龔名茂　屈召貴

摘? 要：為了能描述鉆井井眼的軌跡，使用光纖陀螺儀來(lái)測(cè)量井眼的深度、井斜角、方位角等參數(shù)。但由于光纖陀螺儀功耗高、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出，導(dǎo)致電池供電時(shí)續(xù)航時(shí)間不夠、數(shù)據(jù)不便于傳輸?shù)葐栴}，設(shè)計(jì)了專門用于超高溫鉆孔軌跡測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù)記錄儀，該記錄儀能在不超過125℃溫度范圍內(nèi)將陀螺儀發(fā)來(lái)的軌跡數(shù)據(jù)經(jīng)CRC校驗(yàn)后，寫入到FLASH存儲(chǔ)器中，并加上RTC時(shí)間戳，杜瓦瓶外環(huán)境溫度等信息。在測(cè)量完成后，接上計(jì)算機(jī)，即可讀出軌跡數(shù)據(jù)，并通過軟件擬合，得到井眼的軌跡。本設(shè)計(jì)已用于青海某干熱巖鉆探項(xiàng)目，經(jīng)試驗(yàn)證明了該設(shè)計(jì)的耐高溫可靠性和數(shù)據(jù)記錄的正確性。

關(guān)鍵詞：超高溫;井眼軌跡;記錄儀;CRC校驗(yàn);FLASH

中圖分類號(hào)：P634.3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）29-0040-02

Abstract： In order to describe the trajectory of the drilling hole， the optical fiber gyroscope is used to measure the wellbore depth， well deviation angle， azimuth angle and so on. However， due to the high power consumption and real-time data output of fiber optic gyroscope， the battery power supply is not enough and the data is not easy to transmit. A data recorder specially used for ultra-high temperature drilling trajectory measuring instrument is designed. The recorder can write the track data sent by the gyroscope into the FLASH memory after being verified by CRC in the temperature range not exceeding 125℃， and add the information such as RTC time stamp， environment temperature outside the Dewar bottle and so on. After the measurement is completed， the trajectory data can be read out by connecting with the computer， and the trajectory of the wellbore can be obtained by software fitting. This design has been used in a dry hot rock drilling project in Qinghai. The high temperature reliability of the design and the correctness of data recording are proved by experiments.

Keywords： ultra-high temperature; wellbore trajectory; recorder; CRC calibration; FLASH

引言

陀螺測(cè)斜儀也稱之為陀螺測(cè)斜探管，是鉆井工程中評(píng)估鉆井施工質(zhì)量的重要儀器，其主要功能是測(cè)量井眼的井斜角和方位角等參數(shù)[1]。在測(cè)量完畢將探管提出井眼后，取出其中的數(shù)據(jù)記錄儀，將其通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接，由計(jì)算機(jī)中的測(cè)量軟件讀出探管中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和擬合，即可間接求得各測(cè)點(diǎn)的空間位置，從而獲得井眼的軌跡數(shù)據(jù)。

但陀螺測(cè)斜儀功耗高、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出，且必須在靜止?fàn)顟B(tài)才能測(cè)量到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)[2]，因此，為了方便測(cè)量和記錄陀螺測(cè)斜儀的數(shù)據(jù)，還需要配套的數(shù)據(jù)記錄儀來(lái)記錄陀螺測(cè)斜儀的數(shù)據(jù)，該記錄儀需要具備RTC時(shí)間，從而與井上操作人員保持時(shí)間同步，使得陀螺測(cè)斜儀在預(yù)定的測(cè)量時(shí)間點(diǎn)上保持靜止?fàn)顟B(tài);需要具備較大容量的耐高溫?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，記錄陀螺測(cè)斜儀發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。由于探管內(nèi)溫度可達(dá)120℃左右，數(shù)據(jù)記錄儀必須具備耐高溫的特性。本文重點(diǎn)介紹耐高溫鉆孔軌跡數(shù)據(jù)記錄儀的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。

1 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)超高溫鉆孔軌跡數(shù)據(jù)記錄儀的技術(shù)要求，本設(shè)計(jì)需要將加速度計(jì)信號(hào)、光纖陀螺信號(hào)和溫度傳感器信號(hào)通過RS232接口接收并寫入到存儲(chǔ)器中，在測(cè)量完成后，取出數(shù)據(jù)記錄儀，連接上位機(jī)將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并計(jì)算井眼的井斜角、方位角、溫度等參數(shù)。因此，系統(tǒng)需要具備RS232通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、RTC時(shí)鐘、光纖陀螺電源控制等單元電路，其方案設(shè)計(jì)的總體框圖如圖1所示。其中，控制器使用MicroChip公司的PIC18F2520-E單片機(jī)，存儲(chǔ)芯片同樣為MicroChip公司的25LC1024-E存儲(chǔ)器，RS232接口芯片選擇了Maxim公司的MAX232AMJE。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器模塊包括單片機(jī)、電源、RS232通訊、串行FLASH存儲(chǔ)器四個(gè)主要部分。其中單片機(jī)采用是PIC18F25K80，與該系統(tǒng)電源控制模塊的型號(hào)相同，該單片機(jī)已能滿足本模塊的設(shè)計(jì)要求。

