专利名称：井下仪器高速单芯电缆传输装置的制作方法
井下仪器高速单芯电缆传输装置
本发明涉及一种用于自喷井和注水井测井的井下仪器和地面仪器进行数 据通信的井下仪器高速单芯电缆传输装置。
背彔技术
现有的用于自喷井和注水井测井的生产测井仪器，虽然运用了单片机遥 测技术，但遥测短节和地面仪器之间通过单芯电缆即电缆总线连接，遥测短 节和参数短节之间、以及各参数短节之间也通过单芯即仪器总线连接，因而
仪器较长，不利于高压井的测量。电缆总线传输速率仅为5.7292KBPS，数据 格式20位，除3位同步位、l位奇偶位外，只有4个地址位、12个数据位， 共10个通道，限制了扩展功能，因而使得某些油井参数无法测量，如独立4() 臂、氧活化等参数。电缆总线信号和仪器总线信号虽然有电感组成的信号隔 离电路隔离，但如果电感选择不合适，将造成两种信号的互相千扰，影响地 面解码。
目前，国内开发井中吸水剖面、产液剖面的测井要求高可靠、高精度、 高成功率的生产测井仪器，工程测井、储层参数检测、剩余油评价等方面的 仪器需要提高精度、增加手段，因此工程测井仪(X-Y井径、多臂井径、独立 多臂井径等)和产层评价测井仪(中子伽玛、中子寿命等)需要挂接，现有 的仪器传输速率低，通道数仅为10个，无法实现挂接。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高可靠、高精度、高成功率，长度短，能与 工程测井仪和产层评价测井仪挂接的用于自喷井和注水井测井的井下仪器和 地面仪器进行数据通信的井下仪器高速单芯电缆传输装置，解决现有仪器无 法解决的问题。
本发明由单芯电缆、马笼头、加重、连接螺套、释放器.高速电缆遥测 短节、参数测量短节、扶正器组成，高速电缆遥测短节通过上端的单芯插头 与释放器连接、通过下端的滑环四芯插头和插座与各参数测量短节和扶正器 连接，单芯电缆下端连接马笼头、加重、释放器、高速电缆遥测短节、各参
数测量短节与井下仪器进行机械和电气连接，单芯电缆的上端通过与地面绞 车上电缆盘绕接和装于绞车内的地面仪器机电连接；
本装置电路由高速电缆遥测短节电路和参数短节电路构成，参数短节电 路中的参数短节单片机的信号输入端口通过信号产生电路与传感器连接，参 数短节单片机数据输出口和参数短节工业总线的接收入口连接，参数短节单
片机数据输入口和参数短节工业总线的发射出口连接，参数短节单片机控制 端端口与参数短节工业总线控制端DE、 RE连接，参数短节单片机振荡器反向 放大器输入端口和输出端口与时钟电路连接；遥测电路的遥测单片机的数据 输出口与遥测短节工业总线的接收入口连接，遥测单片机的数据输入与遥测 短节的发射出口连接，遥测短节工业总线通过信号线芯2和芯3与各参数短 节工业总线连接，遥测单片机振荡器反向放大器输入端口和输出端口与时钟 电路连接，遥测单片机控制端端口与遥测短节工业总线控制端DE、 RE连接， 遥测单片机通过信号驱动电路与电缆总线连接，电缆总线与电源线连接单片机包括数据接收发送控制单元，控制数据输出口为串行数据发送，数据输入口为串行数据接收，控制工业总线数据的发射和接收；地址数据管 理单元，包括8个地址位，16个数据位，255个测试通道，将接收的数据经 过地址的比对，将相符的同步位、仪器地址、测试数据、奇偶校验、停止位 发送信号按照曼彻斯特玛编码规则进行编码，通过数据接收发送控制单元控 制工业总线数据的发射和接收，通过单芯电缆发往地面。
