Sonda karotażowa na STM32F401 dla odwiertów

Uniwersalna sonda do karotażu odwiertów oparta na STM32F401

STM32F401 na płytce Black Pill został wybrany jako podstawa sondy do karotażu odwiertów wodnych. Częstotliwość 84 MHz, Cortex-M4 z FPU zapewniają szybkie przetwarzanie operacji zmiennoprzecinkowych dla filtrów. Pamięć RAM 64 KB, Flash 256 KB wystarcza do zadań. Trzy liczniki, trzy USART, I2C i OneWire — kluczowe interfejsy. Wymiary płytki mieszczą się w obudowie ze stali nierdzewnej Ø38 mm (wewn. Ø32 mm) dla odwiertów z rurą okładzinową od 114 mm.

Rozmieszczenie pinów:

• PA4: wejście rezystywimetru
• PB3: wejście licznika gamma (przerwanie na zboczu)
• PB10: zasilanie rezystywimetru
• PB7–PB4: sterowanie multiplekserem dla generatora KS
• PB8 (SCL), PB9 (SDA): I2C dla czujników
• PA2/PA3: UART2 dla UKZ
• PA9/PA10: UART1 dla kawernometru
• PA8: OneWire dla termometru
• PA11/PA12: USB debugowanie

Obudowa ogranicza rozmiar, co komplikuje integrację.

Metody karotażu i ich realizacja

Sonda łączy karotaż gamma (KG), karotaż elektryczny (KS), rezystywimetrię (RM), termometrię, kawernometrię i magnetometrię. Dane są rejestrowane względem głębokości opuszczania z filtracją szumów i przesyłane na PC w czasie rzeczywistym.

Karotaż gamma na SiPM (krzemowy fotopowielacz): impulsy przez przerwania na PB3. SiPM jest lepszy od FOTOPOWIELACZA — nie wymaga wysokiego napięcia, jest kompaktowy, niezawodny.

Karotaż elektryczny (KS): generacja sygnału 70 Hz przez multiplekser (PB7–PB4). Pomiar spadku napięcia na elektrodach prądowych (A/B) i pomiarowych (M/N). Metoda na prądowych wykrywa rozszczelnienie kolumny okładzinowej (szczyty na diagramach) i cienkie warstwy (glina 0,5 m w wapieniu). Szybka reakcja bez utraty dokładności dla hydrogeologii.

Rezystywimetria (RM): działa w przerwach KS (300 ms z cyklu 1 s). Wejście PA4, zasilanie PB10. Wykrywa strefy filtracji (np. od 60–80 m w kolumnie Ø219 mm).

Termometria: DS18B20 przez OneWire (PA8), odczyt 1 Hz, rozdzielczość 0,01°C. Rejestruje strefy aktywnej filtracji.

Synchronizacja i zapis danych

Cykl: 700 ms — KS (generacja + pomiar), 300 ms — RM. Głębokość opuszczania jest synchronizowana dla wszystkich kanałów. Gamma przez przerwania, termometr okresowo. Dane z filtrami szumów przesyłane są na rejestrator i PC.

Przykładowe wyniki:

• RM: anomalia od 80 m (otwarty otwór), kolumna filtracyjna 60–80 m.
• KS (niebieska linia): szczyty wskazują dziury/otwory w kolumnie okładzinowej.

Co ważne:

• STM32F401 równoważy wydajność i rozmiar dla kompaktowych sond.
• Połączony KS/RM w jednym cyklu upraszcza przypisanie do głębokości.
• SiPM dla KG minimalizuje gabaryty i ryzyka.
• Pomiar na elektrodach prądowych przyspiesza wykrywanie warstw i defektów kolumny.
• Rejestracja w czasie rzeczywistym z filtrami redukuje postprocessing.

Perspektywy rozwoju

Integracja kawernometru (UART1), UKZ (UART2), karotażu wideo odłożona z powodu rozmiarów. Magnetometr rejestruje filtry i rury. Obróbka tokarska dla elektrod, kalibracja czujników — kluczowe etapy. Błędy z obudową wymagały iteracji.

— Editorial Team