超高温钻孔轨迹数据记录仪研制
2019-11-12龚名茂屈召贵
龚名茂 屈召贵
摘 要：为了能描述钻井井眼的轨迹，使用光纤陀螺仪来测量井眼的深度、井斜角、方位角等参数。但由于光纤陀螺仪功耗高、数据实时输出，导致电池供电时续航时间不够、数据不便于传输等问题，设计了专门用于超高温钻孔轨迹测量仪的数据记录仪，该记录仪能在不超过125℃温度范围内将陀螺仪发来的轨迹数据经CRC校验后，写入到FLASH存储器中，并加上RTC时间戳，杜瓦瓶外环境温度等信息。在测量完成后，接上计算机，即可读出轨迹数据，并通过软件拟合，得到井眼的轨迹。本设计已用于青海某干热岩钻探项目，经试验证明了该设计的耐高温可靠性和数据记录的正确性。
关键词：超高温;井眼轨迹;记录仪;CRC校验;FLASH
中图分类号：P634.3 文献标志码：A 文章编号：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
陀螺測斜仪也称之为陀螺测斜探管，是钻井工程中评估钻井施工质量的重要仪器，其主要功能是测量井眼的井斜角和方位角等参数[1]。在测量完毕将探管提出井眼后，取出其中的数据记录仪，将其通过数据线与计算机连接，由计算机中的测量软件读出探管中存储的数据，并进行相应的计算和拟合，即可间接求得各测点的空间位置，从而获得井眼的轨迹数据。
但陀螺测斜仪功耗高、数据实时输出，且必须在静止状态才能测量到准确的数据[2]，因此，为了方便测量和记录陀螺测斜仪的数据，还需要配套的数据记录仪来记录陀螺测斜仪的数据，该记录仪需要具备RTC时间，从而与井上操作人员保持时间同步，使得陀螺测斜仪在预定的测量时间点上保持静止状态;需要具备较大容量的耐高温数据存储单元，记录陀螺测斜仪发来的数据。由于探管内温度可达120℃左右，数据记录仪必须具备耐高温的特性。本文重点介绍耐高温钻孔轨迹数据记录仪的设计和实现方法。
1 设计方案
根据超高温钻孔轨迹数据记录仪的技术要求，本设计需要将加速度计信号、光纤陀螺信号和温度传感器信号通过RS232接口接收并写入到存储器中，在测量完成后，取出数据记录仪，连接上位机将数据导出，并计算井眼的井斜角、方位角、温度等参数。因此，系统需要具备RS232通信、数据存储、RTC时钟、光纤陀螺电源控制等单元电路，其方案设计的总体框图如图1所示。其中，控制器使用MicroChip公司的PIC18F2520-E单片机，存储芯片同样为MicroChip公司的25LC1024-E存储器，RS232接口芯片选择了Maxim公司的MAX232AMJE。
2 硬件电路设计
数据存储器模块包括单片机、电源、RS232通讯、串行FLASH存储器四个主要部分。其中单片机采用是PIC18F25K80，与该系统电源控制模块的型号相同，该单片机已能满足本模块的设计要求。
电源模块由整个系统的主控电源板提供电源，然后通过TPS79333芯片进行降压，为整个存储模块供电。
串口通信选用ADI公司的工业级RS232芯片，其工作温度范围为-25℃～125℃，可满足系统要求。其电路如图2所示。
存储器选用MicroChip公司的SPI接口EEPROM存储器25LC512，该存储器温度范围达-40℃到+150℃，容量为512Kbits，按照测量模块每组数据43Byte计算，一共可存储1534组数据。由于设计要求FLASH存储空间可存储2000组以上测量数据，因此，采用的两块存储器级联的方式实现。其电路图如图3所示。
3 软件设计
超高温钻孔轨迹数据记录仪的程序主要分为井上参数设置、井下数据记录、井上数据导出三个部分，记录仪通过串口指令判断需要进入哪一部分程序并运行。其主程序流程图如图4所示。
超高温钻孔轨迹数据记录仪在进行数据记录的过程中，需要与RTC同步，通常数据记录时间持续20小时左右，且在开始测试之前才设置RTC时间，故RTC时间可以直接使用单片机内部的定时器产生。
通信接口使用RS232接口，为了确保通信数据的稳定性，通信波特率选择使用9600， 8位数据位，1位停止位，奇校验模式。通信接口采用分时共用的方式，程序中使用不同的通信协议即可区分数据源。
EEPROM存储器使用SPI接口与单片机连接，由于单片EEPROM存储空间有限，为了扩展容量，本设计使用了两片EEPROM存储器。
参数设置、数据记录、数据导出为该设备的三种不同的工作模式。其中，在开始数据记录之前，需要对数据记录仪设置相关参数，包括经纬度、海拔，当前RTC时间、起始测量时间、测量时间间隔，测量次数等信息。数据记录模式为设备与光纤陀螺连接，存储光纤陀螺发送过来的数据时的工作模式，该模式将控制继电器给光纤陀螺通断电、记录光纤陀螺通过串口发送过来的数据、校验通过后将其写入到EEPROM中。
4 测试与总结
本系统在测试过程中，首先使用串口助手，模拟光纤陀螺数据进行测试，光纤陀螺数据每帧43字节，通过USB转串口按照10Hz的频率发送数据到本存储器，实际发送数据1200条，在完成发送后断电，重新上电读出该数据并比对，数据存储正确率为100%。后经过高低温测试后用于青海某干热岩钻探项目，经试验证明了该设计的耐高温可靠性和数据记录的正确性。
参考文献：
[1]屈召贵，龚名茂，周策.钻孔轨迹探测实验仪研制[J].实验室研究与探索，2019，38（2）：71-75，120.
[2]張先韬.煤矿测井用经纬度获取和磁偏角计算[J].矿山测量，2019，47（2）：74-78，88.
