基于双处理器架构的地层压力测控系统设计*

赖 欣， 胡 泽， 汪春浦

(1.西南石油大学 电气信息学院，四川 成都 610500；2.川庆地质勘探开发研究院， 四川 成都 610051)

0 引 言

地层压力是油藏描述的一个重要参数，多年来人们一直寻求在钻井过程中测量地层压力。20世纪50年代钻杆测试(DST)和电缆测试技术相继出现，钻杆测试和电缆测试都需要长时间停钻才能进行测量，无法实现随钻测量。而且在大斜度或者水平井中使用传统的钻杆传输电缆测井工具进行地层压力测试极其耗时，存在工具下入困难等潜在风险，现代随钻测井工具正在取代传统的电缆测井工具。为了提高井场作业的安全性，利用随钻压力测试工具提供的数据可以优化泥浆密度和当量循环密度，防止井涌、井喷、地层损害或地层压裂以及循环漏失。随钻地层压力数据还可以帮助校正预测性孔隙压力算法。随钻地层压力测试系统能在钻进过程中实时快速的提供地层压力数据，使钻井过程得到优化、提高了钻进效率和避免了一些潜在的危险[1,2]。近几年，国外公司分别开发了自己的随钻地层压力测试工具，可提供实时地层压力数据，且能满足各种地层的需要。国内这方面的研究还处于探索阶段，尚无自主研发的成熟产品[3～5]。本文在结合国内对地层压力测试系统的探索基础上，设计了随钻地层压力测量控制系统，实现了在高温、高压和强干扰恶劣环境下对压力信号的采集、分析、传输和存储。

1 系统框架设计

地层压力测控系统内部具有一个闭环测量控制系统，在整个测试过程中独立自主的完成测试。测试器主要包括测量控制模块、分流加压模块、换向控制模块和执行机构模块，结构如图1所示。测量控制模块是本系统核心，测量模块在钻井过程中不断测量井下压力数据和检测各模块的工作状态，控制模块主要实现对各模块的控制；分流加压模块主要是将钻井液分流并增压用于驱动探头；换向控制模块控制钻井液方向实现探头的伸出与缩回；执行机构的作用是在探头紧贴井壁后实现抽汲。各模块协调配合，使系统形成一个闭环的控制系统，可保证仪器准确可靠的测量。

图1 地层压力测控系统结构

2 系统硬件设计

系统安装在钻柱的2个短节内，以DSP为核心的采集系统安装在一个短节中，以单片机为核心的控制系统安装在另一个短节中，2个系统都需要安装在狭小的空间内。DSP与单片机之间依靠I2C总线通信，双处理器设计既保证系统的控制功能，又能满足体积安装要求，在只有测量需求时将控制短节取下即可。系统的总体框图如图2所示。系统主要包括主从处理器电路、信号调理电路、数据传输、数据存储、光电隔离、整流模块、驱动模块等部分。

图2 系统硬件框图

2.1 微处理器电路

该系统使用双处理器架构，主MCU主要负责对四路压力数据的采集、处理等；从MCU负责对系统的智能控制，从而使该系统更加稳定可靠。主MCU采用TMS320F2812 DSP芯片，工作频率达到150 MHz，采用经典哈佛总线结构，集成了丰富的外部资源，包括16 路12位ADC，16 路PWM 输出、3个32 位通用定时器、128k 的16 位Flash存贮器等，并具有McBSP,SPI,SCI 和扩展的CAN 总线等接口，保证了控制和信号处理的快速性和实时性；从MCU采用AVR单片机Atmega 8，该芯片具有PWM通道、SPI总线、I2C总线等，具备AVR高档单片机MEGE系列的全部性能和特点，方便了系统设计。采集MCU和控制MCU之间的数据传输采用双口RAM 方式，这种操作快速有效，而且,2个处理器之间的工作互不影响。

2.2 电源模块

随钻地层压力测试系统需要大功率电源，井下涡轮发电机依靠钻井液的循环发出电力，整流模块将涡轮发电机发出的交流电变换成所需要的直流电。测量控制核心电路使用了独立的电池供电，光电隔离将驱动部分与测量控制核心有效分离，保证了测量控制的精确性。

