鉆柱內(nèi)孔電磁波監(jiān)測系統(tǒng)及軟件設(shè)計

韓 旭 江 波2 陳向東3 夏文鶴

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

一、引言

針對目前井下數(shù)據(jù)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(tǒng)，滿足氣體鉆井井下安全監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。為了滿足整個系統(tǒng)流程的需要，完成電磁波實時監(jiān)測研究工作，故研制配套的地面監(jiān)控軟件，實現(xiàn)電磁波數(shù)據(jù)采集、分析觀察等工作。

二、監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

通過電磁波傳輸測試結(jié)果可以觀察到，通過點對點直接傳輸，尚無法實現(xiàn)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(xiàn)傳輸距離的增大和提升。也就是說整個井下網(wǎng)絡(luò)中繼器的布置，需要按照鉆柱結(jié)構(gòu)組成直線狀分布，從而形成一個直線分布的鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)。傳輸過程中，當(dāng)上一級中繼所發(fā)射的電磁波信號功率在鉆桿內(nèi)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(jìn)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?shù)脑O(shè)計方案，圖中1-10總計10個標(biāo)號，表示電磁波通訊單元，該傳輸系統(tǒng)的傳輸過程如下：信號發(fā)射模塊(1、2)位于鉆頭處，對井下的實時參數(shù)信息進(jìn)行采集，并向地面方向進(jìn)行逐級發(fā)送，依次通過低序號到高序號的電磁波通訊單元。在這個鏈?zhǔn)街欣^網(wǎng)絡(luò)中，最終實現(xiàn)井底電磁波信號的傳出，并被信號接收模塊(9、10)進(jìn)行接收。再通過設(shè)計相關(guān)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(jìn)行接收后向終端顯示器進(jìn)行發(fā)送，以此來實現(xiàn)測量信息從井底向地面?zhèn)鬏數(shù)倪^程。為提高傳輸效率，各中繼模塊應(yīng)采用透明接力傳輸。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件

三、監(jiān)控系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)

氣體鉆井電磁波監(jiān)測軟件按功能總共分為4個部分，分別是：參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、系統(tǒng)管理模塊。參數(shù)設(shè)置模塊是設(shè)置中繼模塊參數(shù)狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊是實現(xiàn)電磁波數(shù)據(jù)采集，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計算，得到監(jiān)測物理量的具體數(shù)值，最后存入數(shù)據(jù)庫內(nèi)，并顯示各物理量的數(shù)值，同時采集中繼器工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)管理模塊主要解析中繼器、采集器的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，對中繼器、射頻模塊工作狀態(tài)進(jìn)行判斷預(yù)警。其框圖如圖2所示

圖2 系統(tǒng)功能框架圖

(一)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集的主要功能是實現(xiàn)對射頻模塊數(shù)據(jù)的提取、處理、顯示分析和存儲，如圖3所示，軟件重點是實現(xiàn)與下位機通信和數(shù)據(jù)處理。

圖3 數(shù)據(jù)讀取結(jié)構(gòu)圖

(二)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計，上位機數(shù)據(jù)處理主要包含中繼器數(shù)據(jù)處理、射頻模塊數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存三部分。

1.中繼器數(shù)據(jù)處理

中繼器除了依次傳輸射頻模塊的數(shù)據(jù)外，還對中繼器工作狀態(tài)進(jìn)行了處理，當(dāng)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(shù)據(jù)中繼器模塊會變?yōu)辄S色；若長時間未收到、上傳數(shù)據(jù)或出現(xiàn)電量不足溫度過高等情況，中繼器模塊會變?yōu)榧t色，表示此時該中繼器出現(xiàn)故障。

圖4 中繼器數(shù)據(jù)處理流程圖

2.射頻模塊數(shù)據(jù)處理

射頻模塊監(jiān)控界面功能主要為“功率查詢”，對射頻模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和監(jiān)控。

圖5 射頻模塊數(shù)據(jù)處理流程圖

左側(cè)數(shù)據(jù)欄實時顯示測量到的天線相關(guān)數(shù)據(jù)，有組網(wǎng)狀態(tài)、天線功率、參數(shù)查詢。可手動點擊相應(yīng)界面進(jìn)行查詢顯示。

3.數(shù)據(jù)保存

提取數(shù)據(jù)之后，判斷數(shù)據(jù)讀取中是否存在中繼器故障情況，如是則刪除掉后面的數(shù)據(jù)再存入數(shù)據(jù)庫，若不是，則可將現(xiàn)有數(shù)據(jù)按其編號輪次存入在數(shù)據(jù)庫中，供以后查詢。保存數(shù)據(jù)之后，就可以查看歷史數(shù)據(jù)，導(dǎo)出文本文檔保存，相關(guān)流程圖如6、7圖所示。

圖6 保存數(shù)據(jù)功能流程圖

圖7 數(shù)據(jù)查詢、圖表顯示、導(dǎo)出功能流程圖

四、軟件界面設(shè)計

根據(jù)上述軟件模塊程序流程和架構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)場試驗實際需要，將氣體鉆井試驗過程中各參數(shù)實時顯示窗口界面并以數(shù)值形式記錄在文件中，為氣體鉆井電磁波隨鉆測量技術(shù)實時監(jiān)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(cè)窗口中，在取數(shù)參數(shù)一欄手動選擇功率查詢即可通過下方的取數(shù)結(jié)果查看收、發(fā)端電磁波功率大??；右側(cè)窗口主要用來判斷數(shù)據(jù)包接收情況。

圖8 軟件界面圖

五、結(jié)論

現(xiàn)場應(yīng)用表明，該氣體鉆井電磁波監(jiān)測系統(tǒng)地面監(jiān)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(guān)數(shù)據(jù)的實時傳輸及監(jiān)控。