郭廣鎏，安旅行，陳緒濤，李西寧，王俊超，陽質(zhì)量，秦泓江

(1.西安石油大學(xué)　陜西　西安　710065；2.中國石油集團(tuán)測井有限公司隨鉆測井中心　陜西　西安　710054；3.中國石油集團(tuán)測井有限公司長慶事業(yè)部　陜西　西安　710201)

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·開發(fā)設(shè)計·

基于開關(guān)泵命令對CNP儀器中子發(fā)生器的控制*

郭廣鎏1,2，安旅行2，陳緒濤2，李西寧3，王俊超1,2，陽質(zhì)量2，秦泓江2

(1.西安石油大學(xué)陜西西安710065；2.中國石油集團(tuán)測井有限公司隨鉆測井中心陜西西安710054；3.中國石油集團(tuán)測井有限公司長慶事業(yè)部陜西西安710201)

摘要：可控源中子孔隙度隨鉆測井儀使用中子發(fā)生器作為放射性源,在實際隨鉆測井中，中子發(fā)生器全程工作對中子管壽命和井下電池都是極大的消耗。為了節(jié)省中子管和井下電池的工作時間，根據(jù)需要實時開啟或關(guān)閉中子發(fā)生器，提出了中子發(fā)生器控制部分響應(yīng)開關(guān)泵命令序列的設(shè)計思路。綜合各種因素使用兩個開泵和關(guān)泵命令組成序列來控制發(fā)生器在隨鉆測井作業(yè)中的開、關(guān)。實驗結(jié)果表明可以使用開關(guān)泵命令序列控制發(fā)生器的工作，儀器因此可以取得更多有效測井資料。

關(guān)鍵詞：可控源中子孔隙度隨鉆測井儀；中子發(fā)生器；泥漿泵

0引言

中石油測井公司的可控源隨鉆中子測井儀使用一種小型加速器中子源[1]，我們稱之為中子發(fā)生器。中子發(fā)生器由中子管和相應(yīng)的供電、控制系統(tǒng)組成[2]。儀器由井下電池供電，發(fā)射中子時的耗電量是停止發(fā)射中子時的5～6倍。國外的成套隨鉆測井裝備，包括可控源中子，由泥漿發(fā)電機(jī)供電，利用泥漿循環(huán)控制中子管的工作。測井公司的隨鉆中子測井儀中子管的使用經(jīng)歷了無下發(fā)控制、開關(guān)泵命令控制兩個階段。第一階段，儀器以鉆后測量的方式下井，下井前根據(jù)工況設(shè)置儀器工作參數(shù)，其中很重要的參數(shù)就是發(fā)生器開始工作的時間和發(fā)生器工作時長。第二階段，儀器以實鉆測量的方式下井，在實鉆環(huán)境下儀器利用主控下發(fā)的開關(guān)泵命令控制中子發(fā)生器的開與關(guān)。儀器的推廣使用對中子管的控制提出了更高的要求，為此，研發(fā)人員設(shè)計用開關(guān)泵命令序列來控制中子發(fā)生器，使得中子儀器更適合于商業(yè)化應(yīng)用。

1無下發(fā)控制階段

樣機(jī)處于試驗階段，單機(jī)下井，主要驗證儀器的原理、考察測量精度，沒有顧及更復(fù)雜的應(yīng)用問題。此時中子儀器采用的是鉆后測方式：完井后，用鉆桿將儀器勻速推送到目的層。儀器到達(dá)測試目的層的時間以及完成對測量段的測量時間都可以大致估算確定，工作方式是：下井前預(yù)設(shè)延遲時間、工作時間，將工作參數(shù)寫給井下儀器的單片機(jī)存儲，下井后單片機(jī)自動運行程序，通過外圍電路控制中子發(fā)生器的啟動時間以及整個工作時間[3]。

這種情況下，主要的參考信息是可知的，中子儀器測井曲線是完整有效的。但此時中子儀器使用的局限性是顯而易見的。只有在完井后才能下儀器，儀器用鉆桿推送下去，為能計算出較準(zhǔn)確的中子發(fā)生器的工作時間，對于起鉆或者下鉆的速度要求很嚴(yán)格。

