隨鉆測井系統(tǒng)井下的設(shè)計(jì)

引 言
    隨鉆測井LWD(Logging WhiIe Drilling)技術(shù)是將測井儀器安裝在靠近鉆頭的部位，在地層剛鉆開后就測量地層各種信息的一種測井方法。它通過測量地層傾角和方位、鉆頭方向、鉆壓、扭矩等，進(jìn)行鉆井定向控制，測量地層的電阻率、自然電位、自然伽馬、密度／中子、核磁、聲波時(shí)差等。LWD在鉆井的過程中測量地層巖石物理參數(shù)，并用數(shù)據(jù)遙測系統(tǒng)將測量結(jié)果實(shí)時(shí)送到地面進(jìn)行處理，形成地層評(píng)價(jià)。由于當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的限制，大量的數(shù)據(jù)仍存儲(chǔ)在井下儀器的存儲(chǔ)器中，起鉆后回放。其測量結(jié)果克服了井眼擴(kuò)徑、泥漿入侵等一系列環(huán)境條件的影響。隨鉆測井可實(shí)時(shí)提供地層和井深信息，對(duì)地層做出快速評(píng)價(jià)，優(yōu)化井眼軌跡和地質(zhì)目標(biāo)，指導(dǎo)鉆進(jìn)。特別是在疑難井、大斜度井、水平井中，它顯示出比電纜測井更為重要的作用。LWD系統(tǒng)主要由2部分組成：地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)。如圖1所示。

    地面系統(tǒng)包括：上位機(jī)PC、接口卡、專用電纜、增效箱以及其他附屬配件。其中主機(jī)裝有LWD系統(tǒng)專用地質(zhì)導(dǎo)向鉆井配套軟件Insite。
    井下系統(tǒng)包括：總線控制器(HCIM)、隨鉆自然伽馬測量儀(DGR)、隨鉆電阻率測量儀(EWR)、隨鉆中子傳感器(CNP)、隨鉆巖石密度傳感器(SLD)、工具串振動(dòng)傳感器(DDS)、探管(PCD)。
    由此可見，LWD井下系統(tǒng)有大量傳感器對(duì)不同參數(shù)進(jìn)行測量，耗電量非常大。由于每次鉆井設(shè)備下井都要耗費(fèi)大量人力物力，而且一旦下井，鉆井設(shè)備會(huì)在地下持續(xù)長時(shí)間工作，而且鉆井深度可達(dá)幾千米，只能通過安裝在鉆頭附近的電池供電。隨鉆測井系統(tǒng)的供電由2組鋰電池(3．6 V)并聯(lián)組成，每組6節(jié)串聯(lián)，構(gòu)成21 V直流電源。電池儲(chǔ)能是有一定限制的。例如渤海油田的B20井就是應(yīng)用LWD技術(shù)，測量井段為2 102～3 073 km，連續(xù)工作5天。其他應(yīng)用LWD鉆井技術(shù)的石油井也是如此，有些LWD傳感器甚至要連續(xù)在井下工作半個(gè)月之久。因此降低系統(tǒng)功耗就是隨鉆測井系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的一個(gè)十分重要的問題。

1 低功耗電路設(shè)計(jì)的基本原則
    對(duì)于典型系統(tǒng)而言，其功耗大致滿足：P=C×V2×f。C是電容負(fù)載，V是電源電壓，f是開關(guān)頻率。功耗與工作電壓的平方成正比，因此工作電壓對(duì)系統(tǒng)的功耗影響最大，其次是工作頻率。電容負(fù)載也會(huì)有一些影響，但電容負(fù)載對(duì)設(shè)計(jì)人員而言一般是不可控的。因此設(shè)計(jì)低功耗系統(tǒng)，應(yīng)該考慮在不影響系統(tǒng)性能前提下，盡可能地降低工作電壓和使用低頻率的時(shí)鐘。
    對(duì)于隨鉆測井系統(tǒng)，由于傳感器在地下幾千米工作，溫度極高，工作空間狹小，在設(shè)計(jì)上就提出了其他一些挑戰(zhàn)。在高溫下，電容等器件的性能會(huì)減半，因此在進(jìn)行器件選型時(shí)，這些因素都考慮其中。
    另外，動(dòng)態(tài)功耗管理也是降低功耗的有效途徑。動(dòng)態(tài)功耗管理是當(dāng)前最重要的系統(tǒng)功耗優(yōu)化技術(shù)之一。它根據(jù)系統(tǒng)各模塊性能，動(dòng)態(tài)地配置系統(tǒng)，使系統(tǒng)中各功能模塊處于滿足性能需求所需的最低功耗狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)省功耗的目的。

