深孔智能化鉆井參數無線實時傳輸系統研究

羅光強， 周 策， 李 揚， 陳文俊

(1. 中國地質科學院探礦工藝研究所，四川 成都 611734； 2.中國地質調查局地質災害防治技術中心,四川 成都 611734)

鉆探是地質調查和礦產勘查工作最直接的技術手段[1]。鉆探行業與很多其他國民經濟行業不同，鉆井工程在井底，看不見摸不著[2]，缺少很多數據支撐，很難用完整、準確的數據表達[3]。智能化、自動化、信息化是鉆井工程的發展方向[4]。隨著國家對重要資源能源的需求不斷增加，加上找礦難度的不斷加大，鉆井深度的不斷加深，為減少鉆井工程的盲目性[5]，實時準確地完成鉆井參數的傳輸十分重要。目前，設計完善、使用可靠廣泛的無線實時傳輸系統都只應用于國內外石油行業[6]，然而，對于巖心鉆探行業來說，研制還處于調試階段，還未大范圍的推廣應用，應用也較少[7]，都存在或多或少的問題。因此，在鉆井工程中，對鉆進參數的實時、安全、準確、高效傳輸就顯得十分重要。擬研究一套由無線發送接收模塊、遠程網絡傳輸模塊、數據庫模塊、復雜鉆進工況識別模塊、事故診斷模塊等5大模塊組成的深孔智能化鉆井參數無線實時傳輸系統，可以實現智能傳輸、分許存儲、三維顯示、網絡傳輸等功能，解決復雜、深孔、智能化鉆井參數傳感器信號無線傳輸難題。

1 智能化鉆井參數無線實時傳輸系統構成

智能化鉆井參數無線傳輸可以通過多種方式組合實現實時傳輸，將現場的多路鉆井參數通過無線模塊、無線電臺、網絡傳輸等多種傳輸方式共同實現，不需要所有人都在鉆井平臺上，也可以實時了解鉆井現場的各個參數，分析現場情況，給出實時建議。

智能化鉆井參數無線實時傳輸系統可以分為下面幾種方式：基于工控機的無線傳輸系統、基于單片機控制的無線傳輸系統、基于虛擬儀器LabVIEW軟件平臺的網絡無線傳輸，可以通過這3種無線傳輸系統來實現近程基地和遠程網絡的實時監控[8]。智能化鉆井參數無線傳輸系統構成如圖1所示。

圖1 智能化鉆井參數無線傳輸系統構成Fig.1 Composition of the wireless transmission system for intelligent drilling parameters

2 基于工控機的無線傳輸系統

基于工控機的無線傳輸系統是通過虛擬儀器LabVIEW軟件平臺編程實現的，主要功能是實現20 km范圍內的高速無間斷的實時傳輸?？梢赃x用2個E90-DTU(433L37)無線數傳電臺即可實現其中一個電臺發送，另外一個電臺接收。其主要功能是：可以20 km范圍內之間的連續傳輸，高增益吸盤天線，傳輸距離遠；高速不間斷的實時傳輸，數據傳輸能力強；標準的Modbus串口協議，通信方便；可以通過RS485或者RS232串口連接；遠距離抗干擾能力強；可以在-40～+85 ℃溫度范圍內正常傳輸工作；自動適應波特率，雙向選擇，收發一體。無線數傳電臺工作原理如圖2所示[9]。

圖2 無線數傳電臺工作原理Fig.2 Working principle of wireless digital radio

野外鉆井現場將采集到的傳感器數據通過帶有高增益天線的無線發送電臺傳輸至20 km范圍內的基地，然后基地工控機進行采集、分析、計算、顯示、存儲，其無線傳輸流程如圖3所示。

圖3 基于工控機的無線傳輸系統原理Fig.3 Principle of the wireless transmission system based on the industrial computer

發送接收端都通過LabVIEW軟件平臺實現，即是通過LabVIEW軟件與無線發送接收電臺相連，實現無線傳輸[10]。操作流程：(1)LabVIEW軟件中設置無線發送電臺的串口號、波特率、校驗位、數據位、停止位等，下一步如果接收到開關按鈕的數字信號，就將數據放在一組數據中，傳輸至無線發送電臺中；(2)通過無線接收電臺，將20 km范圍內的數據傳輸至電臺中，再通過USB串口，讀入LabVIEW軟中；(3)在工控機端打開“數據接收”開關信號，即可實現現場傳感器數據的無線遠程傳輸。另外，還可以實現一個基地采集傳輸多個野外現場的鉆井數據。

3 基于單片機控制的無線傳輸系統

基于單片機控制的無線傳輸系統主要是應用CC2530模塊，運用51單片機編程來實現無線發送接收功能。將其中一個CC2530模塊作為發送模塊，與傳感器組裝構架為一個整體，將另外一個CC2530模塊作為接收模塊，通過485或者232轉換接頭即可實現數據實時傳輸?；趩纹瑱C控制的無線傳輸系統操作靈活[11]，可以不用電纜線，特別適合深孔或條件復雜的鉆井現場。

