隨鉆一體化測井儀平臺開發

朱祖揚 ， 倪衛寧 ， 張 衛 ， 米金泰 ， 鄭奕挺

（1. 頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室，北京 100101；2. 中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）

隨著油氣勘探開發的深入，特別是復雜油氣藏、非常規油氣藏的勘探開發，對隨鉆地質導向的需求越來越大，目前大多數隨鉆地質導向測井都包含自然伽馬探測和電阻率探測，在實際應用過程中隨鉆伽馬測井儀和隨鉆電阻率測井儀幾乎成為標配的儀器[1-3]。國外隨鉆伽馬測井儀[4-7]已經形成了系列化產品，例如，Schlumberger公司MWD/LWD儀器中測量自然伽馬的有EcoScope、GeoVision、PeriScope、ArcVision、SlimPulse和 IPZIG，Halliburton公司的隨鉆伽馬測井儀有GABI、AGR、ABG及DGR等，其中GABI、AGR和ABG可以提供方位伽馬成像。隨鉆電阻率測井儀[8-9]出現的時間比隨鉆伽馬測井儀早，先后研發了不同外徑的測井儀，如Schlumberger公司的ARC475、Halliburton 公司的EWR和Baker Hughes公司的MPR等，這些測井儀器主要在鉆鋌直徑、工作頻率、發收線圈個數和間距等方面有所區別。國內通過技術引進、應用和研發，隨鉆測井技術取得了較大進步。中油測井公司從Halliburton公司引進了第一套MWD/LWD儀器，經過技術消化和吸收，研制了自己的隨鉆測量儀器；中國石油集團鉆井工程技術研究院研制出了CGDS-Ⅰ鉆井系統，可以實時測量近鉆頭電阻率、方位電阻率、自然伽馬、近鉆頭井斜角和工具面等數據；中國石化研制出了具有自主知識產權的隨鉆自然伽馬測量儀和近鉆頭方位伽馬測量儀。

從現場應用來看，多功能隨鉆測井儀不僅可以降低儀器的生產成本、簡化鉆具組合，還可以降低鉆井風險，Baker Hughes公司研制的OnTrak儀器可以測量電磁波電阻率、方位伽馬、環空壓力和溫度等參數；目前，國內還沒有開展這方面的研究?；谏鲜鲂枨?，筆者將常用的電磁波電阻率測井儀和伽馬測井儀集成到一個短節，開展了隨鉆一體化測井儀集成平臺的研究，統一了2種儀器的發射電路、接收電路和中央控制電路，統一了數據協議和通訊方式，一次下鉆便能測量電阻率和伽馬數據，并能夠對地層進行多深度探測，可以為大斜度井和水平井的地質導向鉆井提供技術支持。

1 隨鉆測井儀平臺研發

隨鉆一體化測井儀包括天線設計、伽馬探測器設計、鉆鋌骨架設計和硬件電路平臺開發，由于前3部分主要是天線安裝、傳感器模塊安裝和鉆鋌本體加工，技術已經成熟，在此不展開介紹。硬件電路平臺集成了常規隨鉆電磁波電阻率[10-12]和隨鉆伽馬測井儀的基本功能，不僅可以測量電阻率和伽馬數據，也可以測量井斜角和方位角。硬件電路包括中央控制電路、發射電路和接收電路，傳感器包括伽馬探管、加速度計和磁通門，電磁波電阻率的測量由6個發射線圈（3個上發射線圈和3個下發射線圈）和2個接收線圈實現，如圖1所示。發射電路產生的控制信號經過驅動電路和調諧電路后驅動發射線圈發射電磁波信號，接收電路把接收線圈的電壓信號進行放大、調理和采集，中央控制電路統一負責控制發射、接收電路的工作時序，并進行數據后處理。該硬件電路還提供2路RS485通訊接口，第一路RS485通訊接口設置了較高的通訊速率，負責硬件平臺和上位機軟件平臺（Toolgo）的聯系，例如設置硬件的RTC時間和下載Flash數據；第二路RS485通訊接口設置了較低的通訊速率，負責硬件平臺與MWD儀器的聯系，實時傳輸伽馬、電阻率、井斜角和方位角等數據。