2 基于MC9S12Q128的低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    MC9S12系列單片機(jī)是以CPU12內(nèi)核為核心的16位單片機(jī)，簡稱S12系列。典型的S12總線速度為8 MHz，最高可達(dá)25 MHz。其I／O和CPU可以運(yùn)行在不同的時(shí)鐘下。CPU功耗可以通過開關(guān)狀態(tài)寄存器的控制位來控制。MC9S12Q128外部采用5 V電壓供電，正常運(yùn)行時(shí)最大電流為5 mA，低功耗模式下不到1 mA，為設(shè)計(jì)低功耗系統(tǒng)提供了有利的條件。
2．1 電 源
    對(duì)于MC9S12Q128而言，它的外部供電電壓是5 V，I／O端口也是按5 V供電的邏輯電平設(shè)計(jì)的，這樣可以在使用時(shí)接口電路直接與TTL標(biāo)準(zhǔn)電平的器件連接。這些接口電路應(yīng)該也是低功耗的，否則會(huì)造成一方面使用低電壓降低了功耗，另一個(gè)方面使用額外的接口電路又增加了系統(tǒng)的功耗。芯片內(nèi)部用2．5 V供電，低電壓供電保證了芯片的低功耗。芯片內(nèi)部5 V到2．5 V通過內(nèi)部電壓調(diào)整模塊自行進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
    由于傳感器系統(tǒng)是由電池供電，實(shí)際電池具有以下非線性特性：
    ①輸出電壓在放電過程中逐漸下降，低于某個(gè)閾值電壓時(shí)，電池耗盡而停止工作；
    ②電池的有效能量與放電電流情況有關(guān)；
    ③電池具有自恢復(fù)效應(yīng)，即電池在非供電時(shí)期可以回收部分電荷，從而增加了其有效量。
    根據(jù)電池的以上特性，提出了根據(jù)電池狀態(tài)調(diào)度任務(wù)的策略；對(duì)多電池驅(qū)動(dòng)的設(shè)備，提出了以下各種電池調(diào)度和管理技術(shù)：
    ◆靜態(tài)調(diào)度。按照一定的次序輪流使用各個(gè)電池，每個(gè)電池工作的時(shí)間固定。
    ◆動(dòng)態(tài)調(diào)度。通過檢測電池的輸出電壓或放電電流，確定電池的狀態(tài)，從而決定各電池間的切換時(shí)間和順序。
2．2 時(shí)鐘頻率
    從低功耗的角度看，需要較低的頻率；但是在實(shí)時(shí)應(yīng)用中為了快速響應(yīng)外部事件，又需要比較快的系統(tǒng)時(shí)鐘。MC9S12Q128內(nèi)部總線速率最高可達(dá)25 MHz，即40 ns的最小指令周期。MC9S12Q128內(nèi)部集成了完整的節(jié)能振蕩電路。如果外接振蕩電路，需要配置時(shí)鐘合成寄存器(SYNR)和時(shí)鐘分頻寄存器(REFDV)。靠鎖相環(huán)產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率由下面的公式得到：
    PLLCLK=2×OSCCLK×(SYNR+1)／(REFDV+1)其中OSCCLK為外部晶振頻率。
    經(jīng)測試，應(yīng)用鎖相環(huán)電路時(shí)，在21 V電壓供電情況下，電流會(huì)增大5 mA左右。本設(shè)計(jì)選用16 MHz的外部晶振，總線頻率為默認(rèn)的8 MHz。在保證不影響系統(tǒng)性能的前提下，減少系統(tǒng)功耗。
2．3 低功耗軟件控制
    MC9S12Q128的工作模式通過模塊的智能化運(yùn)行管理和CPU的狀態(tài)組合，以先進(jìn)的方式支持超低功耗的各種要求。MC9S12Q128支持3種低功耗模式——停止模式、偽停止模式和等待模式。CPU條件碼寄存器CCR中的S位是STOP指令禁止位，如果要進(jìn)入STOP模式，該位應(yīng)置0。
