Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. История создания приборов для каротажа субгоризонтальных скважин 15
1.1 Особенности каротажа скважин с горизонтальными участками 15
1.2 Аппаратурно-методический автономный комплекс «ГОРИЗОНТ» 22
1.3 Аппаратурно-методический автономный комплекс «Обь» 26
1.4 Комплекс автономных скважинных приборов «КАСКАД-ЭА» 31
Глава 2. Анализ распределённых микропроцессорных систем и разработка структурной схемы комплекса 35
2.1 Оптимизация структурной схемы скважинного аппаратурного комплекса как единой информационно-измерительной системы... 35
2.2 Поиск решений построения системы с цифровым ядром и функциональными устройствами, подключаемыми по стандартным интерфейсам 2.2.1 Особенности применение микроконтроллеров в скважинной аппаратуре 52
2.2.2 Сравнительный анализ различных семейств контроллеров на предмет применимости в скважинной аппаратуре 58
2.2.3 Выбор интерфейсов для построения системы 65
2.3 Разработка вариантов структурной схемы скважинного комплекса 75
2.3.1 Организация системы с использованием интерфейса RS-232 75
2.3.2 Структурная схема с использованием интерфейса RS-485 78
2.3.3 Резервирование системы з
2.4 Расчёт электрических параметров шины комплекса 85
Глава 3. Устройство автономной аппаратуры 97
3.1 Устройство автономного комплекса «АЛМАЗ-1» 97
3.2 Устройство автономного комплекса «АЛМАЗ-2» 111
3.3 Устройство автономного комплекса «СКЛ-А» 1
3.3.1 Состав, структура и технические характеристики комплекса... 119
3.3.2 Устройство модулей аппаратуры «СКЛ-А» 126
3.3.3 Пример каротажной диаграммы 159
Заключение 161
Список сокращений 163
Литература
- Аппаратурно-методический автономный комплекс «ГОРИЗОНТ»
- Комплекс автономных скважинных приборов «КАСКАД-ЭА»
- Сравнительный анализ различных семейств контроллеров на предмет применимости в скважинной аппаратуре
- Устройство автономного комплекса «СКЛ-А»
Введение к работе
Объект исследования - аппаратурное обеспечение комплексного каротажа горизонтальных нефтяных скважин (включая боковые стволы) на предмет разработки автономного комплекса как единой информационно-измерительной системы (ИИС).
Актуальность разработки определяется отсутствием аппаратуры Российского производства, обеспечивающей каротаж в горизонтальных и сильно наклонных скважинах (с зенитным углом более 55) всеми требуемыми методами (включая электрические методы бокового каротажа (БК) и бокового каротажного зондирования(1>Л*3)) за один спуско-подъём, а также интересом сервисных геофизических компаний к такой аппаратуре.
Цель исследования - повысить информативность и достоверность каротажа в горизонтальных нефтяных скважинах путём разработки на основе теории систем комплексной автономной аппаратуры как сложной распределённой микропроцессорной измерительной системы, имеющей электрические и информационные связи между модулями.
Решаемые научные задачи:
-
Научно обосновать и разработать схему автономного каротажного комплекса для измерения всех требуемых геофизических параметров в нефтяных и газовых наклонно-горизонтальных скважинах при минимальной длине зондовой части комплекса за счет объединения модулей информационными связями и электропитанием.
-
Создать новые модификации автономного прибора высокочастотного электромагнитного каротажного зондирования (ВЭМКЗ) на основе кабельного прибора ВИКИЗ для увеличения числа измеряемых параметров.
Теория, методы исследования, аппаратура
В основу проектирования автономного комплекса положена теория информационно-измерительных систем (в том числе - распределённых микропроцессорных систем). Для оценки надежности комплекса, вероятностей отказа и оптимизации структурной схемы также использовался математический аппарат теории вероятностей.
Разработка аппаратуры включала схемотехническое проектирование комплекса и отдельных электронных узлов, программирование микро-
контроллеров с использованием языков ассемблера и Си. При разработке аналоговых электронных схем применялось компьютерное моделирование. При расчёте параметров шины комплекса использовался математический аппарат теории передачи по линиям связи, включая решение линейных дифференциальных уравнений, а также использовалось моделирование электрического поля методом конечных элементов.
