超高溫鉆孔軌跡數據記錄儀研制

龔名茂　屈召貴

摘? 要：為了能描述鉆井井眼的軌跡，使用光纖陀螺儀來測量井眼的深度、井斜角、方位角等參數。但由于光纖陀螺儀功耗高、數據實時輸出，導致電池供電時續航時間不夠、數據不便于傳輸等問題，設計了專門用于超高溫鉆孔軌跡測量儀的數據記錄儀，該記錄儀能在不超過125℃溫度范圍內將陀螺儀發來的軌跡數據經CRC校驗后，寫入到FLASH存儲器中，并加上RTC時間戳，杜瓦瓶外環境溫度等信息。在測量完成后，接上計算機，即可讀出軌跡數據，并通過軟件擬合，得到井眼的軌跡。本設計已用于青海某干熱巖鉆探項目，經試驗證明了該設計的耐高溫可靠性和數據記錄的正確性。

關鍵詞：超高溫;井眼軌跡;記錄儀;CRC校驗;FLASH

中圖分類號：P634.3? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：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

陀螺測斜儀也稱之為陀螺測斜探管，是鉆井工程中評估鉆井施工質量的重要儀器，其主要功能是測量井眼的井斜角和方位角等參數[1]。在測量完畢將探管提出井眼后，取出其中的數據記錄儀，將其通過數據線與計算機連接，由計算機中的測量軟件讀出探管中存儲的數據，并進行相應的計算和擬合，即可間接求得各測點的空間位置，從而獲得井眼的軌跡數據。

但陀螺測斜儀功耗高、數據實時輸出，且必須在靜止狀態才能測量到準確的數據[2]，因此，為了方便測量和記錄陀螺測斜儀的數據，還需要配套的數據記錄儀來記錄陀螺測斜儀的數據，該記錄儀需要具備RTC時間，從而與井上操作人員保持時間同步，使得陀螺測斜儀在預定的測量時間點上保持靜止狀態;需要具備較大容量的耐高溫數據存儲單元，記錄陀螺測斜儀發來的數據。由于探管內溫度可達120℃左右，數據記錄儀必須具備耐高溫的特性。本文重點介紹耐高溫鉆孔軌跡數據記錄儀的設計和實現方法。

1 設計方案

根據超高溫鉆孔軌跡數據記錄儀的技術要求，本設計需要將加速度計信號、光纖陀螺信號和溫度傳感器信號通過RS232接口接收并寫入到存儲器中，在測量完成后，取出數據記錄儀，連接上位機將數據導出，并計算井眼的井斜角、方位角、溫度等參數。因此，系統需要具備RS232通信、數據存儲、RTC時鐘、光纖陀螺電源控制等單元電路，其方案設計的總體框圖如圖1所示。其中，控制器使用MicroChip公司的PIC18F2520-E單片機，存儲芯片同樣為MicroChip公司的25LC1024-E存儲器，RS232接口芯片選擇了Maxim公司的MAX232AMJE。

2 硬件電路設計

數據存儲器模塊包括單片機、電源、RS232通訊、串行FLASH存儲器四個主要部分。其中單片機采用是PIC18F25K80，與該系統電源控制模塊的型號相同，該單片機已能滿足本模塊的設計要求。

電源模塊由整個系統的主控電源板提供電源，然后通過TPS79333芯片進行降壓，為整個存儲模塊供電。

串口通信選用ADI公司的工業級RS232芯片，其工作溫度范圍為-25℃～125℃，可滿足系統要求。其電路如圖2所示。

存儲器選用MicroChip公司的SPI接口EEPROM存儲器25LC512，該存儲器溫度范圍達-40℃到+150℃，容量為512Kbits，按照測量模塊每組數據43Byte計算，一共可存儲1534組數據。由于設計要求FLASH存儲空間可存儲2000組以上測量數據，因此，采用的兩塊存儲器級聯的方式實現。其電路圖如圖3所示。

3 軟件設計

超高溫鉆孔軌跡數據記錄儀的程序主要分為井上參數設置、井下數據記錄、井上數據導出三個部分，記錄儀通過串口指令判斷需要進入哪一部分程序并運行。其主程序流程圖如圖4所示。

超高溫鉆孔軌跡數據記錄儀在進行數據記錄的過程中，需要與RTC同步，通常數據記錄時間持續20小時左右，且在開始測試之前才設置RTC時間，故RTC時間可以直接使用單片機內部的定時器產生。

通信接口使用RS232接口，為了確保通信數據的穩定性，通信波特率選擇使用9600， 8位數據位，1位停止位，奇校驗模式。通信接口采用分時共用的方式，程序中使用不同的通信協議即可區分數據源。

EEPROM存儲器使用SPI接口與單片機連接，由于單片EEPROM存儲空間有限，為了擴展容量，本設計使用了兩片EEPROM存儲器。

參數設置、數據記錄、數據導出為該設備的三種不同的工作模式。其中，在開始數據記錄之前，需要對數據記錄儀設置相關參數，包括經緯度、海拔，當前RTC時間、起始測量時間、測量時間間隔，測量次數等信息。數據記錄模式為設備與光纖陀螺連接，存儲光纖陀螺發送過來的數據時的工作模式，該模式將控制繼電器給光纖陀螺通斷電、記錄光纖陀螺通過串口發送過來的數據、校驗通過后將其寫入到EEPROM中。

4 測試與總結

本系統在測試過程中，首先使用串口助手，模擬光纖陀螺數據進行測試，光纖陀螺數據每幀43字節，通過USB轉串口按照10Hz的頻率發送數據到本存儲器，實際發送數據1200條，在完成發送后斷電，重新上電讀出該數據并比對，數據存儲正確率為100%。后經過高低溫測試后用于青海某干熱巖鉆探項目，經試驗證明了該設計的耐高溫可靠性和數據記錄的正確性。

參考文獻：

[1]屈召貴，龔名茂，周策.鉆孔軌跡探測實驗儀研制[J].實驗室研究與探索，2019，38（2）：71-75，120.

[2]張先韜.煤礦測井用經緯度獲取和磁偏角計算[J].礦山測量，2019，47（2）：74-78，88.