基于雙處理器架構的地層壓力測控系統設計*

賴 欣， 胡 澤， 汪春浦

(1.西南石油大學 電氣信息學院，四川 成都 610500；2.川慶地質勘探開發研究院， 四川 成都 610051)

0 引 言

地層壓力是油藏描述的一個重要參數，多年來人們一直尋求在鉆井過程中測量地層壓力。20世紀50年代鉆桿測試(DST)和電纜測試技術相繼出現，鉆桿測試和電纜測試都需要長時間停鉆才能進行測量，無法實現隨鉆測量。而且在大斜度或者水平井中使用傳統的鉆桿傳輸電纜測井工具進行地層壓力測試極其耗時，存在工具下入困難等潛在風險，現代隨鉆測井工具正在取代傳統的電纜測井工具。為了提高井場作業的安全性，利用隨鉆壓力測試工具提供的數據可以優化泥漿密度和當量循環密度，防止井涌、井噴、地層損害或地層壓裂以及循環漏失。隨鉆地層壓力數據還可以幫助校正預測性孔隙壓力算法。隨鉆地層壓力測試系統能在鉆進過程中實時快速的提供地層壓力數據，使鉆井過程得到優化、提高了鉆進效率和避免了一些潛在的危險[1,2]。近幾年，國外公司分別開發了自己的隨鉆地層壓力測試工具，可提供實時地層壓力數據，且能滿足各種地層的需要。國內這方面的研究還處于探索階段，尚無自主研發的成熟產品[3～5]。本文在結合國內對地層壓力測試系統的探索基礎上，設計了隨鉆地層壓力測量控制系統，實現了在高溫、高壓和強干擾惡劣環境下對壓力信號的采集、分析、傳輸和存儲。

1 系統框架設計

地層壓力測控系統內部具有一個閉環測量控制系統，在整個測試過程中獨立自主的完成測試。測試器主要包括測量控制模塊、分流加壓模塊、換向控制模塊和執行機構模塊，結構如圖1所示。測量控制模塊是本系統核心，測量模塊在鉆井過程中不斷測量井下壓力數據和檢測各模塊的工作狀態，控制模塊主要實現對各模塊的控制；分流加壓模塊主要是將鉆井液分流并增壓用于驅動探頭；換向控制模塊控制鉆井液方向實現探頭的伸出與縮回；執行機構的作用是在探頭緊貼井壁后實現抽汲。各模塊協調配合，使系統形成一個閉環的控制系統，可保證儀器準確可靠的測量。

圖1 地層壓力測控系統結構

2 系統硬件設計

系統安裝在鉆柱的2個短節內，以DSP為核心的采集系統安裝在一個短節中，以單片機為核心的控制系統安裝在另一個短節中，2個系統都需要安裝在狹小的空間內。DSP與單片機之間依靠I2C總線通信，雙處理器設計既保證系統的控制功能，又能滿足體積安裝要求，在只有測量需求時將控制短節取下即可。系統的總體框圖如圖2所示。系統主要包括主從處理器電路、信號調理電路、數據傳輸、數據存儲、光電隔離、整流模塊、驅動模塊等部分。

圖2 系統硬件框圖

2.1 微處理器電路

該系統使用雙處理器架構，主MCU主要負責對四路壓力數據的采集、處理等；從MCU負責對系統的智能控制，從而使該系統更加穩定可靠。主MCU采用TMS320F2812 DSP芯片，工作頻率達到150 MHz，采用經典哈佛總線結構，集成了豐富的外部資源，包括16 路12位ADC，16 路PWM 輸出、3個32 位通用定時器、128k 的16 位Flash存貯器等，并具有McBSP,SPI,SCI 和擴展的CAN 總線等接口，保證了控制和信號處理的快速性和實時性；從MCU采用AVR單片機Atmega 8，該芯片具有PWM通道、SPI總線、I2C總線等，具備AVR高檔單片機MEGE系列的全部性能和特點，方便了系統設計。采集MCU和控制MCU之間的數據傳輸采用雙口RAM 方式，這種操作快速有效，而且,2個處理器之間的工作互不影響。

2.2 電源模塊

隨鉆地層壓力測試系統需要大功率電源，井下渦輪發電機依靠鉆井液的循環發出電力，整流模塊將渦輪發電機發出的交流電變換成所需要的直流電。測量控制核心電路使用了獨立的電池供電，光電隔離將驅動部分與測量控制核心有效分離，保證了測量控制的精確性。