Отработка конструктивных узлов и модулей комплекса потребовала проведения обязательных стендовых испытаний, прежде всего - температурных, а также термобарометрических испытаний корпусов и стыковочных узлов, а проверка механической прочности - испытаний на ударной установке. Стендовые испытания на ударной установке проводились только на опытных образцах модулей, в частности при создании модуля гамма-каротажа и резистивиметра (МГКР) и модуля памяти и питания (МПП) при разработке амортизаторов для узлов, содержащих кристаллы и фотоэлектронные умножители для подсчета гамма-квантов. В соответствии с ГОСТ 26116-84 модуль подвергался ударным нагрузкам с ускорением до 15 g.
Обязательными же для всех модулей были гидростатические и температурные испытания. Температурные испытания модулей проводились в специальных термоустановках. Измерительные модули испытывались до температуры 125 или 150С (в зависимости от варианта исполнения), модуль памяти и питания (с учетом наличия в нём аккумуляторов) - до 90 либо до 150С (при использовании литиевой батареи). При максимальной температуре каждый модуль (без силового корпуса) выдерживался не менее 2 часов, после чего определялся температурный уход характеристик.
Гидростатическим испытаниям подвергались корпусы всех модулей (с одновременным нагревом до 125 - 150 С). Всего было проведено более тысячи температурных и гидростатических испытаний в процессе отработки конструкции и процессе серийного производства автономных модулей.
Также обязательным для всех выпускаемых измерительных модулей было проведение первичной и периодической метрологической поверки. Модули ВЭМКЗ поверялись с помощью образцового набора мер импеданса ИМ-1, изготовленного в Новосибирском центре стандартизации и метрологии и зарегистрированного в государственном реестре средств измерений РФ. Кроме этого, все модули ВЭМКЗ проходили испытания в баке, заполненном солевым раствором с УЭС 1 Ом-м, в Институте нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН. Для доказательства достоверности измерений в высокоомной области (до 200 Ом-м) были проведены аналогичные испытания на Телецком озере.
Калибровка каждого из двух гамма-каналов измерительных модулей (МГКР) проводилась с использованием комплекта калибровочных устройств КУ-СГК (ВНИИЯГ). Калибровка резистивиметров этого же модуля проводилась в 5 различных по УЭС образцовых растворах, контролируемых кондуктометром АНИОН-7020. Поверка термометров также выполнялась для всех выпущенных модулей в термостате ТР-1М с использованием теплоносителя - полиметилсилоксановой жидкости марки ПМС-100.
При скважинных испытаниях, которым подвергались все модификации комплексов «АЛМАЗ» и «СКЛ-А», и последующем внедрении в промысловую геофизику были получены тысячи каротажных диаграмм, по результатам анализа которых с высокой степенью достоверности определялись нефтяные пласты и осуществлялась проводка ГС. Разработки вызвали большой интерес у геофизиков-нефтяников и были востребованы сервисными компаниями, такими как ОАО «Нижневартовскнефтегеофизи-ка», тресте «Сургутнефтегеофизика», ОАО «Газпромнефть-Ноябрьскнефтегаз-геофизика». С использованием разработанной аппаратуры выполнены тысячи каротажей.
Защищаемые научные результаты:
-
Обоснованы и разработаны структурные схемы автономных каротажных комплексов «АЛМАЗ» и «СКЛ-А» для нефтяных и газовых наклонно-горизонтальных скважин.
-
Разработан автономный модуль ВЭМКЗ путем увеличения количества зондов за счет добавления второго изопараметрического ряда.
Научная новизна технических решений. Личный вклад
Научно обоснована, разработана структурная схема комплекса, обоснован выбор интерфейсов и их характеристик для объединения отдельных модулей в единую систему. Обоснована необходимость резервирования модулей памяти и питания для повышения надёжности работы комплекса. Разработан протокол обмена. Рассчитаны параметры системной шины.
Обоснована конструктивная компоновка модулей, позволяющая оптимально интегрировать металлические и диэлектрические детали корпусов при построении приборов бокового каротажного зондирования и бокового каротажа для обеспечения требуемых измерительных баз при укороченной общей длине зондовой части комплекса, что минимизирует необследованную зону у забоя горизонтальной скважины.
Разработан модуль высокочастотного электромагнитного каротажного зондирования (ВЭМКЗ) на базе прибора высокочастотного индукционного каротажного изопараметрического зондирования (ВИКИЗ) путем добавления второго изопараметрического ряда зондов, что позволило увеличить разрешающую способность по радиальной глубинности. Лично соискателем разработаны принципиальные электрические схемы модуля, подготовлена и отлажена программа микроконтроллера, входящего в состав модуля, проведены испытания в лабораторных условиях и в эксплуатационных скважинах на месторождениях нефти и газа Среднего Приобья.
