基于開關泵命令對CNP儀器中子發生器的控制*

郭廣鎏，安旅行，陳緒濤，李西寧，王俊超，陽質量，秦泓江

(1.西安石油大學　陜西　西安　710065；2.中國石油集團測井有限公司隨鉆測井中心　陜西　西安　710054；3.中國石油集團測井有限公司長慶事業部　陜西　西安　710201)

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·開發設計·

基于開關泵命令對CNP儀器中子發生器的控制*

郭廣鎏1,2，安旅行2，陳緒濤2，李西寧3，王俊超1,2，陽質量2，秦泓江2

(1.西安石油大學陜西西安710065；2.中國石油集團測井有限公司隨鉆測井中心陜西西安710054；3.中國石油集團測井有限公司長慶事業部陜西西安710201)

摘要：可控源中子孔隙度隨鉆測井儀使用中子發生器作為放射性源,在實際隨鉆測井中，中子發生器全程工作對中子管壽命和井下電池都是極大的消耗。為了節省中子管和井下電池的工作時間，根據需要實時開啟或關閉中子發生器，提出了中子發生器控制部分響應開關泵命令序列的設計思路。綜合各種因素使用兩個開泵和關泵命令組成序列來控制發生器在隨鉆測井作業中的開、關。實驗結果表明可以使用開關泵命令序列控制發生器的工作，儀器因此可以取得更多有效測井資料。

關鍵詞：可控源中子孔隙度隨鉆測井儀；中子發生器；泥漿泵

0引言

中石油測井公司的可控源隨鉆中子測井儀使用一種小型加速器中子源[1]，我們稱之為中子發生器。中子發生器由中子管和相應的供電、控制系統組成[2]。儀器由井下電池供電，發射中子時的耗電量是停止發射中子時的5～6倍。國外的成套隨鉆測井裝備，包括可控源中子，由泥漿發電機供電，利用泥漿循環控制中子管的工作。測井公司的隨鉆中子測井儀中子管的使用經歷了無下發控制、開關泵命令控制兩個階段。第一階段，儀器以鉆后測量的方式下井，下井前根據工況設置儀器工作參數，其中很重要的參數就是發生器開始工作的時間和發生器工作時長。第二階段，儀器以實鉆測量的方式下井，在實鉆環境下儀器利用主控下發的開關泵命令控制中子發生器的開與關。儀器的推廣使用對中子管的控制提出了更高的要求，為此，研發人員設計用開關泵命令序列來控制中子發生器，使得中子儀器更適合于商業化應用。

1無下發控制階段

樣機處于試驗階段，單機下井，主要驗證儀器的原理、考察測量精度，沒有顧及更復雜的應用問題。此時中子儀器采用的是鉆后測方式：完井后，用鉆桿將儀器勻速推送到目的層。儀器到達測試目的層的時間以及完成對測量段的測量時間都可以大致估算確定，工作方式是：下井前預設延遲時間、工作時間，將工作參數寫給井下儀器的單片機存儲，下井后單片機自動運行程序，通過外圍電路控制中子發生器的啟動時間以及整個工作時間[3]。

這種情況下，主要的參考信息是可知的，中子儀器測井曲線是完整有效的。但此時中子儀器使用的局限性是顯而易見的。只有在完井后才能下儀器，儀器用鉆桿推送下去，為能計算出較準確的中子發生器的工作時間，對于起鉆或者下鉆的速度要求很嚴格。

總之，這階段對于中子發生器的控制方式簡單，容易實現。但所適合的環境較理想，對儀器的穩定性、可靠性做了驗證，沒有進行有意義的實際隨鉆測井。

2開關泵命令控制階段

中子儀器與MWD系統聯接，在鉆進過程中實時測井。此時不能預料鉆井進度，雖然可以預設一個發生器工作的延遲時間，但無法預估發生器工作時長，這種情況下，都是將發生器的工作時間設置得足夠大。發生器的D-T中子管理想工作壽命在100 h左右[4]，用來供電的電池容量有限，在實際鉆井中，鉆井進展順利時尚不能滿足全程測井工作，當遇阻或者堵漏時則將白白浪費中子管壽命和井下電池電量。儀器在井下可能只得到短短幾十米的測量數據。因此在實鉆測量時對中子發生器的實時控制顯得十分必要。

