电子随钻测斜仪电路设计范文

摘要：电子随钻测斜仪是一种集机械、电子和钻井液脉冲技术为一体,利用高精度双轴SCA100T倾角传感器和C8051F020单片机来测量井斜的仪器。其工作原理为:通过高精度倾传感器测量井斜,测得的井斜信息由控制机构传递给脉冲信号发生装置,该装置发出的信号通过钻井液以压力脉冲的形式传递给立管上的压力传感器,接收的信号由电子记录仪记录,根据记录的脉冲信号读出井斜角。

关键词：测斜仪随钻测量倾角传感器单片机

1前言

目前井斜测量大多采用测斜仪，测斜仪有照相式单多点测斜仪、电子单多点测斜仪、有线随钻测斜仪、无线随钻测斜仪等[1-2]。其中自浮式测斜仪应用最为广泛，但不能随钻测量，测斜时需要将其放入钻柱内部，泵送至井底，测斜完成后再停泵，工具靠浮力浮到井口，将测斜仪拆开读出井斜，测斜时间比较长。而易斜区块井需要测斜的次数较多，增加了测斜的时间和钻井周期。此外随着井深增加，当超过1500m后或钻井液粘度高时，采用自浮式测斜仪容易发生不能自浮到井口，只能起钻的问题。

国内胜利钻井院研制了机械式随钻测斜仪，其工作原理是采用重锤和阶梯环结构测量井斜，用脉冲头过节流环的结构发送脉冲信号，由地面接收仪器记录并读出井斜[3]。该工具具有抗高温、随钻测量和操作简单等优点，经过近8年的不断优化改进日趋成熟。我院于2006年开始研制机械式随钻测斜仪，经历了多次的现场试验与优化改进，测斜仪能够实现随钻测量功能，达到测斜工艺要求。

但机械式随钻测斜仪由于采用机械的结构测量井斜，井斜的精度较低（最高精度为±0.5°），井斜范围有限（0～10°），只能适用于直井的钻井工作条件，此外机械式测斜仪不能测量方位，不适应于定向井、水平井造斜和定向的测斜要求。

因此提出了“电子随钻测斜仪”的课题，采用倾角传感器测量井斜，采用脉冲发生器发送脉冲波，由地面仪器解读成井斜数值。具有测量精度高（±0.1°）、测量井斜范围大（0～90°）、工具成本低等优点。在海拉尔等易斜区块可实时监测井斜情况，井斜稍有增加，即可采取纠斜措施，有效避免了井斜发生；在定向井中可测井斜和方位并随钻监控，降低测斜劳动强度，提高工作效率。

2测斜仪结构设计

2.1结构及原理

电子测斜仪由上接头、本体、脉冲头、控制模块等零部件组成，（如图1所示）。上接头（1）与本体（3）连接扣型为NC50钻杆扣，由控制模块（14）中的倾角传感器测量井斜和方位后，控制步进电机旋转一个角度α°，带动旋转盘（10）同样转动α°，旋转盘（10）带动导杆（6）旋转α°，使导杆（6）上的键进入控制内筒（9）上的键槽内，停泵后弹簧（8）推动脉冲头（5）上行到相应的节流环（4）处，再次开泵脉冲头（5）下行压缩弹簧（8），测斜仪复位，进行下次测量工作。

123456789101112131415161718

图1电子随钻测斜工具结构图

1-上接头；2-挡环；3-本体；4-节流环；5-脉冲头；6-导杆；7-弹簧扶正套；8-弹簧；9-控制内筒；10-旋转盘；11-阻尼阀；

12-内筒；13-步进电机；14-控制模块；15-电池；16-平衡活塞；17-电池管；18-悬挂体。

图2导杆和控制内筒

图3控制内筒键槽

1）导杆及控制内筒设计

如图1、2所示，导杆（6）上有一个键，控制内筒（9）上有10个键槽，每个键槽深度不同，电子测斜仪就是控制导杆（6）插入控制内筒（9）的相应键槽，上升的行程不同，则脉冲头处于节流环（4）中的位置也不同，开泵时就会产生相应的脉冲波。

2）脉冲信号发生器的设计

开泵后脉冲头在钻井液压力的作用下下行，脉冲头在节流环上部时泵压降低（如图4），脉冲头在节流环处（如图5）泵压升高，经过几个节流环就产生了相应数量的脉冲波，由地面接收记录仪监测出波的数量，转化成井斜值。

