基于可編程處理器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集在石油鉆井測(cè)斜中的研究及設(shè)計(jì)

王淑香

（內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070）

基于可編程處理器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集在石油鉆井測(cè)斜中的研究及設(shè)計(jì)

王淑香

（內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070）

針對(duì)石油鉆井復(fù)雜的工作環(huán)境，以及測(cè)量計(jì)算對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性的要求，設(shè)計(jì)了基于可編程處理器的高速、多通道、可編程數(shù)據(jù)采集單元，實(shí)現(xiàn)了多傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集.同時(shí)通過(guò)上位機(jī)的處理，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示。給出了采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，以及各分立數(shù)據(jù)傳感單元的設(shè)計(jì)方案.現(xiàn)場(chǎng)下井實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該數(shù)據(jù)采集及通訊單元工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確，達(dá)到了預(yù)期的基本要求.

油井測(cè)斜；可編程處理器；數(shù)據(jù)采集

測(cè)斜儀是一種井眼軌跡測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)沿被測(cè)井眼井筒的運(yùn)行測(cè)量被測(cè)井眼不同深度處的井斜、方位信息，結(jié)合深度信息可達(dá)到監(jiān)測(cè)和繪制井眼軌跡的目的，從而提供有效的井眼軌跡工程參數(shù).其應(yīng)用領(lǐng)域包括石油勘探開發(fā)測(cè)井、水工環(huán)測(cè)井、固體礦產(chǎn)測(cè)井等[1,4].

其中陀螺測(cè)斜儀是石油鉆井測(cè)斜的主要手段，陀螺測(cè)斜儀是利用陀螺測(cè)量?jī)x器的角速度，加速度計(jì)測(cè)量?jī)x器的加速度分量，通過(guò)導(dǎo)航解算得到儀器運(yùn)動(dòng)軌跡，即井眼軌跡.與傳統(tǒng)測(cè)斜儀相比，陀螺測(cè)斜儀能夠在有磁場(chǎng)干擾的情況下進(jìn)行井眼軌跡有關(guān)參數(shù)的測(cè)量，可以有效的提高油井測(cè)斜系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性.

陀螺測(cè)斜儀在導(dǎo)航解算的過(guò)程中，需要原始數(shù)據(jù)必須具有準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、等特點(diǎn)[2]，這是獲得精確井眼軌跡的關(guān)鍵技術(shù)之一.因此這就決定了在油井工作的各個(gè)傳感器必須能夠?qū)⑺鶞y(cè)到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時(shí)地上傳到地面信息采集設(shè)備即上位機(jī).可編程處理器不僅處理速度快[3]，同時(shí)具有大量的硬核、軟核資源，適用于大量數(shù)據(jù)運(yùn)算.基于其優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于可編程處理器的高速、多通道數(shù)據(jù)采集單元.

1 數(shù)據(jù)采集單元總體設(shè)計(jì)

陀螺測(cè)斜儀的信息采集單元分為井下和地面兩個(gè)部分.井下部分包括三只陀螺、三只加速度計(jì)及相應(yīng)的六路溫度傳感器和井下供電電源.因此井下數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)對(duì)這些信息進(jìn)行采集，同時(shí)把采集到的信息通過(guò)測(cè)井專用的鎧裝電纜傳送到地面采集單元.地面部分包括電纜長(zhǎng)度傳感器和地面供電電源.因此地面采集單元的主要任務(wù)是采集電纜長(zhǎng)度信息和地面系統(tǒng)供電系統(tǒng)信息，同時(shí)接收井下儀器上傳的采集數(shù)據(jù)；地面采集單元另一個(gè)任務(wù)是要把所有采集到的數(shù)據(jù)送入上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示.

基于以上分析，設(shè)計(jì)了陀螺測(cè)斜儀的數(shù)據(jù)采集單元如圖1所示的.由于可編程處理器具有通過(guò)編寫邏輯代碼靈活實(shí)現(xiàn)電路的優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)采集單元硬件設(shè)計(jì)時(shí)，采用其作為核心部件并進(jìn)行外圍電路設(shè)計(jì).以硬核和軟核為基礎(chǔ)編寫處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算，同時(shí)使用Verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì)編寫接口電路.

圖1 數(shù)據(jù)采集單元組成框圖

儀器工作流程為：井下可編程處理器采集陀螺、加表、溫度傳感器以及井下電源信息，并把所采集到的數(shù)據(jù)按照約定的幀格式進(jìn)行打包、編碼后傳到地面控制系統(tǒng)；地面控制系統(tǒng)的可編程處理器接收并解調(diào)井下儀器上傳的數(shù)據(jù)并送入上位機(jī)，同時(shí)將采集的纜長(zhǎng)數(shù)據(jù)送入上位機(jī)；上位機(jī)對(duì)接收來(lái)的各種數(shù)據(jù)并處理進(jìn)行顯示.

2 井下儀器數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

陀螺和加表的信息測(cè)量不僅數(shù)據(jù)量大，同時(shí)還要要求數(shù)據(jù)傳輸速率快、準(zhǔn)確性高.因此選用的數(shù)據(jù)通訊形式為差分脈沖輸出方式，即輸出數(shù)據(jù)由正負(fù)兩路脈沖構(gòu)成，脈沖頻率隨載體運(yùn)動(dòng)角速度變化而變化.陀螺靜態(tài)工作時(shí)，角速度量很小，脈沖輸出頻率很低；陀螺動(dòng)態(tài)工作時(shí)，角速度量很大，脈沖輸出頻率較高.通過(guò)在可編程處理器中設(shè)計(jì)脈沖計(jì)數(shù)器對(duì)其輸出進(jìn)行采集.差分的數(shù)據(jù)傳輸方式可以有效地抑制共模噪聲，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，同時(shí)脈沖的傳輸方式可以提高數(shù)據(jù)通訊速度.

