隨鉆伽馬測井探管節電降功耗控制方法與系統設計

田小超，蔣必辭

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

對于煤礦井下隨鉆伽馬測井系統而言，其孔中測井探管的供電方式是面臨的技術難點之一。現有的隨鉆測量類儀器孔中探管供電方式主要有通纜鉆桿供電、電池供電，還有正在研制的孔中渦輪發電機，前2種供電方式極大的推進了煤礦井下物探事業的發展和進步，第3種供電方式的應用預期將對煤礦井下孔中物探事業產生飛躍性變化。但是，這3種方式又各有各的適用工況和工藝條件：通纜鉆桿供電適用于基于通纜鉆桿供電和數據傳輸的隨鉆測量系統，其對通纜鉆桿的強度、密封性及內部空間大小要求極高[1-4]；電池供電方式使用靈活，不受鉆桿類型的影響，但其受到應用環境、空間尺寸（主要是徑向）及煤礦井下防爆類電氣設備相關規定限制及要求[5-8]；煤礦井下孔中渦輪發電機技術源于石油物探，其能夠較好的解決孔中物探儀器供電問題[9-12]，目前還沒看到相關的應用報道。

煤礦井下隨鉆伽馬測井系統采用電磁波無線傳輸方式進行孔中測井探管與孔外數據接收裝置的數據交互，因此，為滿足實際應用工況，其孔中測井探管采用的是電池供電方式。隨鉆測井系統在使用時，鉆孔軌跡參數一般點測，而伽馬測井參數需連續測量[13-15]，在整個測量過程中，所有測量單元均一直供電，從而導致孔中測井探管工作時間縮短，對于中深度及以上鉆孔不能一次鉆進成功，需要提鉆更換電池管，這樣即使用復雜又有可能因鉆孔塌孔不能二次送鉆到已鉆進位置等原因耽誤施工周期[16]。因此，非常有必要研究和探索新型的煤礦井下孔中物探儀器的供電方式或節能方案，作為對目前已有的這幾種供電方式缺點彌補，或結合現有供電方式進行聯合使用，從而解決現有儀器因供電問題不能滿足所有工況和工藝條件的問題。為解決孔中探管供電時間短的問題，研發人員在測井探管中增加了基于壓力監測的智能電源管理單元，借助在鉆進施工時所加的鉆井液壓力來控制智能電源管理單元，即打鉆時智能電源管理單元控制孔中各探管斷電，停鉆測量時，孔外水泵泄壓智能，電源管理單元控制各測量探管上電，這種辦法在一定程度上延長了測井探管的供電時間，但隨鉆過程中測井探管各測量單元供電均切斷，僅能測量相隔鉆桿長度的測點的數據，有效測量數據少，不利于對測井數據進行綜合解釋與處理。

綜上所述，基于實際生產需要，以及現有解決方案存在伽馬測井數據不連續、不可靠，未能解決長時間停鉆時無效耗電問題，為解決隨鉆伽馬測井系統孔中測井探管供電時長與鉆孔作業施工周期不匹配的矛盾，研究并設計了基于孔中探管狀態監測的節能降功耗控制方法與系統。

1 系統組成及工作原理

煤礦井下隨鉆伽馬測井系統是一款集鉆孔軌跡參數（傾角、方位角、工具面角）測量、鉆孔周圍地層自然伽馬參數測量及鉆孔實鉆深度測量于一體的隨鉆測量儀器。系統由地面安裝于PC端的數據處理與綜合解釋軟件、煤礦井下孔口防爆終端與監測系統軟件、煤礦井下無線電磁波數據收發裝置、煤礦井下孔中測井探管、煤礦井下孔口深度測量裝置5大部分組成，系統組成結構框圖如圖1。