Практическая значимость результатов
На базе разработанных структурных схем созданы автономные комплексы «АЛМАЗ-1», «АЛМАЗ-2», «СКЛ-А», которые серийно производятся в Научно-производственном предприятии геофизической аппаратуры «Луч» начиная с 2001 года. В ряде случаев использование данных комплексов не имеет реальной альтернативы (например, там, где требуется малогабаритность аппаратуры при достаточной информативности измеряемых параметров - во вторых стволах диаметром 5 или 6 дюймов).
На данный момент произведены и используются сервисными компаниями следующие комплексы:
- ВЭМКЗ-9А и «АЛМАЗ-1» - 45 комплексов;
- «АЛМАЗ-2» - 43 комплекса;
- «АЛМАЗ-2М» (модифицированный) - 4 комплекса;
«АЛМАЗ-2И» (с инклинометром) - 4 комплекса; -«АЛМАЗ-2Т» (высокотемпературный - до 150С) - 2 комплекса;
СКЛ-А - 3 комплекса;
СКЛ-А - 160 - 2 комплекса.
В состав комплекса «СКЛ-А» входят единый МПП и десять измерительных модулей. Это, во-первых, максимально упрощает работу с комплексом, поскольку перед каротажем программируется только один МПП и все данные привязаны к единым часам, во-вторых, уменьшает длину комплекса и позволяет обследовать скважину до забоя практически всеми методами, реализованными в аппаратуре (самая дальняя точка записи в комплексе «СКЛ-А» при разгрузке на забой будет находиться на расстоянии всего лишь 17 м от забоя).
Кроме этого, значительно упрощается процедура технического обслуживания комплекса, поскольку считывание информации, зарядку аккумулятора необходимо проводить всего лишь только для одного модуля.
При этом обеспечена высокая живучесть всей системы в целом, поскольку в аварийных ситуациях при разгерметизации одного из модулей буровой раствор не попадёт в остальные модули комплекса. Стыковочные узлы, выполненные из подобранных марок титана для трущихся пар, не боятся загрязнений и химически агрессивных буровых растворов, чем обеспечивается длительный срок службы аппаратуры. Специальная трапецеидальная резьба с крупным шагом обеспечивает достаточно простую процедуру сборки/разборки непосредственно на мостках даже при сильном загрязнении поверхностей.
Разработанные комплексы обеспечивают измерение большого количества (более 50) разнородных по физической сути параметров. Они позволяют определять, насколько точно была проведена горизонтальная скважина относительно продуктивного пласта, и корректировать её положение при проведении промежуточных каротажей в интервалах между бурениями. При всём этом решена задача минимизации аппаратурных затрат, что обеспечивает высокую надёжность работы. На основе полученных от аппаратуры данных строятся двумерные и трёхмерные геоэлектрические модели.
Малогабаритные комплексы диаметром 102 мм могут быть использованы при каротаже хвостовиков малого диаметра, разбуренных из скважин старого фонда. Такие работы по разбуриванию хвостовиков и боковых стволов проводятся в скважинах, которые выработали свой ресурс, и нефтедобыча из которых стала нерентабельной. Практика показывает, что разработанные автономные комплексы экономически выгодны: они окупают себя за 3-4 месяца эксплуатации.
Апробация работы и публикации
Материалы исследования докладывались на конференциях: Всеросс. научно - практической конф. «Геофизические исследования в нефтегазовых скважинах» (Новосибирск, 2011), XVII Научно - практической конф. «Новая техника и технологии для геофизических исследований скважин» (Уфа, 2011), XIX Научно - практической конф. «Новая техника и технологии для геофизических исследований скважин» (Уфа, 2013).
Выносимые на защиту результаты изложены в 6 публикациях, в том числе 1 патент и 3 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных перечнем ВАК(«Каротажник», «Бурение и нефть»).
Благодарности
В процессе работы автора поддерживали многие коллеги по НППГА «Луч», которым выражается искренняя признательность.
Автор особенно благодарен академику РАН, д.т.н. М.И. Эпову за доброжелательность, моральную поддержку и настойчивость, без которых работа не была бы завершена.
Неоценимую помощь при подготовке диссертации оказал д.т.н. И. Н. Ельцов.
Автор признателен к.т.н. В. Н. Еремину за научное руководство и практическую помощь в процессе подготовки работы.
