OnTrak Sensor Sub Components/Services

所有的OnTrak传感器接头的电气结构都基本相似，只有4-3/4” OnTrak略有区别。下面的功能框图(OnTrak Communication Functional Block Diagram)显示了前面介绍的各控制模块，传感器和其他的电子模块(boards, sensors and other electronic elements)之间是如何进行通讯和连接的。

主控/存储模块(Master/Memory)

主控/存储模块具有集中控制和数据存储两大功能，作为主控制模块它执行并控制着OnTrak接头内的各项任务。主控/存储模块中有8块存储器(Flash Memory IC)，总容量为32M，其中存储着各种数据信息，承担着OnTrak接头数据存储的任务。

从上面的功能框图(Functional Block Diagram OnTrak Master/Memory Board)可以看到，I/O1039(Adam总线)主要负责OnTrak系统中各模块之间的内部通讯，如主控/存储集成电路PCBA(Printed Circuit Board Assembly)，压力/伽马PCBA，多频传播电阻率(MPR)接收器PCBA，低压供电(LVPS)模块，及导向探头微控制器PCBA(Directional Sonde Microcontroller PCBA)等。高可靠性的调制解调器(modem)可以为内部数据通讯提供高达9600波特的传输速率。实时时钟RTC(Real Time Clock)电路为存储器中的每个传感器数据包都分配了一个时间戳。在泥浆停止循环的情况下，RTC电路改由备用电池供电以保证继续正常工作。

此外，以太控制器(Ethernet Controller)还能通过数据导出接口(Dump Port)在一分多钟时间里将32M数据全部转储出来。

定向探头(Directional)

OnTrak定向探头的主要组件包括三个加速度计和三个磁通门传感器，核心驱动模块(core drivers)，定向微处理器(directional micro processor)，定向供电模块(directional power supply board)等。在探头两端分别有一个对中器，除了对中器(centralizers)以外，各种不同尺寸接头的定向探头结构都是一样的。上部对中器(upper centralizer)上有一个电源和通讯接口与钻铤相连。定向探头结构如下所示。

由于M33总线需要穿过定向探头将来自BCPM的电力供应给OnTrak以及OnTrak下部的其他接头(如导向模块)，因此，在将来自加速度计，磁通门传感器，温度传感器的模拟信号以及M33总线的电流信号数字化后，还需要考虑温度、增益、信号补偿、信号失调和信号畸变的影响对上述测量信号进行校正。M33总线中的电流信号经测量，放大后转换成差分模拟电压(a differential analog voltage)；所测得的的电流信号可以用于磁通门传感器的误差校正(磁通门传感器读数会受到M33总线中电流的干扰)。

下表给出了计算导向钻井过程中各参数所需要的测量数据。

表1 定向参数计算所需测量数据

定向参数	测量数据
井斜	Gx, Gy, Gz
方位	Gx, Gy, Gz, Hx, Hy, Hz
磁工具面	Gx, Gy, Hx, Hy, Hz
重力工具面	Gx, Gy
磁倾角	Gx, Gy, Gz, Hx, Hy, Hz
总磁场强度	Hx, Hy, Hz
轴向磁场强度	Hz
旋转井斜(Rotating Inclination)	Gz
旋转方位(Rotating Azimuth)	Gx, Gy, Gz, Hx, Hy, Hz

注意：OnTrak定向测井为动态测井方式(a Flow on survey)！

定向系统在已有技术的基础上，通过改进硬件和软件系统提升了近20%的定向测量精度。与前期产品相比，方位测量的精度更是提升了50%。

表2 定向测量范围和精度

定向参数	测量范围	测量精度(低于150℃)	测量精度(高于150℃)
井斜，探头(Inclination, Probe)	0°- 180°	±0.075°	±0.075°
井斜，系统(Inclination, System)	0°- 180°	±0.1°	±0.1°
方位，探头(Inclination, Probe)	0°- 360°	±0.6°	±0.6°
方位，系统(Inclination, System)	0°- 360°	±1.0°	±1.0°
旋转方位(Azimuth Rotating)	0°- 360°	TBD(To Be Determined)	TBD
参考工具面(磁)	0°- 360°	±1.5°	±1.5°
参考工具面(重力)	0°- 360°	±1.5°	±1.5°
总磁场强度	0-100000 gamma	±100	±100
磁倾角	-90°- 90°	±0.2°	±0.2°
重力场强度	0 - 4000 mG	±2.0	±2.0

振动与粘滑(VSS)

定向探头还负责OnTrak中振动和粘滑的计算。定向探头首先计算出G_RMS中发生的振动，然后根据振动级别参考表(vibration criteria reference chart)对计算值进行评级。为了计算OnTrak的粘滑值，需要分别在最低，最高和平均转速工况下对OnTrak接头进行测试，然后计算出S1和S2值，这样就可以确定出OnTrak的粘滑等级。(In order to determine stick slip data a minimum, maximum and average RPM is calculated. With the calculation of S1 and S2 values the stick slip severity level is determined.)

