摘要
岩心填充率自动监测系统的研制是用以填补取心过程中缺少取心状态监测的不足。岩心填充率自动监测系统由主控制器、预留温度压力监测模块、霍尔传感器模块、数据储存模块、串口调试模块组成，其中实现取心状态监测的原理是基于霍尔效应。该系统可监测的取心速度范围为：0~30 mm/s，监测精度约为1%，系统选用STM32系列单片机、大容量存储器、高速USB接口等器件或模块，具备在线调试、编程、升级功能。采用研制的样机进行了海上试验，结果表明该系统可在水深3000 m的环境下（0~35 MPa的孔底压力）自动监测岩心贯入岩心管的过程，可为深海取样现场取样器类型的选择和取样器工作参数优化提供理论指导，具有广阔的应用前景。
海洋深水区是世界油气资源和多金属矿产资源的重要战略接替区。例如，南海深水中富藏大量天然气水合物，其分布范围广泛、储量丰富、能量密度大、清洁高效，被认为是极有可能成为未来最有远景的新型能源，引起了世界各国的广泛关
“岩心填充率”反映贯入器的工作状态，用以检验贯入器是否按预设指标完成任务或实际完成的情况。取样器内部岩心填充率监测难度很大，国内外都没有相关的研究经验可供借鉴。取样器内部岩心填充率监测系统的难度主要集中在直线大位移参数上，受3方面的影响：
（1）传感器自身尺寸和使用环境的影响；
（2）传感器安装的空间受限，主要是径向尺寸的严格制约，轴向尺寸也受限；
（3）高压、腐蚀、振动、高载荷的工作环境。
针对冲击器式保压取样器、旋转式保压取样器两种贯入装置，采用特制霍尔位移传感器监测岩心贯入岩心管内部的进程。上述数据以连续或分段的数值存入监测仪的存储器中，贯入装置提出井筒后，通过读卡器将存储数据导入计算机。
岩心填充率自动监测系统由保护筒和监测装置组成，监测装置置于保护筒内。其中保护筒（如
图1 保护筒实物
Fig.1 Picture of protective cylinder
监测装置由主板、霍尔电路、温度传感器和电池组成。该装置由容量12580 mWh、额定电压3.7 V的电池供电，可在正常工况下工作48 h。使用时将该装置置于带有磁钢的衬管内，当有磁场经过霍尔元件时便会产生电信号，电信号通过霍尔电路传递给主板，并经主板处理后形成进尺数据储存在主板上的SD卡中，电路原理如
图2 电路原理
Fig.2 Circuit schematic diagram
采用一体式监测方案，将永磁体以垂直距离50 mm间隔，螺旋均布在的特定规格无磁衬管上，装载有霍尔组件的保护筒规格为，保护筒与无磁衬管之间形成轴向滑动配合既可保证贯入过程中的流体可以顺利通过无磁衬管又可平衡深海环境下的压差。通过径向相互约束来固定霍尔接近开关和永磁体的相对位置从而满足霍尔位移传感器的要求。监测系统样机内部见
图3 监测系统样机模型
Fig.3 Prototype of the monitoring system
岩心填充率监测电路方案设计要综合考虑环境和所需的测量精确度，本着安全性、可靠性、先进性的原则选择，其中包括MCU的确定、传感器的选型、检测方法的选择。方案设计完成后，要能实现监测数据的获取和存储，以及最终的可视化要求。
该系统主要由主控制器、预留温度压力监测模块、霍尔传感器模块、数据储存模块、串口调试模块组成。其具体功能实现方案见
图4 系统功能和结构组成设计
Fig.4 System function and structure composition design
位移检测功能的实现主要依靠于霍尔元器件DH627，它是根据霍尔效应所制作的一种半导体薄片传感器，结构简单、体积小，对磁场变化敏感，有较宽的频率响应，输出电压变化大，且使用寿命长。物理结构类似于普通的三极管，拥有3个管脚。霍尔效应是指当半导体薄片两端通过恒定的电流，并使其垂直方向处施加均勾的磁场，则在垂直于电流和磁场方向上会产生霍尔电压。
霍尔元器件为开关型霍尔传感器DH627，在通过管道内部均匀排列的磁铁时，产生磁场变化进而进行计数。在具体设计时为减小误差，将霍尔传感器电路分为上下两层，根据信号的获取和分析，以及对状态位的设置来获取具体的位移。
DS18B20是由DALLAS半导体公司推出的一种“一线总线”接口的温度传感器。与传统的热敏电阻等测温元件相比，它是一种新型的体积小、适用电压宽、与微处理器接口简单的数字化温度传感器。一线总线结构具有简洁且经济的特点，可使用户轻松地组建传感器网络，从而为测量系统的构建引入全新概念，测量温度范围为-55~+125 ℃，精度为±0.5 ℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。工作电压3~5.5 V，采用多种封装形式，从而使系统设计灵活、方便，设定分辨率及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。