    停止模式：當(dāng)CLKSEL寄存器中的PSTP=0時(shí)，CPU執(zhí)行STOP指令，停止所有的時(shí)鐘和晶振，從而使芯片進(jìn)入完全靜態(tài)模式。從這一模式喚醒CPU可以通過復(fù)位或外部中斷。
    偽停止模式：當(dāng)CLKSEL寄存器中的PSTP=1時(shí)，CPU執(zhí)行STOP指令進(jìn)入偽停止模式。在這種模式下實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷和看門狗模塊仍然在工作，其他的外設(shè)被關(guān)閉。這種模式消耗的電流比停止模式要大，但是縮短了喚醒CPU所需要的時(shí)間。
    等待模式：CPU執(zhí)行WAI指令后進(jìn)入等待模式。在這種模式下，CPU不執(zhí)行指令，內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線和地址總線都被關(guān)閉，所有的外設(shè)都處于激活的狀態(tài)。
2．4 外設(shè)低功耗管理
    隨鉆測井系統(tǒng)傳感器主要包括CPU及外圍電路、電源、UART通信、RTC、電壓電流及溫度傳感器、Flash存儲(chǔ)、總線通信部分和總線接口部分。其中耗電較多的是Flash模塊、電壓、電流及溫度測量模塊、RTC及通信電路。有些模塊在一些時(shí)期是不需要工作的，因此可以動(dòng)態(tài)電源管理，達(dá)到節(jié)約功耗的目的。
    應(yīng)用增強(qiáng)型P溝道MOS開關(guān)管VP0300L進(jìn)行以上模塊的供電控制，在無需供電的情況下切斷模塊的供電，達(dá)到節(jié)能的效果。在關(guān)閉每個(gè)模塊的供電前先關(guān)閉該模塊與MCU相應(yīng)的通信總線，避免損壞接口。
    Flash模塊：在不讀寫存儲(chǔ)器時(shí)可以關(guān)閉存儲(chǔ)器的電源節(jié)約功耗。在讀寫的時(shí)候同時(shí)由MCU相應(yīng)I／O口送出高電平，閉合開關(guān)。讀寫完成后可以斷開開關(guān)。Flash約1分鐘讀寫1次。SW_FL連接到Q128的I／O，當(dāng)SW_FL置高時(shí)，SW_FL端電壓不小于VCC，開關(guān)管斷開，停止供電。當(dāng)SW_FL置低時(shí)，SW_FL端電壓小于VCC，開關(guān)管導(dǎo)通。
    溫度、電壓、電流、電量監(jiān)測模塊：3個(gè)檢測模塊每1分鐘采集1次。3個(gè)模塊應(yīng)用1個(gè)開關(guān)，在檢測時(shí)閉合開關(guān)，給3個(gè)傳感器供電，使其工作。采集結(jié)束，斷開開關(guān)，降低功耗。
    時(shí)間管理模塊與1553通信模塊：當(dāng)總線無信號(hào)時(shí)，MCU斷開2個(gè)模塊的電源，降低功耗。當(dāng)總線有信號(hào)時(shí)，MCU先被喚醒，然后通過MOS開關(guān)閉合開關(guān)，給2個(gè)模塊供電。2個(gè)模塊共用1個(gè)開關(guān)。
2．5 系統(tǒng)低功耗控制流程
    系統(tǒng)低功耗控制流程如圖2所示。

結(jié) 語
    MC9S12Q128以其卓越的性能和極低功耗的特點(diǎn)，使開發(fā)人員有很大的余地來設(shè)計(jì)出高性能的低功耗系統(tǒng)。實(shí)踐證明，使用MC9S12Q128為核心構(gòu)成的隨鉆測井系統(tǒng)，其電池的使用壽命已經(jīng)與進(jìn)口系統(tǒng)相差不大。
    進(jìn)口隨鉆測井設(shè)備一般在井下工作時(shí)間為300小時(shí)。經(jīng)現(xiàn)場測試，自主研發(fā)的基于MC9S12Q128的隨鉆測井設(shè)備可以在井下持續(xù)工作200多小時(shí)，完全可以滿足各種水平井對(duì)傳感器的功耗要求。可以預(yù)見，在不久的將來國產(chǎn)隨鉆系統(tǒng)的功耗將越來越低，達(dá)到國際水平。