电子测斜仪设计10个节流环，依次从1至10个脉冲波，分2次开泵，测量精度（±0.1°）、测量井斜范围（0～90°）。如表1所示，以此类推至90°。

图4脉冲头在节流环上部

图5脉冲头在节流环处

表1脉冲波对应井斜数值

第一次开泵脉冲波数量第二次开泵脉冲波数量井斜度数第一次开泵脉冲波数量第二次开泵脉冲波数量井斜度数

1100.0°2101.0°

10.1°11.1°

20.2°21.2°

30.3°31.3°

40.4°41.4°

50.5°51.5°

60.6°61.6

70.7°71.7°

80.8°81.8°

90.9°91.9°

此外在直井中可根据井深降低井斜测量精度到±0.5°和降低测量范围（0～5°），如表2所示。

表2脉冲波对应井斜数值

开泵脉冲波数量12345678910

井斜度数0.5°1°1.5°2°2.5°3°3.5°4°4.5°5°

3电子测量模块设计

本文设计的电子测量模块应用现代传感技术、电子技术和计算机技术，核心部件采用高精度双轴SCA100T倾角传感器和高性能单片机C8051F020，仪器具有较高的测量精度、较好的抗震性和可靠性。3.1系统组成

图6电路系统总体设计

根据不同的功能，系统可分为电源模块，传感器模块，核心控制模块，调试接口，通讯模块，软件模块。电源模块给系统中的芯片提供+5V和+3V电源，核心控制采用C8051F020单片机，通过芯片内嵌的软件和通信模块把测量的数据传递给上位机。如图6所示。

3.2SCA100T传感器简介

SCA100T高精度双轴倾角传感器是芬兰VTI公司2005年最新推出的一种传感器（如图7）,它利用了MEMS（microelectromechanicalsystem）技术开发生产，其体积小、重量轻。该器件内部包含了一个硅敏感微电容传感器和一个ASIC专用集成电路，ASIC电路集成了EEPROM存储器、信号放大器、AD转换器、温度传感器和SPI串行通信接口，组成了一个完整的数字化传感器。有土30度士90度两种量程，测量范围为1g，应用在测斜仪中，具有过阻尼敏感元，能避免振动的影响。通过使用单独的温度补偿，以及通过补偿倾斜面中的角度安装误差，能使测量非常准确。SCA100T倾角传感器采用量程为±90°时，其特点为[4-5]：

1）双轴倾角传感器；

2）测量范围1g（±90°）；

3）内置温度传感器；

4）长期稳定性能指标优于0.02°，抗冲击能力强；

5）高分辨率，低噪声，工作温度范围宽(-400C-1250C)；

6）有过阻尼感应元件，能够承受大于20000g的机械振动。

3.3测量原理

SCA100T是一种静态加速度传感器，当加速度传感器静止时(也就是侧面和垂直方向没有加速度作用)，作用在它上面的只有重力加速度，利用重力〔垂直)和加速度传感器灵敏轴的相对关系测量倾斜角.

SCA100T型倾角传感器的工作原理就是利用测量重力加速度的分量来测量倾角，当传感器静止时，即没有水平或垂直方向的加速度时，重力加速度方向和传感器灵敏轴的夹角就是倾角。当SCA1OOT的传感轴与重力矢量垂直，即与水平面平行时，SCA1OOT对斜度十分灵敏。在这个方向上，SCA1OOT对倾斜度变化的灵敏度最高，而当SCA1OOT的传感轴与重力方向一致，即在士1g时，对倾斜度变化的灵敏度最低。

倾角传感器SCA100T的传感轴安装为与测斜仪轴向垂直，采用双轴测量值合成来计算倾斜角，在小倾角测量时，具有高分辨率和高精度的特点。该传感器的每个轴可以检测1-90度之间的倾角，所对应的输出电压为0.5-4.5V。该传感器是一种极距变化型电容式传感器，根据所受重力的大小而改变其电容两极板间的距离，从而改变其电容的大小，最终引起输出电压的变化。VTI的硅电容式传感器由一对平行板组成，在发生倾角变化时质量块受到重力作用，改变了平行板间距引起电容量变化，从而测量出角度变化。假设，分别表示SCAl00T的X轴和Y轴倾角变化的情况.

