朱祖揚(yáng) ， 倪衛(wèi)寧 ， 張 衛(wèi) ， 米金泰 ， 鄭奕挺

（1. 頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2. 中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)的深入，特別是復(fù)雜油氣藏、非常規(guī)油氣藏的勘探開(kāi)發(fā)，對(duì)隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向的需求越來(lái)越大，目前大多數(shù)隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向測(cè)井都包含自然伽馬探測(cè)和電阻率探測(cè)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中隨鉆伽馬測(cè)井儀和隨鉆電阻率測(cè)井儀幾乎成為標(biāo)配的儀器[1-3]。國(guó)外隨鉆伽馬測(cè)井儀[4-7]已經(jīng)形成了系列化產(chǎn)品，例如，Schlumberger公司MWD/LWD儀器中測(cè)量自然伽馬的有EcoScope、GeoVision、PeriScope、ArcVision、SlimPulse和 IPZIG，Halliburton公司的隨鉆伽馬測(cè)井儀有GABI、AGR、ABG及DGR等，其中GABI、AGR和ABG可以提供方位伽馬成像。隨鉆電阻率測(cè)井儀[8-9]出現(xiàn)的時(shí)間比隨鉆伽馬測(cè)井儀早，先后研發(fā)了不同外徑的測(cè)井儀，如Schlumberger公司的ARC475、Halliburton 公司的EWR和Baker Hughes公司的MPR等，這些測(cè)井儀器主要在鉆鋌直徑、工作頻率、發(fā)收線圈個(gè)數(shù)和間距等方面有所區(qū)別。國(guó)內(nèi)通過(guò)技術(shù)引進(jìn)、應(yīng)用和研發(fā)，隨鉆測(cè)井技術(shù)取得了較大進(jìn)步。中油測(cè)井公司從Halliburton公司引進(jìn)了第一套MWD/LWD儀器，經(jīng)過(guò)技術(shù)消化和吸收，研制了自己的隨鉆測(cè)量?jī)x器；中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院研制出了CGDS-Ⅰ鉆井系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)測(cè)量近鉆頭電阻率、方位電阻率、自然伽馬、近鉆頭井斜角和工具面等數(shù)據(jù)；中國(guó)石化研制出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的隨鉆自然伽馬測(cè)量?jī)x和近鉆頭方位伽馬測(cè)量?jī)x。

從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用來(lái)看，多功能隨鉆測(cè)井儀不僅可以降低儀器的生產(chǎn)成本、簡(jiǎn)化鉆具組合，還可以降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)，Baker Hughes公司研制的OnTrak儀器可以測(cè)量電磁波電阻率、方位伽馬、環(huán)空壓力和溫度等參數(shù)；目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有開(kāi)展這方面的研究?；谏鲜鲂枨?，筆者將常用的電磁波電阻率測(cè)井儀和伽馬測(cè)井儀集成到一個(gè)短節(jié)，開(kāi)展了隨鉆一體化測(cè)井儀集成平臺(tái)的研究，統(tǒng)一了2種儀器的發(fā)射電路、接收電路和中央控制電路，統(tǒng)一了數(shù)據(jù)協(xié)議和通訊方式，一次下鉆便能測(cè)量電阻率和伽馬數(shù)據(jù)，并能夠?qū)Φ貙舆M(jìn)行多深度探測(cè)，可以為大斜度井和水平井的地質(zhì)導(dǎo)向鉆井提供技術(shù)支持。

1 隨鉆測(cè)井儀平臺(tái)研發(fā)