2.3 信號調理電路

信號調理技術是井下信號處理的關鍵技術，在鉆井過程中，井下信號伴有高溫、強壓及強震蕩而帶來的各種噪聲，對傳感器輸出的有用信號進行有效放大非常重要。圖3所示信號調理電路系統選用了AD公司的AD8574芯片，該芯片內部集成了四路放大器，超低的失調、漂移和偏置電流特性，具有軌到軌輸入和輸出擺幅能力，可以滿足3.3V單電源工作。傳感器輸入的是差分信號，為了避免負電壓在單電源運放中出現，電路設計中引入參考電壓抬高輸入值，從而保證輸入和輸出都處在運放較理想的狀態。

圖3 信號調理電路圖

2.4 數據存儲電路

數據存儲電路選用了ATMEL公司的AT45DB321D芯片。該芯片支持高速SPI串行接口，具有8M字節的容量。為了能讓系統在井下長時間工作，并將采集到的數據存儲下來，系統將2塊芯片經過線譯碼并聯接在處理器上來擴展存儲容量。

2.5 單線數據傳輸

為了便于機械方面的連接，井下采集系統將采集的數據通過一根RS—232總線傳送給泥漿脈沖器，脈沖器通過泥漿脈沖將數據傳送到地面，系統特別采用儀器的機械本體用來作為參考地，如圖4所示。

圖4 數據傳輸框圖

采用軟件控制發送和接收的分時處理，系統軟件定義了每幀數據的幀頭、校驗位和幀尾，用于識別數據的傳輸方向和命令格式，校驗位用于校驗此幀數據是否出現丟失和是否發送數據沖突。

3 系統軟件設計

系統軟件采用模塊化設計，包括主程序和子程序模塊。采用了匯編語言和C語言混合編程，從而達到系統最優化。內部監視和外部看門狗電路實時監測程序的運行，防止“死機”現象。系統軟件分為測量系統和控制系統兩部分,系統總體軟件流程圖如圖5所示。

圖5 系統軟件流程圖

測量系統的軟件功能實現對四路壓力數據的采集，在采集的過程中隨時用井下內壓數據更新內部一個緩沖區，判斷是否出現地面下傳的3個指定脈沖控制命令，在接收到地面指令后要過I2C總線喚醒控制系統，在此過程中隨時監測各壓力數據的變化，保證系統安全可靠運行，并將采集到的環空壓力和地層壓力等數據通過SPI總線實時的存儲。

控制系統的軟件設計要保證在正常鉆井時保持睡眠狀態，接收到測量系統的喚醒中斷后開始對電磁閥的精確控制，在此過程中隨時與測量系統交互信息。

4 系統測試

隨鉆地層壓力測試器是在鉆井過程中利用短暫的停鉆時間來測量地層壓力。在停鉆后，地面通過對泵的開閉形成3個脈沖信號，此3個脈沖信號被約定為一個開始測量命令，井下高精度傳感器采集到3個壓力脈沖后則開始控制井下電磁閥的工作。井口泵開閉命令波形圖如圖6(a)所示，該圖說明井下能正確接收到井口排量泵的開閉產生的命令。測量系統接收到命令后，控制系統發出一系列的電磁閥控制，測試器則伸出一個密封的探頭緊貼井壁。隨后測試器進行一系列的壓降和壓力恢復測試，壓降和壓力恢復曲線如圖6 (b)所示，通過壓力的下降和恢復從而計算出相應的地層壓力數據，最后控制閥讓探頭縮回，完成一次測量。

圖6 現場實驗波形圖

隨鉆地層壓力測量依靠鉆井期間的短暫暫停快速完成地層壓力測試，分析測試期間測得的壓力曲線漸變規律可實時獲取地層壓力信息。通過采用不同測量參數分析不同滲透率地層，從得到的測量壓力響應曲線分析可知，實際測量控制時間不超過3 min，加上儀器探頭定位、探頭外伸與密封和探頭回收時間，單次測量時間不會超過5 min，避免單次測量時間過長導致的工具遇卡等潛在危險。

5 結 論

1)本測量控制系統作為地層壓力控制器的大腦,具有體積小、功耗低、可靠性高等特點；

2)系統能準確可靠地測量隨鉆地層壓力數據，數據存儲傳輸部分準確地將采集到的壓力數據存儲和經過單線串口傳輸到脈沖發生器，保證了隨鉆地層壓力測試器的順利工作，實現了對井下電磁閥的精確控制；

3)該系統解決了井下大功率供電和大功率電源散熱的問題，采用2種供電方式保證了系統的可靠性。

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