Автор благодарен к.т.н. К. В. Сухоруковой за помощь в предоставлении диаграмм и интерпретации данных, записанных комплексом «СКЛ-А».
Автор выражает благодарность В. И. Самойловой за консультации и рекомендации по оформлению диссертации.
Объём и структура работы
Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения, содержит 172 страницы текста, в том числе 51 рисунок, библиографию из 96 наименований.
Аппаратурно-методический автономный комплекс «ГОРИЗОНТ»
Обычно каротаж вертикальных или слабонаклонных скважин (с зенитными углами до 55) выполняется стандартными каротажными комплексами на кабеле, чаще всего трёхжильном, в несущей стальной оплётке-броне. При возникновении необходимости проведения исследований в скважинах с горизонтальным завершением (ГС), в том числе и во вторых стволах, разбуриваемых из скважин старого фонда, также изначально использовались стандартные кабельные каротажные приборы и комплексы, дополненные специальными средствами доставки, проталкивающими приборы до забоя, поскольку при углах больше 55 они не могут спускаться в скважину под действием собственного веса. Особенности исследования ГС рассмотрены в ряде работ А. А. Молчанова, Э. Е. Лукьянова, В. А. Рапина, 1994-2001 гг.
Примером традиционной технологии исследования ГС является применение каротажного комплекса ОАО "Пермьнефтегеофизика" [1]. Доставка прибора на забой осуществляется обычным геофизическим кабелем. Для прохождения горизонтального участка используются насосно-компрессорные трубы (НКТ) диаметром 33 и 73 мм. Верхняя часть труб, находящаяся за пределами горизонтального участка скважины, является движителем колонны труб, находящейся в горизонтальной части и выполняющей функцию удлинителя между движителем и геофизическим прибором.
Одним из вариантов такой технологии, используемой в ЗАО ПГО «Тю-меньпромгеофизика» [2], является так называемый «мокрый контакт» для электрической связи кабеля, пропущенного внутри НКТ, и скважинного прибора. В ОАО "Татнефтегеофизика" с 1997 г. под руководством А. Г. Корженев-ского успешно велись исследования свойств горных пород, пересеченных горизонтальным стволом с помощью специального геофизического кабеля с достаточ 16 ной жесткостью для проталкивания серийных скважинных приборов на забой ГС [3]. Новые конструктивы были получены путём многослойного бронирования и использования различных составов полимерных материалов для поверхностного покрытия каротажного кабеля [4]. В результате создан ряд кабелей разного целевого назначения для проведения геофизических исследований в скважинах (ГИС): в открытом стволе и через буровой инструмент, в колонне и через НКТ, в том числе и при герметизированном устье при расчётной массе для такого кабеля 2,2 кг/м.
Одним из самых простых вариантов организации исследований ГС является присоединение к серийному геофизическому кабелю, намотанному на стандартном каротажном подъемнике, отрезка жесткого кабеля. Протяжённость исследуемого горизонтального участка может составлять около одной трети длины этого отрезка. Для увеличения проталкивающих возможностей выше отрезка жесткого кабеля могут быть установлены дополнительные грузы (например, НКТ, выполняющие функции движителя) [5, 6]. Разновидностью указанного способа является использование технологического комплекса «Латераль» [7-12], разработанного в ОАО «Пермьнефтегеофизика» (СавичА. Д., Шумилов А. В.).
Основным недостатком использования движителя в виде насосно-компрессорных труб, как и жесткого кабеля, являются ограниченные возможности по доставке приборов на забой при протяжённом горизонтальном участке скважины. Поэтому такие способы доставки применяются в основном в карбонатных породах при ограниченной длине горизонтального участка. Практика показала, что при применении жесткого кабеля длина горизонтального участка не может превышать 100 м, а при движителе в виде НКТ - 200-300 м [13]. Кроме этого, подвешивание комплекса приборов и НКТ на кабеле, даже с повышенными значениями разрывных усилий (до 110 кН), существенно увеличивает риск его обрыва.
В терригенных породах на большие расстояния можно спускать каротажные комплексы на бурильных трубах. Одной из первых за рубежом была реализована технология проведения ГИС в горизонтальных скважинах с пропуском кабеля через переводник бокового ввода и «мокрым» электрическим соединением со связкой скважинных приборов [14]. В качестве примера можно привести технологию TLS (tough logging condition - тяжелые условия каротажа) фирмы Schlumberger. Технология имеет много вариантов применения, в том числе и спуск на бурильных трубах стандартного кабельного комплекса Platform Express [15]. Этой же фирмой заявлены и другие варианты спуска аппаратуры на бурильных трубах и с использованием гибких труб {Coilubing), в том числе и с регистрацией данных в модуле памяти [16].