MWD傳輸系統采用泥漿脈沖傳輸，泥漿泵的開或者關造成泥漿脈沖發生器上的壓力開關的通、斷，從而產生一個高或者低電平傳給驅動短節，井下驅動短節收到該電平后，會往總線上發送開泵或者關泵命令，此命令稱為廣播命令。泥漿脈沖傳輸速度很慢，傳輸一位數據需要0.8 s，資源十分緊張。下發命令除了廣播命令以外，就只有每種儀器各自的要數命令。開泵后，驅動短節自動輪發各個隨鉆測井儀器的要數命令，各儀器響應后，上傳自己的測井數據給驅動短節，最終通過泥漿脈沖發生器產生泥漿脈沖信號，被立管壓力傳感器接收到，地面箱體解碼，傳給主機，地面軟件顯示。

根據上面的描述，我們能利用的只有開關泵命令。在實際工作中，鉆進的時候都要開泵泥漿循環，因此用開泵引起的開泵命令來打開中子發生器，用關泵命令來關閉發生器，目的在停鉆的時候不會浪費中子管的壽命，也不會過多浪費電池電量。這種控制方式能夠成功打開或者關閉發生器。

但是，在應用中，碰到停鉆循環、堵漏循環的情況時，開關泵十分頻繁，泥漿泵打開，中子發生器隨之打開；泥漿泵關閉，發生器隨之關閉。這時鉆頭沒有鉆進，打開發生器沒有測量意義，更糟糕的是，發生器的打開和關閉太過頻繁，中子發生器高壓忽高忽無，造成了發生器的損壞，測井徹底失敗。

所以，這階段對中子發生器實現了實時控制，方式也比較簡單，容易實現。但所適合的環境也較理想，當鉆井工況復雜時，這樣控制也不合理。

3開關泵命令序列控制的設計

3.1設計思路

單純用開關泵命令控制發生器，很可能對中子發生器造成損害。為此我們尋求一種開關泵命令組合來現實中子發生器的地面控制。APS公司的旋轉導向系統RSM(Rotary Steerable Motor)[5]下行通訊是通過循環泥漿泵來改變鉆井液排量，使其在特定的時間周期和特定的序列內高于和低于特定的閥值排量來完成,如圖1所示。我們不具備控制鉆井液排量的手段，能操作的就就是關泵和開泵，由此產生的開、關泵命令使其各自保持一定的時間周期，以幾個開泵和關泵命令組合形成一個序列，做為一個下發命令控制中子發生器。

圖1　RSM系統的一種下發命令

基于以上思路，設計了發生器的開和關兩種命令，如圖2、圖3所示。兩種命令均采用五次開、關泵命令的組合，開泵狀態時間均保持在2 min，關泵狀態時間均保持在1 min。這種設計既避免對其他儀器誤操作，同時也考慮了在實際測井中的可操作性。

圖2　開發生器命令

圖3　關發生器命令

3.2發生器控制的實現

儀器采集部分與高壓控制部分并聯于總線上與系統通訊，如圖4所示。采集部分負責儀器數據的采集、存儲；高壓控制部分負責中子發生器的開和關。

圖4　采集部分、高壓控制部分與總線連接圖

發生器控制設計的具體實現如圖5所示。圖5為開、關泵命令處理流程圖，在地面實施開關泵為手動操作，其操作時間間隔有一定誤差，因此程序對開、關泵命令的識別設置了一個時間偏差范圍，開、關泵命令的偏差分別為±15 s和±10 s。

當高壓控制部分識別到開/關發生器命令時，高壓控制板的單片機通過控制D/A轉換器的輸出來實現中子發生器的開/關。

圖5　開、關泵命令處理流程圖

命令序列的響應成功與否通過下發要數命令給采集部分，從上傳的數據可以識別是否儀器響應成功(見表1)。工作人員可根據實時上傳的數據信息進行相應操作，直到儀器成功響應發生器的開關命令。

3.3實驗驗證

完成了井下軟件的開發和單板調試工作，我們對中子發生器的控制功能進行了實驗驗證，可控源中子儀器在中子發射場進行了測試。實驗中我們通過串口調試軟件發送開泵和關泵命令，一個序列發完后，發要數命令查看響應結果，如圖6所示。圖6中的AA 04 00 AE是關泵命令，AA 04 01 AF是開泵命令，24 04 A1 C9是中子儀器要數命令。實驗過程中，點“手動發送”下發開/關泵命令以組成開/關發生器序列，每次發送必須保證在規定的時間內。實驗結果見表2，其中δti(i=1,2,3,4,5)是指開/關發生器命令序列中第i次開/關泵命令的發送時間偏離規定時間的誤差。從表2可以看出時間偏差在規定的范圍內，儀器都能正常響應。

