一種用于隨鉆核磁共振測井的鉆柱運動監測電路

呂 俊, 張嘉偉, 程晶晶*

(1.華中科技大學 人工智能與自動化學院，湖北 武漢 430074; 2.中海油田服務股份有限公司，北京 101149)

隨鉆核磁共振測井是指在鉆井的同時完成測井作業，可有效提高測井結果的實時性和準確性，代表著油氣探測領域的最新進展[1]。在鉆井過程中，由于受井底巖層的不均勻性以及鉆井過程中鉆柱的彎曲等眾多因素的影響，鉆柱除了常規的旋轉之外，還存在著軸向振動、橫向振動和扭轉振動等多種振動形式[2-3]。程晶晶等[4]提出當鉆柱橫向振動劇烈時，核磁共振回波信號的幅值會發生明顯的衰減。因此在測井的同時監測鉆柱的橫向振動位移，結合振動數據來分析隨鉆測井回波數據，可有效提高測井結果的準確性[5]。

振動測量是一個非常經典的問題，國內外學者都對其進行了大量的研究。常用的傳感器包括電渦流式位移傳感器、光學傳感器、聲發射技術和加速度計等。Courrech等[6]利用電渦流傳感器來測量轉軸與軸承之間的相對位移，該類型的測量裝置結構簡單，但是成本高，且對磁干擾非常敏感。光學測量方式應用較為廣泛，例如機器視覺振動識別技術[7]、激光移頻回饋技術[8]和激光散斑圖像測量技術[9]。此類方法雖然精度較高，但是都需要光學收發設備，存在體積大、安裝不方便等弊端[10]。聲發射技術在振動測量領域屬于相對較新的技術，Tan等[11]分別利用聲發射技術、油液光譜分析技術、振動分析技術對正齒輪點蝕進行檢測，并通過試驗比較得出聲發射技術測量靈敏度最高。但聲發射技術在傳播過程中會出現衰減，且難以在井下惡劣環境中使用[12]。上述傳感器都無法滿足油氣鉆井領域的應用要求[13]，目前較為成熟的方案是應用加速度計間接測量鉆鋌的振動位移。

基于隨鉆核磁共振測井的應用背景，設計了一種運動監測電路，可在井下實時監測鉆鋌的橫向振動，為測井回波數據的修正提供支持。該電路基于Flash可編程開關技術的FPGA器件A3P1000和高性能32位DSP器件TMS320F2812，可在井下惡劣環境中滿足振動加速度的高精度、高可靠性測量，以及中控系統實時通信等要求。

1 系統硬件設計

1.1 功能框圖

運動監測電路由外接的加速度計、恒流源電路、信號處理電路、模數轉換電路、時序控制與信號處理電路和RS485通信電路組成。運動監測電路系統硬件框圖如圖 1 所示。

圖1 運動監測電路系統硬件框圖

其中，加速度計用于監測振動加速度的大小，基于隨鉆測井儀器中空的機械結構，使用2個兩軸加速度計測量儀器振動加速度[14]，每一個測量軸都需要恒流源電路供電；4路信號調理電路負責對加速度計信號進行濾波和放大處理；模數轉換電路負責采集原始模擬信號，并送入FPGA中；時序控制和信號處理電路由DSP+FPGA組成，FPGA負責控制ADC的采集時序，DSP是整個電路的控制中心和運算單元，控制各單元電路協同工作，并對采集到的加速度進行實時處理；RS485通信電路負責與外界電路進行通信，接收外界送入的指令和數據，把存儲的振動數據打包上傳。運動監測電路實物如圖 2所示。

圖2 運動監測電路實物圖

1.2 加速度計電路

本設計中，加速度計選用的是DYTRAN公司的壓電式加速度計3003B，它具有靈敏度高、測量范圍廣、頻率響應范圍廣、工作溫度范圍廣和體積小等特點，非常適合在井下惡劣環境中進行振動測量。3003B的具體參數如表1所示。