隨鉆一體化測(cè)井儀包括天線設(shè)計(jì)、伽馬探測(cè)器設(shè)計(jì)、鉆鋌骨架設(shè)計(jì)和硬件電路平臺(tái)開(kāi)發(fā)，由于前3部分主要是天線安裝、傳感器模塊安裝和鉆鋌本體加工，技術(shù)已經(jīng)成熟，在此不展開(kāi)介紹。硬件電路平臺(tái)集成了常規(guī)隨鉆電磁波電阻率[10-12]和隨鉆伽馬測(cè)井儀的基本功能，不僅可以測(cè)量電阻率和伽馬數(shù)據(jù)，也可以測(cè)量井斜角和方位角。硬件電路包括中央控制電路、發(fā)射電路和接收電路，傳感器包括伽馬探管、加速度計(jì)和磁通門(mén)，電磁波電阻率的測(cè)量由6個(gè)發(fā)射線圈（3個(gè)上發(fā)射線圈和3個(gè)下發(fā)射線圈）和2個(gè)接收線圈實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。發(fā)射電路產(chǎn)生的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路和調(diào)諧電路后驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈發(fā)射電磁波信號(hào)，接收電路把接收線圈的電壓信號(hào)進(jìn)行放大、調(diào)理和采集，中央控制電路統(tǒng)一負(fù)責(zé)控制發(fā)射、接收電路的工作時(shí)序，并進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。該硬件電路還提供2路RS485通訊接口，第一路RS485通訊接口設(shè)置了較高的通訊速率，負(fù)責(zé)硬件平臺(tái)和上位機(jī)軟件平臺(tái)（Toolgo）的聯(lián)系，例如設(shè)置硬件的RTC時(shí)間和下載Flash數(shù)據(jù)；第二路RS485通訊接口設(shè)置了較低的通訊速率，負(fù)責(zé)硬件平臺(tái)與MWD儀器的聯(lián)系，實(shí)時(shí)傳輸伽馬、電阻率、井斜角和方位角等數(shù)據(jù)。

根據(jù)該平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求，需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的固件程序和測(cè)試軟件，以實(shí)現(xiàn)以下功能：1）儀器基本參數(shù)的配置，時(shí)鐘同步和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；2）大容量存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的下載；3）加速度計(jì)和磁通門(mén)測(cè)量數(shù)據(jù)的提取，計(jì)算井斜角和方位角；4）電磁波波形、相移電阻率和衰減電阻率的提??；5）伽馬測(cè)量數(shù)據(jù)的提取，多扇區(qū)成像圖處理。

2 數(shù)據(jù)協(xié)議定義

中央控制電路不僅要管理發(fā)射電路和接收電路，還要與上位機(jī)軟件平臺(tái)、MWD儀器通信，需要執(zhí)行的指令多達(dá)幾十條甚至高達(dá)一百多條，因此有必要建立底層數(shù)據(jù)協(xié)議。

2.1 儀器和功能操作的定義

數(shù)據(jù)協(xié)議的一項(xiàng)重要內(nèi)容就是定義儀器和功能操作的身份代號(hào)，主要有4類：1）隨鉆測(cè)井儀和設(shè)備代號(hào)，在圖1中用（A）—（F）標(biāo)出了儀器、設(shè)備的位置；2）測(cè)量參數(shù)代號(hào)，測(cè)量參數(shù)包括電阻率、伽馬、加速度和磁通量，每個(gè)測(cè)量參數(shù)又包含了開(kāi)始和停止提取測(cè)量參數(shù)2個(gè)操作，因此均有2個(gè)操作代號(hào)，在圖1中用①—④標(biāo)出了各個(gè)測(cè)量傳感器的位置；3）功能操作代號(hào)，功能操作包括儀器時(shí)鐘同步、時(shí)鐘信息實(shí)時(shí)更新、存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)下載、存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)擦除和儀器版本號(hào)獲取等相關(guān)操作，如表1所示。

2.2 數(shù)據(jù)通訊方式定義

數(shù)據(jù)通訊包含發(fā)送指令數(shù)據(jù)包和接收反饋數(shù)據(jù)包，每幀數(shù)據(jù)包含有【命令頭】、【信息】和【校驗(yàn)和】等3部分，【命令頭】由4個(gè)字節(jié)組成，前3個(gè)字節(jié)分別表示3支儀器或者設(shè)備地址的代號(hào)，第4個(gè)字節(jié)表示要發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，等于【信息】長(zhǎng)度和【校驗(yàn)和】長(zhǎng)度之和，【信息】包括測(cè)量參數(shù)、波形、時(shí)間和儀器信息等數(shù)據(jù)，【校驗(yàn)和】是2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，采用了循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）生成校驗(yàn)和數(shù)據(jù)。每幀數(shù)據(jù)格式定義如圖2所示，例如【命令頭】X1、X2、X5、08，表示該儀器是一體化測(cè)井儀，發(fā)送數(shù)據(jù)的目標(biāo)地址是中央控制電路，該數(shù)據(jù)發(fā)自計(jì)算機(jī)，要發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是8個(gè)字節(jié)，【信息】18、06、12、09、37、20，信息長(zhǎng)度是6個(gè)字節(jié)，【校驗(yàn)和】是48、71的2個(gè)字節(jié)，表示校驗(yàn)和為0×4871（十六進(jìn)制表示）。