無線傳輸系統的硬件組成有2件CC2530模塊、2件STC12C5A602S單時鐘周期單片機、2件最小模塊單片機、2個大晶振及數據線若干。

基于單片機控制的無線傳輸系統實施流程：(1)單片機模塊設置，將EA接高電阻20000 Ω，與高電平接通；替換2個22.1184 Hz晶振；接線串聯，將單片機模塊分別與CC2530模塊相連，通電后各自的指示燈亮[12]；(2)單片機軟件編程，在keil軟件中用C++編程，實現數據的采集存儲；(3)單片機軟件下載植入，單片機與PC機相連通信，在keil軟件中編譯、連接、重新建立，通過STC-ISP軟件，將單片機的采集存儲軟件下載植入到STC12C5A602S單片機模塊中。需要說明的是單片機模塊是TTL接頭，采用TTL轉232的轉換接頭來連接單片機，TTL模塊需要單獨供電，中間2個接口分別與不帶盆的輸入輸出端口連接[13]；(4)無線發送接收模塊CC2530設置，設置《2530組網透傳簡易版》，將2個模塊的波特率都設置為19200，一個模塊用EP下載，另外一個CC2530用PE下載，就可實現2個模塊的發送、接收；(5)再用單時鐘的單片機模塊與CC2530模塊通信聯調，將其中一個CC2530模塊作為發送模塊，與傳感器組裝構架為一個整體，將另外一個CC2530模塊作為接收模塊，通過485或者232轉換接頭與PC機相連，即可實現二者之間的通信[14]；(6)無線傳輸通信，利用串口調試助手或者其他專用軟件即可完成無線傳輸通信。

4 基于虛擬儀器LabVIEW軟件平臺的無線網絡傳輸

無線網絡傳輸可以通過無線衛星通信、GPRS/CDMA、無線光纖網絡等進行傳輸，其中，無線光纖網絡借助虛擬儀器軟件平臺是最便捷、最快速、最具性價比的方式[15]。借助虛擬儀器LabVIEW軟件平臺可以快速高效的完成測試、控制，同時利用LabVIEW軟件平臺的網絡傳輸模塊插件，即可實現基于虛擬儀器LabVIEW軟件平臺的無線網絡傳輸功能[16]。

LabVIEW軟件平臺網絡無線傳輸流程：(1)前期準備，在有光纖網絡的野外現場基地，借助虛擬儀器LabVIEW軟件平臺，同時安裝好網絡傳輸模塊插件[17]；(2)網絡設置，在軟件平臺中設置好“Web發布工具”，輸入VI名稱(傳輸軟件的名稱)及頁眉頁腳等相關參數；選擇“顯示器”的查看模式，同時“啟動Web服務器”按鈕；然后將網頁保存在本地的磁盤中，再生成軟件的HTML(超文本鏈接標示語言)鏈接；(3)網絡無線傳輸的實現，野外現場基地打開可行性文件或安裝軟件，運行Web服務器，在客戶端按照規定輸入相應的網站，可以查看，同時也可以控制修改軟件界面，就可以實現網絡無線傳輸[18]，無線網絡傳輸的流程如圖4所示。

圖4 網絡遠程無線傳輸的流程Fig.4 Network remote wireless transmission process

5 科學鉆探現場應用研究

深孔智能化鉆井參數無線實時傳輸系統多次應用于不同的科學鉆探鉆井現場，并且應用在不同類型的鉆探設備中，經過反復試驗，無線實時傳輸系統均能實時傳輸、準確顯示，滿足科學鉆探現場需求，提高鉆進效率、保障鉆進安全，得到現場的好評。本系統應用于山東萊州4000 m科學鉆探、甘肅金川JCSD-1鉆孔科學鉆探、安徽銅陵3000 m科學鉆探等鉆井現場，均取得了良好的應用效果。經過多次室內調試及現場應用試驗，解決了傳輸過程中的bug問題，也使系統逐步完善。甘肅金川JCSD-1鉆孔科學鉆探現場鉆井參數無線實時網絡傳輸軟件界面如圖5所示。

圖5鉆井參數無線實時網絡傳輸
Fig.5Wireless real-time network transmission of drilling parameters

通過無線實時傳輸，在網頁中輸入固定的網址，即可訪問鉆井現場實時數據，了解現場鉆進工況，還可以不同地方專家同時會診，提出建議意見，優化鉆進參數，調整鉆井工藝。現場應用效果達到設計目的，可以滿足不同科學鉆探現場的需求。

6 總結

(1)智能化鉆井參數無線實時傳輸系統主要由基于工控機的無線傳輸系統、基于單片機控制的無線傳輸系統、基于虛擬儀器LabVIEW軟件平臺的網絡無線傳輸組成。

(2)采用模塊化編程，主要由無線發送接收模塊、遠程網絡傳輸模塊、數據庫模塊、復雜鉆進工況識別模塊、事故診斷模塊等5大模塊組成。

(3)通過山東萊州4000 m科學鉆探、甘肅金川JCSD-1鉆孔科學鉆探、安徽銅陵3000 m科學鉆探及多次應用測試實驗，證明深孔智能化鉆井參數無線實時傳輸系統滿足科學鉆探野外現場數據傳輸要求，實時便捷，現場適用性強，可以廣泛應用于復雜、深孔、智能化鉆井現場，滿足深部資源探礦工程的需要，支持國家重要能源資源勘探工程。