随钻声波测井仪电路系统设计及关键技术实现*

2015-05-09刘西恩陈洪海孙志峰

石油管材与仪器 2015年1期

关键词：声波测井声波波形

仇傲刘西恩陈洪海孙志峰

(中海油田服务股份有限公司油田技术研究院北京 101149)

·开发设计·

随钻声波测井仪电路系统设计及关键技术实现*

仇傲刘西恩陈洪海孙志峰

(中海油田服务股份有限公司油田技术研究院北京 101149)

针对随钻声波测井的要求设计了一种随钻声波测井仪井下电路系统。通过长距离高速传输、系统控制处理程序远程升级、井下海量数据存储等关键技术的实现解决了随钻工作环境带来的问题。另外，在井下电路集成STC算法，可以提供实时地层慢度。实验及测试结果表明，该电路系统能够满足实际测量的需要。

随钻声波测井仪；井下电路系统；远程升级；STC算法

0 引言

近年来，声波测井技术已经成功应用于随钻测井中。随钻声波测井技术为钻具施工和储层评价提供了全面的数据支持[1、2]。特别是利用声波数据估算地层孔隙度可以在钻具施工过程中实时预测地层超压，对于优化钻井作业，改善钻井安全有着重要的帮助。和电缆声波仪器类似，随钻声波测井也是通过激励发射换能器向地层发射声波，然后通过接收换能器接收地层回波求取地层慢度。但是不同的是，随钻声波测井仪工作在高振动和冲击的环境中，因此整个电路系统都使用导热胶灌封成整体安装在钻铤中以减少振动和冲击的影响。由于随钻测量系统传输速率很低，随钻声波需要在井下完成采集波形数据的存储，地层慢度的实时计算，当仪器出井后，通过高速传输将存储数据导出进行下一步精细处理。

1 随钻声波电路系统总体设计

随钻声波测井仪电路系统由系统供电、系统控制、发射激励、回波放大调理、数据采集处理和数据存储和导出等部分组成。系统供电部分将井下电池输入的21 V～36 V直流电压变换为采集电路工作所需要的5 V低压和发射电路需要的120 V激励高压。系统控制部分根据钻进速度通过内部定时器产生周期性的采集脉冲，发射激励部分在采集脉冲的控制下产生高压脉冲激励发射换能器。同时回波放大调理电路对接收换能器接收到地层回波信号进行放大、滤波。调理好的信号输入数据采集处理电路进行AD变换和井下实时时差计算。完成计算后波形信号按照采集时间顺序依次存入数据存储电路中。系统控制部分电路还设计有两个通讯电路，一是和中控电路交互的串行总线电路，可以在钻进过程中接收命令改变时间采样率等采集处理参数，另一个为高速传输电路，在仪器出井后向数据导出装置导出井下存储波形数据。整个系统框图如图1所示。

图1 随钻声波电路系统总体框图

2 电路系统关键技术实现

为了满足随钻声波测井工作流程需求，随钻声波电路系统除了低功耗、高度集成化、处理芯片高智能化等一般随钻电路的特点外，还具有一些独特的关键技术。

2.1 大数据量存储技术

随钻声波测井仪设计为四通道同步采集，单通道采样点数为300点，每个采样点以16位有符号整型数据表示，单次采样的数据量为1 200个字。再加上辅助测量参数，记录控制参数，井下计算数据等，单次采样产生的数据量近1 300个字。受传输速率限制，除了井下时差计算结果被实时传送到地面外，原始声波波形数据，大量中间处理结果、记录参数存储于井下存储电路中。

LWD系统一般要求连续工作100 h以上，根据钻进速度设定采样间隔为4 s或8 s，由此计算随钻声波测井仪电路系统存储要求为1Gbit～3Gbit。

为了满足存储要求，兼顾安全性、复用性、以及接口和温度，我们选择了M25P64作为存储基本单元，多颗存储芯片组成存储阵列满足存储需求，存储电路结构图如图2所示。M25P64是一款高速SPI总线访问的Flash存储器，该存储器主要特点：64 Mbit的存储空间；SPI总线和50 MHz数据传输时钟频率；每扇区擦写次数保证10万次、数据保存期限至少20年。

使用CPLD作为存储单元阵列管理，它通过485接口接收中控系统信号，并鉴别所发送的是数据、地址还是命令，通过内部逻辑完成相应操作。若为命令信号则对命令进行解析，使能指定的存储芯片，若为地址和数据则向已使能的存储芯片从该地址转发数据。

图2 存储电路结构图

2.2 远距离高速传输技术

如前所述，随钻声波井下电路中存储了大量数据要待起钻后才能导出。为了减少占用井口时间，数据交互采用1 Mbps的传输速率。同时出于井口安全，数据导出装置不能放置在钻台，需要使用连接电缆将导出装置和随钻声波仪器进行物理连接。导出系统连接如图3所示。

图3 数据导出装置连接

对于普通传输电路，由于码间干扰导致在长距离电缆传输时速率无法提高，图4为长线传输收到的信号，其信号变形即为码间干扰。针对此问题，随钻声波测井仪设计了一套远距离高速传输电路，采用预加重编码技术予以解决。电路内部设置了四级电平(增强高电平、高电平、增强低电平、低电平)，当驱动器输入由“0”码变为“1”码时，电路设定输出为“增强高电平”，经过预加重电路设定的时间间隔后，回到高电平，如果输入在预加重电路设定的时间间隔前变为“0”码，电路输出将直接由“增强高电平”将至“增强低电平”；当输入由“1”码变为“0”码时，预加重电路作类似处理[3]。在输入信号电平翻转时，强制将差分输出拉至高电平或低电平，减小了差分输出的上升或下降斜率，通过抑制信号的衰减改善码间干扰。实际测试在数据传输距离200 m时速度达到1 Mbps。可以在一个相对短的时间内完成整个数据的传输过程，极大地提高了工作效率。图5为在波特率为1 Mbps的条件下传输200 m后的数据的波形，从图中我们可以看出，信号没有明显衰减，满足传输过程中对信号质量的要求。

