基于CompactRIO的隨鉆嵌入式處理單元
隨鉆嵌入式處理單元是隨鉆地面系統(tǒng)的核心,主要負(fù)責(zé)兩大任務(wù):一、對(duì)泥漿脈沖遙傳信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理和解碼;二、對(duì)鉆井深度進(jìn)行準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)測(cè)量。泥漿脈沖遙傳信號(hào)和深度信號(hào)均參雜著大量的環(huán)境干擾,開(kāi)發(fā)能夠有效濾除這些環(huán)境干擾,還原原始信號(hào)的處理算法是整個(gè)處理單元最大的挑戰(zhàn),具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性。因此,需要一套性能強(qiáng)大、工作穩(wěn)定可靠、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單快速的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)作為單元的核心,以減少開(kāi)發(fā)工程師在硬件相關(guān)方面的投入,將有限的資源集中在處理算法的開(kāi)發(fā)上。
The Solution:
使用NI LabVIEW及相關(guān)模塊結(jié)合NI CompactRIO及相關(guān)數(shù)據(jù)采集模塊開(kāi)發(fā)了一套隨鉆嵌入式處理單元,采集鉆井現(xiàn)場(chǎng)安裝的泥漿壓力傳感器、深度編碼盤(pán)、死繩傳感器、鉤載傳感器和泵沖傳感器信號(hào),經(jīng)過(guò)處理后得到泥漿脈沖遙傳數(shù)據(jù)和鉆井深度數(shù)據(jù),傳送給上位機(jī)進(jìn)行后處理。
Author(s):
Di‘nan Jiang - China Oilfield Services Limited
Songwei Zhang - China Oilfield Services Limited
Huatao Lu - China Oilfield Services Limited
多年來(lái),井下數(shù)據(jù)傳輸是制約隨鉆測(cè)井技術(shù)發(fā)展的瓶頸,目前比較成熟的數(shù)據(jù)傳輸方式是泥漿脈沖遙傳。隨鉆地面系統(tǒng)的核心任務(wù)之一就是采集泥漿脈沖信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理,解碼為原始數(shù)據(jù);同時(shí),另一核心任務(wù)是需要在鉤載或死繩傳感器的配合下,通過(guò)深度編碼盤(pán)進(jìn)行鉆井深度實(shí)時(shí)測(cè)量。使用NI CompactRIO作為隨鉆嵌入式處理單元的核心,利用其強(qiáng)大的處理能力,實(shí)時(shí)性能,快速開(kāi)發(fā)特性,以及堅(jiān)固性和可靠性,工程師們可以更專注于泥漿脈沖信號(hào)處理、解碼算法以及深度測(cè)量算法的開(kāi)發(fā)。目前,隨鉆嵌入式處理單元已經(jīng)通過(guò)地面循環(huán)試驗(yàn)和井下循環(huán)試驗(yàn)兩次上百小時(shí)的運(yùn)行試驗(yàn),工作穩(wěn)定,功能正常,完全達(dá)到隨鉆測(cè)井地面系統(tǒng)的要求。
開(kāi)發(fā)背景
隨鉆測(cè)井技術(shù)是油氣田勘探開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一,目前為幾家國(guó)際性大公司所壟斷。在國(guó)內(nèi)隨鉆測(cè)井和相關(guān)的定向鉆井服務(wù)市場(chǎng)上,國(guó)外技術(shù)占據(jù)主導(dǎo)地位,其中國(guó)內(nèi)的海上市場(chǎng)則完全為國(guó)外技術(shù)所壟斷。近年來(lái),國(guó)內(nèi)企業(yè)購(gòu)置的國(guó)外隨鉆測(cè)井裝備估計(jì)每年都需花費(fèi)數(shù)億元人民幣,包括伽瑪/電阻率/中子密度/MWD在內(nèi)的隨鉆測(cè)井設(shè)備(井下儀器按每種2支配置)售價(jià)超過(guò)4000萬(wàn)元,不僅購(gòu)置和維護(hù)成本高昂,而且受到技術(shù)和市場(chǎng)的雙重限制,在相當(dāng)程度上制約著我國(guó)油氣資源、特別是海上油氣田的勘探開(kāi)發(fā),也限制了國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)的發(fā)展。隨著我國(guó)深水油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的展開(kāi),這個(gè)問(wèn)題將愈顯嚴(yán)重。