表1　儀器對發生器開、關命令響應的問題及處理方案

圖6　實驗測試圖

序列δt1/sδt2/sδt3/sδt4/sδt5/s響應開發生器序列2-3-454響應正常13-573響應正常-26-72-6響應正常1-5583響應正常32-3-61響應正常關發生器序列-274-82響應正常15-3-2-5響應正常8-95-30響應正常-253-64響應正常25-673響應正常

本次實驗環境較為理想，在實鉆中考慮到開/關泵時間不準確、泥漿壓力傳感隨著時間變化等不確定因素的增多，都將成為干擾因素[6]。但如表1中，若單次的命令序列沒有被成功響應，可以再次手動發送直到儀器成功響應。

4結論

本文基于開關泵命令對隨鉆可控源中子儀器的中子發生器實時控制進行了設計、軟件開發、單板調試和實驗驗證等工作。實驗結果表明：

1)從設計思路上來講，成功的利用了隨鉆測井系統里的開關泵命令(廣播命令)，并使用組合序列避免不必要的開/關中子發生器。

2)成功實現了實時對隨鉆可控源中子儀器的中子發生器開關控制，在實鉆作業中，將可以延長中子管的有效使用時間和井下電池的供電時間。

3)在野外實鉆環境中，手動操作、泥漿脈沖信號衰減等不確定因素可能會導致單次開/關發生器序列命令未能成功響應，可以通過重復發送直到儀器成功響應。

參 考 文 獻

[1] 李安宗，秦泓江，王 珺，等.隨鉆可控源中子測井儀器研究[J].石油鉆采工藝,2011,33(5):105-109.

[2] 呂俊濤.脈沖中子發生器高壓控制系統的自動控制設計[J].同位素，2008,21(3):155-160.

[3] 閆水浪.隨鉆可控源中子測井儀研究[D].中國石油大學,2010.

[4] 梁峰，吳軍隨，麻惠生.耐高溫長壽命測井中子管[J].測井技術，1999,23(1):62.

[5] APS公司.旋轉導向螺桿(RSM675)[EB/OL].[2015-02-10].http://www.aps-tech.com /chi/.

[6] 楊謙.泥漿脈沖器脈沖發生機理研究[D].吉林大學,2011.

Controlling Neutron Generator of CNP Tool Based on Pump Switch Command

GUO GuangLiu1,2,AN Lvxing2,CHEN Xutao2,LI Xining3,WANG Junchao1,2,YANG Zhiliang2,QIN Hongjiang2

(1.Xi′an Shiyou University,Xi′an,Shaanxi 710065,China; 2.LWD Logging Center,China Petroleum Logging Co.Ltd.,Xi′an,Shaanxi 710065,China; 3.Changqing Division,China Petroleum Logging Co.Ltd.,Xi′an,Shaanxi 710201,China;)

Abstract：Controllable Neutron Porosity(CNP) logging while drilling tool adopts neutron generator as radioactive source in logging.So the life of neutron tube and batteries in the tool would be consumed greatly in practical work.In order to save the working time of the neutron tube and battery,real-time control of the generator is needed.The design method for the neutron generator responsing to the mud-pump command is proposed.Considering the variety of factors,two pump-on and pump-off commands as sequences are used to control the generator while logging.The experiments show that the command sequences can successfully control the generator in the tool，and the instrument can obtain more effective logging data.

Key words：controllable neutron porosity LWD tool；D-T neutron generator；mud pump

基金項目：中國石油集團測井有限公司科學研究與技術開發項目(CPL2013-D03)

第一作者簡介：郭廣鎏，男，1977年生，2002年畢業于大慶石油學院計算機軟件專業，目前在中國石油集團測井有限公司隨鉆測井中心從事隨鉆中子儀器研發工作。E-mail：dqggliu@sina.com

中圖法分類號：P631.8

文獻標識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)03-0028-04

(收稿日期：2015-10-19編輯：屈憶欣)