基于PSoC 芯片的超高温井斜方位测井仪的研制

张 勇 蔡志明 董 政 王邦伟

(川庆钻探工程有限公司测井公司 重庆)

0 引 言

随着石油勘探开发力度的不断增强，超深井、大斜度井越来越多，随着井深增加，井下的温度压力会增大，特别是在水平井钻具传输测井时，仪器在井下工作的时间较长，对仪器的耐高温性能的要求也越来越高。

井斜方位测井仪是一种测量井下各点的井斜和方位的仪器，在常规测井时必不可少。该仪器的耐温性能主要取决于内部电路的MCU 处理芯片的耐温性能。目前，井斜方位仪器采用的MCU 芯片大多在125℃，其耐温性能不高，严重制约了该仪器在高温井测井中的应用。超高温井斜方位测井仪采用PSoC 系列芯片CY8C29466 作为MCU，并将其重新封装，在175℃环境下能够工作4 小时以上，如果将其放在保温瓶，能够在200℃环境下工作至少8 小时，满足了在高温井测井中长时间工作的要求。

PSoC 芯片由于内部数字资源和模拟资源丰富、开发应用灵活方便，在小型系统设计方面得到越来越广泛的应用［1］。

1 基本原理［1］

ECLIPS5700 系列的井斜方位测井仪主要依靠测斜传感器来测量井眼的井斜方位，在传感器中，安装了两两正交的三个加速度计和两两正交的三个磁通门传感器。

导航包内部安装的三个相互正交的加速度计测量重力加速度G 在三个方向上的分量(Ax，Ay，Az)，三个相互正交的磁力计测量地磁场F 在三个方向上的分量(Mx，My，Mz)，则向量G 与F 的模分别为:

将G 的三个分量Ax，Ay，Az归一化可得:

将F 的三个分量Mx，My，Mz归一化可得:

则倾斜角DEV 为:

方位角DAZ 为:

其中:

相对方位角RB 为:

1#极板方位角AZ 为:

由公式(1)～(13)可知，只要传感器探测到重力加速度计分量(Ax，Ay，Az)和磁力计分量(Mx，My，Mz)并传送给地面系统，就能够演算出倾斜角DEV、方位角DAZ、相对方位角RB、1#极板方位角AZ。

2 硬件设计

超高温井斜方位测井仪采用保温瓶结构，导航包及通讯电路均放在保温瓶内，其原理框图如图1 所示。整个仪器的电路由电源供电电路、通讯电路、导航包(测斜传感器)组成。

图1 基于PSoC 芯片的井斜方位测井仪原理框图

2.1 电源供电电路设计

ECLIPS5700 地面系统向井下仪器供电180 VAC，通过电源变压器降压、1N4249 二极管整流、电容滤波，通过三端稳压模块后，输出直流电，供导航包和通讯电路使用。

2.2 导航包(测斜传感器)

导航包内部由三个正交的加速度计、三个正交的磁通门、温度传感器以及单片机组成，由传感器输出的7 路信号经过放大滤波、A/D 转换后，进入CPU 进行处理，由RS232 串口输出，为后续通讯电路提供井斜、方位以及温度等数据。

2.3 基于PSoC 芯片CY8C29466 的通讯电路设计

通讯电路原理框图如图2 所示［2］。

图2 通讯电路原理框图

通讯电路采用PSoC 系列芯片CY8C29466 作为MCU，PSoC 将一个8 位微处理器核与可编程数字阵列、可编程模拟阵列集成在一个芯片上，也称为可配置型混合信号阵列。PSoC 的数字资源和模拟资源分别以数字模块和模拟模块的方式提供，如数字资源有Timer、Counter、PWM、UART、SPI、CRC、PRS 等;模拟资源有放大器、比较器、滤波器等［3］。

