随钻地层压力测量装置测量控制系统的设计

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地层压力测量的常用测试方法有电缆地层测试(FMr/RFT/wFT)或钻杆地层测试(DST)，此类测试方法存在耗时久、工具下入困难、作业费用较高等缺点[1之]。随着钻地层压力测试工具的不断出现 ，使得钻井工艺和钻、完井作业得到优化l3]。目前，国内有关这方面的研究还处于探索阶段。因此，研发随钻地层压力测试工具具有深远的意义 J。

本文详细地阐述 了基于双 AVR的随钻地层压力测量装置测量控制系统。该系统能在井下高温和强干扰的环境下实现环空压力和地层压力数据的采集、分析、传输和存储，同时精确控制井下电磁阀，确保随钻地层压力测量装置的顺利工作。同时，设计制作了相应的测量控制系统.并成功运用在地层压力测试模拟试验中国家科技重大专项基金资助项 目(编号：20o8zX05O26-0ol-09)。

第-作者叶万聪(1987-)，男，现为西南石油大学仪器仪表专业在读硕士研究生：主要从事钻井仪器测控系统的研究。

201 系统设计1.1 设计技术指标系统设计技术指标为：最大耐压 70 MPa、最高工作温度 125℃、短节上安装有 1个温度传感器和2个地层压力传感器用于测量环空压力和管柱压力 、压力传感器分辨率为±0.1 MPa、温度传感器测量分辨率为±0.05 K、地层压力测试时间≤5 min、连续无故障工作时间不小于 240 h，期间测量次数不少于 30次。

1.2 系统总体设计系统需要采集两路压力信号、温度数据和控制6个电磁阀。其中，两路压力信号为内压和抽吸缸内压力，6路电磁阀分为两路分流器阀、两路换向阀、两路抽吸阀。本文基于这些功能设计 了系统的整体方案。系统有两个独立的CPU，分别用于数据的采集、处理和电磁 阀的精确控制。系统拈主要包括电源模块、信号调理、传输存储、光电隔离、整流稳压、随钻测量(measure while driling，MWD)接 口、看门狗电源监视、时钟电路、驱动电路等部分。

使用时，测量控制系统安装在井下钻柱的-个短PROCESS AUToMATIoN INSTRUMENTATION Vo1.34 No.5 M ay 2013随钻地层压力测量装置测量控制系统的设计 叶万聪。等节内用于随钻测量。短节内部需要留有钻井液的循环空间，系统只能安装在钻柱内径与外径之间，同时又要满足短节的抗压能力 ，剩下的安装空间非常有限。采用单 CPU方式，单位外围密度大，增加了单位体积和CPU的处理负担；采用双 CPU方式，将采集和控制分开，能很好地将系统分散安装，增加了系统的抗干扰性能，同时也提高了控制精确度与装置的整体性能，简化了软件设计。

地面井下传感器 l l MWD接口l 井下主CPUATmega8从CPUATmeg 图 1 系统总体框 图Fig.1 Systematic diagram of the system2 系统核心硬件电路设计2.1 主从 CPU电路主从 CPU均采用高性能、低功耗 的 ATmega8芯片。该芯片自带8路 10位ADC、SPI总线、双线串行接口(two.wire serial interface，TwI)总线等，丰富的内部资源减小了系统的体积 ，方便了系统设计。主从机之间依靠 TWI总线连接.在钻柱之内只需双线就能实现连接，从而能方便地将主从机分开安装。主机负责压力数据的采集、存储、传输，并分析采集到的内压数据，判断是否接收到井 口下传指令。从机主要负责电磁阀的精确工作，保证探头能在测量时顺利伸出与收回。

2.2 电源拈随钻地层压力测量装置有井下涡轮发电机与电池两种供电方式。光电隔离技术隔离了两个电源系统电气方面的联系以及控制板大电流、大电压的突变对采集板微弱信号的干扰，保持了控制信号的联系，使系统更加稳定可靠 J。

传统的随钻测量工具采用锂电池供电，不能实现大功率长时间供电。井下涡轮发电机依靠泥浆的循环《自动化仪表》第34卷第5期 2013年5月来驱动涡轮。带动发电机发电 ]，是随钻地层压力测试装置的理想电源。备用锂 电池用于控制核心电路，冗余设计保证了在井下涡轮发电机失效时探头能正常收回。以免对仪器造成破坏8]。

2.3 电源监视电路为了使装置能够可靠稳定地工作 .系统使用 了外部硬件看门狗监控芯片 MAX706。当系统在井下受到强烈的外部干扰、出现程序跑飞”或者死机时，外部看 门狗 电路 能使 系 统 自动 复位 并重 新 开始运行 引。

2.4 信号调理 电路井下压力的测量采用离子溅射式薄膜压力传感器CYB.15S。该传感器膜片上制作有惠更斯电桥的合金薄膜变电阻。其工作原理如下：井下压力经过油腔作用于耐腐蚀的不锈钢膜片上，膜片产生形变，电桥输出相应的毫伏级差分电压信号 。

