基于开关泵命令对CNP仪器中子发生器的控制*

郭广鎏，安旅行，陈绪涛，李西宁，王俊超，阳质量，秦泓江

(1.西安石油大学　陕西　西安　710065；2.中国石油集团测井有限公司随钻测井中心　陕西　西安　710054；3.中国石油集团测井有限公司长庆事业部　陕西　西安　710201)



·开发设计·

基于开关泵命令对CNP仪器中子发生器的控制*

郭广鎏1,2，安旅行2，陈绪涛2，李西宁3，王俊超1,2，阳质量2，秦泓江2

(1.西安石油大学陕西西安710065；2.中国石油集团测井有限公司随钻测井中心陕西西安710054；3.中国石油集团测井有限公司长庆事业部陕西西安710201)

摘要：可控源中子孔隙度随钻测井仪使用中子发生器作为放射性源,在实际随钻测井中，中子发生器全程工作对中子管寿命和井下电池都是极大的消耗。为了节省中子管和井下电池的工作时间，根据需要实时开启或关闭中子发生器，提出了中子发生器控制部分响应开关泵命令序列的设计思路。综合各种因素使用两个开泵和关泵命令组成序列来控制发生器在随钻测井作业中的开、关。实验结果表明可以使用开关泵命令序列控制发生器的工作，仪器因此可以取得更多有效测井资料。

关键词：可控源中子孔隙度随钻测井仪；中子发生器；泥浆泵

0引言

中石油测井公司的可控源随钻中子测井仪使用一种小型加速器中子源[1]，我们称之为中子发生器。中子发生器由中子管和相应的供电、控制系统组成[2]。仪器由井下电池供电，发射中子时的耗电量是停止发射中子时的5～6倍。国外的成套随钻测井装备，包括可控源中子，由泥浆发电机供电，利用泥浆循环控制中子管的工作。测井公司的随钻中子测井仪中子管的使用经历了无下发控制、开关泵命令控制两个阶段。第一阶段，仪器以钻后测量的方式下井，下井前根据工况设置仪器工作参数，其中很重要的参数就是发生器开始工作的时间和发生器工作时长。第二阶段，仪器以实钻测量的方式下井，在实钻环境下仪器利用主控下发的开关泵命令控制中子发生器的开与关。仪器的推广使用对中子管的控制提出了更高的要求，为此，研发人员设计用开关泵命令序列来控制中子发生器，使得中子仪器更适合于商业化应用。

1无下发控制阶段

样机处于试验阶段，单机下井，主要验证仪器的原理、考察测量精度，没有顾及更复杂的应用问题。此时中子仪器采用的是钻后测方式：完井后，用钻杆将仪器匀速推送到目的层。仪器到达测试目的层的时间以及完成对测量段的测量时间都可以大致估算确定，工作方式是：下井前预设延迟时间、工作时间，将工作参数写给井下仪器的单片机存储，下井后单片机自动运行程序，通过外围电路控制中子发生器的启动时间以及整个工作时间[3]。

这种情况下，主要的参考信息是可知的，中子仪器测井曲线是完整有效的。但此时中子仪器使用的局限性是显而易见的。只有在完井后才能下仪器，仪器用钻杆推送下去，为能计算出较准确的中子发生器的工作时间，对于起钻或者下钻的速度要求很严格。

总之，这阶段对于中子发生器的控制方式简单，容易实现。但所适合的环境较理想，对仪器的稳定性、可靠性做了验证，没有进行有意义的实际随钻测井。

2开关泵命令控制阶段

中子仪器与MWD系统联接，在钻进过程中实时测井。此时不能预料钻井进度，虽然可以预设一个发生器工作的延迟时间，但无法预估发生器工作时长，这种情况下，都是将发生器的工作时间设置得足够大。发生器的D-T中子管理想工作寿命在100 h左右[4]，用来供电的电池容量有限，在实际钻井中，钻井进展顺利时尚不能满足全程测井工作，当遇阻或者堵漏时则将白白浪费中子管寿命和井下电池电量。仪器在井下可能只得到短短几十米的测量数据。因此在实钻测量时对中子发生器的实时控制显得十分必要。