DS18B20的典型温度读取过程为：复位→发SKIP ROM命令（0XCC）→发开始转换命令（0X44）→延时→复位→发送SKIP ROM命令（0XCC）→发读存储器命令（0XBE）→连续读出两个字节数据（即温度）→结束。
由于应用场景的限制和数据传输方式的要求，选用SD存储和读卡器读取的方式（见
图5 储存电路
Fig.5 Circuit storage
图6 SD卡接口电路
Fig.6 SD card interface circuit diagram
设计的开发板集成标准的SD卡接口，使用STM32F4的SDIO接口驱动，4位模式，最高通信速度可达48 MHz（分频器旁路时），最高传输速度可达24 Mb/s。使用FATFS管理SD卡，实现SD卡文件的读写等基本功能。将FATFS的协议集成到系统开发中，实现文件的创建、存储、查看和修改。通过SD卡设置开机时间等控制运行时间和实时时间的获取和存储。
岩心填充率自动监测系统样机加工完成后，共计3次搭乘中海油“708”船在南海海域进行了8回次海上试验，如
图7 取样试验
Fig.7 Sampling tests
首先对PC衬管、钛合金衬管进行加工，以5 cm的间距螺旋布置磁钢。然后在岩心管上接头侧面的通孔处悬挂牵引绳，另一端穿过单向阀与样机相连。将加工好的PC衬管放入岩心管中，上端与岩心管上接头相连，下端坐落在岩心管内部的台阶处。完成钻具组装后，开始钻进，记录下投放、下落至井底、解卡、开泵、完成钻进、开始打捞、岩心管出井口的时间点和钻进参数，并形成试验记录表。
在第1回次试验，由于加工保护筒时刀具偏心对保护筒的耐压强度产生了较大影响，以至于在投入海底时保护筒被压裂。在第2和第4回次试验中，由于泥样不成形导致在提钻过程中，岩心掉落。第3、5、7回次试验分别准确记录了最终的岩心长度以及在取样过程中岩心的进入与掉落情况。综合多次的试验数据及实际情况，证明了监测系统在岩心管内监测岩心填充率的可靠性和数据读取的准确性。试验记录表见
| 回次编号 | 钻杆总长/m | 钻进深度/m | 监测系统读数 | 岩心 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 进尺/m | 退尺/m | 编号 | 长度/m | |||
| 01 | 60.2 | 1.5 | 0 | 0 | 01 | 0 |
| 02 | 620 | 1.5 | 0.45 | 0.45 | 001 | 0 |
| 03 | 620 | 1.5 | 0.8 | 0.4 | 002 | 0.4 |
| 04 | 620 | 1.5 | 1.2 | 1.2 | 003 | 0 |
| 05 | 620 | 1.5 | 1.5 | 0 | 004 | 1.5 |
| 06 | 627 | 3 | 0.9 | 0.2 | 005 | 0.7 |
| 07 | 1325 | 3 | 1.8 | 0 | 0001 | 1.8 |
图8 系统实时位移数据记录
Fig.8 Real‑time displacement data record
岩心填充率自动监测系统在海上试验中展现了多项优点和面临的挑战，同时也揭示了未来的改进方向。
首先，该系统的优点主要包括：
（1）其高度的自动化能力，能够连续监测取心速度0~30 mm/s的取心进程，并且具备数据存储、处理与传输的能力。
（2）通过使用霍尔效应和特制的霍尔位移传感器，系统能够精确地测量岩心的位置，监测精度约为1%，从而实时监控岩心填充率。
（3）系统选用STM32单片机，使其能够在深海高压环境下长时间稳定工作。
然而，在海试中也暴露出一些问题。例如泥样不成形问题也在提钻过程中导致了岩心掉落的情况。这些问题的出现提示我们在材料选择、结构设计和取样工艺上还有待优化。
针对以上问题，计划进一步实时收集现场实验数据以优化软件的性能。同时，也将探索无线通信技术的应用，以提高数据传输的及时性和准确性。这些改进措施旨在使岩心填充率自动监测系统更加稳定、准确，为深水钻探提供更有效的技术支撑。
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