加速度敏感轴信号输出与重力加速度之间关系如下:

（1）

（2）

其中，和代表加速度传感器的输出，g是以重力作为参考的加速度值。假设作为井斜角，在传感器上建立如图8所示的附体坐标系，根据刚体坐标变换原理求得值。

图8水平放置方法

=

=（3）

其中为坐标变换矩阵

由于：

（4）

则：

，（5）

3.4电路设计

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根据各项功能模块的具体要求，对电路进行了详细设计，电路图如图9所示

（一）C8051F单片简介

图10C8051F020单片机

C8051F单片机是美国Silabs公司推出的一种与51系列单片机内核兼容的单片机（如图10），具有高速、高性能、高集成度。以C8051F020为例，具有如下特点[6]：

C8051F020片上系统单片机片内资源：

1）模块外设

(1)逐次逼近型8路12位ADC0；转换速率最大100ksps；可编程增益放大器PGA；温度传感器；

(2)8路8位ADC1输入与P1口复用；转换速率500ksps；可编程增益放大器PGA；

(3)两个12位DAC；

(4)两个模拟电压比较器；

(5)电压基准内部提供2.43V；外部基准可输入；

(6)精确的VDD监视器；

2）高速8051微控制器内核

流水线式指令结构，速度可达25MIPS；22个矢量中断源

图9电路总图

3）存储器

片内4352字节数据RAM；64KBFlash程序存储器可作非易失性存储；外部可扩展的64KB数据存储器接口

4）数字外设

8个8位的端口I/O；I2CSPI2个增强型UART串口；可编程的16位计数器/定时器阵列(PCA)；5个通用16位计数器/定时器；专用的看门狗WDT

5）JTAG调试和边界扫描接口，可实现在线实时动态调试。

由以上特点可以看出，C8051F单片机具有丰富的片上硬件资源及高运算速度，这为实现复杂的控制算法提供了保障，而且几乎不需系统扩展即可满足控制系统对硬件资源的需求，极大地提高了系统可靠性。

（二）电源电路

本系统的绝大多数芯片使用3V和5V电源，如C8051F020、SCA100T、MAX232ACSE的电源等。嵌入式控制系统的MCU一般都需要一个稳定的工作电压才能可靠工作。如果采用线性稳压器件作为电压调节，将较高的直流电压转变MCU所需的工作电压，则这种线性稳压电源的线性调整方式在工作中会大的“热损失”，其工作效率仅为30%～50%，从而使嵌入式控制系统的稳定性能变得更差。

图11电源电路

而开关型电源调节器件则以完全导通或关断的方式工作。因此，工作时要么是大电流流过低导通电压的开关管、要么是完全截止无电流流过。因此，开关稳压电源的功耗极低，其平均工作效率可达70%～90%。在相同电压降的条件下，开关电源调节器件与线性稳压器件相比具有少得多的“热损失”。因此，开关稳压电源可大大减少散热片体积和PCB板的面积，甚至在大多数情况下不需要加装散热片，从而减少了对MCU工作环境的有害影响。

采用开关稳压电源来替代线性稳压电源作为MCU电源的另一个优势是：开关管的高频通断特性以及串联滤波电感的使用对来自于电源的高频干扰具有较强的抑制作用。此外，由于开关稳压电源热损失的减少，设计时还可提高稳压电源的输入电压，这有助于提高交流电压抗跌落干扰的能力。

考虑各种电源的综合功耗等因素，5V电源采用功率较大的LM2576系列开关型直流稳压电源，LM2576系列开关稳压集成电路是线性三端稳压器件，它具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力，从而为MCU的稳定、可靠工作提供了强有力的保证。3V电源需要功率小，采用AMS1117串连型直流稳压电源。另外为了以后扩展考虑，该系统还专门为AD设计了模拟3V和5V模拟电源，模拟电源和数字电源利用电感隔离，模拟地和数字地单点接地并利用电感隔离。LM2576为宽电源输入，输入电压范围为7V~40V，AMS1117的输入电源可直接利用LM2576的5V输出电源。在输入端和公共地之间加上一个100F的电解电容，用来滤去电源输入端大的纹波，使输入电压稳定；输出端电容用来改善输出电压纹波特性。电源电路如图11所示。

（三）晶振电路

C8051F020已经内置RC振荡线路，可以产生2M、4M、8M的振荡频率。不过，内置的毕竟是RC振荡，在一些要求较高的场合，比如要与RS232通信需要比较精确的波特率时，建议使用外部的晶振线路。查使用手册，晶振选择11.059MHz。如图12为C8051F020的晶振电路。