電源模塊由整個(gè)系統(tǒng)的主控電源板提供電源，然后通過TPS79333芯片進(jìn)行降壓，為整個(gè)存儲(chǔ)模塊供電。

串口通信選用ADI公司的工業(yè)級(jí)RS232芯片，其工作溫度范圍為-25℃～125℃，可滿足系統(tǒng)要求。其電路如圖2所示。

存儲(chǔ)器選用MicroChip公司的SPI接口EEPROM存儲(chǔ)器25LC512，該存儲(chǔ)器溫度范圍達(dá)-40℃到+150℃，容量為512Kbits，按照測(cè)量模塊每組數(shù)據(jù)43Byte計(jì)算，一共可存儲(chǔ)1534組數(shù)據(jù)。由于設(shè)計(jì)要求FLASH存儲(chǔ)空間可存儲(chǔ)2000組以上測(cè)量數(shù)據(jù)，因此，采用的兩塊存儲(chǔ)器級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)。其電路圖如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

超高溫鉆孔軌跡數(shù)據(jù)記錄儀的程序主要分為井上參數(shù)設(shè)置、井下數(shù)據(jù)記錄、井上數(shù)據(jù)導(dǎo)出三個(gè)部分，記錄儀通過串口指令判斷需要進(jìn)入哪一部分程序并運(yùn)行。其主程序流程圖如圖4所示。

超高溫鉆孔軌跡數(shù)據(jù)記錄儀在進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄的過程中，需要與RTC同步，通常數(shù)據(jù)記錄時(shí)間持續(xù)20小時(shí)左右，且在開始測(cè)試之前才設(shè)置RTC時(shí)間，故RTC時(shí)間可以直接使用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生。

通信接口使用RS232接口，為了確保通信數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，通信波特率選擇使用9600， 8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，奇校驗(yàn)?zāi)Ｊ?。通信接口采用分時(shí)共用的方式，程序中使用不同的通信協(xié)議即可區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)源。

EEPROM存儲(chǔ)器使用SPI接口與單片機(jī)連接，由于單片EEPROM存儲(chǔ)空間有限，為了擴(kuò)展容量，本設(shè)計(jì)使用了兩片EEPROM存儲(chǔ)器。

參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)導(dǎo)出為該設(shè)備的三種不同的工作模式。其中，在開始數(shù)據(jù)記錄之前，需要對(duì)數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)置相關(guān)參數(shù)，包括經(jīng)緯度、海拔，當(dāng)前RTC時(shí)間、起始測(cè)量時(shí)間、測(cè)量時(shí)間間隔，測(cè)量次數(shù)等信息。數(shù)據(jù)記錄模式為設(shè)備與光纖陀螺連接，存儲(chǔ)光纖陀螺發(fā)送過來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)的工作模式，該模式將控制繼電器給光纖陀螺通斷電、記錄光纖陀螺通過串口發(fā)送過來(lái)的數(shù)據(jù)、校驗(yàn)通過后將其寫入到EEPROM中。

4 測(cè)試與總結(jié)

本系統(tǒng)在測(cè)試過程中，首先使用串口助手，模擬光纖陀螺數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，光纖陀螺數(shù)據(jù)每幀43字節(jié)，通過USB轉(zhuǎn)串口按照10Hz的頻率發(fā)送數(shù)據(jù)到本存儲(chǔ)器，實(shí)際發(fā)送數(shù)據(jù)1200條，在完成發(fā)送后斷電，重新上電讀出該數(shù)據(jù)并比對(duì)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)正確率為100%。后經(jīng)過高低溫測(cè)試后用于青海某干熱巖鉆探項(xiàng)目，經(jīng)試驗(yàn)證明了該設(shè)計(jì)的耐高溫可靠性和數(shù)據(jù)記錄的正確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]屈召貴，龔名茂，周策.鉆孔軌跡探測(cè)實(shí)驗(yàn)儀研制[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2019，38（2）：71-75，120.

[2]張先韜.煤礦測(cè)井用經(jīng)緯度獲取和磁偏角計(jì)算[J].礦山測(cè)量，2019，47（2）：74-78，88.