溫度傳感模塊工作于單總線傳輸模式.由于單總線時(shí)序?qū)r(shí)間要求非常嚴(yán)格，在溫度讀取模塊設(shè)計(jì)時(shí)采用了大量的計(jì)數(shù)器來(lái)設(shè)定時(shí)間間隔.這樣一路溫度讀取邏輯將會(huì)占用很多硬件資源.系統(tǒng)中共有六路溫度需要讀取，若單獨(dú)設(shè)計(jì)六個(gè)溫度讀取模塊，則會(huì)降低可編程處理器硬件資源的利用率，同時(shí)也降低了可編程處理器工作穩(wěn)定性.為了解決這一問(wèn)題，考慮到系統(tǒng)中溫度是一個(gè)連續(xù)緩慢變化的量，數(shù)據(jù)更新上沒有陀螺要求的嚴(yán)格，因此設(shè)計(jì)上采用了基于分時(shí)復(fù)用技術(shù)的信號(hào)采集電路，如圖2所示.

圖2 溫度數(shù)據(jù)采集框圖

供電單元數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)中采用傳統(tǒng)成熟的采樣電阻輸出電壓信號(hào)的方案[5]，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行濾波，變換到A/D變換器允許輸入電壓范圍內(nèi)，然后通過(guò)可編程處理器讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，經(jīng)過(guò)處理得到真實(shí)的被采樣電路的電壓值.

3 地面控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

地面控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集纜長(zhǎng)信息，傳輸給上位機(jī)用以結(jié)合油井深度來(lái)監(jiān)測(cè)和繪制井眼軌跡.其包括纜長(zhǎng)傳感器、計(jì)數(shù)器以及通訊接口電路組成.基本采集單元結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：

圖3 電纜數(shù)據(jù)采集電路結(jié)構(gòu)示意圖

纜長(zhǎng)傳感器有兩路TTL電平的脈沖的輸出，分別為A和B.一個(gè)脈沖輸出表示一個(gè)單元長(zhǎng)度的移動(dòng)，A，B兩路信號(hào)具有±90°的相位差，用以表示當(dāng)前脈沖的所表示的移動(dòng)的方向，當(dāng)A路信號(hào)的上升沿領(lǐng)先B路信號(hào)的上升沿時(shí)表示電纜在提升，反之，當(dāng)B路信號(hào)的上升沿領(lǐng)先A路信號(hào)時(shí)，則表示電纜在下放.圖4表示了兩種情況的波形.地面供電單元數(shù)據(jù)采集同井下部分相同.井下數(shù)據(jù)同地面通訊采用凱裝電纜實(shí)現(xiàn).井下數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)可編程處理器編碼后，發(fā)送到地面采集單元.經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)解碼得到原始數(shù)據(jù)，然后傳輸給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示.

圖4 纜長(zhǎng)傳感器波形輸出比較圖

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖5為儀器測(cè)量解算得到的井斜角隨井深變化曲線圖.從中可以看出儀器解算正確，說(shuō)明儀器的正常工作.

圖5 井斜曲線圖

溫度也是一個(gè)連續(xù)變化的量，圖6為溫度隨時(shí)間變化曲線，從圖中可以看出溫度變化是緩慢的，升溫速度大約10.8℃/h.

圖6 溫度隨時(shí)間變化曲線

5 結(jié)論

針對(duì)測(cè)斜儀解算單元對(duì)原始數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、可靠性以及解算精度的要求，設(shè)計(jì)了基于可編程處理器的高速、多通道數(shù)據(jù)采集單元.由于油井測(cè)斜工作環(huán)境的復(fù)雜性，采集單元分為地面和井下兩部分.對(duì)井下采集單元及地面采集單元分別進(jìn)行了設(shè)計(jì).在井下采集單元研究中，就采集單元整體設(shè)計(jì)，對(duì)陀螺、加速度計(jì)、溫度及電源的采集設(shè)計(jì)做了詳細(xì)闡述.在地面采集單元設(shè)計(jì)中，詳細(xì)描述了電纜傳感器數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì).

最終的系統(tǒng)測(cè)試表明，基于可編程處理器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作穩(wěn)定，數(shù)字通信功能正常，滿足測(cè)斜儀對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的要求.

〔1〕林鐵，林恒，等.光纖陀螺測(cè)斜儀數(shù)據(jù)采集及傳輸單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]，測(cè)井技術(shù)，2009，33（4）.

〔2〕周益.光纖陀螺測(cè)斜儀地面系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[D].北京航空航天大學(xué)，2007.

〔3〕夏宇聞.Verilog HDL數(shù)字與綜合[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

〔4〕張路,王西江.鉆井信息管理系統(tǒng)在石油鉆井中的應(yīng)用研究[J].內(nèi)蒙古石油化工,2009（24）.

〔5〕屈萬(wàn)里,黃載祿.石油測(cè)井井下數(shù)據(jù)采集[J].華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1991，19（4）.

TP274.2

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1673-260X（2012）05-0060-02