测井时，该装置经电缆总线供电后，各参数短节将传感器的变化量送到 各自信号模块产生频率信号，频率信号送到各参数短节单片机，釆集完数据 后，处于等待状态。遥测单片机串行输出口将各参数地址送到遥测短节工业 总线输入端，再通过2芯和3芯送到各参数短节的工业总线，工业总线的输 出端再将地址信号送到各参数短节单片机的串行输入口 ，然后各参数短节单 片机首先判断信息是否为该地址，若不是，则为数据玛，该参数短节不响应: 若是地址玛，则判断与自身地址相符否，若相符，参数短节单片机的串行输 出口发最新采集的数据到该参数短节工业总线的输入端，再经2芯、3芯和遥 测短节工业总线的输出端送到遥测单片机的串行输入口，遥测单片机收到数 据后将同步、仪器地址、测试数据、奇偶校验、停止位发送等信号，按照曼 彻斯特玛编码规则对之进行编码，经单芯电缆发往地面，即曼彻斯特玛信号 上传为单芯、高速电缆遥测短节和各个参数短节之间信号传输为四芯，其中1 芯为电缆总线、2芯和3芯为信号线、4芯为12V电源线。遥测单片机依次向 各参数短节发送地址，直到寻址完所有参数，又重新开始新的循环。
本装置有如下优点
高速电缆遥测短节和各参数测量短节之间通过滑环四芯连接，大大缩短
仪器长度，便于仪器测量。
通过对单片机的合理编程使本装置形成的曼彻斯特玛的数据格式除同步
位、奇偶位外，将冇8个地址位、16个数据位，传输通道可达255个，可以 挂接工程测井仪(X-Y井径、多臂井径、独立多臂井径等)和产层评价测井仪 (中子伽玛、中子寿命等)，便于扩展，今后研制的仪器只要采用相同的数据 格式，就可以与本装置组合在一起，不需要研制专门的地面仪，对下井仪兼 容性强。
采用本发明生产的测井仪器，电缆传输速率达到20K，下井仪传输(即高 速电缆遥测短节和各个参数短节之间的信号传输)速率40K的高速传输，测 井数据量大为增加， 一次下井取全所有资料、测井时效高、抗干扰能力强、 不易产生误操作。
图1井下仪器高速电缆传输装置结构简图
图2高速电缆遥测短节结构简图
图3高速电缆遥测短节原理框图
图4参数短节原理框图
圉5井下仪器高速电缆传输装置程序流程图 其中1、单芯电缆2、马笼头3、加重4、联接螺套5、释放器 6、单芯插头7、高速电缆遥测短节8、滑环四芯插座 9、压力测井仪10、滑环四芯插头11、持水测井仪12、扶正器 13、流体密度测井仪14、涡轮流量测井仪15、磁钢 16、磁定位线圈17、大功率电阻18、大功率稳压块
19、高速电缆遥测短节中间线路骨架20、磁定位和遥测线路板 21、井温探头22、高压模块23、高速电缆遥测短节下线路骨架 24、伽玛线路板25、光电倍增管26、 Nal晶体
27、 电缆总线(滑环插头座的l芯)
28、 高压关断保护电路29电磁继电器
30、 12V电源(滑环插头座的4芯)31、高速电缆遥测短节5V稳压 电路32、高速电缆遥测短节5V电源33、高速电缆遥测短节士15V 稳压电路34、高速电缆遥测短节土15V电源 35、信号合成模块输出端36信号合成模块
37、遥测单片机AT89C2051的XTAL2端38、遥测单片机AT89C2051
39、 遥测单片机AT89C2051的串行输入口 (RXD) P3.()
40、 遥测单片机AT89C2051的串行输出口 (TXD)P3.1
41、 遥测单片机AT89C2051的XTAL1端
42、 遥测短节RS-485的输入端DI 43、遥测短节RS-485的输出端RO 44、遥测短节RS-485 45、遥测短节RS-485的A端
46遥测短节RS-485的B端47、滑环插头座的2芯
48、滑环插头座的3芯49、遥测单片机AT89C2051的晶振电路
50、 磁定位传感器
51、 磁定位信号模块
52、 磁定位信号单片机AT89C2051的(TO) P3.4端
53、 磁定位信号单片机AT89C2051的XTAL1端 51、磁定位信号单片机AT89C205155、 磁定位信号单片机AT89C2051的串行输出口 (TXD)P3. 1
56、 磁定位信号单片机AT89C2051的串行输入口 (RXD) P3. 0