根據該平臺的設計要求，需要開發相應的固件程序和測試軟件，以實現以下功能：1）儀器基本參數的配置，時鐘同步和實時監測；2）大容量存儲器數據的下載；3）加速度計和磁通門測量數據的提取，計算井斜角和方位角；4）電磁波波形、相移電阻率和衰減電阻率的提??；5）伽馬測量數據的提取，多扇區成像圖處理。

2 數據協議定義

中央控制電路不僅要管理發射電路和接收電路，還要與上位機軟件平臺、MWD儀器通信，需要執行的指令多達幾十條甚至高達一百多條，因此有必要建立底層數據協議。

2.1 儀器和功能操作的定義

數據協議的一項重要內容就是定義儀器和功能操作的身份代號，主要有4類：1）隨鉆測井儀和設備代號，在圖1中用（A）—（F）標出了儀器、設備的位置；2）測量參數代號，測量參數包括電阻率、伽馬、加速度和磁通量，每個測量參數又包含了開始和停止提取測量參數2個操作，因此均有2個操作代號，在圖1中用①—④標出了各個測量傳感器的位置；3）功能操作代號，功能操作包括儀器時鐘同步、時鐘信息實時更新、存儲器數據下載、存儲器數據擦除和儀器版本號獲取等相關操作，如表1所示。

2.2 數據通訊方式定義

數據通訊包含發送指令數據包和接收反饋數據包，每幀數據包含有【命令頭】、【信息】和【校驗和】等3部分，【命令頭】由4個字節組成，前3個字節分別表示3支儀器或者設備地址的代號，第4個字節表示要發送的數據長度，等于【信息】長度和【校驗和】長度之和，【信息】包括測量參數、波形、時間和儀器信息等數據，【校驗和】是2個字節的數據，采用了循環冗余校驗碼（CRC）生成校驗和數據。每幀數據格式定義如圖2所示，例如【命令頭】X1、X2、X5、08，表示該儀器是一體化測井儀，發送數據的目標地址是中央控制電路，該數據發自計算機，要發送的數據長度是8個字節，【信息】18、06、12、09、37、20，信息長度是6個字節，【校驗和】是48、71的2個字節，表示校驗和為0×4871（十六進制表示）。

圖2 一幀數據格式定義Fig. 2 Definition of one-frame data format

3 固件程序和測試軟件開發

3.1 數據的采集原理

硬件電路負責采集和存儲原始數據，這些數據包括伽馬值、電阻率、加速度和磁通量等測量數據，還存儲了時鐘等信息。電阻率的測量過程較為復雜，發射電路需要選擇發射線圈和發射頻率，接收電路采集完數據以后，需要將線圈距、頻率、增益等參數連同采集的數據發送給中央控制電路，中央控制電路把這些未經處理的原始數據實時存儲到Flash芯片，并在這些數據打上時間標簽。中央控制電路依次發送指令給發射電路和接收電路，通過執行指令獲取電阻率數據。中央控制電路發送如表2所示的12條指令，才能使所有的發射線圈工作，并發射不同頻率的電磁波信號。發射線圈控制命令格式，頻率代號有2種，F2表示500 kHz，F3表示2 MHz；線圈位置代號有6種，S1表示近距離上部線圈，S2表示近距離下部線圈，S3表示中距離上部線圈，S4表示中距離下部線圈，S5表示遠距離上部線圈，S6表示遠距離下部線圈。

接收電路采集到的數據通過第二路RS485總線發送到中央控制電路（或MWD儀器），發送的數據包含幅度衰減、相位差數據和波形數據，其中幅度衰減、相位差數據標識符為P1，波形數據標識符為P2，這2種數據的長度標識符分別為L1和L2。發送的數據里還包含線圈距、頻率設置、增益設置和校驗碼。每一幀數據的最后2個字節為設置的校驗碼，這就為發送設備和接收設備之間的數據通訊提供了保障。發送設備每發送一包數據，都要計算一次CRC校驗碼，并將該計算結果和數據一起發送給接收方，接收設備接收到數據再計算一次CRC校驗碼，并將該計算結果和發送的CRC校驗碼進行比較，如果二者相等，說明發送設備和接收設備之間的數據通訊沒有錯誤。

