基于PIC的井下超聲井徑測量系統研制

李 蘇，劉西恩，陶愛華，李春楠

（中海油服油田技術研究院 河北 燕郊 065201）

在油氣探測開發中，井徑信息是描述油氣藏特征的重要參數之一，是勘探，鉆井，測井，完井和采油工程中的一個重要參數[1]，是評價地層信息的重要依據，特別是在隨鉆過程中，井徑信息能提供大量關于鉆井效率的信息和在鉆進，測井和完鉆過程中及時檢測出可能遇到的問題，因此如何準確獲得井徑信息是目前測井中大家比較關心的問題，在實際鉆井中，井徑測量是派生出來的，而不是直接的物理測量，換句話說就是鉆進的過程中沒有用機械臂去測量，這些井徑測量可以用不同的測量方式進行測量，因為各種方式探測深度不同，因此會有不同的應用，文中討論的是基于PIC的井下超聲井徑測量系統。

1 井下超聲井徑測量原理

超聲井徑測量儀的功能是在石油勘探過程中，提供即時的井徑及其相關信息。測量儀的主要部件是3個自發自收的超聲換能器，它們以120度的角度等間隔排列在儀器的周圍，當換能器向外發射一列脈沖時，在井壁上反射聲波，換能器將接收到這一反射回波，反射回波遇到換能器表面時仍將反射回去，從而形成井壁的第二次反射回波[2]，由得到回波的傳播時間，在已知泥漿聲速的情況下，由公式（1）獲得換能器表面與井壁之間的距離。其中v為泥漿聲速，t為首次回波到達時間（往返）。

那么，同時有3個按規律排列的換能器同時發射聲波時，根據“三點確定圓的原理”，通過幾何運算方法，就能確定井孔的直徑、圓心以及其他一些相關參數。因此超聲井徑電路需要準確地測出首波到時，從而通過幾何運算，算出井徑值。

2 硬件電路設計

井下超聲井徑電路系統主要由以下幾個部分組成，如圖1所示，分別為模擬前端，信號采集，主控單元，數據存儲，通訊模塊。該電路采集超聲回波信號并在井下存儲，將將計算的井徑數據發送到中控電路由其上傳，該系統能夠完成超聲波換能器探頭的聲源激勵，信號濾波，回波到時采集，磁通門和加速度計信號采集，井徑計算，測量數據存儲等功能，并能夠通過數據總線傳輸井徑值。

2.1 模擬前端

圖1 超聲井徑測量硬件的設計框圖Fig.1 Block diagram of the hardware design of the ultrasonic diametermeasurement

圖2 模擬前端框圖Fig.2 Block diagram of the AFE

前端主要包括阻抗變化，信號選擇，程控放大，濾波電路等。由超聲探頭接收到的回波能量較小，為此，應當設計預放大電路，將回波信號先進行一定的幅度、功率放大，然后送到后級進行濾波、程控放大等處理。超聲探頭的內阻較高，在設計預放大電路時，必須進行阻抗變換。此外，儀器共有3路超聲波探頭。3路探頭工作時為順序發射，采集探頭回波，即3路探頭不會同時工作。為減少器件數量，降低調試難度，并降低儀器功耗，可以共用3路探頭的回波信號調理電路。

2.2 信號采集

A/D轉換電路將模擬前端輸入的全波信號轉換為數字信號，送到主控單元進行處理。根據本文設計要求，需要的最大A/D轉換速率為2.5 Msps，數據位寬為14位。A/D轉換的主要器件為ADC芯片，根據電路連接結構分為外接的獨立ADC芯片，和主控器件內部集成的ADC外設。主控器件要求采用DSP處理器，而一般DSP處理器集成的ADC外設的位寬均低于14位，必須選擇一款滿足要求的獨立ADC芯片。ADC進行信號轉換時必須接入參考電信號，作為轉換基準。

圖3 AD采集電路結構Fig.3 The structure of the AD acquisition

2.3 主控單元

主控芯片為dsPIC33FJ128GP706A-H/PT（簡稱GP706A），該芯片工作溫度為150℃。dsPIC33FJ系列芯片為DSC類型 CPU，集成有DSP[3]單元，即有MCU的 I/O控制能力，又有DSP較強的運算能力[4]。GP706A的外設如下：

器件 引腳數 閃存程序存儲器（KB）RAM（KB）（1）16位定時器輸入捕捉輸出比較標準PWM編解碼器接口ADC UART SPI I2CTM 增強型CANTM最大I/O引腳數（2） 封裝dsPIC33FJ1 28GP706A 64 128 16 9 8 8 1 2個 ADC，18路能道2 2 2 2 53 PT，NR