總之，這階段對于中子發(fā)生器的控制方式簡單，容易實現(xiàn)。但所適合的環(huán)境較理想，對儀器的穩(wěn)定性、可靠性做了驗證，沒有進(jìn)行有意義的實際隨鉆測井。

2開關(guān)泵命令控制階段

中子儀器與MWD系統(tǒng)聯(lián)接，在鉆進(jìn)過程中實時測井。此時不能預(yù)料鉆井進(jìn)度，雖然可以預(yù)設(shè)一個發(fā)生器工作的延遲時間，但無法預(yù)估發(fā)生器工作時長，這種情況下，都是將發(fā)生器的工作時間設(shè)置得足夠大。發(fā)生器的D-T中子管理想工作壽命在100 h左右[4]，用來供電的電池容量有限，在實際鉆井中，鉆井進(jìn)展順利時尚不能滿足全程測井工作，當(dāng)遇阻或者堵漏時則將白白浪費中子管壽命和井下電池電量。儀器在井下可能只得到短短幾十米的測量數(shù)據(jù)。因此在實鉆測量時對中子發(fā)生器的實時控制顯得十分必要。

MWD傳輸系統(tǒng)采用泥漿脈沖傳輸，泥漿泵的開或者關(guān)造成泥漿脈沖發(fā)生器上的壓力開關(guān)的通、斷，從而產(chǎn)生一個高或者低電平傳給驅(qū)動短節(jié)，井下驅(qū)動短節(jié)收到該電平后，會往總線上發(fā)送開泵或者關(guān)泵命令，此命令稱為廣播命令。泥漿脈沖傳輸速度很慢，傳輸一位數(shù)據(jù)需要0.8 s，資源十分緊張。下發(fā)命令除了廣播命令以外，就只有每種儀器各自的要數(shù)命令。開泵后，驅(qū)動短節(jié)自動輪發(fā)各個隨鉆測井儀器的要數(shù)命令，各儀器響應(yīng)后，上傳自己的測井?dāng)?shù)據(jù)給驅(qū)動短節(jié)，最終通過泥漿脈沖發(fā)生器產(chǎn)生泥漿脈沖信號，被立管壓力傳感器接收到，地面箱體解碼，傳給主機(jī)，地面軟件顯示。

根據(jù)上面的描述，我們能利用的只有開關(guān)泵命令。在實際工作中，鉆進(jìn)的時候都要開泵泥漿循環(huán)，因此用開泵引起的開泵命令來打開中子發(fā)生器，用關(guān)泵命令來關(guān)閉發(fā)生器，目的在停鉆的時候不會浪費中子管的壽命，也不會過多浪費電池電量。這種控制方式能夠成功打開或者關(guān)閉發(fā)生器。

但是，在應(yīng)用中，碰到停鉆循環(huán)、堵漏循環(huán)的情況時，開關(guān)泵十分頻繁，泥漿泵打開，中子發(fā)生器隨之打開；泥漿泵關(guān)閉，發(fā)生器隨之關(guān)閉。這時鉆頭沒有鉆進(jìn)，打開發(fā)生器沒有測量意義，更糟糕的是，發(fā)生器的打開和關(guān)閉太過頻繁，中子發(fā)生器高壓忽高忽無，造成了發(fā)生器的損壞，測井徹底失敗。

所以，這階段對中子發(fā)生器實現(xiàn)了實時控制，方式也比較簡單，容易實現(xiàn)。但所適合的環(huán)境也較理想，當(dāng)鉆井工況復(fù)雜時，這樣控制也不合理。