圖1 系統結構框圖Fig.1 System structure block diagram

煤礦井下隨鉆伽馬測井系統分地面部分和井下部分，其中，地面部分主要是指安裝于PC端的數據處理與綜合解釋軟件，井下部分是指分孔中測井探管部分和孔口深度測量裝置。

PC端數據處理與綜合解釋軟件用于進行測量數據的管理與繪圖以及煤層綜合解釋分析等，以具有良好跨平臺特性的Qt作為軟件的開發環境，以具有Qt拓展功能的標準C++語言進行開發，并以OpenGL為三維繪圖引擎。煤礦井下孔口防爆終端（以下簡稱孔口終端）采用基于Windows平臺的高性能工控機，并在其上安裝了專用的隨鉆監控系統軟件。在測量前通過無線電磁波收發單元進行孔中測井探管配置參數的下發，完成測量后測量數據的接收，孔口終端接收到的測井數據由隨鉆監控軟件進行測井數據與孔深數據以系統時間為標尺進行匹配，并且計算軌跡偏差及鉆孔軌跡空間位置。煤礦井下孔中測井探管（以下簡稱孔中測井探管）由符合礦用安全要求的鋰離子電池組、電源本安電路、基于STM32單片機的主控電路、測斜單元、伽馬測量單元及無線電磁波收發單元等組成；可對鉆孔施工過程中的實時鉆具姿態信息（傾角、方位角、工具面角）和所鉆地層周圍自然伽馬放射性強度信息進行測量，由主控電路進行測量信息統計與打包，經無線電磁波收發單元向孔外發送；測斜單元主要是鉆具實時姿態信息傾角、方位角、工具面向角的測量，傾角和工具面角是通過三軸加速度傳感器及其相關解算芯片測量和計算獲取，方位角是通過基于大地磁場測量的三軸磁感式傳感器及其相關解算芯片測量和計算獲取[17]；伽馬測量單元主要是對所鉆地層周圍放射性射線強度信息進行測量，并將此物理量通過信號調理電路轉化為與強度信息成正比的標準脈沖信號[13,18]。煤礦井下孔外深度測量裝置（以下簡稱測深裝置）用于鉆孔實鉆深度的測量，采用的是傳統的光電碼盤脈沖計數原理，將與光電碼盤計數軸相連的測深滾輪通過夾持器與鉆桿精密配合，且夾持器和測深滾輪可跟隨鉆桿的鉆進抖動，確保測量可靠性和精度，因鉆桿行進產生的深度增加信息將按照預設間隔實時發送給孔口終端的隨鉆監控系統軟件[19-20]。

2 節電降功耗控制機理

隨鉆伽馬測井系統孔中測井探管應用于煤礦井下鉆孔中，受鉆孔孔徑和鉆桿內過水量最低要求限制，孔中測井探管的外徑必須限制在一定范圍內，因此，電池組僅能采用線性布置，且按照煤礦安全相關規定，所采用的電池組總容量也必須限定在一定范圍內。為延長儀器有效工作時長，除在儀器設計時采用低功耗芯片外，還應從其他方面采取措施。

依據工程測量對測井數據的實際需要，測斜數據以每根鉆桿長度距離進行點測即可滿足對軌跡測量與計算的需要，測井數據盡可能的涵蓋整個測量過程的有效深度范圍，對應的有效測量過程即為在鉆進過程中測斜單元斷電，伽馬測量單元保持上電并按照預設時間間隔統計測量和存儲伽馬數據；在停鉆加鉆桿時對測斜單元上電并有效測量，伽馬測量單元保持上電并按照預設時間間隔統計測量和存儲伽馬數據，同時無線電磁波收發單元對采集的測斜數據和抽道的伽馬測井數據經無線電磁波信號向孔外發送；在遇到工作人員交接班、鉆機故障、停電檢修等長時間停鉆時，測斜單元和伽馬測量單元均斷電。針對如上所述有效的測量過程，設計了相應的控制算法及其對應的硬件電路。

