綜合錄井儀通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制及應(yīng)用

馬呈芳

（中國石化勝利油田石油管理局地質(zhì)錄井公司，山東東營 257064）

綜合錄井儀通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制及應(yīng)用

馬呈芳

（中國石化勝利油田石油管理局地質(zhì)錄井公司，山東東營 257064）

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是綜合錄井儀的核心部分，在隨鉆過程中，可連續(xù)采集地質(zhì)、氣測和鉆井工程等信息，并可對各參數(shù)信息進(jìn)行綜合分析、加工和處理，以達(dá)到安全井控、有效識別并保護(hù)油氣層的目的。但綜合錄井儀型號多、規(guī)格不統(tǒng)一，不同型號儀器相互不兼容，在硬件匹配和格式標(biāo)準(zhǔn)上問題尤為突出。為規(guī)范數(shù)據(jù)采集，滿足標(biāo)準(zhǔn)化的需求，研制了綜合錄井儀通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在多個油田探區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用，取得了很好的效果。

綜合錄井儀；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；格式標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)據(jù)規(guī)范

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是綜合錄井儀的核心部分，它可采集地質(zhì)、氣測和鉆井工程的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)采集及處理需要綜合錄井儀通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來完成，但不同品牌的綜合錄井儀在功能大致相同的同時，數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸和數(shù)據(jù)類型差異較大，不同硬件需要相應(yīng)的軟件支持，這不僅造成綜合錄井儀使用繁雜，各種儀器互不兼容，還導(dǎo)致培訓(xùn)難度大、服務(wù)成本高等問題。為此，提出并研制了綜合錄井儀通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)由采集硬件和傳輸軟件兩部分組成，包括信號調(diào)理單元和數(shù)據(jù)采集計算機(jī)系統(tǒng)兩部分［1］。信號調(diào)理單元主要作用是信號預(yù)處理；數(shù)據(jù)采集計算機(jī)屬于上位采集計算機(jī)，安裝有數(shù)據(jù)通用采集器。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)井場多個傳感器信號源信息的自動采集、處理，并按照一定的通訊方式，通過數(shù)據(jù)采集軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，該系統(tǒng)能夠與國內(nèi)外多種綜合錄井儀器配套。

1.1 硬件設(shè)計

近年來，國內(nèi)外主流綜合錄井儀軟硬件設(shè)計呈現(xiàn)數(shù)據(jù)采集工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展趨勢和設(shè)計思想。在數(shù)據(jù)源方面，錄井現(xiàn)場傳感器普遍采用用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4～20 m A電流型傳感器和脈沖頻率傳感器。因此，通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件單元研制應(yīng)在傳感器的電性匹配、信號調(diào)理電路設(shè)計方面，實(shí)現(xiàn)簡單化和通用化。基本設(shè)計思路是規(guī)范信號的輸入、輸出特性，研制調(diào)理電路，開發(fā)出信號調(diào)理的硬件“黑匣子”。

1.1.1 4～20 m A直流信號調(diào)理

4～20 m A信號傳感器包括立壓、套壓、大鉤負(fù)荷、硫化氫以及鉆井液類傳感器。信號調(diào)理流程是直流信號經(jīng)過信號安全隔離、去噪聲、整形處理、信號通訊輸出、信號斷路指示以及信號防爆安全隔離等功能。

1.1.2 脈沖信號調(diào)理［2］

脈沖信號傳感器包括絞車傳感器、泵沖傳感器和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速傳感器。泵沖、轉(zhuǎn)盤傳感器信號調(diào)理是對脈沖信號去噪、施密特整形、信號短路指示以及信號防爆安全隔離等功能。絞車傳感器信號調(diào)理是信號去噪、施密特整形、信號鑒相、信號輸出、信號斷路指示等和信號防爆安全隔離等功能。

1.2 軟件設(shè)計［3］

目前大部分錄井儀通過采集卡來采集傳感器信號，一般配置有專用的采集軟件，信號要經(jīng)過軟件標(biāo)定處理后，將信息按照內(nèi)部固定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議格式傳輸給網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享。通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件單元的研發(fā)首先要對目前在用錄井軟件進(jìn)行解析。同樣，研制者對在國際上占有主導(dǎo)地位的Advantage和ALS錄井儀的軟件進(jìn)行了解析。

