遠(yuǎn)程井下鉆頭姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)研究

范濤，李銘鈞，成曉煒

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，西安710065）

0 引言

油田油井?dāng)?shù)量多且分布范圍由幾十至上百平方公里不等，分布比較零散[1]。在多線鉆井操作以及后期監(jiān)測方面目前大多采用人工巡井方式，由人工每日定時(shí)檢查鉆井設(shè)備運(yùn)行情況并記錄各油井信息數(shù)據(jù)[2]。然而石油鉆井行業(yè)面臨更大更多的挑戰(zhàn)：一是技術(shù)上要求鉆井目標(biāo)越來越小、越來越精確，管理上要求越來越精細(xì)化、決策科學(xué)化、快速準(zhǔn)確化；二是鉆井工程投資大、風(fēng)險(xiǎn)高，鉆井過程中所使用的技術(shù)方法和專業(yè)技術(shù)人員管理人員所做出的各項(xiàng)決策和方案等都直接關(guān)系到鉆井施工的效益和成?。蝗怯械你@井作業(yè)地區(qū)偏遠(yuǎn)荒蕪，給施工帶來極大的不便，因此，鉆井工藝技術(shù)的發(fā)展不僅需要多種理論知識(shí)的指導(dǎo)，而更重要的是在鉆井過程中能隨時(shí)保障前后方的信息溝通，將現(xiàn)場產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)資料及時(shí)傳輸?shù)胶笄?，使得后勤職能部門對(duì)現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)及時(shí)瀏覽與分析，實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)指導(dǎo)和處理鉆井現(xiàn)場的問題，達(dá)到降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)和施工成本的目的[3-5]。

針對(duì)上述問題設(shè)計(jì)一種以遠(yuǎn)程監(jiān)測總站為中心，各油田上位機(jī)分散采集存儲(chǔ)井下信息的星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)分案，該系統(tǒng)可以整合所有油田鉆井作業(yè)的鉆頭姿態(tài)信息數(shù)據(jù)，各個(gè)油井上位機(jī)存儲(chǔ)所有信息后通過Web 網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一傳送到監(jiān)測總站中通，監(jiān)測總站可以實(shí)時(shí)監(jiān)測各油田鉆頭的姿態(tài)信息，減少人力成本，提高安全性能，降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)組成

遠(yuǎn)程井下鉆頭姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)由四部分組成：姿態(tài)信息采集系統(tǒng)、油田上位機(jī)、監(jiān)測總站、Web 網(wǎng)絡(luò)通信單元。姿態(tài)信息采集模塊將井下鉆頭上的加速度、磁強(qiáng)計(jì)，溫度傳感器等傳感器數(shù)據(jù)集成到一塊基于DSP 的數(shù)據(jù)采集板進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理，并將處理后得到的姿態(tài)等信息通過CAN 總線傳送到井上油田上位機(jī)中，Web 遠(yuǎn)程通信技術(shù)和監(jiān)測總站則實(shí)現(xiàn)了鉆井過程現(xiàn)場與指揮中心之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控，如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)應(yīng)硬件實(shí)現(xiàn)

（1）姿態(tài)信息采集系統(tǒng)（A/D 轉(zhuǎn)換模塊）

以TMS320F28335 為系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心，外設(shè)硬件設(shè)計(jì)主要包括信號(hào)調(diào)理電路、時(shí)鐘電路、ADC 校正電路、電源電路、復(fù)位電路、顯示電路以及通訊接口。載體姿態(tài)信號(hào)通過傳感器采集后，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路，將調(diào)理后的信號(hào)和兩路校正電壓信號(hào)送入ADC，轉(zhuǎn)化為DSP可處理的數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)字濾波、ADC 誤差校正和測量誤差校正，最后解算姿態(tài)角度并通過CAN 總線傳送到油田上位機(jī)中。

（2）油田上位機(jī)

以MINI2440 開發(fā)板為基礎(chǔ)進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計(jì)了一套油田上位機(jī)系統(tǒng)。MINI2440 開發(fā)板具有一鍵燒寫、支持32/64-bit 電腦、跨平臺(tái)等特性、支持所有友善之臂開發(fā)板，具有多個(gè)串口（AD 轉(zhuǎn)換串口、LCD 串口、USB 串口等）方便我們進(jìn)行二次開發(fā)。該開發(fā)板通過轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)接受CAN 總線傳輸數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)以及LCD 顯示數(shù)據(jù)功能，完全滿足需求。