表2 發射板數據格式Table2 Data format of transmitting circuit

3.2 數據的發送和接收

固件程序實現了CRC碼的計算、串口的連接和數據的發送等操作，這些操作能夠滿足中央控制電路和其他設備之間的數據通訊，從而對其他設備進行管理，實時發送監測數據。每幀數據的發送和接收流程如圖3所示，原始數據包括時鐘信息、伽馬值、電阻率的幅度衰減和相位差等數據，用到了3個函數，一個是生成校驗碼函數，一個是串口通訊（包括串口發送、串口接收）函數，還有一個是發送指令函數，包括了CRC碼的計算、串口的連接和數據的發送等操作。

圖3 發送和接收數據的流程Fig. 3 Process of sending and receiving data

3.3 數據的圖形化處理

隨鉆一體化測井儀平臺提供了2種數據處理方式：1）儀器處于標定測試階段，需要實時監測各類測量數據，及時掌握儀器的工作性能和修正儀器的工作參數；2）鉆井過程中，井下一些基本測量數據通過鉆井液脈沖等傳輸方式上傳至地面，同時所有測量數據和成像數據實時存儲到Flash芯片上。儀器的這種多樣化工作模式決定了硬件電路和上位機軟件之間有不同的數據處理流程，即硬件電路負責采集數據、存儲數據和轉發數據，而上位機軟件負責接收數據、處理數據和分析數據。當硬件電路和上位機軟件建立起通訊后產生數據流。硬件電路對數據流實時存儲，存儲的數據是原始的數據，包含命令頭和校驗和等信息。上位機軟件按照通訊協議解讀數據流，提取出電阻率、伽馬值、加速度和磁通量等測量數據，并將測量數據圖形化，圖形化流程如圖4所示。圖形化即繪制出電阻率、加速度和磁通量數據曲線，根據伽馬繪制圖像。測量數據圖形化使用了 MoveTo、LineTo、FillSolidRect和 BitBlt等繪圖函數，利用MoveTo和LineTo函數繪制直線，利用FillSolidRect函數繪制矩形并填充顏色，利用BitBlt函數將內存中的圖像復制到屏幕上。

圖4 數據圖形化流程Fig. 4 Data graphics processing flow

3.3.1 繪制曲線算法

以繪制電阻率曲線為例，當硬件電路持續不斷給上位機軟件發送數據流時，上位機軟件首先檢測j的值，依據此值選擇畫線通道j，并把數據流依次賦值給該通道數組ch[12][256]，表達式為ch[j][255]=。每接收一個電阻率數據，通道數組就從后向前移動一個數據，然后把新接收到的電阻率數據賦給通道數組的尾部。通道數組賦值后，在畫圖窗口利用MoveTo函數和LineTo函數繪制ch[j][256]的一共256個數據的曲線，繪制電阻率曲線的流程如圖5所示。

圖5 繪制電阻率曲線的流程Fig. 5 Flow of resistivity curve drawing

3.3.2 成像算法

以伽馬成像圖為例，當硬件電路持續不斷給上位機軟件發送數據流Gam[8]時，上位機軟件把這8個數據賦值給扇區數組Sec[8][256]，表達式為Sec[8][255]=Gam[8]。每接收一組伽馬數據，扇區數組就從后向前移動一行數據，然后把新的一組伽馬數據賦給扇區數組的最后行。由于伽馬數據是一組0～300數值的數據，而不是RGB顏色值，因此需要把伽馬數據轉換為顏色值，直接的辦法就是查表，把伽馬數據作為索引值，獲得相應的RGB顏色值，如表3所示。扇區數組賦完值后，然后根據伽馬數據進行查表，把Sec[8][256]轉換為3個扇區數組Sec_r[8][256]，Sec_g[8][256]，Sec_b[8][256]，分別對應 RGB的3個顏色值。在畫圖窗口用FillSolidRect函數繪制8×256個方塊，每個方塊用對應扇區數組Sec_r，Sec_g和Sec_b代表的顏色值進行填充，然后用BitBlt函數從將內存中的圖像復制到屏幕上，伽馬成像的流程如圖6所示。