MWD传输系统采用泥浆脉冲传输，泥浆泵的开或者关造成泥浆脉冲发生器上的压力开关的通、断，从而产生一个高或者低电平传给驱动短节，井下驱动短节收到该电平后，会往总线上发送开泵或者关泵命令，此命令称为广播命令。泥浆脉冲传输速度很慢，传输一位数据需要0.8 s，资源十分紧张。下发命令除了广播命令以外，就只有每种仪器各自的要数命令。开泵后，驱动短节自动轮发各个随钻测井仪器的要数命令，各仪器响应后，上传自己的测井数据给驱动短节，最终通过泥浆脉冲发生器产生泥浆脉冲信号，被立管压力传感器接收到，地面箱体解码，传给主机，地面软件显示。

根据上面的描述，我们能利用的只有开关泵命令。在实际工作中，钻进的时候都要开泵泥浆循环，因此用开泵引起的开泵命令来打开中子发生器，用关泵命令来关闭发生器，目的在停钻的时候不会浪费中子管的寿命，也不会过多浪费电池电量。这种控制方式能够成功打开或者关闭发生器。

但是，在应用中，碰到停钻循环、堵漏循环的情况时，开关泵十分频繁，泥浆泵打开，中子发生器随之打开；泥浆泵关闭，发生器随之关闭。这时钻头没有钻进，打开发生器没有测量意义，更糟糕的是，发生器的打开和关闭太过频繁，中子发生器高压忽高忽无，造成了发生器的损坏，测井彻底失败。

所以，这阶段对中子发生器实现了实时控制，方式也比较简单，容易实现。但所适合的环境也较理想，当钻井工况复杂时，这样控制也不合理。

3开关泵命令序列控制的设计

3.1设计思路

单纯用开关泵命令控制发生器，很可能对中子发生器造成损害。为此我们寻求一种开关泵命令组合来现实中子发生器的地面控制。APS公司的旋转导向系统RSM(Rotary Steerable Motor)[5]下行通讯是通过循环泥浆泵来改变钻井液排量，使其在特定的时间周期和特定的序列内高于和低于特定的阀值排量来完成,如图1所示。我们不具备控制钻井液排量的手段，能操作的就就是关泵和开泵，由此产生的开、关泵命令使其各自保持一定的时间周期，以几个开泵和关泵命令组合形成一个序列，做为一个下发命令控制中子发生器。

图1　RSM系统的一种下发命令

基于以上思路，设计了发生器的开和关两种命令，如图2、图3所示。两种命令均采用五次开、关泵命令的组合，开泵状态时间均保持在2 min，关泵状态时间均保持在1 min。这种设计既避免对其他仪器误操作，同时也考虑了在实际测井中的可操作性。

图2　开发生器命令

图3　关发生器命令

3.2发生器控制的实现

仪器采集部分与高压控制部分并联于总线上与系统通讯，如图4所示。采集部分负责仪器数据的采集、存储；高压控制部分负责中子发生器的开和关。

图4　采集部分、高压控制部分与总线连接图

发生器控制设计的具体实现如图5所示。图5为开、关泵命令处理流程图，在地面实施开关泵为手动操作，其操作时间间隔有一定误差，因此程序对开、关泵命令的识别设置了一个时间偏差范围，开、关泵命令的偏差分别为±15 s和±10 s。

当高压控制部分识别到开/关发生器命令时，高压控制板的单片机通过控制D/A转换器的输出来实现中子发生器的开/关。

图5　开、关泵命令处理流程图

命令序列的响应成功与否通过下发要数命令给采集部分，从上传的数据可以识别是否仪器响应成功(见表1)。工作人员可根据实时上传的数据信息进行相应操作，直到仪器成功响应发生器的开关命令。

3.3实验验证

完成了井下软件的开发和单板调试工作，我们对中子发生器的控制功能进行了实验验证，可控源中子仪器在中子发射场进行了测试。实验中我们通过串口调试软件发送开泵和关泵命令，一个序列发完后，发要数命令查看响应结果，如图6所示。图6中的AA 04 00 AE是关泵命令，AA 04 01 AF是开泵命令，24 04 A1 C9是中子仪器要数命令。实验过程中，点“手动发送”下发开/关泵命令以组成开/关发生器序列，每次发送必须保证在规定的时间内。实验结果见表2，其中δti(i=1,2,3,4,5)是指开/关发生器命令序列中第i次开/关泵命令的发送时间偏离规定时间的误差。从表2可以看出时间偏差在规定的范围内，仪器都能正常响应。