自主研發(fā)隨鉆項(xiàng)目的成功實(shí)施將形成我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的相對(duì)完整的隨鉆測(cè)井技術(shù)和裝備,打破國(guó)外技術(shù)的壟斷,與進(jìn)口設(shè)備相比將大大降低其生產(chǎn)、維護(hù)和使用成本,為我國(guó)海上、特別是深水油氣資源的勘探開(kāi)發(fā),以及我國(guó)油田服務(wù)企業(yè)的發(fā)展壯大提供有效的技術(shù)支撐。
泥漿正脈沖編碼技術(shù)
正脈沖信號(hào)是通過(guò)瞬時(shí)部分阻擋鉆柱內(nèi)泥漿柱的通行,迫使壓力升高而產(chǎn)生的。因此,當(dāng)脈沖器提升閥上行部分阻擋泥漿流,壓力上升,當(dāng)提升閥歸位,鉆柱壓力回到原始狀態(tài),如圖1所示:
圖1 正脈沖信號(hào)發(fā)生器
泥漿正脈沖編碼是通過(guò)調(diào)整泥漿脈沖之間的脈沖間隔實(shí)現(xiàn)數(shù)字編碼的一種編碼方式。脈沖位置編碼的信息或者數(shù)據(jù)隱含在兩個(gè)脈沖的之間的脈沖間隔中,不同脈沖間隔長(zhǎng)度代表不同的信息,如圖2所示。
圖2 基于脈沖間隔的正脈沖編碼
Data = (Interval - MIN_TIME) / BIT_TIME
其中,Data為編碼數(shù)據(jù),Interval為間隔時(shí)長(zhǎng),從上式知道,編碼的數(shù)據(jù)越大,脈沖間隔就越大,反之亦然。
對(duì)于一個(gè)實(shí)際的遙測(cè)物理系統(tǒng)中,需要定義些參數(shù),最小間隔時(shí)長(zhǎng)(MIN_TIME)是指在數(shù)據(jù)編碼中一個(gè)用于編碼對(duì)應(yīng)數(shù)值0的時(shí)間長(zhǎng)度,如果一個(gè)間隔等于最小間隔時(shí)長(zhǎng),則這個(gè)間隔編碼數(shù)據(jù)信息為0。由于噪音的存在,在井底下產(chǎn)生的壓力信號(hào)不同于在地面上的壓力信號(hào),這里定義比特寬度(BIT_WIDTH)來(lái)校正傳送的值,只要一個(gè)間隔的脈沖落在BW窗口內(nèi),認(rèn)為無(wú)論偏移多少為一個(gè)有效的脈沖,實(shí)際脈沖位置與比特寬度內(nèi)的理論脈沖位置值一致。
系統(tǒng)構(gòu)成
隨鉆嵌入式處理單元(以下簡(jiǎn)稱EPU)同時(shí)承擔(dān)多項(xiàng)采集測(cè)量處理任務(wù)和系統(tǒng)通訊任務(wù),是整個(gè)隨鉆地面系統(tǒng)的核心中樞?,F(xiàn)場(chǎng)的深度、泥漿壓力、鉤載、死繩和泵沖傳感器信號(hào)進(jìn)入進(jìn)入EPU,經(jīng)過(guò)安全隔離柵隔離、信號(hào)調(diào)理板調(diào)理之后,送入cRIO的數(shù)據(jù)采集卡,由FPGA對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)CPU處理后,通過(guò)LAN傳送給上位機(jī)。同時(shí),上位機(jī)通過(guò)cRIO的中轉(zhuǎn),通過(guò)RS485總線與司鉆顯示器和DBC中控進(jìn)行通訊,驅(qū)動(dòng)Bypass電磁閥,進(jìn)行指令下傳。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。
圖3 隨鉆地面系統(tǒng)框架
泥漿脈沖信號(hào)濾波解碼
在井場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng),泥漿脈沖信號(hào)是通過(guò)安裝在立管上的壓力傳感器采集獲得的。