3開關(guān)泵命令序列控制的設(shè)計

3.1設(shè)計思路

單純用開關(guān)泵命令控制發(fā)生器，很可能對中子發(fā)生器造成損害。為此我們尋求一種開關(guān)泵命令組合來現(xiàn)實中子發(fā)生器的地面控制。APS公司的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)RSM(Rotary Steerable Motor)[5]下行通訊是通過循環(huán)泥漿泵來改變鉆井液排量，使其在特定的時間周期和特定的序列內(nèi)高于和低于特定的閥值排量來完成,如圖1所示。我們不具備控制鉆井液排量的手段，能操作的就就是關(guān)泵和開泵，由此產(chǎn)生的開、關(guān)泵命令使其各自保持一定的時間周期，以幾個開泵和關(guān)泵命令組合形成一個序列，做為一個下發(fā)命令控制中子發(fā)生器。

圖1　RSM系統(tǒng)的一種下發(fā)命令

基于以上思路，設(shè)計了發(fā)生器的開和關(guān)兩種命令，如圖2、圖3所示。兩種命令均采用五次開、關(guān)泵命令的組合，開泵狀態(tài)時間均保持在2 min，關(guān)泵狀態(tài)時間均保持在1 min。這種設(shè)計既避免對其他儀器誤操作，同時也考慮了在實際測井中的可操作性。

圖2　開發(fā)生器命令

圖3　關(guān)發(fā)生器命令

3.2發(fā)生器控制的實現(xiàn)

儀器采集部分與高壓控制部分并聯(lián)于總線上與系統(tǒng)通訊，如圖4所示。采集部分負(fù)責(zé)儀器數(shù)據(jù)的采集、存儲；高壓控制部分負(fù)責(zé)中子發(fā)生器的開和關(guān)。

圖4　采集部分、高壓控制部分與總線連接圖

發(fā)生器控制設(shè)計的具體實現(xiàn)如圖5所示。圖5為開、關(guān)泵命令處理流程圖，在地面實施開關(guān)泵為手動操作，其操作時間間隔有一定誤差，因此程序?qū)﹂_、關(guān)泵命令的識別設(shè)置了一個時間偏差范圍，開、關(guān)泵命令的偏差分別為±15 s和±10 s。

當(dāng)高壓控制部分識別到開/關(guān)發(fā)生器命令時，高壓控制板的單片機(jī)通過控制D/A轉(zhuǎn)換器的輸出來實現(xiàn)中子發(fā)生器的開/關(guān)。

圖5　開、關(guān)泵命令處理流程圖

命令序列的響應(yīng)成功與否通過下發(fā)要數(shù)命令給采集部分，從上傳的數(shù)據(jù)可以識別是否儀器響應(yīng)成功(見表1)。工作人員可根據(jù)實時上傳的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行相應(yīng)操作，直到儀器成功響應(yīng)發(fā)生器的開關(guān)命令。

3.3實驗驗證

完成了井下軟件的開發(fā)和單板調(diào)試工作，我們對中子發(fā)生器的控制功能進(jìn)行了實驗驗證，可控源中子儀器在中子發(fā)射場進(jìn)行了測試。實驗中我們通過串口調(diào)試軟件發(fā)送開泵和關(guān)泵命令，一個序列發(fā)完后，發(fā)要數(shù)命令查看響應(yīng)結(jié)果，如圖6所示。圖6中的AA 04 00 AE是關(guān)泵命令，AA 04 01 AF是開泵命令，24 04 A1 C9是中子儀器要數(shù)命令。實驗過程中，點“手動發(fā)送”下發(fā)開/關(guān)泵命令以組成開/關(guān)發(fā)生器序列，每次發(fā)送必須保證在規(guī)定的時間內(nèi)。實驗結(jié)果見表2，其中δti(i=1,2,3,4,5)是指開/關(guān)發(fā)生器命令序列中第i次開/關(guān)泵命令的發(fā)送時間偏離規(guī)定時間的誤差。從表2可以看出時間偏差在規(guī)定的范圍內(nèi)，儀器都能正常響應(yīng)。

表1　儀器對發(fā)生器開、關(guān)命令響應(yīng)的問題及處理方案

圖6　實驗測試圖

序列δt1/sδt2/sδt3/sδt4/sδt5/s響應(yīng)開發(fā)生器序列2-3-454響應(yīng)正常13-573響應(yīng)正常-26-72-6響應(yīng)正常1-5583響應(yīng)正常32-3-61響應(yīng)正常關(guān)發(fā)生器序列-274-82響應(yīng)正常15-3-2-5響應(yīng)正常8-95-30響應(yīng)正常-253-64響應(yīng)正常25-673響應(yīng)正常

