綜合錄井數(shù)據(jù)采集與遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

梁海波 張 金 張徐興安

(西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引言

綜合錄井是一種隨鉆石油勘探技術(shù)［1］。它是在鉆井過程中應(yīng)用電子技術(shù)、計算機技術(shù)，借助分析儀器進行各種石油地質(zhì)、鉆井工程及其他隨鉆信息的采集、分析處理，進而實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)油氣層、評價油氣層和實時鉆井監(jiān)控等目的。該技術(shù)在指導(dǎo)鉆井施工、進行地層評價和油氣資源評價方面具有無可替代的優(yōu)勢［2］。

綜合錄井監(jiān)測參數(shù)眾多、監(jiān)測環(huán)境復(fù)雜、錄井異常情況復(fù)雜多樣。當出現(xiàn)井下復(fù)雜異常情況或油氣征兆時，受現(xiàn)場錄井人員經(jīng)驗和技術(shù)水平限制，很難做到及時、有效地發(fā)現(xiàn)、預(yù)測和判斷。

綜上所述，有必要設(shè)計一配套軟件系統(tǒng)，將現(xiàn)場實時采集的綜合錄井數(shù)據(jù)上傳至遠程專家決策端，然后由遠程專家根據(jù)現(xiàn)場實時采集的數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場工況，指導(dǎo)現(xiàn)場更加安全、高效地進行鉆井作業(yè)。

1 LabVIEW搭建系統(tǒng)優(yōu)越性

LabVIEW是美國國家儀器公司(national instrument，NI)的軟件產(chǎn)品，是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言(G語言)。LabVIEW提供了大量的硬件驅(qū)動與專用工具，能夠輕松實現(xiàn)與大部分接口的硬件連接。通過DLL、CIN節(jié)點、Active、.Net或Matlab腳本節(jié)點等技術(shù)，可以輕松實現(xiàn)LabVIEW與其他程序語言的混合編程。同時，LabVIEW通過應(yīng)用程序生成器可以輕松地發(fā)布EXE、動態(tài)鏈接庫和安裝包［3］。與其他開發(fā)軟件相比，LabVIEW具有開發(fā)效率高、開發(fā)周期短、拓展性好等優(yōu)點。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文通過將基于LabVIEW平臺開發(fā)的數(shù)據(jù)采集及遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)與各種硬件設(shè)備形成配套裝備，實現(xiàn)現(xiàn)場與遠程專家決策端的實時互動，從而為現(xiàn)場鉆井決策提供可靠依據(jù)。

2.1 系統(tǒng)總體框架

綜合錄井實時監(jiān)測系統(tǒng)物理框架如圖1所示。綜合錄井現(xiàn)場通過本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊，將各傳感器測量信號通過RS-485串行總線通信方式傳送至現(xiàn)場工控機。現(xiàn)場工控機在為綜合錄井現(xiàn)場監(jiān)測提供數(shù)據(jù)的同時，通過無線CDMA遠程數(shù)據(jù)傳輸方式，將現(xiàn)場實時采集數(shù)據(jù)傳送至遠程數(shù)據(jù)源服務(wù)器端。本文基于遠程數(shù)據(jù)源服務(wù)器，通過B/S組網(wǎng)模式搭建遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)，從而實現(xiàn)綜合錄井的遠程實時監(jiān)測。

圖1 綜合錄井實時監(jiān)測系統(tǒng)框架Fig.1 The framework of comprehensive mud logging real-time monitoring system

2.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本文選用北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的DAM-3000系列分布式采集模塊，實現(xiàn)錄井現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集。該系列模塊是通用傳感器與計算機的便卸式接口模塊，產(chǎn)品性能可靠穩(wěn)定，已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)環(huán)境。該系列模塊提供標準的RS-485通信接口，采用高質(zhì)量的進口元器件，模塊化電源設(shè)計。內(nèi)嵌單片機系統(tǒng)在軟硬件方面均采用了先進的抗干擾措施。該模塊具備良好的數(shù)據(jù)采集性能。