图12晶振电路

（四）复位电路

设计单片机电路时必须设计上电复位电路，使单片机从一个确定状态，一个确定位置执行程序，另外由于干扰引起程序运行错误、死锁时，也需要按键式单片机复位，所以复位是一个很重要的操作[7]。C8051F020已经内置了上电复位设计，但多数复位都是靠外部电路实现的，如图13所示：需要接电阻到VCC。为了可靠，再加上电容以消除干扰、杂波。当C8051F020在工作时，按下按键开关时，复位脚变成低电平，触发C8051F020芯片复位。

图13复位电路

（五）串行通讯电路

为了和上位机通信，上下位机采用RS232通信标准。RS232是美国电子工业协会EIA制定的串行总线标准，适用范围为通讯设备之间距离不大于15m，传输速率最大为20Kb/s。它既是一种电气标准，又是一种物理接口标准。

由于RS-232信号的电平和单片机串口信号的电平不一致，所以必须进行二者之间电平转换。在此使用的集成电平转换芯片MAX232为RS232/TTL电平转换芯片。它只使用单+5V为其工作，配接4个1F电容即可完成RS232电平与TTL电平之间的转换。其电路原理图如图14所示。采用三芯传输，转换完毕的串口信号TXD、RXD直接和上位机串口连接。

在串行通信中，核心元件C805IF020具有硬件实现的SPI，SMBus/I2C和2个UART串行接口，都可以进行数据的串行通信。本文采用UARTO口进行数据串行通信[8]。

图14串行通讯电路

（六）传感器连接电路

传感器的连接采用C8051F020的SPI（SerialPeripheralInterface）串行接口,SPI串行接口为主-从工作模式,由一个主机和一个或几个从机组成,主机是徽型计算机（单片机）,用于发送时钟、命令和传输数据。在主-从工作模式中,传感器SCA100T内部的专用集成电路（ASIC）始终是一种从机工作方式[9]。如图15所示。

图15传感器连接电路

3.5软件设计

软件的开发调试使用新华龙公司的集成开发环境，SilicionLaboratories的开发工具实质上就是PC的IDE调试环境软件及PC的RS232或USB口到C8051F单片机的JTAG口的协议转换器的组合，适配器（EC2）一端与PC相连，另一端与C8051F单片机JTAG口相连，应用SilicionLaboratories公司提供的调试环境进行非侵入式全速的在系统编程（ISP）和调试。如图16所示。

图16软件调试组成

程序采用C语言编写，主要包括C8051F和SCA100T初始化程序，数据采集程序、串口通讯程序等，在SilicionLaboratories的开发环境中利用Keil工具源程序级调试，可单步运行、运行至断点、有条件存储器点(数据断点)、寄存器数据存储器以及程序存储器的检查与修改，界面如图17所示。

图17软件调试界面

4结论

1）电子随钻测斜仪采用了传统的机械结构与现代传感器技术和电子技术相结合的方式，提高了测量精度，简化了工具结构，缩短了测量时间；

2）仪器还有不完善之处，一些电路和机械结构还需要细化，一些电子元器件还需要进一步选择，电路的抗干扰能力和抗震性能需要加强；

3）下一步仪器中可以添加磁通门传感器，实现测量方位角等功能，增强仪器的功能和使用范围。

参考文献：

[1]王若.随钻测量技术发展史[J].石油仪器.2001，15（2）：5-7，15

[2]桂德洙.浅谈钻井测斜仪[J].石油钻采工艺.1999，21（5）：45-49

[3]蔡文军，王平.机械式无线随钻测斜仪结构原理及性能特点[J].石油机械.2005，33（9）：49-50

[4]孙汝建.基于SPI接口的双轴SCA100T倾角传感器及其应用方法[J].仪器仪表用户.2006，13(4)：69-71

[5]芬兰VTITechnologies公司.SCA100T系列双轴倾角计[EB/OL].(2004-01-20)[2007-01-04]

[6]毛君，刘克铭，徐广明.基于C8051F020单片机的串口通信应用[J].煤矿机械.2005（5）：79-81

[7]郭速学，朱承彦，郭楠.图解单片机功能与应用[M].北京：中国电力出版社，2008.

[8]鲍可进.C8051F单片机原理及应用[M].北京：中国电力出版社，2006.

[9]VTITechnologiesDataSheetofSCA100TSeries

作者简介：李华召.男.1978年3月出生.毕业于哈尔滨工程大学机械电子工程专业，从事钻井工具研究工作。