測(cè)斜聲波組合測(cè)井儀的研制

曹志福 彭偉斌

（北京中地英捷物探儀器研究所,北京100000）

圖1 是該儀器的外形圖，從上到下（圖中

聲波測(cè)井、連續(xù)測(cè)斜測(cè)井、井溫測(cè)井和自然電位測(cè)井原來是四種不同的測(cè)井儀器，要想測(cè)全這四種參數(shù)，只能下四次井，既耗時(shí)又不安全。為了減少占井時(shí)間，降低井中事故，提高測(cè)井效率，我們研制了該組合測(cè)井儀。從左到右）分別為測(cè)斜部分、聲波部分、井溫部分和最下邊的自然電位電極。儀器外徑Φ52mm，長(zhǎng)度2300mm，它適用孔徑范圍為Ф80mm～Ф123mm。一次下井可測(cè)量四種參數(shù)共7條曲線，它們是鉆孔傾角、方位角、聲波幅度、聲波雙收時(shí)差、聲波單收時(shí)差、井溫和自然電位曲線見表1。

表1 各曲線的通道號(hào)測(cè)量范圍及精度

自然電位電極的接線特殊。儀器不供電時(shí)，它與電纜的③號(hào)纜芯連接，與其它任何電路是斷開的；儀器供電后，由內(nèi)部的繼電器將自然電位電極切換到內(nèi)部電路測(cè)量自然電位梯度。這樣做的原因是，內(nèi)部電路的測(cè)量范圍是固定不可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的，如果個(gè)別地區(qū)的自然電位值超出-400mv～+400mv范圍，儀器將溢出。遇到這種情況，可以在非供電狀態(tài)，利用井上儀器的自然電位測(cè)量功能，在地面安裝地面電極后，單獨(dú)測(cè)量自然電位曲線。地面儀器可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)儀器的衰減系數(shù)，確保測(cè)量結(jié)果不會(huì)溢出。單獨(dú)測(cè)量自然電位可以在下放時(shí)測(cè)量，上提時(shí)測(cè)量其它參數(shù)，仍能保證一次下井測(cè)量全四種參數(shù)。

1 電路的實(shí)現(xiàn)：

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子元件的功能既強(qiáng)大，體積又小，功耗還低，

這是本儀器成功研制的基礎(chǔ)保障。本儀器采用了雙微處理器（單片機(jī)），取代了原來方法儀器的大部分邏輯、時(shí)序電路，其一是TI公司的MSC1210，該MCU的特點(diǎn)是內(nèi)置了24位 A/D轉(zhuǎn)換器，1280字節(jié) RAM，32KB FLASH程序存儲(chǔ)器。它負(fù)責(zé)測(cè)斜部分的數(shù)據(jù)采集、計(jì)算及自然電位的數(shù)據(jù)采集工作；另一顆MCU是C8051F530，它的特點(diǎn)是工作溫度-40°C ～ +125°C ，單周期指令，20 TSSOP封裝，內(nèi)置12位A/D轉(zhuǎn)換器。它負(fù)責(zé)井溫測(cè)量，負(fù)責(zé)聲波的時(shí)序控制，負(fù)責(zé)向井上傳輸編碼工作。兩者以C8051F530為主MCU，MSC1210為從MCU。主MCU每幀（32768μs）與從MCU通過串口通訊一次，采集從MCU計(jì)算、數(shù)字濾波后的鉆孔傾角、鉆孔方位角和自然電位數(shù)據(jù)，與聲波、井溫?cái)?shù)據(jù)一起編碼后，送到井上（見圖1）。

1.1 測(cè)斜部分：

測(cè)斜的方位部分采用磁阻傳感器兩軸加一軸的方案。HMC1022為X、Y軸組合在一起的磁阻傳感器芯片，HMC1021Z為單軸磁阻傳感器芯片，兩者組合后，分別測(cè)量探管橫截面上的X、Y軸和探管延伸方向的Z軸的磁場(chǎng)分量，從而計(jì)算探管傾斜方向（也是井軸的傾斜方向）。

測(cè)斜的傾角部分采用了雙軸加速度傳感器SCA100T。由于我們?cè)O(shè)計(jì)的測(cè)井深度小于2000m，所以加速度的第三軸(Z軸)可以由計(jì)算得出。

傾角的計(jì)算公式可以表示為：

方位角的計(jì)算公式可以表示為：

1.2 自然電位部分：

如圖2所示，Vsp為測(cè)量的自然電位電壓信號(hào)，送單片機(jī)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和簡(jiǎn)單計(jì)算后，輸出表示自然電位的數(shù)字信號(hào)。我們以2000碼表示自然電位的0mv，4000碼表示自然電位的+400mv，0碼表示自然電位的-400mv。

經(jīng)電路分析，可得到Vsp=R143*(2.5V/R142+SP/R141)=2.5V+4SP

即：SP 為-400mv時(shí)，Vsp為 0.9v，SP 為0mv時(shí)，Vsp為 2.5v，SP 為+400mv時(shí)，Vsp為4.1v。

1.3 井溫部分：

測(cè)溫傳感器采用了工業(yè)上常用的Pt100鉑電阻，它的測(cè)量范圍是-200°C～650°C 。0℃時(shí)它的電阻是100Ω，每增減1℃，其電阻相應(yīng)的增大或減小0.38Ω，在100℃時(shí)它的阻值為138.5歐姆。我們用的傳感器為φ3mm不銹鋼套管封裝的，它有安裝方便，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。溫度測(cè)量電路是一電橋，Pt100鉑電阻作為電橋的一臂，其他3條橋臂為已知的精密電阻。電橋供有經(jīng)精密穩(wěn)壓的2.5v電源，信號(hào)放大采用了典型的差分放大電路，后級(jí)再經(jīng)反相放大輸出TTL電平的直流電壓，該電壓的高低反映了溫度的高低，經(jīng)后級(jí)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳輸?shù)骄稀PW1為調(diào)零電位器，RPW2為滿度調(diào)節(jié)電位器（見圖3）。

1.4 波部分：

聲波測(cè)量的放大部分采用程控放大電路，邏輯控制部分由單片機(jī)完成，測(cè)量電路只輸出代表單收、雙收首波到來的脈沖即可。單片機(jī)從發(fā)射時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，分別測(cè)量單收、雙收到來的脈沖時(shí)間，雙收減單收時(shí)間即為雙收時(shí)差。

程控放大的實(shí)現(xiàn)：通過調(diào)整信號(hào)線的直流電平，MCU采集此電壓信號(hào)，然后控制放大電路的放大倍數(shù)。1.5信號(hào)傳輸部分：

本儀器的通訊部分與其他儀器兼容，采用了脈沖編碼方式傳送。每幀共傳輸8道信號(hào)，0～6道為數(shù)字信號(hào)，第7道只做同步用；每幀占用32768μS，如果按5cm采樣間隔采樣，理論最快測(cè)井速度可達(dá)到91m/分，即5460m/小時(shí)。

3 應(yīng)用結(jié)果：

圖中從左向右依次是：?jiǎn)问铡㈦p收、頂角、方位、井溫和自然電位。頂角和方位曲線的周期性起伏，是儀器在井內(nèi)碰撞自傳引起的，因此，連續(xù)測(cè)斜曲線應(yīng)以趨勢(shì)為依據(jù)，不能以某深度點(diǎn)為準(zhǔn)。

[1]黃作華．煤田測(cè)井方法與數(shù)字處理（上冊(cè)）[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1982:86.

[2]董韶鵬．基于磁阻和傾角傳感器的鉆孔測(cè)斜儀的研制[D]．北京:北航碩士論文,2007:15-17.