圖2 一幀數(shù)據(jù)格式定義Fig. 2 Definition of one-frame data format

3 固件程序和測(cè)試軟件開(kāi)發(fā)

3.1 數(shù)據(jù)的采集原理

硬件電路負(fù)責(zé)采集和存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括伽馬值、電阻率、加速度和磁通量等測(cè)量數(shù)據(jù)，還存儲(chǔ)了時(shí)鐘等信息。電阻率的測(cè)量過(guò)程較為復(fù)雜，發(fā)射電路需要選擇發(fā)射線圈和發(fā)射頻率，接收電路采集完數(shù)據(jù)以后，需要將線圈距、頻率、增益等參數(shù)連同采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給中央控制電路，中央控制電路把這些未經(jīng)處理的原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到Flash芯片，并在這些數(shù)據(jù)打上時(shí)間標(biāo)簽。中央控制電路依次發(fā)送指令給發(fā)射電路和接收電路，通過(guò)執(zhí)行指令獲取電阻率數(shù)據(jù)。中央控制電路發(fā)送如表2所示的12條指令，才能使所有的發(fā)射線圈工作，并發(fā)射不同頻率的電磁波信號(hào)。發(fā)射線圈控制命令格式，頻率代號(hào)有2種，F(xiàn)2表示500 kHz，F(xiàn)3表示2 MHz；線圈位置代號(hào)有6種，S1表示近距離上部線圈，S2表示近距離下部線圈，S3表示中距離上部線圈，S4表示中距離下部線圈，S5表示遠(yuǎn)距離上部線圈，S6表示遠(yuǎn)距離下部線圈。

接收電路采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)第二路RS485總線發(fā)送到中央控制電路（或MWD儀器），發(fā)送的數(shù)據(jù)包含幅度衰減、相位差數(shù)據(jù)和波形數(shù)據(jù)，其中幅度衰減、相位差數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符為P1，波形數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符為P2，這2種數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)符分別為L(zhǎng)1和L2。發(fā)送的數(shù)據(jù)里還包含線圈距、頻率設(shè)置、增益設(shè)置和校驗(yàn)碼。每一幀數(shù)據(jù)的最后2個(gè)字節(jié)為設(shè)置的校驗(yàn)碼，這就為發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊提供了保障。發(fā)送設(shè)備每發(fā)送一包數(shù)據(jù)，都要計(jì)算一次CRC校驗(yàn)碼，并將該計(jì)算結(jié)果和數(shù)據(jù)一起發(fā)送給接收方，接收設(shè)備接收到數(shù)據(jù)再計(jì)算一次CRC校驗(yàn)碼，并將該計(jì)算結(jié)果和發(fā)送的CRC校驗(yàn)碼進(jìn)行比較，如果二者相等，說(shuō)明發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊沒(méi)有錯(cuò)誤。

表2 發(fā)射板數(shù)據(jù)格式Table2 Data format of transmitting circuit

3.2 數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收

固件程序?qū)崿F(xiàn)了CRC碼的計(jì)算、串口的連接和數(shù)據(jù)的發(fā)送等操作，這些操作能夠滿足中央控制電路和其他設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊，從而對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行管理，實(shí)時(shí)發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。每幀數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收流程如圖3所示，原始數(shù)據(jù)包括時(shí)鐘信息、伽馬值、電阻率的幅度衰減和相位差等數(shù)據(jù)，用到了3個(gè)函數(shù)，一個(gè)是生成校驗(yàn)碼函數(shù)，一個(gè)是串口通訊（包括串口發(fā)送、串口接收）函數(shù)，還有一個(gè)是發(fā)送指令函數(shù)，包括了CRC碼的計(jì)算、串口的連接和數(shù)據(jù)的發(fā)送等操作。

圖3 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的流程Fig. 3 Process of sending and receiving data