表3 振动测量范围，精度与分辨率

测试参数	范围	精度	分辨率
侧向(X&Y)振动	-10G - 10G	±15%	24 mG
轴向(Z)振动	-10G - 10G	±15%	24 mG

电阻率

OnTrak平台使用了在MPR & USMPR接头中得到成功应用的多频传播电阻率(MPR)技术，它采用了补偿式两频谱(2 MHz & 400 KHz)四发射器两接收器结构，总共能够提供8个定量的电阻率数据。每个发射器开启0.625s，使得MPR每5s更新一次。其数字电路设计与USMPR接头相同，发射器和接收器PCBA均为Q-Pack设计，安装在双层盖板下方。

新型天线技术(采用单绕式而非双绕式)降低了系统噪音，并消除了接收器间的串扰，从而使得电阻率的测量精度提高了15%。

伽马

OnTrak伽马包将晶体(Crystal)，光电倍增管PMT(Photo-Multiplier Tube)，前置放大器(Pre-amp)及高压供电HVPS(High Voltage Power Supply)子模块都集成到了一起，这样减少了各模块之间的连接部件，提高了接头的可靠性。这种设计还降低了Crystal/PMT发生分离和失调的风险(de-bonding and alignment problems)。两个伽马传感器分别被安装在两个盖板下，相互隔开180°，这样可以同时使用这两个传感器进行双伽马测量。向井下看去，1号伽马传感器在划片槽左边90°的地方。

HVPS的输出由压力/伽马PCBA控制。

在100 API，60ft/hr (ROP)和1ft地层厚度(1 ft sample)的情况下，自然伽马的测量精度为±2.5 API。这比目前使用的其他传感器接头说明书中所标示的精度提高了17%。

注意：在4-3/4” OnTrak中HVPS从Crystal，PMT和Pre-amp中分离了出来。

压力

井眼和环空压力传感器与电阻温度装置RTD(Resistance Temperature Device)一起安装在同一个盖板下，这个盖板可以在现场进行更换，先卸下盖板上的8个螺钉后更换盖板，然后把每个螺钉用50 ft-lbs的力矩打紧。需要注意的是，当每次更换新的盖板后，都需要将其标定系数(calibration coefficients)重新输入到压力/伽马PCBA(P/G PCBA)当中。

当停止循环泥浆时(此时接头内的交流发电机不工作)，P/G PCBA与压力传感器由电池驱动，此时静压(井眼及环空压力)每2s记录一次。

表4 压力传感器测量范围，精度与分辨率

测试参数	范围	精度	分辨率
井眼压力	0-25,000 psi	±0.25% FS (62.5 psi)	5psi
环空压力	0-25,000 psi	±0.25% FS (62.5 psi)	5psi
温度	0 - 200°C	±1.0°C	0.5°C

电池

电池盖板中有一块双C系列氯化锂/亚硫酰二氯电池(MR型，不会发生膨胀)，该电池长约103mm，直径为21mm。安装完成后，可以为P/G PCBA提供7.34V的交流电。电池盖板可根据需要在钻台现场进行更换。

当停止循环泥浆时，电池将为P/G PCBA供电以测量井眼与环空中的压力。

注意：当停止循环泥浆时，OnTrak只测量井眼和环空的压力，不提供测井和伽马测量功能。

电池寿命

在停止循环泥浆的状态下，对于常规的压力/伽马控制模块(10068121，conventional Pressure Gamma board)，电池的寿命为38-50h(2005年9月前所使用的电池寿命为72h)。

在停止循环泥浆的状态下，对于高级伽马压力/伽马控制模块(10068121，Gamma Elite Pressure Gamma boards)，电池的寿命为175-180h。由于电路有所差异，它们需要的电流要更小。

接头通讯接口(数据导出接口)(Tool Communications Port, Data Dump Port)

这个接口允许用户进行数据导出，与接头进行通讯，并可利用接头通讯系统TCS(Tool Communication System)对接头进行诊断。

接口使用TXD & RXD线与以太系统进行通讯(Ethernet Communications，TP拓扑网络采用双绞线进行通讯，两根用于差分发送，两根用于差分接收)。

或者，也可以通过M33或I/O1039总线进行通讯。

OnTrak锥形滑套扶正器(TSS)

OnTrak TSS可以保护OnTrak传感器接头，尤其是电阻率天线在钻遇较硬研磨性地层时免受磨损和拉伤伤害。由于它只是起到防磨的作用，因此TSS比其他正规的井下扶正器的尺寸要小得多。TSS扶正器外径尺寸如下(适用于各种井眼)：

• 6-3/4" OnTrak传感器接头 8-1/4" OD
• 8-1/4" OnTrak传感器接头 10-5/8" OD
• 9-1/2" OnTrak传感器接头 11-1/2" OD

在TSS上有一个卡瓦和螺钉，卡瓦处外径较小，处于上部发射器的上方。当扶正器受到扭曲(torqued)时，锥形化的外形使得在扶正器上产生一个径向的力矩，这个力矩使得卡瓦越来越紧，从而维持住扶正器的位置保持不变。这是一种全新的设计方式，与泥浆马达的挤入式扶正器的设计理念截然不同。

第一次安装TSS时需要对传感器接头进行微小的加工，因此在安装TSS时需要事先进行详细的计算。R&M手册“TSS拆装”(文件编号：COMMON-10-0702-001)部分有关于TSS的更加详细的信息。该手册可通过TechPubs搜索得到。