图4 长距离传输信号波形

图5 预加重处理后长距离传输波形

2.3 井下电路程序远程升级及安全备份启动

井下信号电路系统在完成硬件调试之后，会使用导热橡胶把系统电路封装在钻铤内部，整个电路系统暴露在外部的只有两个通讯接口。为了避免仪器升级处理器程序需要完全拆开电路系统的困扰，随钻声波电路设计了远程升级机制。首先将通过JTAG接口下载更新的处理器目标文件进行处理，提取出文件在处理器程序存储器中的存储起始地址、数据长度信息、信息入口地址，并和升级数据组合形成一个新的二进制文件。然后通过通讯接口接收该二进制文件，系统接收完数据后进行校验，如果校验无误则以数组的形式存放在外扩RAM中。最后通过外部命令控制随钻声波电路处理器执行内部的的API函数完成烧写频率设定、FLASH安全模块解锁，擦除、烧写和校验操作。完成上述工作后，处理器停止喂狗信号使得看门狗产生复位信号，系统重启，程序进入新程序，完成了系统的升级。

在远程升级中仍然有很多因素(如升级文件代码有误，传输过程中文件出错，或者烧写过程中出现掉电等)可能导致系统升级失败。为了进一步提高系统的可靠性，随钻声波电路系统设计中加入安全备份启动模式。该模式设计为在处理器I2C总线接口外部挂载兼容I2C总线接口的E2PROM芯片，把此芯片放在总线上地址为0x50的位置处。

在正常工作模式下，系统从FALSH启动，系统远程升级失败后，CPLD重新配置外设引脚电平，使得处理器从E2PROM读取数据流并提取信息，然后对总线做初始化设置，读取数据流中有用的段信息，装载到相应地址，最后把系统跳转到程序入口地址，执行目标函数，完成上电。避免了因为升级失败导致系统瘫痪。

2.4 时差计算STC算法的井下集成

由于受到泥浆脉冲传输速率影响，随钻声波只能在井下电路中智能求取时差并将时差数值实时上传地面。

目前各声波时差计算算法中STC算法相对成熟，该算法通过在一组声波信号的不同位置加设时间窗，通过相关函数对时间窗内的声波信号的相似程度进行计算分析，其计算的数值结果在0～1之间的，越接近1说明该时窗内声波信号越相似，然后以一个步长移动时差窗再进行计算，所有计算中声波信号最相似时的声波到时和慢度值为地层慢度[4、5]。该算法较为复杂，为了满足井下计算对计算时间和计算资源的需求，随钻声波电路增加了1Mbit的外扩RAM，根据算法分步运算需求，分批将参与运算数据一次性导入，避免了频繁读取外设消耗时间。由于外扩RAM的读取时间较长，处理器通过来管理、优化分配系统的物理空间和地址空间程序配置将数据量大的变量设置为静态变量，避免了大数据量频繁在片内和片外RAM传输。另外还对运输函数进行分类以达到提高代码整体运行效率，对执行效率要求高、调用频率高的函数搬移到内存速度快的M0、M1存储空间里面，而对于算法中执行效率要求低、调用频率低的函数代码放置在等待周期较长的区域去运行。通过上述处理，将井下单次STC运算时间控制在100 ms以内，满足设计需求。

3 试验验证

目前随钻声波测井仪已通过实验室模拟测试和实验井测试。图6所示为从随钻声波测井仪存储数据中导出的一组波形数据，其中图6(a)为4组回波数据，图6(b)为通过此回波数据求取的相关图。从图中可以看出，电路系统自身噪声较小，4道波形的一致性和相关性非常好，并且通过相关求取时差和实际一致。

图6 随钻声波测量波形及相关图

4 结束语

前期的实验验证表明，本文中介绍的随钻声波测井

仪器电路系统设计可以满足随钻环境下的系统采集要求。大数据量存储技术和高速传输技术可以实现随钻声波采集波形在井下的存储和仪器完成测量后的数据导出。井下程序远程升级技术可以在不拆卸仪器的条件下直接更新井下程序，避免了仪器拆装的繁琐工作。目前，仪器等待进行实钻作业，测试在强振动和高噪声的环境中能否满足实际作业需求。

[1] 林楠,王敬盟,亢武臣，等. 最新随钻声波测井仪的技术性能与应用实例[J].石油钻探技术，2006,34(4)：73-74.

[2] 张辛耘,王敬农,郭彦军.随钻测井技术进展和发展趋势[J].测井技术,2006，30(2)：10-11.

[3] 刘亮. 外置预加重均衡器在高速背板互联中的应用[J].电子技术应用，2010,36(8)：18-19.

[4] V Kimball, LMarzetta. Semblance Processing of Borehole Acoustic Array Data[J]. Geophysics 1984,49(3)：274-281.

[5] ZhangT,Tang X M, Patterson D L. Evaluating laminated thin beds information using high-resolution slowness logs[C]. 41st Annual Logging Symposium Transactions: Society of Professional Well Log Analysts, paper XX, 2000：3-14.

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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