表1 3003B性能參數表

該款加速度計每一個測量軸都需要4 mA的供電電流，為了適應井下復雜的溫度環境，基于負反饋結構和三極管設計了一種恒流源電路，如圖 3所示。電路中的REF_OUT引腳輸入ADR423電壓基準源芯片提供的3 V恒定電壓。把3 V電壓同時送入兩個同相放大電路分別放大到5 V和4.5 V，然后送入運放U2。由于運放在深度負反饋條件下的“虛短”特性，U2兩個輸入端的電壓都為4.5 V，電阻R7兩端的電位分別是5 V和4.5 V，選擇R7=125 Ω可使流經R7的電流為4 mA。由于運放的“虛斷”特性，U2反向輸入端的電流為0，因此流入三級管Q1發射級的電流就等于流經電阻R7的電流。當三級管工作在放大狀態時，發射級的電流和集電極電流之間的關系為ic=β/(1+β)ie，其中β為電流放大倍數，當β較大時，ic=ie，即通過三級管集電極送入加速度計測量軸的電流為4 mA。

圖3 加速度計供電恒流源電路圖

加速度信號處理電路如圖 4所示，由高通濾波器、反向放大器和低通濾波器3個部分組成。由數據手冊可知，加速度計輸出電壓會帶有1.7～3.4 V的直流偏置，在放大電路之前設置了一個截止頻率為1.59 Hz的高通濾波器，以消除該偏置電壓。在隨鉆測井作業中，鉆井產生的機械振動的范圍為±50g，加速度計的靈敏度為2 mV/g，可知加速度計輸出有效信號的范圍為±100 mV。所選ADC的采集范圍為±1.28 V，綜合考慮提高信噪比和ADC分辨率這兩方面因素，設置電路的增益為10。由于井下的高溫環境，加速度計輸出的信號會帶有高頻熱噪聲，需要設計一個低通濾波器來濾除高頻熱噪聲。在隨鉆測井作業過程中，產生的振動加速度的頻率范圍為10 Hz～1 kHz，本設計中的二階低通濾波器的截止頻率為2.6 kHz，低通濾波器參數取R5=5.1 kΩ，R6=100 kΩ，C4=10 nF，C3=1 nF，用于濾波的電容選擇NP0材質，以保證在高溫環境下電路性能的穩定。加速度信號處理電路幅頻特性如圖5所示，電路呈現出帶通濾波器的特性，截止頻率為1.6 Hz和2.6 kHz，通帶增益為20 dB，能夠實現直流偏置信號和高頻熱噪聲信號的濾除和加速度信號的放大。

圖4 加速度計信號處理電路

圖5 加速度計信號處理電路幅頻特性

1.3 模數轉換電路

運動板外接兩個加速度計，每個加速度計測量兩路加速度信號。為了保證信號采集的同時性，盡可能縮短順序采樣造成的延時，電路中設計4路ADC并行采樣，單片ADC采集電路的原理圖如圖6所示。ADC芯片選擇的是TI公司的ADS8678，這是一款高采樣率、低功耗、小體積以及可在高溫環境下工作的多通道ADC采集芯片，可通過SPI接口與MCU進行通信。ADS8678共有8個采集通道，每一個采集通道的選擇以及輸入電壓范圍都可以配置。本設計中，每片ADC采集一路加速度信號，其余的通道留作備用，可同時采集4路加速度信號。選擇電壓基準源芯片REF5040作為外部基準源，該款芯片的輸出電壓溫漂最大值為1.5×10-6/℃，遠小于ADC內部基準源的溫漂，可有效提高輸出的穩定性。ADS8678的性能參數如表 2所示。

圖6 單片ADC采集電路原理圖

表2 ADS8678性能參數表

1.4 時序控制與信號處理電路

時序控制與信號處理電路由DSP和FPGA及其相關電路組成，FPGA選擇的是ACTEL公司的A3P1000，該款FPGA芯片基于Flash可編程開關技術，安全性和可靠性都極高，并且功耗較低，非常適合井下惡劣的工作環境；DSP選擇的是TI公司的TMS320F2812，該款處理器為TI公司生產的C2000系列的DSP芯片，可靠性高，計算能力強，最高主頻可達150 MHz。為了保證在井下高溫環境中正常工作，DSP和FPGA都選用了軍品級芯片。

FPGA主要負責ADC芯片的時序控制和數據預處理工作。在振動采集開始之前，向ADC的寄存器中寫入相應的指令來選擇被采集的通道、輸入電壓的范圍、ADC的采集模式和ADC輸出數據的格式；在振動采集過程中，控制ADC的采樣率，對采集數據進行預處理；在每一組數據采集完畢后，通過外部中斷的方式通知DSP讀取數據。DSP是整塊電路的控制中心，通過RS485電路與外界進行通信，接收中控系統下發的采樣率參數和工作指令，隨后根據接收到的參數和指令來控制整個電路的振動采集工作，并把振動數據上傳給中控系統。