57、 井温、伽玛信号单片机AT89C52的串行输出口(TXD)P3.1
58、 井温、伽玛信号单片机AT89C52的串行输入口 (RXD) P3.0
59、 井温、伽玛信号单片机AT89C52
60、 井温、伽玛信号单片机AT89C52的XTAL1端
61、 井温、伽玛信号单片机AT89C52的T1/P3. 5端
62、 井温、伽玛信号单片机AT89C52的T0/P3.4端
63、 井温信号模块64、伽玛信号模块65、井温传感器部分 66、伽玛传感器部分67、参数短节5V稳压电路
68、参数短节5V电源69、参数传感器部分70、参数信号模块
71、 参数短节单片机AT89C2051的晶振电路
72、 参数短节单片机AT89C2051的T0/P3. 4端
73、 参数短节单片机AT89C2051的XTAL2端
74、 参数短节单片机AT89C2051
75、 参数短节单片机AT89C2051的XTAL1端
76、 参数短节单片机AT89C2051的串行输入口 (RXD) P3. 0
77、 参数短节单片机AT89C2051的串行输出口 (TXD) P3. 1
78、 参数短节RS-485的输出端RO 79、参数短节RS-485的输入端DI 80、参数短节RS-48具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。
如图l所示，单芯电缆(1)通过马笼头(2)、加重(3)、释放器(5)、 高速电缆遥测短节(7)、各参数测量短节(9)、 (11)、 (13)、 (14)实现井下 仪器机械和电气连接，根据测井要求，加重(3)放在整个井下仪器的最上部， 释放器(5)接在加重(3)的下部，高速电缆遥测短节(7)的上部，从而实 现同位素测井要求
高速电缆遥测短节(7)的上端通过单芯插头(6)和释放器(5)连接， 下端通过滑环四芯插座(8)和滑环四芯插头(10)同各参数测量短节连接， 各参数测量短节包括压力测井仪(9)、持水测井仪(11 )、流体密度测井仪(13)、 涡轮流量测井仪(14)，根据测井要求还可以挂接其它参数测井仪。
两个扶正器(12)中一个放在持水测井仪(11)和流体密度测井仪(13) 之间，另一个扶正器12放在流体密度测井仪(13)和涡轮流量测井仪(14) 之间，便于测井。
滑环四芯中l芯为电缆总线(27)、 2芯(47)和3芯(48)为信号线、4 芯为12V电源线。
如图2所示，高速电缆遥测短节(7)上端为单芯插头(6)，上部装有磁 钢(15)、磁定位线圈(16)，为井—卜'仪器通过套管接箍时提供感应信号。高 速电缆遥测短节中间线路骨架(19)上装有大功率降压电阻(17)、大功率稳 压块U8)、磁定位和遥测线路板(20)，井温探头(21);下部装有高压模块 (22)、高速电缆遥测短节下线路骨架(23)、光电倍增管(25)、Nal晶体(26)、 滑环四芯插座(8):高速电缆遥测短节下线路骨架(23)装有伽玛线路板:^，它们都装在高速电缆遥测短节(7)的外壳内，通过联接螺套(4)可与各参 数短节实现机电连接。
如图3所示，电缆总线(滑环插头座的l芯)(27)与由开关二极管、降 压电阻、稳压管、电磁继电器(29)组成的高压关断保护电路(28)连接。 当电缆总线(27)上的电压大于55V时，高压关断保护电路(28)中电磁继 电器(29)的触点2-3、 7-6闭合，高压关断，电缆总线(27)上的电压与后 面电路断开，不能形成5V、 12V、 士15V电压。当电缆总线(.27)上的电压小 于55V时，高压关断保护电路中电磁继电器29的触点2-4、 5-7处于常闭状 态，电缆总线(27)电压与后面电路连通，此时电压分两路， 一路经过大功 率限流电阻(17)、大功率稳压块(18)形成12V电源(滑环插头座的4芯)
