导向钻井工具的一种温度测试方法.pdf

2 0 1 0年第 2 4卷第 3期 石油仪器 PETROLEUM I NS TRUMENT S 开发 设计 导向钻井工具的一种温度测试方法 谢 海 明 周 静 西 安石 油大 学电子工程学院 井下测控研究所陕西 西安 摘 要 旋转导 向钻 井技 术是 目前 最先进 的钻 井技 术 ， 钻 井过程 中的 井下温度是 需要测 量的 关键 数据 之一 、文章 介 绍 了在不改动原有 系统 ， 不增加空间和硬件开销的情况 下， 利用 D S 1 8 B 2 0的 单总线结构 ， 完成 了一种适合 钻井过程 中的 温度测量方案的设计 关 键 词 导 向钻 井；可控偏心 器；单总线 ； 温度 中图法分 类号 T E 2 4 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 9 1 3 4 2 0 1 0 0 3 0 0 0 3 0 2 0 引 言 旋转导 向钻井技术是 目前世界上最先进的钻井技 术。旋转导向钻井工具 一可控偏心器在钻井过程中温 度参数的测量可采用多种方法。 井眼中的温度随着地层深度 的增加不断增加， 钻 井过程中泥浆液的循环虽然可以充当冷却液的作用 ， 但是井下复杂的地质环境存在很多的不可预测性。可 控偏心器的控制电路的工作温度不能超过 1 2 5 C。 通过监控井下温度的变化 ， 然后通过 MWD上传 至地面， 可以完成井下温度的实时监测 ， 发现异常问题 及时处理 ， 避免井下温度异常对仪器的伤害。 本文主要阐述了一种结构简单的井下温度测量方 案 。 l 温度传 感器的选 择 可控偏心器的井下数据采集和控制平台需要完成 多种信号的采集 、 运算 以及轨迹控制等功能。因此在 原有平台上添加温度测量功能 ， 只能在较小的系统开 销的基础上完成 ， 同时需要具有较强的抗干扰能力 ， 高 精度等。 由于控制系统电子元器件决定了井下温度 的范围 不 能 超 过1 2 5 ℃。 温 度 传 感 器 选 择D A L L A S 的 D S 1 8 B 2 0 。其温度检测与数字数据输 出全集成 于一个 芯片之上 ， 全数字温度转换及输出。特点[ 1 J 1 体积小 有T S O C一8 封装 ； 2 抗 干扰力强 ； 3 单 总线数 据通 信 ； 4 精度可达土 0 ． 5 C； 5 检测温度范 围为 一5 5 。 c～ 1 25 。 C 。 D S I 8 B 2 0的单总线通讯协议 ， 可以节省硬件开销 ； 其数字量输 出， 可以节省 总系统的软件开销 。其温度 测量范围及精度可以满足井下温度测量的要求l 2 _2 。 2 DS 1 8 B 2 0的单总线协议简介 D S 1 8 B 2 0的数据读写是通过时序处理位和命令字 来确认信息交换的。 写时序分为写“ 0 ” 和写“ 1 ” ， 时序 如图 1 所示 。在 写数据 时序的前 1 5 s 总线需要被 控制器置低 电平 ， 然后是芯片对总线数据的采样时问， 采样时间在 1 5 s ～ 6 0 S ， 采样时间内如果控制器将总线拉高则表示写 “ 1 ” ， 如果控制器将总线拉低则 表示 写“ 0 ” 。每一位的 发送都应该有一个至少 1 5／ a s的低 电平起始位 ， 随后 的数据位“ 0 ” 或“ 1 ” 应该在 4 5 s内完成。整个数据的 发送时间应该保持在 6 0 s ～1 2 0 s ， 否则不能保证通 信 的正常。 Vc c 单总线 GND { 写0 时序 I l 写1 时序 } ． _ _ 6 9 u s 0 1 2 0 u s 1 u s ‘ c I J匮翌盈 J _．J J l g lD S l88 20 SA M P L E S 1I 5 u s - } ． 1 5 u s _ - 弓0 u S 5 u s { 5 3 0I t sI 图 1 DS 1 8 B 2 0的数 据写时序 读时序如图 2所示。读时序时控制器的采样时间 需要更加精确 ， 读 时序时也是必须先 由主机产生至少 基金项 目“ 十一五” 国家 8 6 3重点项 目“ 旋转导 向钻井系统工程化技 术研究” 2 0 0 7 A A 0 9 0 8 0 1一O 1 、 国家科 技重大专项 “ 多枝导流适度 出砂 技术” 2 0 0 8 Z X 0 5 0 2 40 0 30 5 和西安石油大学科 技创新基金项 目 Z 0 8 0 3 2 第一作者简介 谢海明 ， 男 ， 1 9 8 2年生 ， 西安石油大学 电子工程学院助教 ， 从事旋转导向钻井技 术研究 。邮编 7 1 0 0 6 5 石油仪器 P E T R 0 L E U M I N S T R U ME N T S 2 0 1 0年 0 6月 1 s 的低电平 ， 表示读时序 的起始。