒng)控制部分電路還設(shè)計有兩個通訊電路，一是和中控電路交互的串行總線電路，可以在鉆進(jìn)過程中接收命令改變時間采樣率等采集處理參數(shù)，另一個為高速傳輸電路，在儀器出井后向數(shù)據(jù)導(dǎo)出裝置導(dǎo)出井下存儲波形數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 隨鉆聲波電路系統(tǒng)總體框圖

2 電路系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

為了滿足隨鉆聲波測井工作流程需求，隨鉆聲波電路系統(tǒng)除了低功耗、高度集成化、處理芯片高智能化等一般隨鉆電路的特點(diǎn)外，還具有一些獨(dú)特的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 大數(shù)據(jù)量存儲技術(shù)

隨鉆聲波測井儀設(shè)計為四通道同步采集，單通道采樣點(diǎn)數(shù)為300點(diǎn)，每個采樣點(diǎn)以16位有符號整型數(shù)據(jù)表示，單次采樣的數(shù)據(jù)量為1 200個字。再加上輔助測量參數(shù)，記錄控制參數(shù)，井下計算數(shù)據(jù)等，單次采樣產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量近1 300個字。受傳輸速率限制，除了井下時差計算結(jié)果被實(shí)時傳送到地面外，原始聲波波形數(shù)據(jù)，大量中間處理結(jié)果、記錄參數(shù)存儲于井下存儲電路中。

LWD系統(tǒng)一般要求連續(xù)工作100 h以上，根據(jù)鉆進(jìn)速度設(shè)定采樣間隔為4 s或8 s，由此計算隨鉆聲波測井儀電路系統(tǒng)存儲要求為1Gbit～3Gbit。

為了滿足存儲要求，兼顧安全性、復(fù)用性、以及接口和溫度，我們選擇了M25P64作為存儲基本單元，多顆存儲芯片組成存儲陣列滿足存儲需求，存儲電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。M25P64是一款高速SPI總線訪問的Flash存儲器，該存儲器主要特點(diǎn)：64 Mbit的存儲空間；SPI總線和50 MHz數(shù)據(jù)傳輸時鐘頻率；每扇區(qū)擦寫次數(shù)保證10萬次、數(shù)據(jù)保存期限至少20年。

使用CPLD作為存儲單元陣列管理，它通過485接口接收中控系統(tǒng)信號，并鑒別所發(fā)送的是數(shù)據(jù)、地址還是命令，通過內(nèi)部邏輯完成相應(yīng)操作。若為命令信號則對命令進(jìn)行解析，使能指定的存儲芯片，若為地址和數(shù)據(jù)則向已使能的存儲芯片從該地址轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

圖2 存儲電路結(jié)構(gòu)圖

2.2 遠(yuǎn)距離高速傳輸技術(shù)

如前所述，隨鉆聲波井下電路中存儲了大量數(shù)據(jù)要待起鉆后才能導(dǎo)出。為了減少占用井口時間，數(shù)據(jù)交互采用1 Mbps的傳輸速率。同時出于井口安全，數(shù)據(jù)導(dǎo)出裝置不能放置在鉆臺，需要使用連接電纜將導(dǎo)出裝置和隨鉆聲波儀器進(jìn)行物理連接。導(dǎo)出系統(tǒng)連接如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)導(dǎo)出裝置連接

