撞擊式取心器遙測系統的設計及應用

王磊 宗艷波 鄭俊華

摘要：鉆桿輸送方式取心儀器，通過利用遙測編碼的功能，串接一只或多只取心槍和選發器，取心遙測系統是鉆桿輸送模塊化取心器儀器串所必須的數據傳輸系統，由它完成各種井下儀器與地面系統之間的通訊及數據傳輸。實現一次下井可以同時取心幾百顆巖心，減輕勞動強度，提高測井時效。

關鍵詞：取心儀器；遙測系統；數據采集；信號傳輸

引言：

取心遙測系統將地面系統發送來的命令轉發給儀器串中的目標儀器，同時將目標儀器傳送來的數據轉發到地面系統；采集一些電子線路內部及儀器外部的幾個傳感器上的參數。儀器電子線路部分主要有數字電路、模擬電路、伽馬總成、通訊驅動等組成。

1遙測系統設計

遙測系統總框圖及簡介

1.1 通訊驅動

由地面發送的命令，進入通訊驅動電路，經放大、整形后，一路直接送至命令總線，供井下儀器串使用；另一路則由串行口送至通訊及數據采集控制電路，在該電路對命令進行解碼，并給CPU發送有效中斷，使CPU通過并行口將命令讀走，執行相關命令。另外，來自本儀器的M2數據及來自儀器串的M2數據經通訊驅動電路整形、驅動后上傳至地面，從而完成數據的轉發。

1.2通訊及數據采集和控制

該電路主要完成通訊部分及數據采集和控制部分兩大部分的功能。通訊部分是將來自驅動電路的命令（UDI）進行解碼，并執行相關動作，從而完成命令的接收；同時在該板的CPU會通過并行口將A/D轉換后的數據在移位時鐘的驅動下串行進入編譯碼器，編碼后由BZO/輸出到通訊驅動電路，從而完成數據的發送。

數據采集和控制部分是將來自模擬信號和電極處理電路的信號在SOC的控制下進行采集。包括多路開關選擇放大倍數選擇、采樣保持及A/D轉換。轉換后的信號，由CPU通過并行口送至通訊部分進行編碼及發送。

2 遙測系統電路描述

2.1通訊驅動電路

該電路的主要功能是：完成來自地面的通信信號的放大、整形及轉發；M2數據的發送和轉發如圖所示。此電路采用高集成度的厚膜電路進行的設計。命令通道：這個通道接收來自地面系統發送下來數據并且把這個命令再發送到數據總線上。這些數據字可以是命令也可以是數據，這取決于這些命令字中的曼徹斯特同步位。M2數據通道這部分電路對接收到的M2數據進行處理和濾波，以M2的方式發送到M2通訊變壓器上，進行M2數據發送。

2.2通訊及數據采集和控制電路

該電路主要分兩部分：通訊電路部分、數據采集和控制電路部分。在實際應用中這兩部分電路被集成在一個印制板上并，采用高集成度的厚膜電路進行的設計，見附圖。為敘述方便，現分為兩部分介紹厚膜內部電路的原理進行分析：

a 通訊電路部分

由原理框圖不難看出，通訊電路主要完成兩個任務：命令的接收和數據的發送。對這厚膜電路內部做一下簡要說明：

來自通訊驅動電路的串行信號UDI（本儀器的命令數據）首先進入IC4（HD15530編碼譯碼器）的8腳，經IC4譯碼后由4腳串行輸出（SDO）到移位寄存器IC6和IC9中，經IC6和IC9并行輸出至數據鎖存器IC7和IC10中，同時產生接收有效中斷信號/VALID給數據采集和控制電路，對CPU進行中斷，使CPU通過并行口將所接受的命令數據讀走，從而完成命令的接收任務。

來自數據采集和控制電路的數據，經CPU通過并行口寫到移位寄存器IC8和IC11中，并在寫入第二個字節后啟動數據發送。數據在移位時鐘IC4的TD的驅動下，從IC8和IC11的9腳（Q7）串行輸入到IC4的18腳（SDI），經編碼后由IC4的15腳（/BZO）輸出至通訊驅動電路，從而完成數據的發送任務。

b 數據采集和控制電路部分

這一部分電路主要分兩個單元，即控制部分和數據采集部分。結合原理框圖和電路圖對厚膜內部電路作簡要介紹。控制部分：這部分是以SOC為微控制器的控制電路，它完成下列三個功能：

控制通訊電路的編碼譯碼器接受串行數據、接收中斷和執行所接受命令，控制編碼譯碼器發送串行數據；

控制數據采集過程的順序和讀取A/D轉換數據；

控制儀器上所有的繼電器、模擬開關的動作和相關的驅動電路。

c 數據采集接口（并行口）

到目前為止，這個接口是最大的輸入/輸出應用接口，已經達到15個。它們被分成4個功能控制和數據總線，以便于數據采集處理。

數據采集部分：

這一部分電路主要對來自儀器內部和外部的模擬信號進行比較、增益選擇、采樣保持及A/D轉換，在SOC的控制下完成發送。具體介紹如下：

為滿足寬動態范圍、雙極性工作和測量精度的要求，設計的數據轉換電路已能夠滿足這些規格要求。在電路中，提供了一個參考數據，這個參考電壓數據是為對已轉換數據的應用而另外附加的信息，基本轉換器 產業標準的574 A/D轉換芯片，工作在單極性模式，0-10V輸入范圍，精度為12位。

4 現場應用情況

2018年4月，在勝利勝坨地區3-7-斜更133上井試驗，其井深2380m，溫度100度左右，本儀器串測得GR、R0.5、SP和其它曲線具有相關性。裝槍發射40彈，發射40顆，發射率達到100%。儀器達到了儀預期的效果。

取心選發器采用程控的方法實現選發器的“選”和“發”，操作靈活，地面操作員利用鍵盤命令或鼠標就可完成跟蹤、選發、點火等工作，大大降低了勞動強度。其機械部分采用了抗震加固設計，結構簡單，提高抗沖擊能力，降低了故障率。

每只取心槍均帶有獨立的選發控制電路，設置可地址，設有兩級安全開關，由數字命令進行選通和點火控制，安全性高。外部連線少，點火壓降小，可靠性高。

5結束語

取心器遙測系統的設計使取心槍可多只串接使用，大大提高了一次下井取心數量。可以根據實際需要一次下井取心幾百顆，能適用于各種電纜及鉆桿輸送，尤其適用于5000米以上的超深井和高溫井，普及后會提高井壁取心的工作效率，降低勞動強度。自主研制，不僅節省大量成本，而且提高取心時效。同時依靠高新技術為爭取更多的市場份額提供技術保障，提高中標率，創造新的經濟增長點。

基金項目：頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室開放基金資助。

（作者單位：中國石化石油工程技術研究院）