(30)， 12V电源(30)经过由限流电阻和稳压管组成的高速电缆遥测短节5V 稳压电路(31)形成高速电缆遥测短节5V电源(32)。另一路经过高速电缆 遥测短节士15V稳压电路(33)形成高速电缆遥测短节土15V电源(.34)c其 中高速电缆遥测短节士15V电源(34)为信号合成模块(36)供电，信号合成 模块输出端(35)与电缆总线(27)连接；高速电缆遥测短节5V电源(32) 为遥测单片机AT89C2051 (38)、磁定位信号单片机AT89C2051 (54)、井温、 伽玛信号单片机AT89C52 (59)和遥测短节RS-485 (44)供电；12V电源(30) 为磁定位信号模块(51)、井温信号模块(63)、伽玛信号模块(64)供电， 通过滑环四芯的芯4为各参数短节供电；遥测单片机AT89C2051的XTAL2端
(37)、遥测单片机AT89C2051的XTAL1端(41)分别与遥测单片机AT89C205
的晶振电路"9)连接；遥测单片机AT89C2051的串行输入口 (RXD)P3. 0 (39)、 遥测单片机AT89C2051的串行输出口 (TXD)P3.1 (40)分别于遥测短节RS-485
的输入端DI (42)、遥测短节RS-485的输出端RO (43)连接、遥测短节RSM85 的A端(45)与滑环插头座的2芯(47)连接，遥测短节RS-485的B端(46) 滑环插头座的3芯(48)连接，磁定位信号单片机AT89C2051的串行输入口
(RXD) P3.0 (56)与遥测单片机AT89C2051的串行输出口(TXD)P3. 1 (40) 连接，井温、伽玛信号单片机AT89C52的T1/P3.5端(61)与井温信号模块
(63)连接。
磁定位传感器(50)位于高速电缆遥测短节(7)的最上端，它由12块 钕铁硼材料的强磁钢(15)和磁定位线圈(16)组成。磁定位传感器(50) 在套管或油管井内上下移动到接箍位置时，由于仪器所建立的恒定磁场状态 被破坏，磁场重新分布，因此使得通过线圈内部的磁场发生生变化，根据楞 次定律，线圈内部磁场强度的这种变化，在线圈两端即感应出一个变化的电 压，经信号模块51产生频率脉冲信号，此频率脉冲信号接到磁定位信号单片 机AT89C2051的(TO) P3. 4端(52)采集，采集完数据后，磁定位信号单片 机AT89C2051 (54)处于等待状态。由于遥测单片机AT89C2051 (38)依次向 各个参数发送地址，当遥测单片机AT89C2051的串行输出口(TXD)P3.1 (40) 由磁定位信号单片机AT89C2051的串行输入口 (RXD) P3. 0 (56)进入进行寻 址时，磁定位信号单片机AT89C2051判断如果是磁定位道地址则响应，然后 将数据信号由磁定位信号单片机AT89C2051的串行输出口 (TXD)P3. 1 (55)送 到遥测单片机AT89C2051的串行输入口 (RXD) P3.0 (39)上由遥测单片机 AT89C2051处理，经信号合成模块(36)合成曼彻斯特玛信号送往电缆总线 (27)。
井温探头(21)位于高速电缆遥测短节(7)的中部，探头采用灵敏度及
线性度很高的铂电阻温度探测器，超薄的探测器承压壳体，因此具有极高的 探测灵敏度。
井温传感器部分(65)经过井温信号模块(63)将频率脉冲信号送到井 温、伽玛信号单片机AT89C52 T1/P3.5端(61)采集，采集完数据后处于等 待状态，当遥测单片机AT89C2051的串行输出口(TXD)P3. 1 (40)由井温、伽 玛信号单片机AT89C52的串行输入口 (RXD) P3. 0 (58)进入进行寻址时，井 温、伽玛信号单片机AT89C52 (59)判断如果是井温道地址则响应，将数据信 号由井温、伽玛信号单片机AT89C52的串行输出口(TXD)P3.i (57)送到遥测 单片机AT89C2051的串行输入口 (RXD) P3.0 (39)上由遥测单片机AT89C2051 处理，经信号合成模块(36)合成曼彻斯特玛信号送往电缆总线(27)。