本文采用基于LabVIEW調(diào)用動態(tài)鏈接庫(dynamic link library，DLL)的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。DLL是一個可以多方共享的程序模塊，其內(nèi)部對共享歷程和資源進行了封裝，具有共享代碼、資源和數(shù)據(jù)，語言無關(guān)性，隱藏實現(xiàn)細節(jié)、節(jié)省內(nèi)存的優(yōu)點［3］?；贒LL動態(tài)鏈接庫方式較好地解決了在LabVIEW平臺下使用國產(chǎn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的問題。

DLL調(diào)用時，需要使用LabVIEW函數(shù)選板提供的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點，并對庫函數(shù)節(jié)點進行相應(yīng)配置。根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的需求，本文主要采用了以下幾個數(shù)據(jù)采集函數(shù):CreateDevice、InitDevice、ReadDeviceAD、ReleaseDevice，調(diào)用規(guī)范全部采用 stdcall(WINAPI)。主要配置參數(shù)包括串口號、模塊地址、波特率、讀數(shù)據(jù)間隔以及數(shù)據(jù)通道等。

值得注意的是，由于采集的數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)采集模塊A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，為了便于操作者的理解及后期數(shù)據(jù)處理，需要將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量變換成帶有工程單位的數(shù)字量，即進行標度變換。根據(jù)綜合錄井數(shù)據(jù)采集參數(shù)類型，本文選擇以下標度變換公式對采集的數(shù)據(jù)進行標度變換。

式中:Y0為被測量量程的下限;Ym為被測量量程的上限;Y為標度變換后的數(shù)值;N0為Y0對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量;Nm為Ym對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量;X為Y所對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。

標度變換是指在ReadDeviceAD函數(shù)后添加一個公式節(jié)點，并按照上述標度變換公式對其輸出數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換。通過以上處理，既保證了最后獲取的數(shù)據(jù)就是所需要的綜合錄井實時采集數(shù)據(jù)，又完成了現(xiàn)場綜合錄井數(shù)據(jù)的采集。

2.3 CDMA遠程傳輸系統(tǒng)

碼分多址(code division multiple access，CDMA)，是在數(shù)字通信技術(shù)分支擴頻通信的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。最新的CDMA 1X的理論傳輸速率可達300 kbit/s，具有覆蓋范圍廣、費用低、技術(shù)完善、安全可靠性高等優(yōu)點［4］。因此，為了滿足綜合錄井在復(fù)雜環(huán)境條件下，特別是有線網(wǎng)絡(luò)傳輸受限時數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)男枨?，本文選擇了基于CDMA無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)綜合錄井數(shù)據(jù)的遠程傳輸。CDMA無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式可以不受距離及位置的限制［5］，大大提高了綜合錄井數(shù)據(jù)傳輸效率，方便、快捷地實現(xiàn)了綜合錄井遠程實時監(jiān)測。

本文選用ZOGLAB推出的一款基于CDMA20001X 2.5 GHz網(wǎng)絡(luò)平臺的終端產(chǎn)品 C2000 CDMA無線modem。其內(nèi)部采用CDMA無線模塊，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，能夠輕松實現(xiàn)語音、短信、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用。CDMA 20001X采用全金屬合金鋁外殼，堅固耐磨、抗輻射、防靜電打擊(4 kV接觸ESD保護)，能夠很好地適應(yīng)各種復(fù)雜、惡劣環(huán)境下綜合錄井數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)男枨蟆?/p>

綜合錄井數(shù)據(jù)經(jīng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集至工控機。工控機將要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包以后，通過RS-232接口傳送給CDMA模塊;CDMA模塊再將數(shù)據(jù)以報文的形式通過中國聯(lián)通CDMA網(wǎng)絡(luò)傳送給遠程決策端服務(wù)器。遠程決策端服務(wù)器采用LabVIEW的VISA控件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取。VISA是一種標準I/O接口軟件［6］。使用VISA時，需要安裝C2000 CDMA無線modem自帶的驅(qū)動軟件。LabVIEW共有5個串行通信節(jié)點，分別實現(xiàn)串口設(shè)置、寫串口、讀串口、檢測串口緩存、中斷等功能［7］。