2.1 節能降功耗電路

節能降功耗電路原理框圖如圖2。在隨鉆伽馬測井系統孔中測井探管原電路基礎上，增加了探管狀態監測電路及2路獨立開關電路。

圖2 電路原理框圖Fig.2 Circuit principle block diagram

狀態監測電路用于對孔中測井探管當前工作狀態的識別，即是打鉆狀態還是停鉆狀態，在鉆進施工過程中無論定向鉆進還是回轉鉆進都會因鉆具切削地層或自身旋轉而產生較大幅度的振動，因此，在設計時借助于對振動或沖擊強度的判斷來識別，孔中測井探管當前狀態。選用超低功耗（nA級）、超小體積、超低成本的三軸加速度傳感器ADXL362及其外圍電路作為狀態監測電路的主芯片。

開關電路用于對各測量單元斷電或上電決定的執行，控制邏輯執行依據來源于STM32主控電路對采集到的狀態監測電路返回信號的分析與綜合判斷。設計了2路獨立的開關電路，開關電路1執行對測斜單元斷電與上電操作，開關電路2執行對測斜單元斷電與上電操作。選用低功耗、小體積、低成本的貼片式三極管和MOS管及其外圍電路作為開關電路的主控芯片。

2.2 探管工作狀態識別算法

狀態監測電路的輸出信號用于識別孔中測井探管的狀態，即運動狀態和靜止狀態，對應的是孔中測井探管打鉆狀態和停鉆狀態，設計包含5個狀態：離線狀態、檢測狀態、運動狀態、短靜止狀態、長靜止狀態。各個狀態機轉化關系如圖3。

圖3 狀態轉換關系框圖Fig.3 State transition relationship block diagram

測井探管狀態識別控制系統始終存在2個概率：虛警率和漏檢率。一般來說虛警率與漏檢率無法同時達到任意小，在一定條件下虛警率越小則漏檢率就越大，反之亦然。

孔中測井探管工作狀態算法旨在最大化的識別靜止狀態后進行關閉部分外設，降低隨鉆伽馬測井系統孔中測井探管的功耗，但又不可過度嚴苛。在執行過程過，整個孔中測井探管狀態識別算法具有以下幾個特征：①運動檢測敏感性：為降低孔中測井探管狀態識別系統虛警率，使孔中測井探管不遺漏正常的工作時段，針對運動的檢測較為敏感，在任意狀態下只要判斷滿足運動條件立刻進行狀態機轉換；②靜止檢測低通性：靜態檢測過程較為謹慎，任何靜止狀態達成需要滿足一定連續靜態時長門限要求。

采用ADXL362低功耗加速度計芯片作為運動數據采集的來源進行運動狀態與靜止狀態之間的條件判斷。同時啟動了運動檢測和靜止檢測功能相對運動檢測模式，并設定相應相對檢測模式及門限，從而達到運動和靜態判斷。

1）打鉆狀態識別。當狀態監測電路采集到的加速度值超過了預設的閾值并持續了預設的時間時，即檢測到運動事件。在相對配置中，當狀態監測電路采集到的加速度樣本至少比內部定義的參考高出預設的量且持續用戶定義的時間時，即ABS（加速度－參考）＞閾值時檢測到運動事件。

2）停鉆狀態識別。當狀態監測電路采集到的加速度值低于預設的閾值并持續預設的時間時，即檢測到靜止事件。使用相對靜止檢測時，當狀態監測電路采集到的加速度樣本與內部定義的參考相比，加速度樣本在預設的量以內且持續預設的時間時，即ABS（加速度－參考）＜閾值時，則檢測到靜止事件。

2.3 探管控制邏輯

通過狀態監測電路采集的加速度變化信號經SPI總線傳送至主控電路并由狀態識別算法進行識別分析，并下發對應的斷電與上電控制指令，由開關電路1/2進行執行。對測斜單元與伽馬測量單元執行的供電邏輯控制如下：

