过钻杆测井仪器通信与控制模块设计

2019-05-28童茂松曹宇欣孙旭光

测井技术 2019年6期

童茂松,曹宇欣,孙旭光

(中国石油集团测井有限公司大庆分公司,黑龙江大庆163412)

0 引言

油田开发后期,水平井、三维绕障井以及大位移井逐年增多,水平位移长,技术套管浅,井况复杂、恶劣,常规的水平井与大斜度井测井工艺不能满足要求。过钻杆测井系统能够实现钻具到哪里就能测到哪里的目标[1-2],为大斜度井、大位移水平井、复杂井的测井资料采集提供了有力手段。

MeXpress过钻杆测井系统井下仪种类繁多[3]。测井仪器包括自然伽马、井斜方位、双侧向电阻率、组合声波(声波时差、固井质量检查)、阵列感应电阻率、岩性密度、补偿中子、四臂井径、三参数(井温、钻井液电阻率、张力)等仪器,能够满足储层评价的需求。为了实现过钻杆测井,必备的传输工具包括吊挂系统、供电系统(电池及其控制)、数据存储系统。由于井下仪器与工具多,外径小(57 mm),耐温耐压指标要求高(175 ℃、140 MPa),对电路板的要求极高,为了减少开发工作量(仪器控制、参数采集),缩短开发周期,降低开发成本与制造成本,方便测井仪器维修与升级、后续仪器的挂接,有必要采用标准化设计,同类电路板统一设计、适度冗余,满足不同井下仪器与工具的需求。

通信与控制模块(Tool Communication and Control module,TCC)是通用模块,应用于过钻杆测井系统中所有下井仪器,是每支仪器的核心。在设计过程中需要综合考虑所有仪器的要求,而且该模块在过钻杆测井施工中非常关键,尤其是存储测井模式下,因为该模块的核心作用,直接影响测井成功率。过钻杆存储测井时间单井次24 h左右,如果1次测井不成功,第2次测井的工作量几乎与第1次测井相同,因此在设计中需要充分保障该模块的可靠性。通过对过钻杆测井仪器需求分析,综合考虑可靠性、测井仪器需求、冗余度、适用性、成本,以满足要求为前提,适度增加扩展接口与功能,形成了统一的TCC模块,全面应用于过钻杆测井系统,应用效果明显。

本文介绍了TCC模块的构成与功能,对单元电路进行了说明,并给出了室内试验结果与应用情况。

1 通信与控制模块构成与功能

TCC模块构成见图1。内部连接器是TCC与仪器内连接的接口,外部连接器是TCC与仪器外部的接口。该模块采用标准化设计,适度冗余,调整内部程序以及端口配置,可以满足所有测井仪器的需要。

图1 通信与控制模块(TCC)电路框图

TCC主要完成以下功能:①负责单支仪器的控制工作(参数监测、内部反馈与控制、数据采集与整理);②负责单支仪器与外部的通信(上传测井数据,接收指令并记录指令内容与次数);③负责单支仪器的数据存储与下载。

测井仪器不同,TCC内部的程序不同,同时由于冗余设计,各单支仪器对其他单元的使用情况也不同。TCC模块已经全面应用于过钻杆测井系统,通过TCC模块的程序和硬件配置,分别满足不同仪器的需求。

2 单元设计

2.1 电源转换单元

电源转换单元提供TCC模块所需的电源。TCC模块采用±5 V DC供电,通过该单元产生2.5 V基准电压以及±5 V DC、3.3 V DC、1.5 V DC供电电压,此外该单元还包括复位电路和滤波去耦电路。系统复位是采用芯片MAX708辅助完成,它能提供系统上电时的自动复位信号和复位按键的复位信号。

2.2 主控单元

主控单元主要由1片ARM和1片FPGA组成。ARM是核心单元,采用基于工作频率高达120 MHz的高性能ARM®CortexTM-M3 32位RISC内核的STM32F207,Flash存储器和系统SRAM的容量分别为1 M字节和128 kB,4 kB的后备SRAM。带有3个12位ADC模块、2个DAC模块、1个低功耗RTC、12个通用16位定时器(包括2个用于电机控制的PWM定时器)、2个通用32位定时器[4],完全能够满足过钻杆测井系统现有测井仪器及后期开发的成像类测井仪器的需求。FPGA主要作为端口扩展,采用ACTEL公司的A3P125,它内部集成了125 k个逻辑门阵列,可以满足设计需求。

