基于PIC的井下超声井径测量系统研制

李 苏，刘西恩，陶爱华，李春楠

（中海油服油田技术研究院 河北 燕郊 065201）

在油气探测开发中，井径信息是描述油气藏特征的重要参数之一，是勘探，钻井，测井，完井和采油工程中的一个重要参数[1]，是评价地层信息的重要依据，特别是在随钻过程中，井径信息能提供大量关于钻井效率的信息和在钻进，测井和完钻过程中及时检测出可能遇到的问题，因此如何准确获得井径信息是目前测井中大家比较关心的问题，在实际钻井中，井径测量是派生出来的，而不是直接的物理测量，换句话说就是钻进的过程中没有用机械臂去测量，这些井径测量可以用不同的测量方式进行测量，因为各种方式探测深度不同，因此会有不同的应用，文中讨论的是基于PIC的井下超声井径测量系统。

1 井下超声井径测量原理

超声井径测量仪的功能是在石油勘探过程中，提供即时的井径及其相关信息。测量仪的主要部件是3个自发自收的超声换能器，它们以120度的角度等间隔排列在仪器的周围，当换能器向外发射一列脉冲时，在井壁上反射声波，换能器将接收到这一反射回波，反射回波遇到换能器表面时仍将反射回去，从而形成井壁的第二次反射回波[2]，由得到回波的传播时间，在已知泥浆声速的情况下，由公式（1）获得换能器表面与井壁之间的距离。其中v为泥浆声速，t为首次回波到达时间（往返）。

那么，同时有3个按规律排列的换能器同时发射声波时，根据“三点确定圆的原理”，通过几何运算方法，就能确定井孔的直径、圆心以及其他一些相关参数。因此超声井径电路需要准确地测出首波到时，从而通过几何运算，算出井径值。

2 硬件电路设计

井下超声井径电路系统主要由以下几个部分组成，如图1所示，分别为模拟前端，信号采集，主控单元，数据存储，通讯模块。该电路采集超声回波信号并在井下存储，将将计算的井径数据发送到中控电路由其上传，该系统能够完成超声波换能器探头的声源激励，信号滤波，回波到时采集，磁通门和加速度计信号采集，井径计算，测量数据存储等功能，并能够通过数据总线传输井径值。

2.1 模拟前端

图1 超声井径测量硬件的设计框图Fig.1 Block diagram of the hardware design of the ultrasonic diametermeasurement

图2 模拟前端框图Fig.2 Block diagram of the AFE

前端主要包括阻抗变化，信号选择，程控放大，滤波电路等。由超声探头接收到的回波能量较小，为此，应当设计预放大电路，将回波信号先进行一定的幅度、功率放大，然后送到后级进行滤波、程控放大等处理。超声探头的内阻较高，在设计预放大电路时，必须进行阻抗变换。此外，仪器共有3路超声波探头。3路探头工作时为顺序发射，采集探头回波，即3路探头不会同时工作。为减少器件数量，降低调试难度，并降低仪器功耗，可以共用3路探头的回波信号调理电路。

2.2 信号采集

A/D转换电路将模拟前端输入的全波信号转换为数字信号，送到主控单元进行处理。根据本文设计要求，需要的最大A/D转换速率为2.5 Msps，数据位宽为14位。A/D转换的主要器件为ADC芯片，根据电路连接结构分为外接的独立ADC芯片，和主控器件内部集成的ADC外设。主控器件要求采用DSP处理器，而一般DSP处理器集成的ADC外设的位宽均低于14位，必须选择一款满足要求的独立ADC芯片。ADC进行信号转换时必须接入参考电信号，作为转换基准。

图3 AD采集电路结构Fig.3 The structure of the AD acquisition

2.3 主控单元

主控芯片为dsPIC33FJ128GP706A-H/PT（简称GP706A），该芯片工作温度为150℃。dsPIC33FJ系列芯片为DSC类型 CPU，集成有DSP[3]单元，即有MCU的 I/O控制能力，又有DSP较强的运算能力[4]。GP706A的外设如下：