本次實驗環(huán)境較為理想，在實鉆中考慮到開/關(guān)泵時間不準(zhǔn)確、泥漿壓力傳感隨著時間變化等不確定因素的增多，都將成為干擾因素[6]。但如表1中，若單次的命令序列沒有被成功響應(yīng)，可以再次手動發(fā)送直到儀器成功響應(yīng)。

4結(jié)論

本文基于開關(guān)泵命令對隨鉆可控源中子儀器的中子發(fā)生器實時控制進(jìn)行了設(shè)計、軟件開發(fā)、單板調(diào)試和實驗驗證等工作。實驗結(jié)果表明：

1)從設(shè)計思路上來講，成功的利用了隨鉆測井系統(tǒng)里的開關(guān)泵命令(廣播命令)，并使用組合序列避免不必要的開/關(guān)中子發(fā)生器。

2)成功實現(xiàn)了實時對隨鉆可控源中子儀器的中子發(fā)生器開關(guān)控制，在實鉆作業(yè)中，將可以延長中子管的有效使用時間和井下電池的供電時間。

3)在野外實鉆環(huán)境中，手動操作、泥漿脈沖信號衰減等不確定因素可能會導(dǎo)致單次開/關(guān)發(fā)生器序列命令未能成功響應(yīng)，可以通過重復(fù)發(fā)送直到儀器成功響應(yīng)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李安宗，秦泓江，王 珺，等.隨鉆可控源中子測井儀器研究[J].石油鉆采工藝,2011,33(5):105-109.

[2] 呂俊濤.脈沖中子發(fā)生器高壓控制系統(tǒng)的自動控制設(shè)計[J].同位素，2008,21(3):155-160.

[3] 閆水浪.隨鉆可控源中子測井儀研究[D].中國石油大學(xué),2010.

[4] 梁峰，吳軍隨，麻惠生.耐高溫長壽命測井中子管[J].測井技術(shù)，1999,23(1):62.

[5] APS公司.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向螺桿(RSM675)[EB/OL].[2015-02-10].http://www.aps-tech.com /chi/.

[6] 楊謙.泥漿脈沖器脈沖發(fā)生機(jī)理研究[D].吉林大學(xué),2011.

Controlling Neutron Generator of CNP Tool Based on Pump Switch Command

GUO GuangLiu1,2,AN Lvxing2,CHEN Xutao2,LI Xining3,WANG Junchao1,2,YANG Zhiliang2,QIN Hongjiang2

(1.Xi′an Shiyou University,Xi′an,Shaanxi 710065,China; 2.LWD Logging Center,China Petroleum Logging Co.Ltd.,Xi′an,Shaanxi 710065,China; 3.Changqing Division,China Petroleum Logging Co.Ltd.,Xi′an,Shaanxi 710201,China;)

Abstract：Controllable Neutron Porosity(CNP) logging while drilling tool adopts neutron generator as radioactive source in logging.So the life of neutron tube and batteries in the tool would be consumed greatly in practical work.In order to save the working time of the neutron tube and battery,real-time control of the generator is needed.The design method for the neutron generator responsing to the mud-pump command is proposed.Considering the variety of factors,two pump-on and pump-off commands as sequences are used to control the generator while logging.The experiments show that the command sequences can successfully control the generator in the tool，and the instrument can obtain more effective logging data.

Key words：controllable neutron porosity LWD tool；D-T neutron generator；mud pump

基金項目：中國石油集團(tuán)測井有限公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項目(CPL2013-D03)

第一作者簡介：郭廣鎏，男，1977年生，2002年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院計算機(jī)軟件專業(yè)，目前在中國石油集團(tuán)測井有限公司隨鉆測井中心從事隨鉆中子儀器研發(fā)工作。E-mail：dqggliu@sina.com

中圖法分類號：P631.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)03-0028-04

(收稿日期：2015-10-19編輯：屈憶欣)