Advantage錄井儀軟件采用的是TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及UDP協(xié)議相結(jié)合的方式。IDAQ公控機(jī)上安裝IDAQ軟件，完成MKS信號的采集和向服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)功能。通過分析上萬組IDAQ軟件傳輸數(shù)據(jù)，并編制多個測試軟件進(jìn)行驗(yàn)證，最終獲得了Advantage儀器傳感器數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享格式。TCP／IP 通訊協(xié)議數(shù)據(jù)通訊一般包括兩個技術(shù)環(huán)節(jié)，即建立連接和數(shù)據(jù)傳輸共享，IDAQ數(shù)據(jù)采集軟件向服務(wù)器發(fā)出TCP／IP連接請求指令，雙方通過身份認(rèn)證建立IDAQ軟件及服務(wù)器之間的TCP／IP連接，并通過應(yīng)答式的數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的發(fā)送。

ALS系列儀器工程數(shù)據(jù)通訊流程是：首先需要獲取通訊雙向信息流，并通過大量的實(shí)驗(yàn)對信息進(jìn)行通訊指令和通訊數(shù)據(jù)的劃分；其次進(jìn)行通訊指令與通訊數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系確定；最后通過實(shí)驗(yàn)測試的方法解析通訊數(shù)據(jù)的組成和正確含義。

通過對上述兩種先進(jìn)錄井儀軟件技術(shù)的解析，研制開發(fā)了工程數(shù)據(jù)采集軟件，一方面完成對硬件單元的信號讀取，一方面在完成必要的計算后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)戒浘浖校瑢?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。該軟件模塊主要由系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)顯示模塊、傳感器信號采集模塊、信號標(biāo)定模塊和數(shù)據(jù)共享傳輸模塊5部分組成。

系統(tǒng)初始化模塊主要完成用戶對通訊卡和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，數(shù)據(jù)顯示模塊實(shí)時顯示采集傳感器信號的變化，傳感器信號采集模塊完成對信號采集板卡原始信號的實(shí)時讀取，信號標(biāo)定模塊完成采集電信號與對應(yīng)物理量間的變化關(guān)系（即傳感器標(biāo)定），數(shù)據(jù)共享傳輸模塊完成以匹配的通訊協(xié)議向上位采集計算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。

1.2.1 傳感器參數(shù)讀取

采集計算機(jī)中配有中泰PCI-8325和PCI-8503通訊卡，完成對數(shù)據(jù)采集單元調(diào)理數(shù)據(jù)的讀取。硬件單元提供了PCI總線插槽的PC系列微機(jī)，具有即插即用功能。PCI-8325采用三總線光電隔離技術(shù)，使被測量信號系統(tǒng)與計算機(jī)之間完全電氣隔離。

1.2.2 傳感器信號標(biāo)定

在讀取中泰PCI-8325和PCI-8503兩種板卡采集信號后，需要對數(shù)據(jù)采集通道進(jìn)行選擇，使通道跟傳感器信號進(jìn)行一一對應(yīng)，完成信號的初始計算。

1.2.3 數(shù)據(jù)共享

用戶設(shè)置軟件所應(yīng)用的儀器類型及傳輸方法，進(jìn)一步完成參數(shù)的傳輸。數(shù)據(jù)傳輸格式大體有兩種，一是特殊格式傳輸，即針對特殊儀器，能夠應(yīng)用于3種主流綜合錄井儀，包括Advantage、ALS系列及SL-EXPLORER儀器。二是通用的WITS格式數(shù)據(jù)傳輸，能夠接收 WITS格式的儀器傳輸數(shù)據(jù)。基本上適應(yīng)于現(xiàn)在在用的各種綜合錄井儀。傳輸方式有串口和網(wǎng)絡(luò)兩種。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)錄井儀器安裝的整體結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集的自身特點(diǎn)，該單元的整體包容在一個3U的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱體內(nèi)。在箱體內(nèi)部，主要有DC電源、4～20 m A直流信號調(diào)理電路板、脈沖信號調(diào)理板、母板、防爆本質(zhì)安全隔離柵等。

2 應(yīng)用效果

通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、抗干擾和通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠與國內(nèi)外多種儀器匹配使用，確保對油氣顯示的檢測，可使錄井資料準(zhǔn)確、圖幅規(guī)范，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并能準(zhǔn)確監(jiān)控鉆況情況和進(jìn)行工程事故預(yù)報。