主控单元完成:①单支仪器数据管理,包括测井原始数据、诊断信息、存储单元信息、收到的指令及其次数等数据打包,上传到仪器外部总线上;②过钻杆测井仪器内部控制,对测井数据、仪器反馈信息等进行分析后,通过内部总线或者双向IO口(共7路)对测井仪器进行控制,包括原始信号程控放大、功率控制、仪器保护等;③诊断信息模数转换,通过内部ADC实现诊断信息AD采集,并计算、转换为最终结果;④外部模数转换单元控制,控制TCC的模数转换单元工作;⑤为数模转换提供信号(DAC_SIG),该信号送入模数转换单元,经过调理即可满足测井仪器对模拟信号的需求;⑥时钟计时,以ARM中的定时器作为实时时钟的基准,无需附加外围器件,通过编程就可实现时钟功能,并在对时指令的作用下更新时钟;⑦数据存储与下载管理,STM32采用FSMC总线,通过FPGA扩展,实现存储单元控制与数据交换。

2.3 诊断信息测量单元

诊断信息测量单元负责对TCC模块的电源电压(±5 V、3.3 V、1.5 V)以及电路板温度进行监控,用于后期对TCC故障判断。根据这个需求,对这些参数的检查精度要求并不高,只需判断是否在允许范围内即可,可采用STM32内部的ADC通道。STM32F207的12位ADC是一种逐次逼近型模拟数字转换器。它有18个通道,可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的AD转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中[4]。

图3 模数转换单元电路框图

图2 诊断信息测量单元原理图

图2为诊断信息测量的电路原理图。将这些测量值送入主控单元,通过其内部ADC进行模数转换,得到诊断信息。

内部ADC的基准电压为2.5 V,为了保证参数测量范围满足STM32内部ADC的模拟输入范围,不同参数的测量方式略有不同。5 V DC、3.3 V DC、1.5 V DC等3个电源电压检测(P5V-MEAS、P3.3V-MEAS、P1.5V-MEAS)是通过电阻分压实现。-5 V DC经过电阻分压后,通过反相同比例放大即可得到(N5V-MEAS)。电路板温度测量采用电阻温度探测器(Resistance Temperature Detector,RTD),由于过钻杆测井仪器的工作温度范围较大,从-40 ℃一直到175 ℃,相应的RTD阻值变化范围较大,通过电阻分压网络,分3个区间同时测量RTD的阻值(RTD11、RTD12、RTD13),使得3个测量值必有1个满足AD的模拟输入要求。

2.4 模数转换单元

模数转换单元负责对仪器的关键模拟量进行转换,主要是测井原始信号,例如双侧向的深浅侧向电压电流、四臂井径位移传感器输出信号。受到STM32F207内部ADC精度(12 bit)的限制,需要外扩16位 ADC,以精确测量测井仪器的原始信号。

图3为数模转换单元电路框图,主要由2路AD转换电路组成构成,二者原理相同,能够提供8通道模拟量(AIN0～AIN7)的AD转换。来自于主控单元的模数转换单元的控制信号包括2个AD芯片控制信号以及模拟开关控制信号(MUX0、MUX1)。为了更好地抑制共模噪声,采用差分输入方式进行AD转换。

由图3可见,在控制信号(MUX0、MUX1)的作用下,模拟多路复用器选择需要进行AD转换的模拟信号,模拟信号经过电压跟随后,进行反相比例放大得到VIN-信号,不同的单支仪器可以根据自身的输入信号来调整放大电路的参数,结果需要进行刻度。VIN-信号经过反相电路得到VIN+信号。VIN+和VIN-信号分别接到AD转换器的差分输入端口IN+和IN-,经过AD变换后,得到数字信号,送至主控单元进行处理。

AD转换芯片为AD7676AST,16位分辨率,且功耗低(典型值67 mW)。采用8位并行接口通信。VREF接2.5 V基准电压,ADC_CS和ADC_RD接片选和读使能,ADC_CNV接AD启动转换的请求信号,ADC_PD接低功耗使能,ADC_BUSY接AD忙信号,ADC_BYTESWAP接高低8位交换使能。高低8位数据合并由主控单元完成。