對于普通傳輸電路，由于碼間干擾導(dǎo)致在長距離電纜傳輸時速率無法提高，圖4為長線傳輸收到的信號，其信號變形即為碼間干擾。針對此問題，隨鉆聲波測井儀設(shè)計了一套遠(yuǎn)距離高速傳輸電路，采用預(yù)加重編碼技術(shù)予以解決。電路內(nèi)部設(shè)置了四級電平(增強(qiáng)高電平、高電平、增強(qiáng)低電平、低電平)，當(dāng)驅(qū)動器輸入由“0”碼變?yōu)椤?”碼時，電路設(shè)定輸出為“增強(qiáng)高電平”，經(jīng)過預(yù)加重電路設(shè)定的時間間隔后，回到高電平，如果輸入在預(yù)加重電路設(shè)定的時間間隔前變?yōu)椤?”碼，電路輸出將直接由“增強(qiáng)高電平”將至“增強(qiáng)低電平”；當(dāng)輸入由“1”碼變?yōu)椤?”碼時，預(yù)加重電路作類似處理[3]。在輸入信號電平翻轉(zhuǎn)時，強(qiáng)制將差分輸出拉至高電平或低電平，減小了差分輸出的上升或下降斜率，通過抑制信號的衰減改善碼間干擾。實(shí)際測試在數(shù)據(jù)傳輸距離200 m時速度達(dá)到1 Mbps。可以在一個相對短的時間內(nèi)完成整個數(shù)據(jù)的傳輸過程，極大地提高了工作效率。圖5為在波特率為1 Mbps的條件下傳輸200 m后的數(shù)據(jù)的波形，從圖中我們可以看出，信號沒有明顯衰減，滿足傳輸過程中對信號質(zhì)量的要求。

圖4 長距離傳輸信號波形

圖5 預(yù)加重處理后長距離傳輸波形

2.3 井下電路程序遠(yuǎn)程升級及安全備份啟動

井下信號電路系統(tǒng)在完成硬件調(diào)試之后，會使用導(dǎo)熱橡膠把系統(tǒng)電路封裝在鉆鋌內(nèi)部，整個電路系統(tǒng)暴露在外部的只有兩個通訊接口。為了避免儀器升級處理器程序需要完全拆開電路系統(tǒng)的困擾，隨鉆聲波電路設(shè)計了遠(yuǎn)程升級機(jī)制。首先將通過JTAG接口下載更新的處理器目標(biāo)文件進(jìn)行處理，提取出文件在處理器程序存儲器中的存儲起始地址、數(shù)據(jù)長度信息、信息入口地址，并和升級數(shù)據(jù)組合形成一個新的二進(jìn)制文件。然后通過通訊接口接收該二進(jìn)制文件，系統(tǒng)接收完數(shù)據(jù)后進(jìn)行校驗(yàn)，如果校驗(yàn)無誤則以數(shù)組的形式存放在外擴(kuò)RAM中。最后通過外部命令控制隨鉆聲波電路處理器執(zhí)行內(nèi)部的的API函數(shù)完成燒寫頻率設(shè)定、FLASH安全模塊解鎖，擦除、燒寫和校驗(yàn)操作。完成上述工作后，處理器停止喂狗信號使得看門狗產(chǎn)生復(fù)位信號，系統(tǒng)重啟，程序進(jìn)入新程序，完成了系統(tǒng)的升級。

在遠(yuǎn)程升級中仍然有很多因素(如升級文件代碼有誤，傳輸過程中文件出錯，或者燒寫過程中出現(xiàn)掉電等)可能導(dǎo)致系統(tǒng)升級失敗。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，隨鉆聲波電路系統(tǒng)設(shè)計中加入安全備份啟動模式。該模式設(shè)計為在處理器I2C總線接口外部掛載兼容I2C總線接口的E2PROM芯片，把此芯片放在總線上地址為0x50的位置處。

在正常工作模式下，系統(tǒng)從FALSH啟動，系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級失敗后，CPLD重新配置外設(shè)引腳電平，使得處理器從E2PROM讀取數(shù)據(jù)流并提取信息，然后對總線做初始化設(shè)置，讀取數(shù)據(jù)流中有用的段信息，裝載到相應(yīng)地址，最后把系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)到程序入口地址，執(zhí)行目標(biāo)函數(shù)，完成上電。避免了因?yàn)樯壥?dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。