В России наибольшее распространение и известность получила система "Горизонталь" [17,18] и её модификации: "Горизонталъ-1", "Горизонталь-3", "Горизонталь-4" - для проведения каротажа серийной аппаратурой в ГС большого и среднего радиуса, пробуренных с помощью гидравлического забойного двигателя; "Горизонталь-2" - горизонтальных скважин, пробуренных электробуром; "Горизонталь-5" предназначена для исследования ГС на этапе освоения и эксплуатации; "Горизонталь-6" - для ГИС в горизонтальных скважинах малого радиуса кривизны.
Известны и другие разновидности технологии, использующие геофизический кабель. Например, с применением прокачки промывочной жидкости для проталкивания кабельных приборов внутри инструмента на субгоризонтальных участках скважины. Однако они являются чрезвычайно трудоёмкими и малоэффективными на достаточно протяженных горизонтальных участках. Главный недостаток этих технологий - высокая аварийность работ в связи с обрывом кабеля.
За рубежом для исследования ГС достаточно широкое распространение получило оборудование Coilubing, в котором используется длинномерная несты-куемая гибкая труба, наматываемая на барабан большого диаметра. Внутри этой трубы находится кабель. В России колтюбинг был приобретен ОАО «Татнефть» [19]. Схема доставки прибора колтюбингом приведена на рисунке 1.1. Особенно эффективна такая доставка, если скважина имеет резкий набор кривизны с малым радиусом за счет использования гибкости колтюбинга [20].
Комплекс автономных скважинных приборов «КАСКАД-ЭА»
С внедрением микроэлектроники, и особенно больших интегральных схем (микропроцессоров, микроконтроллеров, микросхем памяти), скважинная каротажная аппаратура качественно изменяется.
Во-первых, значительно возрастает число измеряемых параметров - резко увеличивается суммарное количество отсчётов, что позволяет говорить о потоках измерительной информации.
Во-вторых, измерения носят комплексный характер: одним каротажным комплексом могут измеряться несколько различных по физической сущности параметров, взаимно дополняющих друг друга.
В-третьих, функциональные узлы скважинной аппаратуры чётко разделяются на иерархические уровни с выделением универсального цифрового ядра.
В-четвёртых, первичная обработка информации проводится непосредственно в скважинном приборе в реальном масштабе времени.
Следует отметить, что если кабельная скважинная аппаратура (в том числе и выпускаемая до настоящего времени) не всегда отражает современный уровень развития микроэлектроники, то построение автономной аппаратуры требует применил передовой элементной базы.
Таким образом, современную скважинную аппаратуру, как отечественную, так и зарубежную, удовлетворяющую перечисленным выше требованиям, можно безоговорочно отнести к информационно-измерительным системам (ИИС). В ГОСТ 8.437 - 81 приведено следующее определение ИИС: "совокупность функционально объединённых измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, её преобразования, обработки в целях представления потребителю (в том числе ввода в АСУ) в требуемом виде либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации» [73]. ИИС относится к более широкому понятию "система": здесь под системой понимается единство (совокупность) элементов, обладающих следующими признаками: 1. Свойством (назначением, функцией), отличным от свойств отдельных элементов совокупности. 2. Связями, которые позволяют посредством переходов по ним от элемента к элементу соединять два любых элемента совокупности. 3. Структурой, т.е. возможностью её разделения на группы элементов с указанием связей между ними, неизменного на всё время рассмотрения и дающего представление о системе в целом [74]. Применительно к аппаратуре указанное раз деление может иметь функциональную, конструктивную или алгоритмическую ос нову.
ИИС имеет иерархическую структуру, элементы которой связаны в порядке подчинения, т.е. с неравноправными связями между элементами, когда воздействие в одном из направлений оказывает гораздо большее влияние на элемент, чем в другом. Типичный пример иерархической связи в скважиннои аппаратуре - это связь цифрового ядра (или устройства управления) с функциональными блоками аппаратуры.
Имеется большое разнообразие ИИС, которые классифицируются в зависимости от их общих признаков. Например, по виду входных и выходных сигналов: непрерывные, дискретные, аналоговые, цифровые [75]. Другой способ классификации - по принципам построения системы по таким признакам, как:
Следует добавить, что все неавтономные (кабельные) скважинные приборы содержат кабельный канал связи и поэтому, с точки зрения теории ИИС, являются телеметрическими измерительными системами.