伽玛传感器部分(66)位于高速电缆遥测短节(7)的下部，它由高压可 任意调整的高压模块(22)、光电倍增管(25)和NaI晶体(26)组成。当伽 玛射线射入NaI晶体时，最终产生一电压脉冲输出，这一脉冲信号经过伽玛 信号模块(64)将频率脉冲信号送到井温、伽玛信号单片机AT89C52上T0/P3.4 端(62)采集，采集完数据后处于等待状态，当遥测单片机AT89C2051的串 行输出口 (TXD)P3. 1 (40)由井温、伽信号单片机AT89C52的串行输入口 (RXD) P3.0 (58)进入进行寻址时，井温、伽信号单片机AT89C52判断如果是伽玛 道地址则响应，将数据信号由井温、伽信号单片机AT89C52的串行输出口 (TXD)P3. 1 (57)送到遥测单片机AT89C2051的串行输入口 (RXD) P:3. 0 (39) 上由遥测单片机AT89C2051处理，经信号合成模块(36)合成曼彻斯特玛信 号，由输出端(35)送往电缆总线(27)。其中遥测单片机的XTAL1端与磁定 位信号单片机AT89C2051的XTAL1端(53)、井温、伽玛信号单片机AT89C52
的XTAL1端(60)连接，为磁定位信号单片机AT89C2051 (54)、井温、伽玛 信号单片机AT89C52 (59)的工作提供时钟频率。
高速电缆遥测短节RS—485的A端(45)和滑环四芯的2芯(47)连接， 遥测短节RS—485的B端(46)和滑环四芯的3芯(48)连接，以实现与其 它参数短节的信号传输。
如图4所示，其它参数短节的12V电源(30)由参数短节5V稳压电路 (67)形成参数短节5V电源(68)。遥测单片机AT89C2051还将其它参数地 址经遥测短节的RS—485 (44)的和参数短节的RS—485的输出端R0 (78) 送到参数短节单片机AT89C2051的串行输入U1 (RXD) P3. 0 U6)上，参数短 节的信号单片机(74)首先判断信息是否为该地址，若不是，则为数据玛， 该参数短节不响应；若是地址玛，则判断与自身地址相符否，若相符，参数 短节的信号单片机(74)发最新采集的数据由参数短节单片机AT89C2051的 串行输出口(TXD)P3. 1 (77)送到参数短节RS—485 (80)的输入端Dl (79) 上，再经滑环四芯的2芯(47)和滑环四芯的3芯(48)最终送到遥测单片 机AT89C2051的串行输入口 (RXD) P3. 0 (39)上。遥测单片机AT89C2051收 到数据后将同步、仪器地址、测试数据、奇偶校验、停止位发送等信号，按 照曼彻斯特玛编码规则对之进行编码，再经信号合成模块(36)发往电缆总 线(27)，遥测单片机AT89C2051 (38)依次向各参数短节发送地址，直到寻 址完所有参数，又重新开始新的循环，参数传感器部分(69)通过参数信号 模块(70)与参数短节单片机AT89C2051的T0/P3. 4端(72)连接，参数 短节单片机AT89C2051的XTAL2端(73)、参数短节单片机AT89C2051的XTAL1 端(75)与参数短节单片机AT89C2051的晶振电路(71)连接。
所用的单片机AT89C2051是低电压、高性能的CMOS8位微控器，片内含 有2KB的Flash可编程且可擦除的只读存储器，具有15线可编程I/O 口 ，两 个16位的定时器T0和T1， (RXD) P3.0为串行输入口， (TXD) P3. 1为串行输 出口， XTAL1为片内振荡器反向放大器和片内时钟发生器的输入端，XTAL2为 片内振荡器反向放大器的输出端，所加晶振频率为16MHz;