2 采集與數據處理程序設計

本設計中的軟件程序主要實現ADC的時序控制、振動數據的采集、數據的存儲和上傳等功能。主體程序包括系統初始化配置子程序、ADC控制子程序、數據通信子程序、加速度采集子程序、振動數據存儲和上傳子程序等，程序流程如圖 7所示。

圖7 程序流程圖

系統在上電初始化后，DSP控制FPGA完成ADC的初始化配置工作，包括采集通道和采集方式的選取、輸入電壓的范圍和數據上傳的格式。在ADC配置完畢過后，FPGA控制ADC進入休眠狀態，等待采集工作的開始。外界中控系統會通過RS485下發采樣率和采集指令，運動電路在接收到采集指令過后，便開始采集加速度數據。FPGA對ADC采集到的數據進行預處理，再通過外部中斷的方式通知DSP讀取數據，并將讀取的原始振動數據存入SRAM中，等待采集結束后通過RS485自動上傳原始振動數據。

3 高溫測試

3.1 測試裝置與試驗過程

在隨鉆測井過程中，測井儀器需在150 ℃的高溫環境下正常工作。目前市面上有許多汽車電子芯片和軍用芯片可廣泛用于高溫環境中，在實際使用這些芯片進行電路設計的時候，需要仔細評估其性能和溫度耐受性[15-16]。本設計中的芯片都是經過溫度測試篩選出來的，在150 ℃環境下都可長時間正常工作，并且關鍵模擬電路的電容選用的都是NP0材質的電容。為了測試運動監測電路在高溫環境下的性能，對運動監測電路進行了高溫實驗。實驗裝置如圖 8所示(供電部分省略)，將電路板放置于高溫烘箱中，使用耐高溫導線給電路供電，把電路關鍵部位測試點從高溫烘箱引出并與計算機、示波器和萬用表相連。

圖8 高溫實驗裝置圖

電路高溫性能測試分為2個部分：加速度信號處理電路通帶增益測試和線性度測試。測試中需控制高溫烘箱的溫度依次在如下4個溫度點：25 ℃、85 ℃、140 ℃和155 ℃，前3個溫度點每個保持30 min，最后1個溫度點維持240 min，烘箱溫度變化如圖 9所示。

圖9 烘箱溫度變化圖

3.2 加速度信號處理電路高溫性能測試

加速度信號處理電路是由運放構成的模擬電路，其濾波和放大性能會隨溫度變化而變化，因此監控加速度信號處理電路在高溫環境下的性能是非常重要的。

3.2.1 通帶增益測試

通頻帶特性是評估放大電路的一個極其重要的指標，一個性能優良的放大電路應該在其通帶之內具有穩定的增益。在隨鉆測井作業中，產生的振動信號的頻率在10 Hz～1 kHz之間。高溫試驗中，在10 Hz～1 kHz之間選擇了10個頻率點來評估加速度信號處理電路在高溫環境下的通帶增益，測試結果如圖 10所示。放大電路的設計增益是20 dB，可以看出，在不同環境下，電路的通帶增益一直在20 dB左右，沒有明顯的變化。4路加速度信號處理電路在不同溫度下實測增益與設計增益(20 dB)的最大偏差如表 3所示，在高溫環境下，電路增益偏差最大不超過1.5 dB。以上闡述可以表明，加速度信號處理電路在高溫環境下具有良好的通頻帶特性。

圖10 4路加速度信號處理電路高溫頻帶特性圖

表3 不同溫度時實測增益與設計增益(20 dB)最大偏差

3.2.2 線性度測試

線性度測試是指在輸入電壓幅值等步長變化的情況下測試電路輸入與輸出之間的關系，不同溫度下加速度信號處理電路線性度測試結果如圖 11所示。可以看出每一條信號處理電路在不同溫度下線性度基本保持一致，用擬合曲線來表示電路的線性度特性，擬合公式為

圖11 4路加速度信號處理電路高溫線性度測試

(1)

式中：x為輸入信號幅值(mV)；y為輸出電壓幅值(V)。

常用非線性偏差來說明特性曲線偏離擬合直線的程度，非線性偏差的公式為

(2)

