鉆柱內孔電磁波監測系統及軟件設計

韓 旭 江 波2 陳向東3 夏文鶴

(1.西南石油大學電氣信息學院 四川 成都 610500)(2.中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院 四川 成都 610000) (3.西南交通大學信息科學與技術學院 四川 成都 611756)

一、引言

針對目前井下數據傳輸效率低，可靠性差的難題，將鉆柱作為電磁波信號通道，研制出高效可靠的信號傳輸系統，滿足氣體鉆井井下安全監測和數據傳輸的需要。為了滿足整個系統流程的需要，完成電磁波實時監測研究工作，故研制配套的地面監控軟件，實現電磁波數據采集、分析觀察等工作。

二、監控系統總體設計

通過電磁波傳輸測試結果可以觀察到，通過點對點直接傳輸，尚無法實現從近鉆到地面3000m的傳輸距離。通常借助信號中繼的方式來實現傳輸距離的增大和提升。也就是說整個井下網絡中繼器的布置，需要按照鉆柱結構組成直線狀分布，從而形成一個直線分布的鏈式網絡。傳輸過程中，當上一級中繼所發射的電磁波信號功率在鉆桿內的衰減程度與接收靈敏度相接近時，就需要有一級新的中繼器加入進來，這樣就可以不斷的延長信號的傳輸距離，最終將信號傳輸至地面。

下圖1是為井下電磁波信號中繼傳輸的設計方案，圖中1-10總計10個標號，表示電磁波通訊單元，該傳輸系統的傳輸過程如下：信號發射模塊(1、2)位于鉆頭處，對井下的實時參數信息進行采集，并向地面方向進行逐級發送，依次通過低序號到高序號的電磁波通訊單元。在這個鏈式中繼網絡中，最終實現井底電磁波信號的傳出，并被信號接收模塊(9、10)進行接收。再通過設計相關地面信號接收方案將電磁波信號引出到鉆柱外部地面空間的信號接收器。隨后在地面對電磁波信號進行接收后向終端顯示器進行發送，以此來實現測量信息從井底向地面傳輸的過程。為提高傳輸效率，各中繼模塊應采用透明接力傳輸。

圖1 監控系統硬件

三、監控系統軟件模塊結構

氣體鉆井電磁波監測軟件按功能總共分為4個部分，分別是：參數設置模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、系統管理模塊。參數設置模塊是設置中繼模塊參數狀態，數據采集模塊和數據處理模塊是實現電磁波數據采集，并對數據進行處理計算，得到監測物理量的具體數值，最后存入數據庫內，并顯示各物理量的數值，同時采集中繼器工作狀態數據。系統管理模塊主要解析中繼器、采集器的工作狀態數據，對中繼器、射頻模塊工作狀態進行判斷預警。其框圖如圖2所示

圖2 系統功能框架圖

(一)數據采集

數據采集的主要功能是實現對射頻模塊數據的提取、處理、顯示分析和存儲，如圖3所示，軟件重點是實現與下位機通信和數據處理。

圖3 數據讀取結構圖

(二)數據處理

根據監控系統硬件的設計，上位機數據處理主要包含中繼器數據處理、射頻模塊數據處理和數據保存三部分。

1.中繼器數據處理

中繼器除了依次傳輸射頻模塊的數據外，還對中繼器工作狀態進行了處理，當中繼器模塊正常工作時,在界面中顯示為綠色；如果超過10分鐘未收到或上傳數據中繼器模塊會變為黃色；若長時間未收到、上傳數據或出現電量不足溫度過高等情況，中繼器模塊會變為紅色，表示此時該中繼器出現故障。

圖4 中繼器數據處理流程圖

2.射頻模塊數據處理

射頻模塊監控界面功能主要為“功率查詢”，對射頻模塊的數據進行顯示和監控。

圖5 射頻模塊數據處理流程圖

左側數據欄實時顯示測量到的天線相關數據，有組網狀態、天線功率、參數查詢。可手動點擊相應界面進行查詢顯示。

3.數據保存

提取數據之后，判斷數據讀取中是否存在中繼器故障情況，如是則刪除掉后面的數據再存入數據庫，若不是，則可將現有數據按其編號輪次存入在數據庫中，供以后查詢。保存數據之后，就可以查看歷史數據，導出文本文檔保存，相關流程圖如6、7圖所示。

圖6 保存數據功能流程圖

圖7 數據查詢、圖表顯示、導出功能流程圖

四、軟件界面設計

根據上述軟件模塊程序流程和架構，根據現場試驗實際需要，將氣體鉆井試驗過程中各參數實時顯示窗口界面并以數值形式記錄在文件中，為氣體鉆井電磁波隨鉆測量技術實時監控和試驗后分析研究提供了便利。如圖8所示，上位機界面主要分為左、右兩個窗口。左側窗口中，在取數參數一欄手動選擇功率查詢即可通過下方的取數結果查看收、發端電磁波功率大小；右側窗口主要用來判斷數據包接收情況。

圖8 軟件界面圖

五、結論

現場應用表明，該氣體鉆井電磁波監測系統地面監控軟件符合實際試驗需求。功能較為完善，能夠完成對電磁波傳輸相關數據的實時傳輸及監控。