模拟多路复用器采用AD公司基于iCMOS结构的双四选一芯片ADG1409,可以承受高电源电压,功耗极低,尺寸小,因而非常适合于外径小于57 mm的过钻杆测井仪器,尤其是在存储式测井工艺所需要的仪器中。

2.5 数模转换单元

数模转换单元用于产生模拟信号,控制测井仪器工作状态(功率输出、高压控制、转速调节等)或提供测井仪器所需的模拟量(传感器激励等)。

图4为数模转换单元框图,实现直流信号数模转换和交流信号数模转换。来自主控单元的模拟信号(DAC_SIG1)经过2级低通滤波后,输出直流模拟信号(DAC_OUT1)。来自主控单元的交流模拟信号(DAC_SIG2)经过2级带通滤波后,输出平滑的正弦波模拟信号(DAC_OUT2)。不同的仪器可以根据自身的需要修改2级放大电路的参数。

图4 数模转换单元框图

2.6 存储单元

采用存储单元是因为在存储测井过程中,需要实时存储数据,以便在仪器取出井口后,读取数据进行处理。该存储单元用于存储单支仪器的数据,包括测井数据、时间信息、仪器诊断信息等。

由于过钻杆测井仪器工作时间长,需要一定的存储空间,且要求数据存储安全可靠。因此,在该仪器中采用NAND FLASH MT29F32G,容量为32 Gbit/s,数据可保存10年,擦除/写操作10万次。采用有纠错能力的存储方法,可工作到175 ℃,读写总线支持同步模式和异步模式,平均写速度达到16 Mbit/s,工作电压3.3 V,能保证长时间的测井数据存储与测后数据下载需求。

存储器单元还包括SRAM存储芯片,主要用于建立文件信息表,该表显示NAND中保存了多少个文件。单个文件的内容有:文件序号、首块块号、末块块号、文件长度、文件创建时间、文件修改时间。

2.7 通信接口单元

通信接口单元由仪器内部通信接口单元和仪器外部通信接口单元2部分组成。

内部通信接口单元实现TCC模块与测井仪器内部其他电路通信,实现测井与仪器控制。主要包括1路CAN接口驱动(CAN2)、1路I2C接口驱动、1路SPI总线。TCC还有7路带电压保护的双向IO口,用于井下仪器的内部控制、脉冲计数等。

外部通信接口实现测井仪器与外部设备之间的信息交换,包括指令收发、数据交换。主要由1路CAN接口驱动(CAN1)、1路485接口驱动(485总线)、1路USB接口、1路UART接口驱动(UART4)。外部CAN总线用于本仪器与井下仪器总线上的信息交换,USB总线和485总线用于单支仪器的数据读取。

3 室内测试与现场应用

3.1 室内测试

(1)通信性能测试。TCC外部通信方式是CAN和RS485,贯彻了整个过钻杆系统的所有仪器。不仅通讯距离长、节点多,而且通讯数据量大导致通讯速率高,为此在室温和高温(175 ℃、8 h)下对这2种通信方式进行了测试。结果表明:CAN通讯,在50 m距离,10个节点和通讯速率1 Mbit/s时,通信错误率为0;RS485通讯,在50 m距离,10个节点和通信速率4 Mbit/s时,通讯错误率为0。通过这些实验,可以证明CAN和RS485的可靠性,并能满足过钻杆系统的要求。

(2)仪器管理测试。在过钻杆测井系统中,某些测井仪器需要在供电后进行一系列自动控制,例如组合声波测井仪器与阵列感应电阻率测井仪器,需要在供电后仪器自检、上传数据等。在室温和高温(175 ℃、8 h)下对测井仪器的TCC模块进行测试,结果表明:所有的仪器均能正常工作,检验了仪器管理功能。

(3)数据存储测试。过钻杆测井系统在现场应用时,需要进行数据存储。TCC存储本仪器的数据的同时,将数据发送至总线上,用于总存储或者地面显示。通过对比TCC数据和发送至总线的数据,可以检验TCC存储数据的可靠性。

在室温和高温175 ℃环境下测试时,将所有仪器连接,并通过遥测将数据上传。测后对比表明,存储的本仪器数据与地面上对应的数据完全一致。