Ещё по воздействию на окружающую среду скважинную аппаратуру разделяют на активную и пассивную. Если аппаратура возбуждает какие-либо физические поля или воздействует радиоактивными частицами, то такую аппаратуру считают активной, если же только регистрирует естественные поля или излучения, то она относиться к пассивной {таблица 2.1).
Электрическое поле измерение потенциала самопроизвольной поляризации скважины (ПС) измерения кажущегося сопротивления, боковой каротаж (БК), боковое каротажное зондирование (БКЗ), резистивиметрия скважин
Магнитное поле магнитометрия (в т.ч. для инклинометрии) не используется Ядерно-магнитный резонанс (ЯМР)
Электромагнитное поле не используется индукционный каротаж (ПК), высокочастотное каротажное изопарамет-рическое зондирование (ВИКИЗ) Гравитационное поле измерение зенитного угла в инклинометрии не используется
Звуковое и УЗ поля шумометрия акустическое зондирование,УЗ кавернометрия и профилемерия Тепловые поля термометрия не используется у-излучение гамма-каротаж гамма-гамма-каротаж (ГГК) нейтронный -гаммакаротаж(НГК)
Поток нейтронов не используется нейтрон-нейтронный каротаж (ННК) В таблице у-излучение вынесено отдельной строкой (хотя по физической сути оно относится к электромагнитному полю), поскольку оно взаимодействует со средой и детектором как частица. В приборах ядерного магнитного резонанса используется как сильное магнитное поле постоянных магнитов (приборы с использованием естественного магнитного поля Земли оказались неэффективными), так и высокочастотное электромагнитное поле.
В настоящее время существует тенденция развития методов, использующих воздействие комбинации физических полей.
Скважинную аппаратуру можно представлять в виде совокупности взаимосвязанных между собой функциональных блоков (ФБ), являющихся элементами информационно-измерительной системы. К примеру, функциональными блоками в скважинной аппаратуре являются: контроллеры, цифро-аналоговые и аналогово-цифровые преобразователи (ЦАП, АЦП), генераторы, усилители, фильтры, коммутаторы и т.п. Вообще под ФБ будут пониматься части системы, выполняющие информационные и управляющие функции и нуждающиеся в организации совместной и согласованной работы. При этом подразумевается, что ФБ выполняют свои функции в законченном виде и для организации взаимодействия с другими ФБ не требуется знания их структуры и особенностей функционирования, т.е. каждый ФБ имеет свой интерфейс.
Структура любой ИИС представляет собой совокупность ФБ и технических средств информационных, а также служебных связей между этими блоками. Варианты объединения ФБ в единую систему:
Цепочечная структура {рисунок 2.1). Это наиболее простая структурная схема ИИС. В ней отсутствуют в явном виде устройство управления и интерфейсные устройства. ФБ, как правило, являются аналоговыми. Функциональные блоки соединены последовательно. Каждый последующий ФБ принимает сигналы от предыдущего. Организация сопряжения между ФБ сводится к нормированию уровней входных и выходных сигналов. При такой структуре измеряться может только один параметр. В случае необходимости измерения нескольких параметров создаются в соответствующем количестве несколько независимых цепочек ФБ, работающих параллельно.
Сравнительный анализ различных семейств контроллеров на предмет применимости в скважинной аппаратуре
МК является управляющим устройством для всех функциональных устройств, входящих в МПП, а также для всех измерительных модулей (в данном случае - для двух модулей). МК посылает поочерёдно запросы на измерительные модули, по которым производится передача данных из оперативной памяти измерительных модулей и перезапись этих данных в энергонезависимую память вместе с текущем временем, код которого также по запросу передаётся из RТС, т.е. по каждому запросу передаётся информация, полученная в предыдущем, а не в текущем цикле измерения - такая процедура является предпочтительной, поскольку не тратится время на ожидание окончания цикла измерения, передача данных осуществляется практически сразу после формирования команды запроса.