通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在充分試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，已經(jīng)推向了市場，應(yīng)用在SL-Advantage、ALS-2、SL-EXPLORER、ZH—2等型號的綜合錄井儀器上，并在勝利、新疆油田和南方、東北等探區(qū)完成了幾十口井的錄井服務(wù)。應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，完全適應(yīng)現(xiàn)場錄井要求，具有良好的應(yīng)用前景。

2.1 H2S監(jiān)測應(yīng)用

例1：某年某月某日12：08某井鉆至井深2 663.51 m時，發(fā)現(xiàn)H2S由0緩慢升高，至12：21鉆至井深2 663.66 m時，H2S最高值達(dá)19.64μg／m L，后緩慢下降，在12：28井深2 663.70 m時，H2S值緩慢下降到基值0，持續(xù)20 min（圖1）。

圖1 某井H 2 S氣體檢測實(shí)時曲線

例2：某年某月某日，某井下鉆取心鉆至6 877.60 m，H2S由0上升至26μg／m L，最高達(dá)到45μg／m L，已超過規(guī)定的高濃度限定。值班人員馬上發(fā)出警報并采取了必要的防范措施，累計循環(huán)達(dá)130 min，防止了事態(tài)的盡一步擴(kuò)大。

2.2 扭矩參數(shù)檢測應(yīng)用

例1：某年某月某日，某井側(cè)鉆使用三牙輪鉆頭鉆進(jìn)至井深3 188.12 m時，扭矩在基值基礎(chǔ)上擺幅增大（圖2），由19 k N·m上升至21.5 k N·m，并且在繼續(xù)鉆進(jìn)過程中曲線毛刺明顯增多，最高達(dá)22.9 k N·m，初步判斷為井下鉆頭牙輪礦動、軸承卡死或牙齒斷落等嚴(yán)重情況的發(fā)生，實(shí)際結(jié)果為牙輪嚴(yán)重礦動。

圖2 某井扭矩異常

2.3 鉆具刺漏預(yù)報

刺漏事故常在泥漿高壓循環(huán)系統(tǒng)中發(fā)生，鉆具刺漏的結(jié)果往往會造成鉆具落井事故，泥漿泵刺漏會直接損壞設(shè)備，影響鉆頭水馬力。如何及時發(fā)現(xiàn)和避免刺漏的進(jìn)一步發(fā)生和發(fā)展尤為重要，綜合分析泵沖、泵壓的變化情況，可準(zhǔn)確判定鉆具的刺漏情況。

某年某月某日，某井鉆至26 568.5 m時，3：20至4：00之間，泵壓由5.2 MPa緩降至4.3 MPa，判斷鉆具刺漏并請求起鉆檢查，起鉆后發(fā)現(xiàn)173號鉆桿刺漏，刺峰長度8 mm。

3 結(jié)束語

綜合錄井儀通用采集系統(tǒng)設(shè)計與研制從實(shí)際生產(chǎn)出發(fā)，在統(tǒng)計分析了主流儀器的工程采集模塊的基礎(chǔ)上，提出并開展了采集系統(tǒng)的通用性研究，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。隨著國內(nèi)市場進(jìn)口綜合錄井儀服役時間的延長，儀器逐漸進(jìn)入故障多發(fā)期，而該成果能夠?qū)崿F(xiàn)硬件技術(shù)配套，從而解決儀器故障維修和技術(shù)改造的現(xiàn)實(shí)問題，大大地降低了儀器整體運(yùn)行費(fèi)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ 戴永壽，馬西庚，張衛(wèi).基于現(xiàn)場總線的生產(chǎn)井錄井儀及其專家系統(tǒng)［J］.儀器儀表學(xué)報，2004，25（1）：5-9.

［2］ 柯濤，汪源.脈沖計數(shù)面板設(shè)計［J］.石油儀器，2001，15（5）：26-29.

［3］ 黎洪生，趙兆，陳斌，等.基于DSP和PCI總線的數(shù)據(jù)采集處理卡［J］.電子產(chǎn)品世界，2003，（3）：76-80.

TE132

A

1673-8217（2011）06-0049-03

2011-06-07；改回日期：2011-07-28

馬呈芳，1970年出生，1995年畢業(yè)于西南石油學(xué)院檢測技術(shù)及儀器儀表專業(yè)，現(xiàn)從事地質(zhì)錄井技術(shù)工作。

劉洪樹