器件 引脚数 闪存程序存储器（KB）RAM（KB）（1）16位定时器输入捕捉输出比较标准PWM编解码器接口ADC UART SPI I2CTM 增强型CANTM最大I/O引脚数（2） 封装dsPIC33FJ1 28GP706A 64 128 16 9 8 8 1 2个 ADC，18路能道2 2 2 2 53 PT，NR

GP706A的输入电源为单路+3.3 V，降低了对电源种类的要求。在150℃下，最高工作主频为20 MHz，此时工作电流为60mA左右。

2.4 数据存储

目前仪器工作时无法上传大数据量的数据，地面只能显示部分参数。因此，超声井径仪采集到的全波列数据、工具面角数据、监控数据等均需要存储到井下[5]。

每个采样点的波形数据很多，且电路工作时间长，导致需要存储的数据较多，最大存储器容量大于900 Mbit。井下由于器件工艺水平和成本的限制，无法找到单芯片容量大于900 Mbit的存储芯片，为此，需要采用多片存储芯片级联的方式，提供足够的容量。此部分电路结构如下：

2.5 通讯模块

通讯模块主要分井下总线和数据上传总线。其中井下总线结构为：

图4 数据存储电路结构Fig.4 The structure of data storage

超声井径仪直接与中控电路通信，二者的通信总线为RS485总线。RS485总线为成熟的工业总线，包括UART控制器和RS485驱动器，UART控制器负责控制驱动器发送数据，并将数据传到主控单元。RS485驱动器负责将UART控制器传来的数据转成差分信号发送到RS485总线上，并将RS485总线上的差分信号转为UART控制器可识别的信号。

钻井结束后，超声井径仪需要通过数据上传总线传输井下存储的数据，该总线与数据读取装置连接。由于井下最大存储数据＞900MBbit，为加快数据读取速度，需要选择一种通信速率较高的数据总线。由于随钻超声井径仪与数据读取装置间的电缆长度为150m，该数据上传总线还必须满足长距离通信的要求。

适合长距离通信的数据总线包括CAN总线、RS485总线、以太网总线等。

CAN总线在150m的通信电缆上，最高通信速率只能达到300～400 kbps，无法满足要求；以太网总线需要的硬件资源较多，电路复杂，也不满足要求。综合考虑各种总线的通信速率与电路结构后，最终选择了RS485总线。

3 固件设计

本系统软件设计主要是单片机系统软件设计，PIC33FJ的内核CPU结构是按照精简指令集和高透明指令的宗旨来设计的[6]，因此单片机开发采用专门用于PIC33FJ系列单片机而设计集成开发环境，编程采用C语言，该芯片作为主CPU，在系统中负责回波采集，温度采集，监控信号采集等，采集数据的处理，数据存储，数据通讯等，其固件的主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图Fig.5 Main program flow chart

4 结束语

文中设计的井下超声井径测量系统通过了现场试验的测试，系统稳定可靠，采集了大量数据，多次测量了井径数据，并与标准值对比，其结果准确稳定，由于长时间实时监测井下信息，例如波形信息，方位信息，井径信息等，FLASH存储器可以根据地面配置要求存储几百个小时的数据，可以方便对数据回访，满足了现场应用的要求。

[1]阮玉柱，陈凡，胥召.超声波测径在钻井过程中的应用[J].内蒙古石油化工，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]楚泽涵.声波测井原理[M].北京：石油石油工业出版社，1987.

[3]石朝林.dsPIC数字信号控制器入门与实战[M].北京：北京航天航空大学出版社，2009.

[4]梁海浪.dsPIC数字信号控制器C程序开发及应用[M].北京：北京航天航空大学出版社，2006.

[5]彭琰举，赵毅，潘海洋.基于PIC16F877单片机的井下压力测量技术研究[J].电子设计工程，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，潘兴明，孙成芹.基于PIC16F688的随钻仪器锂电池监控系统的设计[J].电子设计工程，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.