3.3 數(shù)據(jù)的圖形化處理

隨鉆一體化測(cè)井儀平臺(tái)提供了2種數(shù)據(jù)處理方式：1）儀器處于標(biāo)定測(cè)試階段，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各類測(cè)量數(shù)據(jù)，及時(shí)掌握儀器的工作性能和修正儀器的工作參數(shù)；2）鉆井過(guò)程中，井下一些基本測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)鉆井液脈沖等傳輸方式上傳至地面，同時(shí)所有測(cè)量數(shù)據(jù)和成像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到Flash芯片上。儀器的這種多樣化工作模式?jīng)Q定了硬件電路和上位機(jī)軟件之間有不同的數(shù)據(jù)處理流程，即硬件電路負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)。當(dāng)硬件電路和上位機(jī)軟件建立起通訊后產(chǎn)生數(shù)據(jù)流。硬件電路對(duì)數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是原始的數(shù)據(jù)，包含命令頭和校驗(yàn)和等信息。上位機(jī)軟件按照通訊協(xié)議解讀數(shù)據(jù)流，提取出電阻率、伽馬值、加速度和磁通量等測(cè)量數(shù)據(jù)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)圖形化，圖形化流程如圖4所示。圖形化即繪制出電阻率、加速度和磁通量數(shù)據(jù)曲線，根據(jù)伽馬繪制圖像。測(cè)量數(shù)據(jù)圖形化使用了 MoveTo、LineTo、FillSolidRect和 BitBlt等繪圖函數(shù)，利用MoveTo和LineTo函數(shù)繪制直線，利用FillSolidRect函數(shù)繪制矩形并填充顏色，利用BitBlt函數(shù)將內(nèi)存中的圖像復(fù)制到屏幕上。

圖4 數(shù)據(jù)圖形化流程Fig. 4 Data graphics processing flow

3.3.1 繪制曲線算法

以繪制電阻率曲線為例，當(dāng)硬件電路持續(xù)不斷給上位機(jī)軟件發(fā)送數(shù)據(jù)流時(shí)，上位機(jī)軟件首先檢測(cè)j的值，依據(jù)此值選擇畫(huà)線通道j，并把數(shù)據(jù)流依次賦值給該通道數(shù)組ch[12][256]，表達(dá)式為ch[j][255]=。每接收一個(gè)電阻率數(shù)據(jù)，通道數(shù)組就從后向前移動(dòng)一個(gè)數(shù)據(jù)，然后把新接收到的電阻率數(shù)據(jù)賦給通道數(shù)組的尾部。通道數(shù)組賦值后，在畫(huà)圖窗口利用MoveTo函數(shù)和LineTo函數(shù)繪制ch[j][256]的一共256個(gè)數(shù)據(jù)的曲線，繪制電阻率曲線的流程如圖5所示。

圖5 繪制電阻率曲線的流程Fig. 5 Flow of resistivity curve drawing

3.3.2 成像算法

以伽馬成像圖為例，當(dāng)硬件電路持續(xù)不斷給上位機(jī)軟件發(fā)送數(shù)據(jù)流Gam[8]時(shí)，上位機(jī)軟件把這8個(gè)數(shù)據(jù)賦值給扇區(qū)數(shù)組Sec[8][256]，表達(dá)式為Sec[8][255]=Gam[8]。每接收一組伽馬數(shù)據(jù)，扇區(qū)數(shù)組就從后向前移動(dòng)一行數(shù)據(jù)，然后把新的一組伽馬數(shù)據(jù)賦給扇區(qū)數(shù)組的最后行。由于伽馬數(shù)據(jù)是一組0～300數(shù)值的數(shù)據(jù)，而不是RGB顏色值，因此需要把伽馬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為顏色值，直接的辦法就是查表，把伽馬數(shù)據(jù)作為索引值，獲得相應(yīng)的RGB顏色值，如表3所示。扇區(qū)數(shù)組賦完值后，然后根據(jù)伽馬數(shù)據(jù)進(jìn)行查表，把Sec[8][256]轉(zhuǎn)換為3個(gè)扇區(qū)數(shù)組Sec_r[8][256]，Sec_g[8][256]，Sec_b[8][256]，分別對(duì)應(yīng) RGB的3個(gè)顏色值。在畫(huà)圖窗口用FillSolidRect函數(shù)繪制8×256個(gè)方塊，每個(gè)方塊用對(duì)應(yīng)扇區(qū)數(shù)組Sec_r，Sec_g和Sec_b代表的顏色值進(jìn)行填充，然后用BitBlt函數(shù)從將內(nèi)存中的圖像復(fù)制到屏幕上，伽馬成像的流程如圖6所示。