在该电路的设计中，用到了数字部分的Timer、Counter 以及UART 模块。定时计数器主要用于曼彻斯特编解码，UART 模块用于与导航包进行数据交互。

2.3.1 命令的接收

ECLIPS5700 地面系统发出井斜方位仪器的命令，经遥测通信短节放大整形后，将命令字从27#芯和28#芯发出(如图2 所示)，经通讯电路的信号接收变压器T2 耦合到整形电路的输入端，经过整形后，得到一个标准的曼彻斯特码的串行信号，进入PSoC 芯片进行译码，得到一个16 位的命令字。

2.3.2 数据的发送

数据的发送由PSoC 芯片控制，当该芯片接收到的16 位命令是井斜方位的传输数据命令时，即按协议规定的数据格式上传数据信息，数据经驱动电路后，通过变压器T1 耦合到数据传输总线29#芯和30#芯上，完成数据的发送。

2.3.3 数据的接收

通讯电路的PSoC 芯片通过UART 模块与导航包进行通信，接收来自导航包的井斜方位以及温度等参数。PSoC 的发送端TX 接导航包的接收端RX，PSoC 的接收端RX 接导航包的发送端TX，PSoC 芯片接收到导航包输出的各种参数，并对其进行处理。

3 软件设计

通讯电路的软件采用PSoC 的集成开发环境PSoC Designer 来开发，运用汇编与C 语言混合编程，实现与导航包的数据交互，同时实现与地面系统的通讯。程序流程图如图3 所示。

图3 通讯电路程序流程图

在主程序中，首先对各端口初始化，然后调用曼彻斯特解码子程序对下传命令进行解码，判断是否为4401XA 的命令，如果是，就进入串口中断子程序，从串口接收数据，并调用曼彻斯特编码子程序将数据进行编码，并由I/O 端口串行输出。

基于PSoC 芯片的井斜方位测井仪采用的ECLIPS5700 系统的标准WTS 总线协议，其传输的数据每帧由20 位组成，其中3 位同步位，16 位数据位，1 位奇偶校验位，如图4 所示。在通讯电路中，由PSoC 芯片进行命令解码、数据编码以及传输。其下传命令和上传数据格式如图4 所示［2］。

图4 ECLIPS5700 WTS 协议下传命令与上传数据格式示意图

4 现场应用情况

该仪器研制成功后，在川渝地区测井20 余井次，在岳XXX、龙XXX、合川XXX、高石X 井、磨溪XX 井等高温高压井测井作业10 多井次，所遇井底压力最高超过120 MPa、最高温度166℃，仪器稳定，性能良好，所测得的井斜、方位曲线与5700 的4401XA 所测曲线重合，测井资料合格率100%。

图5 为龙XXX 井KGGW4401 与ECLIPS5700 系列的4401XA 井斜方位测井曲线对比图。

图5 龙XXX 井KGGW4401 与ECLIPS5700系列4401XA 测井曲线对比图

5 结 论

(1)KGGW4401 能够与ECLIPS5700 地面系统挂接，且能正确实现对井眼井斜方位的测量，测井曲线的一致性和重复性较好，测井资料均达到公司资料验收标准的要求。

(2)KGGW4401 采用PSoC 芯片，用软件编程代替硬件电路，大大简化了电路，使得仪器内部体积缩小，最大限度地增加仪器外壳厚度，从而达到耐高压160 MPa的技术指标。

(3)KGGW4401 采用PSoC 芯片作为MCU，并将其用陶瓷封装，其耐温性能达到175℃/4 h，加上保温瓶后，能够实现耐高温200℃至少8 h，仪器在高温高压井中进行钻具传输时，能够满足长时间正常工作的要求。

［1］丁仁伟，刑冰冰，钮金真，等.基于PSoC 芯片USB 通信的温湿度测量系统的设计与实现.中央民族大学学报［J］，2009，18(3)

［2］Bake Atalas. Manual of orientation tool 4401，2006.(资料)

［3］戴国俊，张 翔，曾 红. PSoC 体系结构与编程［M］. 北京:中国科学技术出版社，2005