本发明通过对单片机AT89C2051进行编程，使得数据格式由原来的4个 地址位增加为8个，12个数据位增加为16个，大大增加了测试通道，并使电 缆传输速率达到20K。
另外，单片机AT89C2051通过编程使得(P3. 1) TXD为串行数据发送， (P3. 0) RXD为串行数据接收，并控制RS—485工业总线的发射和接收。其中， RS—485的工作方式为半双工，发射时不接收，接收时不发射。DI为RS—485 的输入端，R0为RS—485的输出端，DE、 RE为RS—485的控制端。这样，通 过单片机的合理编程和RS—485工业总线串行，达到下井仪传输40K的高速 传输，从而极大提高了测井时效。
权利要求
1. 一种井下仪器高速单芯电缆传输装置，由单芯电缆、马笼头、加重、连接螺套、释放器、高速电缆遥测短节、参数测量短节、扶正器组成，其特征在于高速电缆遥测短节通过上端的单芯插头与释放器连接、通过下端的滑环四芯插座与各参数测量短节和扶正器连接，单芯电缆下端连接马笼头、加重、释放器、高速电缆遥测短节、各参数测量短节与井下仪器进行机械和电气连接，单芯电缆的上端盘绕在地面绞车上和装于绞车内的地面仪器连接；本装置电路由高速电缆遥测短节电路和参数短节电路构成，参数短节电路中的参数短节单片机的信号输入端口通过信号产生电路与传感器连接，参数短节单片机数据输出口和参数短节工业总线的接收入口连接，参数短节单片机数据输入口和参数短节工业总线的发射出口连接，参数短节单片机控制端端口与参数短节工业总线控制端DE、RE连接，参数短节单片机振荡器反向放大器输入端口和输出端口与时钟电路连接；遥测电路的遥测单片机的数据输出口与遥测短节工业总线的接收入口连接，遥测单片机的数据输入与遥测短节发射出口连接，遥测短节工业总线通过信号线芯2和芯3与各参数短节工业总线连接，遥测单片机振荡器反向放大器输入端口和输出端口与时钟电路连接，遥测单片机控制端端口与遥测短节工业总线控制端DE、RE连接，遥测单片机通过信号驱动电路与电缆总线连接，电缆总线与电源线连接；单片机包括数据接收发送控制单元，控制数据输出口为串行数据发送，数据输入口为串行数据接收，控制工业总线数据的发射和接收；地址数据管理单元，包括8个地址位，16个数据位，255个测试通道，将接收的数据经过地址的比对，将相符的同步位、仪器地址、测试数据、奇偶校验、停止位发送信号按照曼彻斯特玛编码规则进行编码，通过数据接收发送控制单元控制工业总线数据的发射和接收，通过单芯电缆发往地面。
全文摘要
本发明涉及一种用于自喷井和注水井测井的井下仪器高速单芯电缆传输装置，高速电缆遥测短节通过上端的单芯插头与释放器连接、通过下端的滑环四芯插头与各参数测量短节连接，遥测短节电路和参数短节电路均包括个与工业总线连接的单片机，遥测短节工业总线和参数测量短节工业总线通过滑环四芯插头的信号线芯2、芯3连通，单片机包括8个地址位，16个数据位，255个测试通道，控制数据输出口为串行数据发送，数据输入口为串行数据接收，控制工业总线数据的发射和接收；将接收的数据经过地址的比对，编码，控制工业总线数据的发射和接收，由单芯电缆发往地面，电缆传输速率达到20K，下井仪传输速率达到40K，极大提高了测井时效。
文档编号E21B47/12GK101205806SQ20061016551
公开日2008年6月25日 申请日期2006年12月21日 优先权日2006年12月21日
发明者兵 凌, 刘国权, 刘建成, 崔文梅, 林 杨, 王国平, 田丽萍, 罗建强, 斌 董, 贾向东, 陈光建 申请人:中国石油天然气集团公司;中国石油集团测井有限公司