表3 索引值表Table3 Index value table

4 開(kāi)發(fā)實(shí)例

隨鉆一體化測(cè)井儀下井前必須進(jìn)行儀器時(shí)鐘同步，時(shí)間信息將和測(cè)量的數(shù)據(jù)一起實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，時(shí)間信息準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到時(shí)深轉(zhuǎn)換的精度。井下隨鉆一體化測(cè)井儀進(jìn)行伽馬、電阻率、加速度和磁通量等數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，對(duì)于刻度井這些數(shù)據(jù)要實(shí)時(shí)上傳到地面進(jìn)行分析。測(cè)井結(jié)束后或者由于鉆井原因（例如更換鉆頭）中途起鉆，隨鉆一體化測(cè)井儀要從井眼里取出，在地面下載數(shù)據(jù)。因此時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)下載、伽馬和電阻率數(shù)據(jù)操作是十分重要的工作，加速度和磁通量等數(shù)據(jù)也同樣重要，井斜角和工具面的計(jì)算需要用到這些數(shù)據(jù)，從固件程序開(kāi)發(fā)角度而言，這些數(shù)據(jù)的處理過(guò)程和電阻率數(shù)據(jù)的處理過(guò)程是一樣的，因此在下面不再作介紹。

圖6 伽馬成像流程Fig. 6 Flow of Gamma imaging

4.1 時(shí)鐘同步和更新

中央控制電路時(shí)鐘同步和更新流程如圖7所示。固件程序初始化時(shí)，會(huì)給時(shí)鐘設(shè)定一個(gè)初始時(shí)間，包括年月日時(shí)分秒和毫秒數(shù)據(jù)，這個(gè)初始時(shí)間只是一個(gè)參考時(shí)間，并不能直接用于時(shí)間信息計(jì)算。時(shí)鐘同步就是通過(guò)外部設(shè)備（例如計(jì)算機(jī)）輸入正確的時(shí)鐘數(shù)據(jù)，更新電路上的時(shí)鐘數(shù)據(jù)，從而使電路時(shí)鐘和外部設(shè)備時(shí)鐘同步。例如當(dāng)前時(shí)間是2018年6月20日（星期三）10時(shí)4分5秒30毫秒，外部設(shè)備一共輸入9個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，其中年占2個(gè)字節(jié)，其他的各占1個(gè)字節(jié)，這9個(gè)字節(jié)是14 12 06 14 03 0A 04 05 1E，最終外部設(shè)備（計(jì)算機(jī)）發(fā)送給中央控制電路的時(shí)鐘同步命令是：X1 X2 X5 0C X15 14 12 06 14 03 0A 04 05 1E AA F7，前4個(gè)字節(jié)是命令頭，第5個(gè)字節(jié)（X15）是時(shí)鐘同步操作代號(hào)，中央控制電路接收到這條指令后立即同步本地時(shí)鐘。

外部設(shè)備（計(jì)算機(jī)）給中央控制電路時(shí)鐘發(fā)送更新命令：X1 X2 X5 03 X16 d7 E1，中央控制電路接收到后立即向外部設(shè)備（PC機(jī)）發(fā)送本地時(shí)鐘數(shù)據(jù)：X1 X5 X2 08 X22 X16 1B F3 E1 54 FC 07。時(shí)鐘數(shù)據(jù)前4個(gè)字節(jié)是命令頭，第5個(gè)字節(jié)（X22）是計(jì)算機(jī)的確認(rèn)信息，第6個(gè)字節(jié)（X16）是時(shí)鐘更新操作代號(hào)，第7至第10個(gè)字節(jié)是時(shí)鐘信息，即1B F3 E1 54，寫(xiě)成二進(jìn)制格式為 00011011 11110011 11100001 01010100，一共是32位，低1位至低5位10100表示天，低6位至低10位01010表示時(shí)，低11位至低16位111000表示分，低17位至低22位110011表示秒，低23位至低32位0001101111表示毫秒，因此發(fā)送的時(shí)鐘數(shù)據(jù)是20日10時(shí)56分51秒111毫秒。