GP706A的輸入電源為單路+3.3 V，降低了對電源種類的要求。在150℃下，最高工作主頻為20 MHz，此時工作電流為60mA左右。

2.4 數據存儲

目前儀器工作時無法上傳大數據量的數據，地面只能顯示部分參數。因此，超聲井徑儀采集到的全波列數據、工具面角數據、監控數據等均需要存儲到井下[5]。

每個采樣點的波形數據很多，且電路工作時間長，導致需要存儲的數據較多，最大存儲器容量大于900 Mbit。井下由于器件工藝水平和成本的限制，無法找到單芯片容量大于900 Mbit的存儲芯片，為此，需要采用多片存儲芯片級聯的方式，提供足夠的容量。此部分電路結構如下：

2.5 通訊模塊

通訊模塊主要分井下總線和數據上傳總線。其中井下總線結構為：

圖4 數據存儲電路結構Fig.4 The structure of data storage

超聲井徑儀直接與中控電路通信，二者的通信總線為RS485總線。RS485總線為成熟的工業總線，包括UART控制器和RS485驅動器，UART控制器負責控制驅動器發送數據，并將數據傳到主控單元。RS485驅動器負責將UART控制器傳來的數據轉成差分信號發送到RS485總線上，并將RS485總線上的差分信號轉為UART控制器可識別的信號。

鉆井結束后，超聲井徑儀需要通過數據上傳總線傳輸井下存儲的數據，該總線與數據讀取裝置連接。由于井下最大存儲數據＞900MBbit，為加快數據讀取速度，需要選擇一種通信速率較高的數據總線。由于隨鉆超聲井徑儀與數據讀取裝置間的電纜長度為150m，該數據上傳總線還必須滿足長距離通信的要求。

適合長距離通信的數據總線包括CAN總線、RS485總線、以太網總線等。

CAN總線在150m的通信電纜上，最高通信速率只能達到300～400 kbps，無法滿足要求；以太網總線需要的硬件資源較多，電路復雜，也不滿足要求。綜合考慮各種總線的通信速率與電路結構后，最終選擇了RS485總線。

3 固件設計

本系統軟件設計主要是單片機系統軟件設計，PIC33FJ的內核CPU結構是按照精簡指令集和高透明指令的宗旨來設計的[6]，因此單片機開發采用專門用于PIC33FJ系列單片機而設計集成開發環境，編程采用C語言，該芯片作為主CPU，在系統中負責回波采集，溫度采集，監控信號采集等，采集數據的處理，數據存儲，數據通訊等，其固件的主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart

4 結束語

文中設計的井下超聲井徑測量系統通過了現場試驗的測試，系統穩定可靠，采集了大量數據，多次測量了井徑數據，并與標準值對比，其結果準確穩定，由于長時間實時監測井下信息，例如波形信息，方位信息，井徑信息等，FLASH存儲器可以根據地面配置要求存儲幾百個小時的數據，可以方便對數據回訪，滿足了現場應用的要求。

[1]阮玉柱，陳凡，胥召.超聲波測徑在鉆井過程中的應用[J].內蒙古石油化工，2010（23）：130-135.RUAN Yu-zhu，CHEN Fan，XU Zhao.The application in the drilling of the ultrasonic logging[J]. Inner Mongulia Petrochemical Industry，2010（23）:130-135.

[2]楚澤涵.聲波測井原理[M].北京：石油石油工業出版社，1987.

[3]石朝林.dsPIC數字信號控制器入門與實戰[M].北京：北京航天航空大學出版社，2009.

[4]梁海浪.dsPIC數字信號控制器C程序開發及應用[M].北京：北京航天航空大學出版社，2006.

[5]彭琰舉，趙毅，潘海洋.基于PIC16F877單片機的井下壓力測量技術研究[J].電子設計工程，2012（5）：146-148 PENG Yan-ju，ZHAO Yi，PAN Hai-yang.Research of down hole pressure measurement technology based on PIC16F877 microcontroller[J].Electronic Design Engineering，2012 （5）:146-148.

[6]石倩，潘興明，孫成芹.基于PIC16F688的隨鉆儀器鋰電池監控系統的設計[J].電子設計工程，2013（8）：177-179.SHIQian，PAN Xing-ming，SUN Cheng-qin.Design of lithium battery monitoring system of measuring while drilling tools based on PIC16F688[J].Electronic Design Engineering，2013（8）：177-179.