表3 索引值表Table3 Index value table

4 開發實例

隨鉆一體化測井儀下井前必須進行儀器時鐘同步，時間信息將和測量的數據一起實時存儲，時間信息準確與否直接關系到時深轉換的精度。井下隨鉆一體化測井儀進行伽馬、電阻率、加速度和磁通量等數據的采集和實時存儲，對于刻度井這些數據要實時上傳到地面進行分析。測井結束后或者由于鉆井原因（例如更換鉆頭）中途起鉆，隨鉆一體化測井儀要從井眼里取出，在地面下載數據。因此時鐘同步、數據下載、伽馬和電阻率數據操作是十分重要的工作，加速度和磁通量等數據也同樣重要，井斜角和工具面的計算需要用到這些數據，從固件程序開發角度而言，這些數據的處理過程和電阻率數據的處理過程是一樣的，因此在下面不再作介紹。

圖6 伽馬成像流程Fig. 6 Flow of Gamma imaging

4.1 時鐘同步和更新

中央控制電路時鐘同步和更新流程如圖7所示。固件程序初始化時，會給時鐘設定一個初始時間，包括年月日時分秒和毫秒數據，這個初始時間只是一個參考時間，并不能直接用于時間信息計算。時鐘同步就是通過外部設備（例如計算機）輸入正確的時鐘數據，更新電路上的時鐘數據，從而使電路時鐘和外部設備時鐘同步。例如當前時間是2018年6月20日（星期三）10時4分5秒30毫秒，外部設備一共輸入9個字節的數據，其中年占2個字節，其他的各占1個字節，這9個字節是14 12 06 14 03 0A 04 05 1E，最終外部設備（計算機）發送給中央控制電路的時鐘同步命令是：X1 X2 X5 0C X15 14 12 06 14 03 0A 04 05 1E AA F7，前4個字節是命令頭，第5個字節（X15）是時鐘同步操作代號，中央控制電路接收到這條指令后立即同步本地時鐘。

外部設備（計算機）給中央控制電路時鐘發送更新命令：X1 X2 X5 03 X16 d7 E1，中央控制電路接收到后立即向外部設備（PC機）發送本地時鐘數據：X1 X5 X2 08 X22 X16 1B F3 E1 54 FC 07。時鐘數據前4個字節是命令頭，第5個字節（X22）是計算機的確認信息，第6個字節（X16）是時鐘更新操作代號，第7至第10個字節是時鐘信息，即1B F3 E1 54，寫成二進制格式為 00011011 11110011 11100001 01010100，一共是32位，低1位至低5位10100表示天，低6位至低10位01010表示時，低11位至低16位111000表示分，低17位至低22位110011表示秒，低23位至低32位0001101111表示毫秒，因此發送的時鐘數據是20日10時56分51秒111毫秒。

圖7 時鐘同步和更新流程Fig. 7 Clock synchronization and update process

4.2 數據快速下載

中央控制電路遵循“即采即存”的原則，采集完一次數據，立即存入到Flash芯片。每片Flash芯片有2 048個數據塊，每個數據塊有128個數據頁，每個數據頁有4 096個字節的數據，因此總共能存儲1G字節數據。數據存儲格式是先存4個字節的時間信息，再存4個字節的數據類型，最后存儲數據信息（包括2個字節的校驗碼）。從Flash提取數據是以頁為單位，Flash實際存儲多少頁，則向外發送多少頁的數據，數據快速下載流程如圖8所示。

圖8 數據快速下載流程Fig. 8 Data fast download process

外部設備（計算機）向中央控制電路發送命令：X1 X2 X5 03 X17 1B E0，中央控制電路從Flash起始頁開始發送數據到外部設備（計算機）。外部設備（計算機）收到反饋命令：X1 X5 X2 08 X22 X17 00 00 08 BE F7 FE，反饋命令的前4個字節是命令頭，第5個字節（X22）是計算機確認信息，第6個字節（X17）是Flash數據下載操作代號，第7至第10個字節是下載數據的數量，一共是2 238（0×000008BE）個數據，在該條命令后面會連續收到2 238個數據。如果Flash是滿頁存儲數據，即存了1 G的數據，外部設備（計算機）通過RS485串口接收（波特率115.2 kb/s）這些數據至少要用時2 h，如果考慮數據要進行中間處理（例如拷貝和保存文件），接收這些數據所用時間可達10 h以上。因此外部設備（計算機）在接收數據過程中要盡量一次接收多個（例如30 000）字節的數據，然后再打包保存到文件中，以減少中間操作次數。