2.3 信号调理电路

信号调理技术是井下信号处理的关键技术，在钻井过程中，井下信号伴有高温、强压及强震荡而带来的各种噪声，对传感器输出的有用信号进行有效放大非常重要。图3所示信号调理电路系统选用了AD公司的AD8574芯片，该芯片内部集成了四路放大器，超低的失调、漂移和偏置电流特性，具有轨到轨输入和输出摆幅能力，可以满足3.3V单电源工作。传感器输入的是差分信号，为了避免负电压在单电源运放中出现，电路设计中引入参考电压抬高输入值，从而保证输入和输出都处在运放较理想的状态。

图3 信号调理电路图

2.4 数据存储电路

数据存储电路选用了ATMEL公司的AT45DB321D芯片。该芯片支持高速SPI串行接口，具有8M字节的容量。为了能让系统在井下长时间工作，并将采集到的数据存储下来，系统将2块芯片经过线译码并联接在处理器上来扩展存储容量。

2.5 单线数据传输

为了便于机械方面的连接，井下采集系统将采集的数据通过一根RS—232总线传送给泥浆脉冲器，脉冲器通过泥浆脉冲将数据传送到地面，系统特别采用仪器的机械本体用来作为参考地，如图4所示。

图4 数据传输框图

采用软件控制发送和接收的分时处理，系统软件定义了每帧数据的帧头、校验位和帧尾，用于识别数据的传输方向和命令格式，校验位用于校验此帧数据是否出现丢失和是否发送数据冲突。

3 系统软件设计

系统软件采用模块化设计，包括主程序和子程序模块。采用了汇编语言和C语言混合编程，从而达到系统最优化。内部监视和外部看门狗电路实时监测程序的运行，防止“死机”现象。系统软件分为测量系统和控制系统两部分,系统总体软件流程图如图5所示。

图5 系统软件流程图

测量系统的软件功能实现对四路压力数据的采集，在采集的过程中随时用井下内压数据更新内部一个缓冲区，判断是否出现地面下传的3个指定脉冲控制命令，在接收到地面指令后要过I2C总线唤醒控制系统，在此过程中随时监测各压力数据的变化，保证系统安全可靠运行，并将采集到的环空压力和地层压力等数据通过SPI总线实时的存储。

控制系统的软件设计要保证在正常钻井时保持睡眠状态，接收到测量系统的唤醒中断后开始对电磁阀的精确控制，在此过程中随时与测量系统交互信息。

4 系统测试

随钻地层压力测试器是在钻井过程中利用短暂的停钻时间来测量地层压力。在停钻后，地面通过对泵的开闭形成3个脉冲信号，此3个脉冲信号被约定为一个开始测量命令，井下高精度传感器采集到3个压力脉冲后则开始控制井下电磁阀的工作。井口泵开闭命令波形图如图6(a)所示，该图说明井下能正确接收到井口排量泵的开闭产生的命令。测量系统接收到命令后，控制系统发出一系列的电磁阀控制，测试器则伸出一个密封的探头紧贴井壁。随后测试器进行一系列的压降和压力恢复测试，压降和压力恢复曲线如图6 (b)所示，通过压力的下降和恢复从而计算出相应的地层压力数据，最后控制阀让探头缩回，完成一次测量。

图6 现场实验波形图

随钻地层压力测量依靠钻井期间的短暂暂停快速完成地层压力测试，分析测试期间测得的压力曲线渐变规律可实时获取地层压力信息。通过采用不同测量参数分析不同渗透率地层，从得到的测量压力响应曲线分析可知，实际测量控制时间不超过3 min，加上仪器探头定位、探头外伸与密封和探头回收时间，单次测量时间不会超过5 min，避免单次测量时间过长导致的工具遇卡等潜在危险。

5 结 论

1)本测量控制系统作为地层压力控制器的大脑,具有体积小、功耗低、可靠性高等特点；

2)系统能准确可靠地测量随钻地层压力数据，数据存储传输部分准确地将采集到的压力数据存储和经过单线串口传输到脉冲发生器，保证了随钻地层压力测试器的顺利工作，实现了对井下电磁阀的精确控制；

3)该系统解决了井下大功率供电和大功率电源散热的问题，采用2种供电方式保证了系统的可靠性。

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