圖7 時(shí)鐘同步和更新流程Fig. 7 Clock synchronization and update process

4.2 數(shù)據(jù)快速下載

中央控制電路遵循“即采即存”的原則，采集完一次數(shù)據(jù)，立即存入到Flash芯片。每片F(xiàn)lash芯片有2 048個(gè)數(shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊有128個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)，每個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)有4 096個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，因此總共能存儲(chǔ)1G字節(jié)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式是先存4個(gè)字節(jié)的時(shí)間信息，再存4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)類型，最后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息（包括2個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)碼）。從Flash提取數(shù)據(jù)是以頁(yè)為單位，F(xiàn)lash實(shí)際存儲(chǔ)多少頁(yè)，則向外發(fā)送多少頁(yè)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)快速下載流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)快速下載流程Fig. 8 Data fast download process

外部設(shè)備（計(jì)算機(jī)）向中央控制電路發(fā)送命令：X1 X2 X5 03 X17 1B E0，中央控制電路從Flash起始頁(yè)開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)到外部設(shè)備（計(jì)算機(jī)）。外部設(shè)備（計(jì)算機(jī)）收到反饋命令：X1 X5 X2 08 X22 X17 00 00 08 BE F7 FE，反饋命令的前4個(gè)字節(jié)是命令頭，第5個(gè)字節(jié)（X22）是計(jì)算機(jī)確認(rèn)信息，第6個(gè)字節(jié)（X17）是Flash數(shù)據(jù)下載操作代號(hào)，第7至第10個(gè)字節(jié)是下載數(shù)據(jù)的數(shù)量，一共是2 238（0×000008BE）個(gè)數(shù)據(jù)，在該條命令后面會(huì)連續(xù)收到2 238個(gè)數(shù)據(jù)。如果Flash是滿頁(yè)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，即存了1 G的數(shù)據(jù)，外部設(shè)備（計(jì)算機(jī)）通過(guò)RS485串口接收（波特率115.2 kb/s）這些數(shù)據(jù)至少要用時(shí)2 h，如果考慮數(shù)據(jù)要進(jìn)行中間處理（例如拷貝和保存文件），接收這些數(shù)據(jù)所用時(shí)間可達(dá)10 h以上。因此外部設(shè)備（計(jì)算機(jī)）在接收數(shù)據(jù)過(guò)程中要盡量一次接收多個(gè)（例如30 000）字節(jié)的數(shù)據(jù)，然后再打包保存到文件中，以減少中間操作次數(shù)。

4.3 電阻率曲線處理

隨鉆一體化測(cè)井儀使用了6個(gè)發(fā)射線圈和2個(gè)接收線圈來(lái)發(fā)射、接收電磁波信號(hào)，按照接收源距和發(fā)射頻率劃分為12條電阻率曲線，能夠提供不同探測(cè)深度的相位差和幅度衰減數(shù)據(jù)[13-15]，從而滿足地質(zhì)導(dǎo)向和地質(zhì)評(píng)價(jià)需求，具體電阻率曲線類型如表4所示。

例如，中央控制電路向發(fā)射電路發(fā)送命令：A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 F2 S1，發(fā)射電路選擇500 kHz的頻率信號(hào)和近距離上部線圈發(fā)射電磁波信號(hào)，接收電路采集2個(gè)接收線圈接收到的電磁波信號(hào)。接收電路計(jì)算電磁波相位差和幅度衰減，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)、相位差和幅度衰減數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)總線向外發(fā)送這些數(shù)據(jù)。中央控制電路向外部設(shè)備（計(jì)算機(jī)）發(fā)送從接收電路接收到的波形數(shù)據(jù)，外部設(shè)備（計(jì)算機(jī)）在軟件平臺(tái)上實(shí)時(shí)繪制電磁波的波形，如圖9所示。從圖9可以看出，相同源距時(shí)500 kHz信號(hào)的峰峰值要大于2 MHz信號(hào)的峰峰值，相同頻率時(shí)遠(yuǎn)源距信號(hào)的峰峰值要小于中源距信號(hào)的峰峰值。