在現(xiàn)場(chǎng)條件下,從井下發(fā)出的泥漿脈沖信號(hào)傳遞到地面時(shí),混雜了非常強(qiáng)的背景噪聲,其來(lái)源主要有泥漿泵活塞周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的泥漿泵噪聲、鉆頭粘卡后突然釋鉆柱產(chǎn)生大弧度擺動(dòng)產(chǎn)生的鉆柱扭矩噪聲和鉆柱鉆進(jìn)中的震動(dòng)產(chǎn)生的鉆頭噪聲。
在EPU中,采集獲得的泥漿脈沖波形數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)FIR初級(jí)濾波、自適應(yīng)濾波、小波分析、互相關(guān)處理等一系列濾波處理,獲得較為干凈的脈沖信號(hào)波形。之后,通過(guò)準(zhǔn)確判定脈沖位置,計(jì)算相鄰脈沖的時(shí)間間隔,從而計(jì)算的到相應(yīng)的通訊數(shù)據(jù)。[!--empirenews.page--]
深度測(cè)量
鉆井深度的測(cè)量,是通過(guò)測(cè)量鉆機(jī)大鉤上提下放運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行累加,從而間接獲得的。除了需要準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的測(cè)量大鉤位置外,還需要準(zhǔn)確判斷鉆具是否掛在大鉤上,跟隨大鉤一起上提下放。
判斷鉆具是否掛在大鉤上,先測(cè)量大鉤的載荷,與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較,高于閾值認(rèn)為是掛在大鉤上,反之認(rèn)為沒(méi)有掛在大鉤上,處于座卡狀態(tài)。但在鉆井過(guò)程中,會(huì)有各種震動(dòng)產(chǎn)生,使測(cè)量得到的載荷也隨之劇烈波動(dòng)。當(dāng)鉆井深度較淺,鉆具重量較輕時(shí),閾值非常接近大鉤空鉤載荷,劇烈的波動(dòng)很容易越過(guò)閾值造成誤判。
為了消除震動(dòng)的影響,需要對(duì)測(cè)量測(cè)到的鉤載進(jìn)行濾波。而濾波算法要求一方面有效濾除波動(dòng),另一方面具有很低的延遲,這兩方面是一對(duì)矛盾關(guān)系。在綜合了 FIR、IIR、平均值濾波、中值濾波等算法的特點(diǎn)后,使用FPGA模塊的相關(guān)濾波模塊設(shè)計(jì)了一套有效的濾波算法,能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的深度測(cè)量。
試驗(yàn)情況
在已經(jīng)進(jìn)行的地面循環(huán)試驗(yàn)、井下循環(huán)試驗(yàn)和實(shí)鉆試驗(yàn)中,隨鉆嵌入式處理單元累計(jì)工作幾百小時(shí),成功驗(yàn)證了其可靠性和實(shí)時(shí)性。達(dá)到的性能指標(biāo)主要有:
1、傳輸率:達(dá)到了3.0bps,為目前國(guó)內(nèi)的同類技術(shù)的最高水平;
2、誤碼率:在試驗(yàn)過(guò)程中,解碼的誤碼率在1%以下;
3、可靠性:在試驗(yàn)工作過(guò)程中,隨鉆嵌入式處理單元工作穩(wěn)定,算法運(yùn)行正常,沒(méi)有出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象。
總結(jié)
經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,基于CompactRIO開(kāi)發(fā)的隨鉆嵌入式處理單元已經(jīng)初步達(dá)到了實(shí)用化的水平。
在整個(gè)處理單元開(kāi)發(fā)過(guò)程中,快捷方便的LabVIEW圖形化編程工具極大的解放了開(kāi)發(fā)人員的精力,可以更專注于泥漿脈沖波形濾波解碼算法和深度測(cè)量算法的開(kāi)發(fā)。同時(shí),CompactRIO堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)和極高的可靠性也給人留下了深刻的印象。