基于LabVIEW的VISA控件的串口數(shù)據(jù)讀取程序界面如圖2所示。

圖2 串口數(shù)據(jù)讀取程序界面Fig.2 The interface of serial port data READ program

2.4 遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)

通過遠程實時監(jiān)測端，搭建由遠程服務(wù)器與監(jiān)測計算機組組成的遠程實時監(jiān)測局域網(wǎng)。遠程服務(wù)器安裝有實時監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。監(jiān)測計算機組通過網(wǎng)頁即B/S模式與服務(wù)器建立連接，直接將服務(wù)器端VI前面板“原封不動地搬移”到監(jiān)測計算機組的屏幕上，從而實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測。

搭建遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)時，需要在遠程服務(wù)器中配置和啟動LabVIEW Web服務(wù)器，并配置Web發(fā)布工具。具體配置方法可參見參考文獻［1］。通過以上方式對遠程服務(wù)器進行配置后，即可在遠程監(jiān)測計算機組上通過Web瀏覽器方式實時監(jiān)測現(xiàn)場綜合錄井工況，從而實現(xiàn)綜合錄井遠程實時監(jiān)測。

2.5 數(shù)據(jù)庫管理與應(yīng)用

為便于分析，監(jiān)測系統(tǒng)必須對其所監(jiān)測數(shù)據(jù)進行存儲。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以其整體描述性、數(shù)據(jù)獨立性、數(shù)據(jù)共享性、安全完整性等優(yōu)點成為管理大量測量數(shù)據(jù)的最佳方法［8］。

本文選用SQL Sever 2000數(shù)據(jù)庫管理軟件對綜合錄井實時采集數(shù)據(jù)(包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端數(shù)據(jù)以及遠程數(shù)據(jù)接收端數(shù)據(jù))進行管理。

本文基于一個完全免費且開源的數(shù)據(jù)庫訪問工具——LabSQL工具實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問。該工具基于ActiveX數(shù)據(jù)對象(ActiveX data objects，ADO)模型，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫訪問與操作。ADO是微軟利用自動化服務(wù)器技術(shù)開發(fā)的數(shù)據(jù)庫接口，其對關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫都提供了支持［9］。

為了更加有效地與數(shù)據(jù)庫建立連接，采用了基于數(shù)據(jù)連接工具ODBC，并通過建立數(shù)據(jù)源別名(data source name，DSN)的方式進行數(shù)據(jù)庫訪問、管理和操作。

采用LabSQL工具對數(shù)據(jù)庫進行各種查詢、增、刪改操作時，需要利用 ADO Connection Create.vi、ADO Connection Open.vi、SQL Execute.vi、ADO Connection Close.vi等子VI，并在相應(yīng)端口輸入執(zhí)行操作的SQL語句。基于LabSQL工具進行數(shù)據(jù)庫管理與操作，程序?qū)崿F(xiàn)簡捷方便，程序執(zhí)行效率較高。

3 結(jié)束語

基于LabVIEW虛擬儀器軟件開發(fā)的綜合錄井數(shù)據(jù)采集與遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)，具有人機交互界面友好、系統(tǒng)性能穩(wěn)定等特點［10-12］。經(jīng)實踐檢驗，現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采集及時準確、穩(wěn)定性高，能夠滿足綜合錄井現(xiàn)場實時監(jiān)測的需求。同時，基于CDMA的遠程數(shù)據(jù)傳輸方式的數(shù)據(jù)傳輸效率高、準確性好，能夠滿足復(fù)雜條件下綜合錄井數(shù)據(jù)遠程傳輸需求。遠程監(jiān)測端能夠?qū)崟r接收并實時顯示現(xiàn)場錄井工況，為遠程專家決策提供有力保障。

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