2.4 時差計算STC算法的井下集成

由于受到泥漿脈沖傳輸速率影響，隨鉆聲波只能在井下電路中智能求取時差并將時差數(shù)值實(shí)時上傳地面。

目前各聲波時差計算算法中STC算法相對成熟，該算法通過在一組聲波信號的不同位置加設(shè)時間窗，通過相關(guān)函數(shù)對時間窗內(nèi)的聲波信號的相似程度進(jìn)行計算分析，其計算的數(shù)值結(jié)果在0～1之間的，越接近1說明該時窗內(nèi)聲波信號越相似，然后以一個步長移動時差窗再進(jìn)行計算，所有計算中聲波信號最相似時的聲波到時和慢度值為地層慢度[4、5]。該算法較為復(fù)雜，為了滿足井下計算對計算時間和計算資源的需求，隨鉆聲波電路增加了1Mbit的外擴(kuò)RAM，根據(jù)算法分步運(yùn)算需求，分批將參與運(yùn)算數(shù)據(jù)一次性導(dǎo)入，避免了頻繁讀取外設(shè)消耗時間。由于外擴(kuò)RAM的讀取時間較長，處理器通過來管理、優(yōu)化分配系統(tǒng)的物理空間和地址空間程序配置將數(shù)據(jù)量大的變量設(shè)置為靜態(tài)變量，避免了大數(shù)據(jù)量頻繁在片內(nèi)和片外RAM傳輸。另外還對運(yùn)輸函數(shù)進(jìn)行分類以達(dá)到提高代碼整體運(yùn)行效率，對執(zhí)行效率要求高、調(diào)用頻率高的函數(shù)搬移到內(nèi)存速度快的M0、M1存儲空間里面，而對于算法中執(zhí)行效率要求低、調(diào)用頻率低的函數(shù)代碼放置在等待周期較長的區(qū)域去運(yùn)行。通過上述處理，將井下單次STC運(yùn)算時間控制在100 ms以內(nèi)，滿足設(shè)計需求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

目前隨鉆聲波測井儀已通過實(shí)驗(yàn)室模擬測試和實(shí)驗(yàn)井測試。圖6所示為從隨鉆聲波測井儀存儲數(shù)據(jù)中導(dǎo)出的一組波形數(shù)據(jù)，其中圖6(a)為4組回波數(shù)據(jù)，圖6(b)為通過此回波數(shù)據(jù)求取的相關(guān)圖。從圖中可以看出，電路系統(tǒng)自身噪聲較小，4道波形的一致性和相關(guān)性非常好，并且通過相關(guān)求取時差和實(shí)際一致。

圖6 隨鉆聲波測量波形及相關(guān)圖

4 結(jié)束語

前期的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，本文中介紹的隨鉆聲波測井

儀器電路系統(tǒng)設(shè)計可以滿足隨鉆環(huán)境下的系統(tǒng)采集要求。大數(shù)據(jù)量存儲技術(shù)和高速傳輸技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)隨鉆聲波采集波形在井下的存儲和儀器完成測量后的數(shù)據(jù)導(dǎo)出。井下程序遠(yuǎn)程升級技術(shù)可以在不拆卸儀器的條件下直接更新井下程序，避免了儀器拆裝的繁瑣工作。目前，儀器等待進(jìn)行實(shí)鉆作業(yè)，測試在強(qiáng)振動和高噪聲的環(huán)境中能否滿足實(shí)際作業(yè)需求。

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Design and Key Technologies of the Circuit System of Acoustic LWD Tool

QIU Ao LIU Xien CHEN Honghai Sun Zhifeng

(ChinaOilfieldServicesLimitedWell-Tech,Beijing101149,China)

A downhole circuit system of acoustic LWD tool which meets the demand of actual drilling operations has been designed in this paper. The circuit system performed very well under the poor downhole working environment by implementing the key technologies, such as the high-speed data transmission over a long distance, upgrading the downhole program remotely and massive data storage. Additionally, the STC algorithm was integrated into the downhole program so that the slowness of the formation can be calculated in real time. The experimental and test results show that the circuit system demonstrates the excellent performance in the actual field application.

acoustic LWD tool， downhole circuit system， remote upgrade， STC algorithm

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項(xiàng)目資金：國家863計劃資助項(xiàng)目(2011AA090101)

仇 傲，男，1976年生，碩士，工程師，現(xiàn)在中海油田服務(wù)股份有限公司從事聲波測井儀器開發(fā)研究工作。E-mail：qiuao@cosl.com.cn

TP316.2

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2096-0077(2015)01-0023-03

2014-06-10 編輯：高紅霞)