1）測斜單元供電邏輯。測斜單元只在檢測到靜止狀態后進行一定時長的上電工作，之后斷電等待下次上電。在其余狀態下均保持斷電狀態，以達到最大程度節電。通電時長的確定以確保可采集有效測斜數據為準。

2）伽馬測量單元供電邏輯。當檢測到長靜止發生時，主控電路會下發關閉伽馬測量單元開關電路的指令。其他狀態下伽馬測量單元供電開關電路打開，保持伽馬測量單元處于工作狀態。長靜止即長時間停鉆狀態，該時間長度以現場長時間停鉆最短時間長度來設定，一般在幾十分鐘。

3 節能降功耗控制系統具體實施方式

孔中測井探管節能降功耗控制系統控制方法的實施流程圖如圖4。

圖4 控制方法實施流程圖Fig.4 Flow chart of control method implementation

首先，在煤礦井下施工鉆場對隨鉆伽馬測井系統的孔中測井探管進行組裝上電，測斜單元與伽馬測量單元將上電工作，然后節能降功耗控制系統控制過程如下：

A過程：測斜單元和伽馬測量單元都工作；并保存測斜數據與伽馬計數數據。

B過程：測斜單元不工作，伽馬測量單元正常工作，保存伽馬計數數據。

C過程：測斜單元不工作，伽馬測量單元不工作，均不保存數據。

狀態監測模塊監測孔中測井探管的振動情況：若監測到的實時振動不大于預設的振動閾值，且持續時間t＜T1，則孔中測井探管的測斜單元和伽馬測量單元均保持前一時刻的狀態（即保持斷電或者上電）；若持續時間T1≤t＜T2，則執行A過程；若持續時間T2≤t＜T3，則執行B過程；若該振動狀態持續時間t≥T3，則執行C過程。

若狀態監測模塊監測孔中測井探管的振動大于預設的振動閾值，且該狀態持續時間t＜T1，則孔中測井探管的測斜單元和伽馬測量單元均保持前一時刻的狀態；該振動狀態持續時間t≥T1，執行B過程。

如上描述的各時間點，定義如下：T1為系統抗擾動時間，s，其設置標準為大于非人為操作引起的無效振動或人為調整鉆桿等引起的短振動的持續時間以及各種非正常測量需要的短停鉆的時間，非正常測量是指沒有在事先設置的測量探點進行的停鉆測量；T2的大小應能夠使測斜單元至少完成3次有效測量,測斜傳感器單次采樣時間為1s；T3為長時間停鉆門限時間，s,其設置標準為要能排除絕大多數短時間的正常生產作業活動，又能在鉆機故障、停電檢修等長時間停鉆時盡可能及時切斷探管各測量單元電源，根據現場實際試驗經驗；測斜單元數據采樣周期與伽馬測量單元數據采樣周期設置一樣，一般可設為2s；時間閾值T1、T2、T3的設置也可以根據現場實際工況需求進行調整；振動閾值根據實際工況確定，也可根據現場實際工況需求進行調整，根據現場實際試驗經驗，可設為2g。

4 結 語

針對煤礦井下隨鉆伽馬測井系統孔中測井探管供電時長與鉆孔作業施工周期不匹配的矛盾，研究并設計了基于孔中探管狀態監測的節能降功耗控制方法與系統。孔中測井探管節能降功耗控制方法能有效解決現有的電源管理方法引起的有效測量數據少、不可靠的問題，能保證測井過程中有效數據的采集量，避免伽馬測井數據不連續的問題；孔中測井探管節能降功耗控制方法不僅可以實現隨鉆測井過程中測斜單元無效供電的斷電控制，還可以解決因現場交接班、鉆機故障、停電檢修等長時間停鉆時的無效供電問題，延長電池組的孔中供電時間，避免因測井探管電池供電時間不足所產生的鉆工施工過程中未終孔而提鉆換電池管的無效工作。