4.3 電阻率曲線處理

隨鉆一體化測井儀使用了6個發射線圈和2個接收線圈來發射、接收電磁波信號，按照接收源距和發射頻率劃分為12條電阻率曲線，能夠提供不同探測深度的相位差和幅度衰減數據[13-15]，從而滿足地質導向和地質評價需求，具體電阻率曲線類型如表4所示。

例如，中央控制電路向發射電路發送命令：A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 F2 S1，發射電路選擇500 kHz的頻率信號和近距離上部線圈發射電磁波信號，接收電路采集2個接收線圈接收到的電磁波信號。接收電路計算電磁波相位差和幅度衰減，實時存儲波形數據、相位差和幅度衰減數據，同時通過數據總線向外發送這些數據。中央控制電路向外部設備（計算機）發送從接收電路接收到的波形數據，外部設備（計算機）在軟件平臺上實時繪制電磁波的波形，如圖9所示。從圖9可以看出，相同源距時500 kHz信號的峰峰值要大于2 MHz信號的峰峰值，相同頻率時遠源距信號的峰峰值要小于中源距信號的峰峰值。

表4 接收電阻率曲線類型Table4 The types of receiving resistivity curves

圖9 電磁波的波形Fig.9 Waveform of electromagnetic wave

4.4 伽馬成像數據的處理

伽馬成像數據是通過伽馬探管在8個扇區進行計數獲得，這些數據按方位角展開在一張成像圖上。對伽馬成像圖進行插值處理，通過線性插值把8個扇區的數據拓展到64個扇區，從而使伽馬成像圖平滑連續。如果外部設備（計算機）向中央控制電路發送命令：X1 X2 X5 03 X9 DD E1，中央控制電路首先返回一條確認指令：X1 X5 X2 08 X22 X9 00 00 00 00 86 98，確認指令的前4個字節是命令頭，第5個字節（X22）是計算機確認信息，第6個字節（X9）是伽馬監測操作代號，第7至第10個字節（0×00 0×00 0×00 0×00）是保留位。然后中央控制電路向外部設備（計算機）每隔1 s發送一次8個扇區的伽馬數據，軟件平臺通過成像算法對伽馬數據成像。

伽馬成像圖插值方法有線性插值和雙曲線插值等方法，線性插值方法簡單但成像精度較低，雙曲線插值方法復雜但成像精度較高。筆者采用線性插值方法，每2個伽馬數據之間插入8個點。例如，8個伽馬數據分別是，則插值后的數據是：

每個成像圖橫軸是扇區數，縱軸是深度，軟件平臺實現了8個扇區伽馬數據的成像處理，插值前的成像圖效果較差，扇區之間的圖形分界線很明顯，插值后的成像圖效果較好，扇區之間圖形平滑連續（見圖 10）。

圖10 伽馬成像圖Fig. 10 Gamma imaging

5 結論與建議

1）隨鉆一體化測井儀不僅能夠測量地層的伽馬值，還能夠測量地層的電阻率，能夠應用于地質導向鉆井，相較于常規隨鉆伽馬和隨鉆電磁波電阻率測井儀，不僅降低了儀器生產成本，而且提高了儀器施工效率。

2）在現有隨鉆測井儀的硬件平臺基礎上，改進了固件程序功能，重新定義了底層數據協議和數據通訊方式，能夠處理各種指令，計算和快速存儲加速度、磁通量、伽馬和電阻率等測量數據，并在接收到外部設備發送的命令后，能夠轉發計算結果。

3）開發的上位機測試軟件和固件程序執行相同的數據協議，能夠控制硬件平臺，同步電路時鐘和實時監測時間信息，快速下載Flash芯片存儲的數據，提?。ㄙゑR、電阻率等）測量數據和進行圖形化處理，監控儀器工作狀態。

4）隨鉆一體化測井儀的固件程序和上位機測試軟件已經通過了調零等多種功能的測試，達到了下井試驗的要求。為了進一步評價整套儀器的綜合性能，建議開展不同油區、不同井型的現場試驗，盡快實現該套儀器的產業化生產和應用。