（3）監(jiān)測總站

監(jiān)測主機(jī)采用有線入網(wǎng)或無線入網(wǎng)的方式，與各個(gè)油田上位機(jī)有固定的IP，以便于監(jiān)測主機(jī)與上位機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)通信，監(jiān)測主機(jī)可以登錄網(wǎng)頁隨時(shí)監(jiān)測各個(gè)油田鉆頭的井斜、方位角、工具面角以及查詢鉆井過程中鉆頭姿態(tài)的歷史信息。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分采用模塊化編程，由姿態(tài)信息采集系統(tǒng)、油田上位機(jī)模塊以及監(jiān)測總站模塊三部分組成。

2.1 姿態(tài)信息采集系統(tǒng)

姿態(tài)信息采集系統(tǒng)主要由系統(tǒng)初始化模塊、采樣模塊、解算模塊、CAN 總線傳輸模塊組成，流程如圖2所示。

（1）采樣模塊：

采集三軸傳感器電壓信號(hào)，通過AD 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，程序中通過公式將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為可視的電壓信號(hào)存儲(chǔ)在數(shù)組中：每組采集10 次數(shù)據(jù)，每次采集x，y，z 三個(gè)數(shù)據(jù)，共采集45 組數(shù)據(jù)一共450 組數(shù)據(jù)，再將這450 組數(shù)據(jù)x，y，z 三組數(shù)據(jù)分別通過冒泡排序進(jìn)行從小到大的排序，再將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波，取150～300 組數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均值得到我們想要的姿態(tài)電壓值。

（2）解算模塊：

通過解算模塊，將我們采集到的電壓值通過我們的姿態(tài)解算公式得到我們想要的井斜I 以及工具面角T。

（3）CAN 總線傳輸模塊：

將解算出來的姿態(tài)角信息通過CAN 總線傳輸?shù)接吞锷衔粰C(jī)中去，傳輸信息包括井斜、方位角、工具面角。

圖2 姿態(tài)信息處理系統(tǒng)

圖3 油田上位機(jī)軟件流程圖

2.2 油田上位機(jī)

油田上位機(jī)主要由CAN 總線接受模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、Web 網(wǎng)絡(luò)通信模塊以及屏顯模塊組成，如圖3所示。

（1）數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)模塊：將我們解算得到的I、T 保存到數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)庫包括了保存數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)間以及I、T數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)傳輸模塊：通過HTTP 協(xié)議將獲得的數(shù)據(jù)傳送到總站服務(wù)器中，數(shù)據(jù)包括本油田的名字，數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)間以及I、T 數(shù)據(jù)。

（3）屏顯模塊：利用Framebuffer 技術(shù)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過LCD 顯示，同時(shí)可使技術(shù)人員使用觸屏的方式進(jìn)行相關(guān)界面的選擇。

2.3 監(jiān)測總站

監(jiān)測總站部分主要由數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)模塊和網(wǎng)頁顯示模塊構(gòu)成，功能流程如圖4 所示。

（1）數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)模塊：將我們接收到的I、T 保存到數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)庫包括了保存?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)油田的名字，保存數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)間以及I、T 數(shù)據(jù)。并將數(shù)據(jù)按油田名稱保存到各自數(shù)據(jù)庫列表中去。

（2）網(wǎng)頁顯示模塊：登錄網(wǎng)頁可以將描述的功能顯示出來并進(jìn)行相關(guān)的操作。

圖4 監(jiān)測總站功能圖

2.4 信息存儲(chǔ)操作部分代碼

3 系統(tǒng)性能測試

測試該遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，驗(yàn)證該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目所描述功能。油田上位機(jī)可以在屏幕上顯示一級(jí)界面（選擇功能界面）、二級(jí)界面（實(shí)時(shí)姿態(tài)信息，歷史時(shí)間段選擇）、三級(jí)界面（歷史信息列表），如圖5 所示。

圖5 油田上位機(jī)界面

監(jiān)測總站需要在網(wǎng)頁上顯示一級(jí)界面（功能選擇界面）、二級(jí)界面（實(shí)時(shí)姿態(tài)信息，歷史時(shí)間段選擇）、三級(jí)界面（歷史信息列表），如圖6 所示。

4 結(jié)語

本文介紹了以HTTP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為基礎(chǔ)的油田井下鉆頭姿態(tài)監(jiān)測嵌入式系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)可以將實(shí)時(shí)采集到的姿態(tài)信息傳送到油田上位機(jī)顯示保存，并可以在監(jiān)測總站中訪問各個(gè)油田，將這三者連為一個(gè)整體，方便油田后勤部門對(duì)各個(gè)石油的管理。隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，該系統(tǒng)方案具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

圖6 監(jiān)測總站三級(jí)界面