表4 接收電阻率曲線類型Table4 The types of receiving resistivity curves

圖9 電磁波的波形Fig.9 Waveform of electromagnetic wave

4.4 伽馬成像數(shù)據(jù)的處理

伽馬成像數(shù)據(jù)是通過(guò)伽馬探管在8個(gè)扇區(qū)進(jìn)行計(jì)數(shù)獲得，這些數(shù)據(jù)按方位角展開(kāi)在一張成像圖上。對(duì)伽馬成像圖進(jìn)行插值處理，通過(guò)線性插值把8個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)拓展到64個(gè)扇區(qū)，從而使伽馬成像圖平滑連續(xù)。如果外部設(shè)備（計(jì)算機(jī)）向中央控制電路發(fā)送命令：X1 X2 X5 03 X9 DD E1，中央控制電路首先返回一條確認(rèn)指令：X1 X5 X2 08 X22 X9 00 00 00 00 86 98，確認(rèn)指令的前4個(gè)字節(jié)是命令頭，第5個(gè)字節(jié)（X22）是計(jì)算機(jī)確認(rèn)信息，第6個(gè)字節(jié)（X9）是伽馬監(jiān)測(cè)操作代號(hào)，第7至第10個(gè)字節(jié)（0×00 0×00 0×00 0×00）是保留位。然后中央控制電路向外部設(shè)備（計(jì)算機(jī)）每隔1 s發(fā)送一次8個(gè)扇區(qū)的伽馬數(shù)據(jù)，軟件平臺(tái)通過(guò)成像算法對(duì)伽馬數(shù)據(jù)成像。

伽馬成像圖插值方法有線性插值和雙曲線插值等方法，線性插值方法簡(jiǎn)單但成像精度較低，雙曲線插值方法復(fù)雜但成像精度較高。筆者采用線性插值方法，每2個(gè)伽馬數(shù)據(jù)之間插入8個(gè)點(diǎn)。例如，8個(gè)伽馬數(shù)據(jù)分別是，則插值后的數(shù)據(jù)是：

每個(gè)成像圖橫軸是扇區(qū)數(shù)，縱軸是深度，軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了8個(gè)扇區(qū)伽馬數(shù)據(jù)的成像處理，插值前的成像圖效果較差，扇區(qū)之間的圖形分界線很明顯，插值后的成像圖效果較好，扇區(qū)之間圖形平滑連續(xù)（見(jiàn)圖 10）。

圖10 伽馬成像圖Fig. 10 Gamma imaging

5 結(jié)論與建議

1）隨鉆一體化測(cè)井儀不僅能夠測(cè)量地層的伽馬值，還能夠測(cè)量地層的電阻率，能夠應(yīng)用于地質(zhì)導(dǎo)向鉆井，相較于常規(guī)隨鉆伽馬和隨鉆電磁波電阻率測(cè)井儀，不僅降低了儀器生產(chǎn)成本，而且提高了儀器施工效率。

2）在現(xiàn)有隨鉆測(cè)井儀的硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，改進(jìn)了固件程序功能，重新定義了底層數(shù)據(jù)協(xié)議和數(shù)據(jù)通訊方式，能夠處理各種指令，計(jì)算和快速存儲(chǔ)加速度、磁通量、伽馬和電阻率等測(cè)量數(shù)據(jù)，并在接收到外部設(shè)備發(fā)送的命令后，能夠轉(zhuǎn)發(fā)計(jì)算結(jié)果。

3）開(kāi)發(fā)的上位機(jī)測(cè)試軟件和固件程序執(zhí)行相同的數(shù)據(jù)協(xié)議，能夠控制硬件平臺(tái)，同步電路時(shí)鐘和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)間信息，快速下載Flash芯片存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，提?。ㄙゑR、電阻率等）測(cè)量數(shù)據(jù)和進(jìn)行圖形化處理，監(jiān)控儀器工作狀態(tài)。

4）隨鉆一體化測(cè)井儀的固件程序和上位機(jī)測(cè)試軟件已經(jīng)通過(guò)了調(diào)零等多種功能的測(cè)試，達(dá)到了下井試驗(yàn)的要求。為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)整套儀器的綜合性能，建議開(kāi)展不同油區(qū)、不同井型的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，盡快實(shí)現(xiàn)該套儀器的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。