В свою очередь, каждый из измерительных модулей также содержит МК, который управляет работой измерительного модуля и является ведомым («slave») по отношению к МК модуля памяти и питания. В то же время при подключении компьютера к МПП функция ведущего устройства переходит к компьютеру, от компьютера приходят команды по изменению режимов работы МПП, команда на синхронизацию RTC и команда на передачу информации из flash -памяти в компьютер. Передача информации осуществляется блоками фиксированной длины и формата с защитой сверткой. При несовпадении свертки блок передается повторно. Таким образом, образуется сложная иерархическая система, отдельные модули и блоки которой связаны между собой по интерфейсу RS-232. МК должен иметь три таких порта: два - для связи с двумя измерительными модулями и один - для связи с компьютером. Конструктивно МПП будет находиться в верху связки: такое расположение обеспечивает минимальную «мертвую зону», это та часть скважины у забоя, в которой невозможно провести каротаж из-за конечной длины связки модулей. Подключение измерительных модулей будет производиться через нижний разъём МПП первый измерительный модуль подключается непосредственно к МПП, а второй измерительный модуль подключается через первый транзитными проводами связи. Таким образом, на нижнем разъёме МПП будет задействовано четыре контакта для подключения двух модулей. Еще два контакта будет задействовано для проводов питания. Значит, необходимо шесть контактов. В геофизическом приборостроении используются 3-й 7-контактные разъёмы, разъёмы с большим числом контактов использовать нежелательно из соображений ненадёжности. Таким образом, к нижнему разъёму МПП при использовании интерфейса RS-232 можно пристыковать два измерительных модуля. В верхней части МПП находится разъём для подключения компьютера и зарядного устройства. Теоретически к верхнему разъёму можно подключить третий измерительный модуль, но на практике это делать нецелесообразно, поскольку этот модуль не будет доходить до забоя на длину двух первых измерительных модулей плюс длина МПП.
Физически интерфейс может быть реализован различными способами. МК обычно имеет один аппаратный универсальный асинхронный приёмопередатчик (yAnn=UART), реже - больше. Недостающие приёмопередатчики организуются программно, а аппаратный УАПП используют для подключения к компьютеру, поскольку к нему предъявляются наиболее жесткие требования, прежде всего по скорости передачи информации. Интерфейс для подключения к компьютеру должен иметь 9-вольтовые знакопеременные уровни и обязательна гальваническая развязка, поскольку компьютер питается от сети напряжением 220 В. Отсутствие гальванической развязки приводит к выходу из строя приёмопередатчиков МПП либо СОМ-порта компьютера. Ввиду того что объем flash-памяти достаточно велик (4-8 МБ), желательно для передачи информации использовать максимально возможную скорость передачи ( 115200 бод). При достаточно большой длине кабеля, более 10 м (это необходимо для подключения МПП, лежащего на мостках рядом с буровой, при этом компьютер находится в каротажной станции), используют адаптирование скорости передачи, начиная с небольшой скорости (например, 9600 бод), и затем увеличивают её до тех пор, пока приём остается устойчивым. Выбор скорости можно осуществлять либо вручную, либо автоматически.
Требования к интерфейсу для связи МПП с измерительными модулями менее жёсткие. Длина каждого из модулей не превышает 4 м, линии связи достаточно короткие, для питания модулей используется одна низковольтная батарея (12 - 18 В). Поскольку не требуется высокой скорости, для передачи команд и информации используют одну из стандартных скоростей (9600 или 19200 бод, хотя вполне допустимо и использование 115200 бод). Линии связи короткие и хорошо защищены от внешних сетевых наводок, поэтому использование уровней ±9 В не является обязательным, вполне допустимо использовать пятивольтовые уровни стандартной логики, что не требует применения специальных приёмопередатчиков. Наличие гальванической развязки необходимо только в тех случаях, когда это требование предъявляется измерительной схемой (например, для уменьшения взаимных электрических помех). В этом случае преобразователи источников питания также должны быть выполнены гальванически развязанными.
Устройство автономного комплекса «СКЛ-А»
Потенциальные электроды, расположенные напротив питающих электродов и воспринимающие потенциал, подключены ко входам усилителя A3. С его выхода сигнал поступает на второй вход АЦП, где преобразуется в цифровой код..
В измерительном цикле с помощью АЦП, работающего в синхронном режиме, производится одновременное измерение напряжения и тока с накоплением результатов в ОЗУ микроконтроллера. Далее производится обработка полученных данных: цифровая фильтрация, нормирование результатов с помощью калибровочных коэффициентов, вычисление удельного сопротивления бурового раствора. Общее время измерения составляет 40 мс.