仪表放大方式是差分信号放大的理想选择，能在噪声以及含有大共模信号的条件下保持极高的直流准确度和增益精度。井下环境温度变化大.很容易引起严重的温度漂移。因此，应选用高性能的低失调电压、低漂移、低噪声的精密放大器，本文选用斩波稳零型运放 AD8554。AD8554斩波稳零运放具有轨到轨输入和输出能力，采用单电源供电，失调电压和输入电压温漂很小，内部集成了四路运算放大器。采用 AD8554组合成的三仪表放大电路既能很好地抑制共模信号，又能满足低失调电压和温漂性能 。信号调理电路如图2所示图 2 信号调理 电路Fig.2 Signal conditioning circuit2.5 数据存储电路存储芯片选用 ATMEL公司的AT45DB321D大容量串行Flash数据存储器。其具有速度快、功耗低、密度高等优点，支持单电源供电和高速SPI串行接口.硬件连接少。单片芯片的容量为32 MB，极大地提高了整个系统的密度～两块存储芯片经过线译码并联。

21泥浆脉冲--------------～随钻地层压力测量装置测量控制系统的设计 叶万聪。等图 3 数 据 存 储 电路 Fig.3 Data storage circuit2.6 MwD接口电路随钻测量过程中的数据依靠泥浆脉冲器将数据转换为压力脉冲信号，通过钻杆内的钻进液(泥浆)传到地面。系统与泥浆脉冲器的接 口为 RS-232接 口，因此采用 MAX3232串口通信芯片。并采用 3.3V低电压供电，使系统具有更低 的功耗。MWD接 口电路如 图 4所示14l3Tlo UT TlINM W D TXD 7 RlIN RloUTT20 UT IN M W D RXD8 T2IN R20UTCl C2Cr C2·r V V。

图4 MWD接 口电路Fig.4 MWD interface circuit3 系统软件设计系统软件包括下位机两 CPU的测试控制程序与PC机的上位机软件，下位机软件的主要功能包括数据的采集、处理与分析，数据存储、通信等功能。上位机软件采用的是 C编写.能实时接收井底传送的数据，分析井底仪器工作状态 。使工作人员能准确地监测和了解地层压力。

4 随钻地层压力测量装置试验4.1 井口下传指令数据随钻地层压力测量装置接收到地面发送的下传指令后开始工作 ，此指令依靠对泵的开闭来实现。

在钻井过程中.关闭泥浆泵能使井底环空压力产生二乏个负脉冲，这三个脉冲的宽度和频率决定于对泵的关闭时间和关闭间隔。试验表明，井 口排量的变化量达到 5 L/s，环空压力的变化可达 1 MPa。在随钻过程中测量拈监测环空压力的变化 ，如果监测数据连续出现三个负脉冲，则确认为井口下传的开始工作指令每个负脉冲的宽度为5～10 s，周期为20～30 s.压差大于2 MPa。指令具体格式可以根据现场情况改变。

采集到的数据经过软件滤波后再做严格判断.避免干扰而引起的误动作。

图 5 井 口下传指令数据Fig.5 The command data downloaded from wellhead4.2 地层压力记录数据系统接收到经严格判断的井口下传指令后开始测量工作，控制仪器侧面伸出-个密封探头紧贴井壁.内部抽吸缸开始抽吸，抽吸时间决定了抽吸量。抽取-定体积的地层流体，从而引起地层压力下降，这-压降以近似于球面的形式向外传播。压降结束后，地层流体中未被扰动的部分又向低压区流动.直至压力恢复到原始地层压力。在这-过程中，系统将全程记录地层压力和时间的函数曲线。系统记录的压力 曲线如图6所示。由测试记录的压降大型不同时间记录的恢复压力形成地层渗透率的函数 ，因此根据压力降和压力恢复数据均可估算地层渗透率。

图 6 地层压力记录曲线Fig.6 The logging curve of formation pressure5 结束语本文设计了-种基于双 CPU的地层压力测量装置的测量控制系统。该系统可以控制地层压力测试装置在钻井过程中利用短暂的暂停测得地层压力数据。

双 CPU方式保证了系统顺利安装在井下测量短节的狭姓间内，同时也使测量和控制更加精确。试验数据表明，该系统能够准确判断井 口下传指令和精确控制电磁阀工作，从而满足测量装置的工作流程。系统(下转第25页)22 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vo1.34 No.5 May 2013多通道 PXI总线数据采集卡的设计与实现 刘龙飞。等平信号，用于驱动 PCI9054的本地总线中断信号有效；产生PXI总线中断后，将 FIFO存储器中的数据送人PC机 进行 处 理 .这 样 就 实 现 了整 个 系 统 的采 集工作 。

3 系统硬件描述语言设计PCI9054的读写时序是状态编写VHDL代码的参考关键，-些关键信号如 READY#等的状态控制稍有失误 ，就会造成读写数据不正确 。甚至会造成计算机死机、蓝屏等严重后果 J。本文详细研究了 PCI9054的读写时序状态机.并按照状态机 的逻辑编写 VHDL代码。实现了PCI总线对本地总线的读写操作。系统仿真结果如图4所示。

田田图4 系统仿 真结果界面 图Fig.4 Interface of system simulation result图4中，rst为全局复位信号；clk为外部 50 MHz时钟信号；lhold为本地总线请求信号；lholda为本地总线请求应答信号；ads为本地总线触发信号；blast#为突发传输信号；1wr为本地读写信号(高电平为写，低电平为读)；ready为本地总线准备好的信号；data为 PCI写入 的多通道参数数据 ；ram-id为定义 的通道计数器 。

采用 LabVIEW软件对输入信号采集拈进行了实际测试。实际测试结果如图 5所示。

图 5 实际测试结果 图Fig.5 The actual test results4 结束语本文在 PⅪ.1031硬件平台上.设计实现了多通道PXI总线数据采集卡。该卡采用 PCI9054芯片作为与PXI总线信号连接的接口芯片。本采集卡已成功应用于航空航天中大型设备的测试，并取得了很好的效果。