式中：Δym為采集數據與擬合直線的最大偏差；yFS為傳感器滿量程輸出。

4路信號處理電路在不同溫度下的非線性偏差如表 4所示。電路的非線性偏差小于3%，說明電路在不同溫度下都有良好的線性度。

表4 4路信號處理電路在不同溫度下非線性偏差

4 振動測試

4.1 試驗裝置與測試過程

隨鉆核磁共振測井儀器在作業過程中會伴隨有劇烈的機械振動，為了檢驗運動監測電路在振動環境下的性能，將整個硬件測量系統(包括運動監測電路和加速度計)通過定制的機械卡具安裝在蘇試試驗集團的高加速度應力與篩選試驗系統(HASS)平臺(型號HH-900-150B)上做振動試驗，振動試驗系統框圖和試驗平臺分別如圖 12和圖 13所示。

圖12 振動試驗系統框圖

圖13 振動試驗平臺

在試驗過程中，給振動臺設定一個豎直方向加速度值，開始振動之后，振動系統會控制機械裝置不斷錘擊振動臺底部，使振動臺以一定的加速度振動，同時振動臺底部有一個加速度傳感器，可實時監測振動臺在豎直方向的振動加速度值。振動系統每隔一段時間會根據振動臺底部加速度計上傳的數據計算出前一段時間振動加速度的均方根值，并將計算出來的均方根值與設定值相比較，通過負反饋控制的方式使振動臺的振動加速度穩定在設定值。當振動臺的振動穩定在設定值之后，外部上位機通過RS485給運動監測電路下發采樣率指令和開始采集指令，電路中負責采集豎直方向振動加速度的通路為ACC1-X和ACC2-X，采集完畢后，電路將檢測到的加速度數據通過RS485總線上傳到上位機。

4.2 振動試驗結果

振動臺的振動通過夾具傳遞到電路板和傳感器時會發生衰減，故2個加速度計測量到的振動加速度值都小于振動臺設定值，具體的衰減比例與振動臺的振動幅度，振動臺、夾具和電路板的材質以及電路板和傳感器的安裝方式有關。將振動臺的振動分別設定為20g、30g、40g、50g和60g，當振動穩定之后，控制電路以固定的采樣率采集一段時間的振動加速度，計算出這段時間振動加速度的均方根值，并與振動臺提供的加速度均方根值比較，結果如圖 14所示。

圖14 振動臺加速度與檢測加速度對比

對圖 14中兩組數據進行最小二乘擬合，可得到振動臺提供的加速度x與2個加速度計檢測到的加速度(y1-X，y2-X)滿足關系式:

(3)

最小二乘擬合精度用標準差表示為

(4)

式中：t為擬合未知量的個數；n為測量次數；vi為殘差。根據式(4)可計算出2條擬合曲線的精度分別為

(5)

可以看出，加速度的估計偏差不大于0.3g。

加速度測量誤差主要是隨機誤差，來源于以下3個方面：傳感器測量誤差、電路噪聲和加速度計安裝引入的誤差。由于隨機誤差取值不可預知，用標準差來表示其分散程度，標準差合成公式為

(6)

式中：q為誤差來源數目；σi為單項隨機誤差的標準差；ai為該項誤差的傳遞系數。由表 1和表 3可知，加速度計測量噪聲標準差[17]為0.02g，兩路加速度信號處理電路實測增益分別為19.2216 dB和19.5943 dB，因此兩個加速度計測量噪聲標準差最終傳遞結果為0.1829g和0.1909g，傳感器測量噪聲標準差占據最終估計結果標準差的60%以上?？梢钥闯?，振動加速度測量誤差主要來源于加速度計本身，電路引入的誤差非常小，即可說明本設計電路可以實現振動加速度的精確測量。

5 結束語

本文設計的運動監測電路由集成的加速度計、信號處理電路、模數轉換電路、時序控制和信號處理電路組成，實現了在隨鉆測井高溫強振動環境下的加速度測量。電路中設計了負反饋運放式的恒流源電路給加速度計供電，在高溫環境下有良好的供電性能；根據加速度信號的特點設計了信號濾波和放大電路，提高了信噪比；針對4路加速度原始信號輸入，設計了4路ADC并行采樣的電路結構，提高了采集的同步性。將電路放置在高溫烘箱中，模擬井下工作環境來測試電路性能，結果表明該電路在高溫環境下工作性能良好。將電路和傳感器安裝在振動平臺上進行振動試驗，將不同振動環境下的測量結果與設定值相對比，表明該電路可以很好地完成振動采集工作。