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

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)時數(shù)據(jù)采集在石油鉆井測斜中的研究及設(shè)計

王淑香

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

針對石油鉆井復(fù)雜的工作環(huán)境，以及測量計算對數(shù)據(jù)實(shí)時性、準(zhǔn)確性的要求，設(shè)計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)時采集.同時通過上位機(jī)的處理，實(shí)現(xiàn)了測量結(jié)果的實(shí)時顯示。給出了采集系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，以及各分立數(shù)據(jù)傳感單元的設(shè)計方案.現(xiàn)場下井實(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、準(zhǔn)確，達(dá)到了預(yù)期的基本要求.

油井測斜；可編程處理器；數(shù)據(jù)采集

測斜儀是一種井眼軌跡測量系統(tǒng)，通過沿被測井眼井筒的運(yùn)行測量被測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)測井、水工環(huán)測井、固體礦產(chǎn)測井等[1,4].

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

陀螺測斜儀在導(dǎo)航解算的過程中，需要原始數(shù)據(jù)必須具有準(zhǔn)確性、實(shí)時性、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傳感器必須能夠?qū)⑺鶞y到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時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

陀螺測斜儀的信息采集單元分為井下和地面兩個部分.井下部分包括三只陀螺、三只加速度計及相應(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)對這些信息進(jìn)行采集，同時把采集到的信息通過測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)是采集電纜長度信息和地面系統(tǒng)供電系統(tǒng)信息，同時接收井下儀器上傳的采集數(shù)據(jù)；地面采集單元另一個任務(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)時顯示.

基于以上分析，設(shè)計了陀螺測斜儀的數(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)計時，采用其作為核心部件并進(jìn)行外圍電路設(shè)計.以硬核和軟核為基礎(chǔ)編寫處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算，同時使用Verilog語言設(shè)計編寫接口電路.

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)，同時將采集的纜長數(shù)據(jù)送入上位機(jī)；上位機(jī)對接收來的各種數(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

陀螺和加表的信息測量不僅數(shù)據(jù)量大，同時還要要求數(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)動角速度變化而變化.陀螺靜態(tài)工作時，角速度量很小，脈沖輸出頻率很低；陀螺動態(tài)工作時，角速度量很大，脈沖輸出頻率較高.通過在可編程處理器中設(shè)計脈沖計數(shù)器對其輸出進(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.由于單總線時序?qū)r間要求非常嚴(yán)格，在溫度讀取模塊設(shè)計時采用了大量的計數(shù)器來設(shè)定時間間隔.這樣一路溫度讀取邏輯將會占用很多硬件資源.系統(tǒng)中共有六路溫度需要讀取，若單獨(dú)設(shè)計六個溫度讀取模塊，則會降低可編程處理器硬件資源的利用率，同時也降低了可編程處理器工作穩(wěn)定性.為了解決這一問題，考慮到系統(tǒng)中溫度是一個連續(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)計上采用了基于分時復(fù)用技術(shù)的信號采集電路，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)計中采用傳統(tǒng)成熟的采樣電阻輸出電壓信號的方案[5]，通過信號調(diào)理電路對采樣信號進(jìn)行濾波，變換到A/D變換器允許輸入電壓范圍內(nèi)，然后通過可編程處理器讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，經(jīng)過處理得到真實(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

地面控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集纜長信息，傳輸給上位機(jī)用以結(jié)合油井深度來監(jiān)測和繪制井眼軌跡.其包括纜長傳感器、計數(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

纜長傳感器有兩路TTL電平的脈沖的輸出，分別為A和B.一個脈沖輸出表示一個單元長度的移動，A，B兩路信號具有±90°的相位差，用以表示當(dāng)前脈沖的所表示的移動的方向，當(dāng)A路信號的上升沿領(lǐng)先B路信號的上升沿時表示電纜在提升，反之，當(dāng)B路信號的上升沿領(lǐng)先A路信號時，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)過可編程處理器編碼后，發(fā)送到地面采集單元.經(jīng)過對數(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，說明儀器的正常工作.

圖5 井斜曲線圖

溫度也是一個連續(xù)變化的量，圖6為溫度隨時間變化曲線，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 溫度隨時間變化曲線

5 結(jié)論

針對測斜儀解算單元對原始數(shù)據(jù)的實(shí)時性、可靠性以及解算精度的要求，設(shè)計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.對井下采集單元及地面采集單元分別進(jìn)行了設(shè)計.在井下采集單元研究中，就采集單元整體設(shè)計，對陀螺、加速度計、溫度及電源的采集設(shè)計做了詳細(xì)闡述.在地面采集單元設(shè)計中，詳細(xì)描述了電纜傳感器數(shù)據(jù)采集設(shè)計.

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

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

〔2〕周益.光纖陀螺測斜儀地面系統(tǒng)硬件設(shè)計[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〕屈萬里,黃載祿.石油測井井下數(shù)據(jù)采集[J].華中理工大學(xué)學(xué)報，1991，19（4）.

TP274.2

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1673-260X（2012）05-0060-02