随后在总线被释 放后的 1 5 s中 D S 1 8 B 2 0会发送 内部数据位 ， 此时控 制器判别总线为高电平表示读出“ 1 ” ， 如果总线为低电 平则表示读出数据“ 0 ” 。每个数据位在读取之前都 由 控制器加一个起始信号。注意 必须在读时序开始的 1 5 k t s 内读取数据位才可以保证通信的正确。 Vc C 单总线 GND L _．』慵 点 竺 桃 一 莺 替 幸 D B 2 0 电 阻 上 拉 图 2 D S 1 8 B 2 0 的数据读时序 读写时序作为基本 的操作 ， 通过组合可 以实现各种命 令及数据的传输。 命令作为开始。 2 在本单总线系统中只有一个器件 ， 故在使用过 程中使用“ C C ” ， 不进行序列号匹配， 节省时间。 3 温度数据的读取在命令“ B E ” 发送后 ， D S 1 8 B 2 0 自动发送给单片机。 4 接收到的二进制温度数值需要进行数据补码转 换 。 4 结束语 本文主要针对可控偏心器在钻井过程中的温度测 量问题 。该方案能够在不显著增加空间的情况下 ， 完 成温度精确测量 ， 测量精度能够达到 4 - 0 ． 5 c c。 系统结构简单 ， 独特 的单总线设计 ， 节省硬件开 销 ， 为以后增加其他单总线设备搭建了平 台。 参 考 文 献 [ 1 ] 洪志刚．传感器原理及应用 [ M] ．长沙 中南大学出版 社 ， 2 0 0 7 3 系统构建实现及软件程序编制 [ 2 ] 在本系统 中， 主控芯片采用单片机 C 8 o 5 1 F 0 6 0 。 本单片机具有丰富的片上 资源， 可以灵活的构建复杂 的 采集控制系统。 D S 1 8 B 2 0芯 片的单 总线设 计 ， 可以在不 占用原有系统 硬件端 口的情况下实现精 确 的 温 度 测 量。单 片 机 C 8 0 5 1 F 0 6 0的 P 5 ． 7脚 和 D S 1 8 B 2 0 的 2脚O Q 相 连[ 。 实现 单片 机与 D S 1 8 B 2 0的单总线通讯 ， 需 要编 写专 门的通 讯 程 序。 本文 主要 介 绍 C 8 0 5 1 F 0 6 0 完成温度读取的操作方法。 软件主框图如图 3所示。 常用 D S 1 8 B 2 0的命令 简介 C C 为 跳 过 D S 1 8 B 2 0 的序列 号匹配 ； 4 4为启 动 单片机初始化 D S I 8 B 2 0 复位 单片机发C C ，跳过t o m匹配 单片机发4 4 ，启动温度转换 J DS 1 8 B 2 0 复位 单片机发C C，跳过r o m匹配 单片机 发B E ，发送读 取指令 单 机接受温度的高低两字节 I 存 储 I l l r 返 回 、 ＼ ／ 图 3程序流 程图 D S 1 8 B 2 0的温度转换 ； B E为读 取 D S 1 8 B 2 0的暂存 器 数据 ； 3 3为读取 D S 1 8 B 2 0的序列号； 5 5为 D S 1 8 B 2 0序 列号匹配命令。 软件编制 1 D S 1 8 B 2 0的每个数据传输操作必须以一个复位 万 光 毅 ．S o C单 片 机 实 验 、 实 践 与 应 用 设 计 一基 于 C 8 0 5 1 F系列[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 6 潘琢金， 译．C 8 0 5 1 F 0 6 0 ／ 1 ／ 2 ／ 3 ／ 4 ／ 5 ／ 6 ／ 7混合信号 I S P F I A S H微控制器数据手册 ． 2 0 0 2 资料 收稿 日期 2 0 0 9 ～0 82 2 编辑 高红 霞 专利技术 专利 名称 高密度 交流 电磁 测量 电阻率仪 专利 中请号C N 2 0 0 6 2 0 1 1 3 9 6 5 ． 2 公 开号 C N 2 9 0 1 3 4 3 申请 日 2 0 0 6 ． 0 5 ． 1 6 公 开 日 2 o 0 7． 0 5 ． 1 6 申请人北京奥地探测仪器公 司 本 实用新 型 涉及 一种 高密度 交流 电磁 测量 电阻率 仪 ， 主要 包括 交流电磁测量单元、 电缆、 电极和磁传感 器连接单元 ， 所述交流电阻率测量单元主要 由前置放 大 滤 波部 件 、 主 放 大 器、 选频 检 测 部 件 、 模／ 数 转换 部 件 、 接 口电路、 C P U控制器和总线组成， 其特征在 于所 述 电极和磁传感器连接单元为多路 电极转换单元， 该 多路 电极转换单元主要 由多路 电极电缆接 口， 电场电 磁信号转换排序部件， 信号输 出部件组成。本 实用新 型适用于对大地地层电阻率的探测， 具有测量深度大 ， 快速 ， 获取数 据量 大 ， 测量 效 果好 ， 而且 使 用方便 快 捷 的优 点 。 杭州市科技信 息研究院王元荪 提供