定向探管故障分析与解决方法实现

李 明，高博跃，张 强，姜天杰

(中海油田服务股份有限公司油田技术事业部 河北 燕郊 065201)

0 引 言

MWD井下仪器主要由脉冲器和定向探管两部分组成。其中定向探管是MWD系统中测量井眼轨迹参数和定向井施工参数的重要组成部件。定向探管TMP具有测量数据编码、驱动、控制脉冲器发出脉冲信号和地面下传指令解码的功能。

TMP由一组三分量加速度传感器、一组三分量磁通门传感器、温度传感器、A/D转换数据处理电路，MCM数据编码、解码、存储、配置和脉冲器控制电路等组成[1-2]。

TMP有两种测斜模式：开泵测斜和关泵测斜。开泵测斜，在实时钻进过程中测斜，工作效率高，但由于钻进过程中震动大，井况复杂，造成测量精度下降。关泵测斜，在停钻过程中测斜，测量数据精度高应用广泛[3-7]。

1 故障描述

某项目LWD作业中，TMP关泵测量失败，上传数据(DIM_INC和DIM_AZI)都为0。作业前工程师对TMP进行参数配置，如图1所示。

作业中先用M0(E0+L0)关泵测量模式，发现关泵测量时，TMP上传测量数据(DIM_INC和DIM_AZI)都为0，多次尝试关泵测斜均未成功，但正常开泵作业时TMP上传测量数据正常。随后，按照TMP模式切换步骤操作开关泥浆泵，欲切换到M1(E0+L1)开泵测斜模式，但屡次尝试均失败。

图1 TMP探管配置参数表

2 故障分析

根据仪器设计:泥浆泵开泵,由脉冲器产生20～50 V的交流电，经TMP电源板处理后，为TMP供电。泥浆泵关泵,脉冲器发电机停止工作，此时TMP供电由发电机切换到中控短节(DSM)中的锂电池，完成关泵测量与数据存储。

仪器返回后对内存数据分析，发现TMP在关泵测量时，内存时钟恢复初始值(1970年1月1日)，说明TMP在关泵时异常重启，导致关泵测量程序没有被执行。

通过分析得出，关泵测量时锂电池不能正常供电或测量程序错误导致的故障产生，故障原因如下：

1)TMP关泵测量时，采集程序bug不能正常启动；

2)在关泵电源切换时，不正常掉电(TMP重启)，导致仪器停止测斜。

3 固件优化及验证

3.1 固件优化

为满足作业对关泵测量数据的需求，对TMP的固件程序进行优化，并加入了异常掉电测斜功能，保证了TMP在关泵后出现异常掉电，仍能获得正确的测斜数据。

固件程序修改前，关泵测斜数据存储在RAM中，开泵后，系统会自动读取RAM中的数据，上传至地面。如果此时TMP异常掉电， RAM中的测斜数据将被清空(测斜数据为0)，开泵后，系统会自动读取RAM中的数据，上传至地面系统，导致获得测斜失败[8]。

固件程序修改后：

1)如关泵测斜过程正常，数据将存储在RAM中，开泵后，系统会自动读取RAM中的数据，上传至地面系统。

2)如在关泵测量后，遇到TMP异常掉电，数据将存储在FLASH中，开泵后，系统会自动读取FLASH中的数据，上传至地面系统。

3)如关泵测斜过程正常，测斜完成后，遇到TMP异常掉电，存储在RAM中的数据清空，开泵后，TMP自动将开泵测斜数据上传至地面系统。

3.2 测试验证

实验室对新版本TMP进行验证：在各种异常掉电故障时，TMP均能获得正确的测斜数据，从而验证了固件程序的可靠性。

3.2.1 仪器连接

为了模拟井下工作模式，用TMP测试盒模拟脉冲器为TMP供电，用直流电源面板来模拟锂电池供电[9-10]。

3.2.2 模拟检测

TMP工作模式设置为关泵测量，上传井斜、方位数据。每次关泵测量后，TMP移动位置或旋转角度，模拟开泵上传数据。通过测量数据的具体数值，来判断上传的是关泵测量数据或是开泵测量数据，以验证TMP预置工作逻辑与实际工作状态是否一致。

1)正常工作模式测试

TMP测试盒正常供电，直流电源面板为中控仪器正常供电(39 mA@32 V)。如图2所示时序，当TMP进入LOOP循环后，关闭TMP测试盒，模拟关泵。此时, TMP的供电由TMP测试盒自动切换到直流电源，电源面板显示由39 mA变到79 mA，10 s后增至160 mA，此时, TMP进入关泵测量状态，所得数据存储在RAM中，待5组数据采集完毕后，电流显示恢复至79 mA。

打开TMP测试盒模拟开泵，此时,变换TMP位置，以区别关泵与开泵测量数据。30 s后，TMP测量5组测斜数据，通过脉冲上传关泵测斜数据，此数据应与关泵测量时的TMP位置一致。

图2 正常工作时序图

2)停泵期间异常掉电模式测试

TMP测试盒不打开，直流电源为中控仪器正常供电(39 mA @32 V)。此时打开中控上总线为TMP供电(在停泵期间TMP第一次由电池供电)，电流显示79 mA，等待10 s后电流显示增至160 mA，进入关泵测量模式，采集5组数据并存入FLASH中。

打开TMP测试盒，模拟开泵，此时变换TMP位置，以区别关泵与开泵测量数据。随后等待TMP开泵测量5组数据，约30 s后，通过脉冲上传的数据，此数据应与关泵测量时的TMP位置一致。

如果在数据采集过程中，TMP掉电重启，TMP将重新进入停泵期间异常掉电测斜模式，如图3所示时序。

图3 异常掉电时序图

3)停泵期间与关泵测量完毕时异常掉电模式测试

TMP测试盒不打开，直流电源为中控仪器正常供电(39 mA @32 V)。此时打开中控上总线为TMP供电，电流显示79 mA，等待10 s后(检查泵的开关状态)电流显示增至160 mA，进入关泵测量模式，采集5组数据并存入FLASH中。当电流显示降为79 mA时，关闭上总线，TMP掉电，而此时FLASH中数据并没有因TMP掉电而丢失。如果在10 s打开TMP测试盒，模拟开泵后，上传的数据为关泵测量的数据,如图4所示时序。

图4 异常掉电时序图

4)关泵测量完毕后异常掉电模式测试

TMP测试盒正常供电，地面电源为中控仪器正常供电(39 mA @32 V)。TMP进入LOOP循环后，关闭TMP测试盒，模拟关泵。此后操作过程与正常工作模式相同，但在关泵测量数据采集过程中或完成以后，TMP非正常掉电，此时存储在RAM中数据全部丢失，如果在10 s打开TMP测试盒，模拟开泵后，上传的数据将为开泵后的测量数据。否则将进入停泵期间异常掉电模式，如图5所示时序。

4 结 论

1)TMP固件程序优化后，经过实验室检测，均能够准确的上传测斜数据,固件程序稳定可靠，未发现测斜数据异常。

2)在现场应用中，未再出现TMP测斜数据异常的故障，问题得到了解决。

3)TMP虽已广泛在现场应用，但其稳定性和可靠性还有待提高，需要针对现场各种复杂情况进行改进和完善，以满足现场大规模应用的需求。