По запросам результаты измерения УЭС передаются микроконтроллером через преобразователь интерфейса с гальванической развязкой в шину модуля. Измеритель у-излучения содержит следующие узлы (рисунок 3.16): - сцинтиблок; - контроллер- измеритель у-излучения. Контроллер- измеритель у-излучения содержит следующие узлы - микроконтроллер C8051F061; - преобразователь питания DC-DC; - высоковольтный регулируемый преобразователь питания DC-HV; - усилитель-формирователь; - преобразователь интерфейса UART- RS485, Контроллер-измеритель у-излучения выполняет следующие функции: - управление подачей высоковольтного напряжения на сцинтиблок; - подсчёт количества у-квантов за эталонный промежуток времени; - хранение калибровочных коэффициентов; - по запросу - выдачу полученных результатов по шине RS485.
Чувствительный кристалл сцинтиблока, взаимодействуя с у-квантами, испускает фотоны, которые регистрирует фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). ФЭУ выдаёт импульсы, соответствующие по количеству числу зарегистрированных гамма-квантов. Необходимое для функционирования ФЭУ высоковольтное напряжение в диапазоне до 2 кВ задается микроконтроллером с помощью ЦАП и высоковольтного преобразователя. Импульсы с ФЭУ поступают на усилитель-формирователь и с его выхода на компаратор микроконтроллера. Порог срабатывания компаратора задаётся микроконтроллером с помощью цифро-аналогового преобразователя. Импульсы с компаратора поступают на вход таймера, с помощью которого подсчитывается количество импульсов за период в 1 с. Вычисление уровня у-фона в единицах мкР/ч производится с применением калибровочного коэффициента.
Результат измерения у-фона передаётся микроконтроллером по запросу МПП через преобразователь интерфейса с гальванической развязкой на системную шину.
Структурная схема модуля ГГК-П приведена на рисунке 3.17. Она включает пять каналов измерения, каждый из которых имеет детектор малого зонда (МЗ) и большого зонда (БЗ). Каждый зонд состоит из сцинтиллятора (кристалл йодистого натрия) и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Сигнал с ФЭУ поступает на преобразователь сигналов, формирующий импульс логического уровня на каждый у-квант. Подсчет количества гамма квантов осуществляет контроллер. Он же управляет напряжением высоковольтного преобразователя, от которого питаются ФЭУ.
Принцип работы модуля ГГК-П заключается в регистрации плотности потока у-излучения, рассеянного породой при её облучении источником у-квантов. Модуль регистрирует скорость счёта у-квантов в каналах малого и большого зонда. Данные счёта по каналам усредняются за промежуток времени, равный 1,5 секунды, нормируются на секунду и по запросу передаются в МПП через интерфейс RS-485.
Действие модуля ННКТ заключается в облучении горной породы быстрыми нейтронами (до 12 МэВ) и регистрации нейтронов, замедлившихся до тепловой энергии. Для этого в составе модуля имеется два Не детектора тепловых нейтронов, расположенных на разных расстояниях от источника излучения быстрых нейтронов. Модуль ННКТ перемещается в скважине и фиксирует результаты измерений скорости счета тепловых нейтронов в контроллере зонда, которые суммируются за интервал времени 1,5 с, нормируются на секунду и по запросу передаются в - преобразователь напряжения (ПН) внешнего источника постоянного тока, поступающего из МПП, в стабилизированные напряжения для питания усилителя генератора; - усилитель генератора (УГ), который преобразует сигнал TTL уровня от внешнего задающего генератора в гармонические колебания с частотой, равной частоте входного сигнала, и обеспечивает необходимый возбуждающий ток в генераторной катушке, датчик тока усилителя вырабатывает сигнал, напряжение которого пропорционально току в возбуждающей катушке, платы преобразователя и усилителя расположены рядом с генераторной катушкой; - усилитель приёмной катушки (УП) для предварительного усиления принимаемого сигнала и преобразования дифференциального сигнала в однофазный, он расположен в зондовом устройстве в непосредственной близости от приемной катушки; - измеритель модуля (ИМ), который обеспечивает усиление сигналов, поступающих от датчика тока и усилителя приёмной катушки, их синхронное преобразование в цифровую форму, математическую обработку данных и передачу результатов измерений из порта UART на модуль интерфейса; интерфейс модуля (ИФ), который обеспечивает преобразование напряжения внешнего источника постоянного тока, поступающего из модуля телеметрии или контрольного блока, в стабилизированные напряжения для питания измерителя, преобразование сигналов последовательного порта измерителя в сигналы, соответствующие интерфейсу RS-485, для сопряжения с внешней шиной данных модуля ПК.