表1　仪器对发生器开、关命令响应的问题及处理方案

图6　实验测试图

序列δt1/sδt2/sδt3/sδt4/sδt5/s响应开发生器序列2-3-454响应正常13-573响应正常-26-72-6响应正常1-5583响应正常32-3-61响应正常关发生器序列-274-82响应正常15-3-2-5响应正常8-95-30响应正常-253-64响应正常25-673响应正常

本次实验环境较为理想，在实钻中考虑到开/关泵时间不准确、泥浆压力传感随着时间变化等不确定因素的增多，都将成为干扰因素[6]。但如表1中，若单次的命令序列没有被成功响应，可以再次手动发送直到仪器成功响应。

4结论

本文基于开关泵命令对随钻可控源中子仪器的中子发生器实时控制进行了设计、软件开发、单板调试和实验验证等工作。实验结果表明：

1)从设计思路上来讲，成功的利用了随钻测井系统里的开关泵命令(广播命令)，并使用组合序列避免不必要的开/关中子发生器。

2)成功实现了实时对随钻可控源中子仪器的中子发生器开关控制，在实钻作业中，将可以延长中子管的有效使用时间和井下电池的供电时间。

3)在野外实钻环境中，手动操作、泥浆脉冲信号衰减等不确定因素可能会导致单次开/关发生器序列命令未能成功响应，可以通过重复发送直到仪器成功响应。

参 考 文 献

[1] 李安宗，秦泓江，王 珺，等.随钻可控源中子测井仪器研究[J].石油钻采工艺,2011,33(5):105-109.

[2] 吕俊涛.脉冲中子发生器高压控制系统的自动控制设计[J].同位素，2008,21(3):155-160.

[3] 闫水浪.随钻可控源中子测井仪研究[D].中国石油大学,2010.

[4] 梁峰，吴军随，麻惠生.耐高温长寿命测井中子管[J].测井技术，1999,23(1):62.

[5] APS公司.旋转导向螺杆(RSM675)[EB/OL].[2015-02-10].http://www.aps-tech.com /chi/.

[6] 杨谦.泥浆脉冲器脉冲发生机理研究[D].吉林大学,2011.

Controlling Neutron Generator of CNP Tool Based on Pump Switch Command

GUO GuangLiu1,2,AN Lvxing2,CHEN Xutao2,LI Xining3,WANG Junchao1,2,YANG Zhiliang2,QIN Hongjiang2

(1.Xi′an Shiyou University,Xi′an,Shaanxi 710065,China; 2.LWD Logging Center,China Petroleum Logging Co.Ltd.,Xi′an,Shaanxi 710065,China; 3.Changqing Division,China Petroleum Logging Co.Ltd.,Xi′an,Shaanxi 710201,China;)

Abstract：Controllable Neutron Porosity(CNP) logging while drilling tool adopts neutron generator as radioactive source in logging.So the life of neutron tube and batteries in the tool would be consumed greatly in practical work.In order to save the working time of the neutron tube and battery,real-time control of the generator is needed.The design method for the neutron generator responsing to the mud-pump command is proposed.Considering the variety of factors,two pump-on and pump-off commands as sequences are used to control the generator while logging.The experiments show that the command sequences can successfully control the generator in the tool，and the instrument can obtain more effective logging data.

Key words：controllable neutron porosity LWD tool；D-T neutron generator；mud pump

基金项目：中国石油集团测井有限公司科学研究与技术开发项目(CPL2013-D03)

第一作者简介：郭广鎏，男，1977年生，2002年毕业于大庆石油学院计算机软件专业，目前在中国石油集团测井有限公司随钻测井中心从事随钻中子仪器研发工作。E-mail：dqggliu@sina.com

中图法分类号：P631.8

文献标识码：A

文章编号：2096-0077(2016)03-0028-04

(收稿日期：2015-10-19编辑：屈忆欣)