基于MSP430控制的微芯片示踪器电路系统特点及应用

李鹏 张珩

摘 要 在钻井工程中，掌握井内温度和压力数据有利于对井下故障的提前预测和合理规避，而现有温压检测系统多表现不佳或仍有进步空间。为满足在钻井作业中对井筒温度和压力分布的有效检测，本文进行基于MSP430控制的微芯片示踪器的应用探索，从系统整体设计思路、微型化采集技术、高效电源管理技术和抗温抗压封装技术四方面展开论述，以期构建科学有效的随钻温压检测系统并生成井筒压力和温度分布剖面。

【关键词】钻井工程 MSP430 示踪器 电路系统

在石油钻井作业中，对井筒的温度、压力的数据测量十分重要，这两者的数据变化直接反映井内流体和井壁的稳定性，因此，实时全面的温压信息能有效发现井内异常，对稳定高效进行钻井作业有深远意义。

现有的对井下温度和压力的测量方式主要包括电缆测量和随钻测量两种方式。电缆测量方式主要是缆绳和钻杆的碰撞、摩擦难以解决，且传回数据稍有延迟，测量实时性差。随钻测量方式在定向钻井中的应用十分普遍，能连续对钻头附近的温度、压力、方向角等进行测量传输，但测量局限于钻头附近，对于井筒整体温压数据测量难以实现。

随着半导体领域的发展，石油工业也逐渐对微系统进行应用和延伸，国外虽对这部分早有研究和试验，却没有实现工业化的应用，而国内对于此方面的研究较少。为对国内随钻测量的微系统技术应用提供更多参考，笔者就基于MSP430控制的微芯片示踪器电路系统进行初步探究。

1 微芯片示踪器系统整体框架500

1.1 示踪器系统整体工作原理

采用示踪器系统进行测量作业时，先由泵送装置将示踪器泵入井筒，随钻井液流体移动至钻头水眼进入环空，经环空回至地面。在整个循环过程中，示踪器进行连续的测量，并将数据传回电脑分析，电脑就数据生成井内温压分布图，方便操作人员对井下状况进行判断，有效避免井下故障发生。

由于示踪器在井内狭小空间及高温高压环境限制，示踪器必须具备体积小、功耗低、耐高温高压等特点，对示踪器的设计及制作有了更高技术要求。

1.2 系统总体电路设计

电路系统包括模拟电路板和数据采集电路板两部分，前者主要对压力传感器传出的信号进行滤波和放大，后者负责进行模/数转换和数据操作。考虑到体积、功耗和温压耐度对总体电路框架设计如下（见图1）。

在整体电路框架中：EPB压力传感器输出的是模拟信号，信号幅值小，不能直接进行转换，因此需将接收到的压力信号进行过滤和放大，传输给采集电路；温度信号通过LM75温度传感器与采集电路进行数据交换；采集电路控制器采用MSP430微控制器，数据存储在自带的FLASH存储器内；微控制器支持有线传输；整个电路由电池进行供电。

2 相关技术支持

2.1 系统微型化采集技术

微芯片示踪采集系统主要包括压力传感器单元、温度传感器单元、微处理器单元和通讯接口四部分。其中，压力传感器单元是一个压阻式压力传感器，负责压力信息采集；温度传感器类似，负责井内温度信息采集；低功耗MSP430微处理器进行数据处理并存储；通过通讯接口进行实时数据获取及操作。

在温度、压力传感器方面，传感器的性能决定了数据测量的精度，因此传感器的选取十分重要。对于温度传感器，由于集成电路温度传感器测量温度环境可达150℃，符合常规钻井要求，因此采用集成电路温度传感器。对于压力传感器，采用扩散硅压力传感器，因其具备灵敏度高、耐腐蚀、抗高压且工作领域宽的特性。

同时，为准确测量井内温度、压强的时间信息，需要启用MSP430微处理器内的RTC组件，实现时间日历的功能。另外，關于数据存储，将温度、压力数据存储进FLASH存储器内，并加入时间标签，结合时深转换，可生成井内温压分布剖面。

2.2 系统高效电源管理技术

进行电源高效管理，主要可通过以下三种方式实现：

2.2.1 断续供电方式

整个电路系统采用电池供电实际电力十分有限，解决方式除了采用低功耗的传感器和处理器外，同时可采用断续供电的模式。断续供电方式具体实施时机制是，在每个两秒的前200毫秒里，闭合开关使传感器工作，其他时间传感器不工作，由于井内流体速度大约是1/m左右，传感器实际采集的就是每两米一次的抽样，仍能客观有效的反映井内温压变化。

2.2.2 休眠唤醒机制

微处理器在休眠状态，切断外部电源供应，只给时钟模块供电，这种模式极其省电，常规状态下可维持几十年。这样，示踪器泵入井内可进入休眠状态，待到使用时由外部信号唤醒，进行工作。

2.2.3 软件控制方式

采集系统需要完成信息采集、存储、发送和时间计数等功能，多任务实时性高，因而需要软件控制编排。具体实施方式为：计数器每一秒中断一次，计数值加一，数据采集执行，当计数器累计达到两秒时，将会切断数据采集，中断响应中应完成数据采集和存储，并切断温度、压力传感器工作。另外，在计数器中断响应中设置了对外输入信号的判断，当接收到外部输入信号时，所有数据通过串口发出，以此保证FLASH存储器中数据的实时快速下载。

2.3 系统抗温抗压封装技术

微芯片示踪器要在高温、高压、腐蚀环境中工作，需要对示踪器进行外部保护套，即需要封装技术。封装的目的是为了保护内部部件不受液体浸湿、腐蚀，排除内压载荷干扰，营造良好的精度测量环境。

封装材料包括金属材料和非金属材料两类。以不锈钢、铝合金为代表的金属材料具有抗压、耐温、耐腐蚀、强度高等优点，加工简便、可自由拆卸但密度大；反观非金属材料，在温压、腐蚀、强度方面也具有良好表现力，但材料固化后不可拆卸。

因此在示踪器封装问题上，应将两种材料相结合，各取所长，在实际实验中探求良好解决方案。

3 结论

采用基于MSP430的微芯片示踪器电路系统，使得电路微型化和低耗能并精确进行井筒温度、压力测量成为可能，且在初步检测中表现良好。但在具有可行性的基础上，仍需更多探索如封装材料选取、设备构造布置、实践性检验等。

参考文献

[1]朱祖扬，张卫，倪卫宁，李三国，李继博.基于MSP430的微芯片示踪器电路系统[J].仪表技术与传感器，2013，06：40-42+48.

[2]朱祖扬，李光泉，张卫，李三国，倪卫宁.井筒微芯片示踪器研制[J].石油钻探技术，2013，05：111-114.

作者单位

1.西藏民族大学信息工程学院 陕西咸阳 712082

2.国网西安供电公司建设部 陕西西安 710032