一种面向测井仪的井下温度测量方案
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地层温度是油气测井和地质勘探课题中的一个主要参数，其测量监控是测井仪器的集成功能中的必要部分。本文针对常见类型的电法数字测井仪，提出一种井下作业的温度测量方案，并分别对该方案中功能模块的整体结构设计、硬件设计、软件设计进行阐述，着重介绍传感器选型、温度转换电路及其接口和数据刻度校正方法等方面。最后通过相关实验数据和实测结果对该方案实现的功能进行验证，以满足测井仪的井下温度测量需要。
地层温度是油气探测开发的重要参数，它可作为地层勘探、钻井测井的一项实用参考指标和地质评价的一支信息依据。为了准确分析与地层介质相关的温度信息因素，并且及时监测周围环境温度确保测井仪器的正常工作状态，需要井下作业的测井仪器能够灵敏地捕捉和测量地层温度，并将该信息传输至地面控制系统用以记录分析。基于此本文提出一种低成本、高灵敏度、高精度的面向数字测井仪的温度测量方案，以实现上述需求。
1 系统总体结构设计
该井下温度探测系统由传感测温电路、信号采集电路、信号传输电路、地面上位机系统组成，其总体结构框图如下所示：
图1 系统总体框图
本文主要就传感测温电路、信号采集电路以及地面上位机系统的数据处理方法加以讨论，提出可实现的具体温度测量方案，并且假设来自采集电路的信号可以正确地通过信号传输电路至地面上位机系统。
2 系统硬件设计
2.1 温度传感器的选取
地层温度的主要来源是地球内部热能，一般情况下取决于地层的埋藏深度，地温与深度之间有以下关系：
（1）
其中： 为地面活动层下边界的温度，典型值为20 ； 为平均地温梯度，单位为 ，典型值为 ； 为距活动层下界处的距离，单位为 。因此，当测井深度为5千米时该处地层温度可达170 ，温度传感器需对此温度范围有效响应。
考虑到其他如温度系数、精度和稳定性、探测位置的自由度、与其他电路接口的简易程度等因素，选择铂电阻热传感器Pt100作为温度传感器件。其热响应时间小，温度范围大，适合井下作业测温。在 范围内其电阻值与温度的关系可精确地表示为[1]：
（2）
其中 为铂电阻传感器在 的阻值， 为铂电阻处于 的电阻值。对于Pt100， 。在 ，电阻值近似线性变化；大于 时二次项 将产生一定影响，是深井测温时需考虑并作一定校正处理的因素。
2.2 温度测量电路
温度测量电路将温度传感器的参数变化转换为电信号，并将此信号输出至信号采集电路前端。该部分电阻式测温电路设计如下：
图2 电阻式温度测量电路
运用线性区运算放大器的一般分析方法，可以得到以下节点的输出电压：
（3）
其中 为Pt100传感器一定温度下的电阻；当选择 与Pt100的 电阻
有关系 时，结合（2）得到
（4）
（4）中 表达式只有为 变量，这样输出电压信号 与温度 近似线性变化，
即完成了对温度的测量。电容 进行输入低通滤波；电容 和电阻 构成一阶RC低通电路，滤除进入采集电路的输入信号 上的高频噪声。
2.3 信号采集电路及接口
信号采集电路需完成温度信号和其他测井信号的从模拟量到数字序列转换，并将转换结果送至微控制器，该文原载于中国社会科学院文献信息中心主办的《环球市场信息导报》杂志http：//www.ems86.com总第543期2014年第11期-----转载须注名来源以完成存储、编码、发送等其它任务。采集电路分别与各传感测量电路模块和微控制器接口，这样方便不同测量模块的功能组合，且转换得到的结果具有统一的数据格式，微控制器易于处理。该部分电路设计如下：
图3 信号采集电路与接口
在此电路中，各传感测量信号和温度信号一起接入到多路选择开关MUX的输入端，微控制器MCU通过改变其地址线 对不同信号进行选通（或控制模数转换器ADC的不同通道）。ADC与MCU通过SPI接口互连，用来传输AD转换结果的数据。MCU工作在主控接收模式，通过某端口引脚输出连接ADC的读写模式引脚 来控制AD转换的采样与开启，并以串行时钟引脚SCK输出向ADC提供数据时钟。ADC工作在从动发送模式，当其完成1字节的模数转换将使BUSY引脚上信号置位，从而该信号的上升沿跳变可以在ExtInt引脚触发MCU的外部中断。查询或处理该中断，随后即可通过DATA引脚将转换的结果序列输出至MCU的串行数据输入引脚SDI，完成对温度信号及其他测量信号的采集。
该方案中温度测量电路与微控制器无直接接口，因此该测温模块与测井仪的其它功能模块相对独立，且不占用微控制器的多余引脚等硬件资源，适合在井下作业的数字测井仪器平台上实现。
3 系统软件设计
3.1数据采集流程
可编程微控制器对包含温度转换信号的数据采集是在SPI协议下，从模数转换器ADC读取一定位宽的转换结果。该采集过程的软件流程如下：
图4 微控制器的数据采集流程
3.2地面系统数据刻度
为获得准确的温度测量数据，在硬件部分可通过在测量电路选择合适的电阻、电容，使温度测量输出信号 的噪声较小，且测温范围内 的幅度更多地处于ADC的采集范围，以提高转换分辨率和抗干扰能力。
另一方面由于实际测井应用需要对测得数据进行解释，因此地面系统应对各测量的数字信号进行准确刻度。温度数据的刻度主要是将温度传感器置于可量化的标准热源中，读取地面系统的接收数据进行标度，并将其与温度的对应关系作为地面软件处理和计算的依据。
在实际标度过程中，若局部温度数据由于Pt100铂电阻传感器阻值变化而产生较明显的非线性，可采用基于最小二乘法的高次多项式拟合或分段线性标定等方法，以克服传感器本身性质或其他偶然因素带来的非线性误差，地面系统上位机软件也可做出针对性的数据修改和校正。
4 实验结果与结论
图5所示是温度传感器在标准烤箱下测得的一组AD数据结果与拟采用的标定曲线：
图5 实测温度数据与标定曲线
由以上数据可得测量的温度数据较稳定，在很大范围内线性度良好，测量精度高；超过 时Pt100传感器出现一定的非线性误差，采用最小二乘法的二次拟合更适用大范围的温度标定。
温度数据标定后将各系数应用在上位机软件，将计算得到的温度与标准烤箱温度对比，二者误差在 。测量结果精度较高且对温度变化灵敏，能够将地层温度实时地反映给地面系统，各性能指标可靠满足设计需求，说明该设计下的温度测量模块适用于数字测井仪较大范围的井下测温。
（作者单位：西安石油大学光电油气测井与检测实验室）
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