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基于CompactRIO的隨鉆嵌入式處理單元

使用LabVIEW幫助工程師更專注于泥漿脈沖信號處理、解碼算法以及深度測量算法的開發(fā)。
2011-04-25
作者:Di'nan Jiang

The Challenge:
  隨鉆嵌入式處理單元是隨鉆地面系統(tǒng)的核心,主要負責兩大任務:一、對泥漿脈沖遙傳信號進行實時采集、處理和解碼;二、對鉆井深度進行準確的實時測量。泥漿脈沖遙傳信號和深度信號均參雜著大量的環(huán)境干擾,開發(fā)能夠有效濾除這些環(huán)境干擾,還原原始信號的處理算法是整個處理單元最大的挑戰(zhàn),具有相當?shù)膹碗s性。因此,需要一套性能強大、工作穩(wěn)定可靠、開發(fā)簡單快速的實時嵌入式系統(tǒng)作為單元的核心,以減少開發(fā)工程師在硬件相關方面的投入,將有限的資源集中在處理算法的開發(fā)上。
 
The Solution:
  使用NI LabVIEW及相關模塊結(jié)合NI CompactRIO及相關數(shù)據(jù)采集模塊開發(fā)了一套隨鉆嵌入式處理單元,采集鉆井現(xiàn)場安裝的泥漿壓力傳感器、深度編碼盤、死繩傳感器、鉤載傳感器和泵沖傳感器信號,經(jīng)過處理后得到泥漿脈沖遙傳數(shù)據(jù)和鉆井深度數(shù)據(jù),傳送給上位機進行后處理。
 
Author(s):
  Di'nan Jiang - China Oilfield Services Limited
  Songwei Zhang - China Oilfield Services Limited
  Huatao Lu - China Oilfield Services Limited
 
  多年來,井下數(shù)據(jù)傳輸是制約隨鉆測井技術發(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)的核心任務之一就是采集泥漿脈沖信號進行實時采集和處理,解碼為原始數(shù)據(jù);同時,另一核心任務是需要在鉤載或死繩傳感器的配合下,通過深度編碼盤進行鉆井深度實時測量。使用NI CompactRIO作為隨鉆嵌入式處理單元的核心,利用其強大的處理能力,實時性能,快速開發(fā)特性,以及堅固性和可靠性,工程師們可以更專注于泥漿脈沖信號處理、解碼算法以及深度測量算法的開發(fā)。目前,隨鉆嵌入式處理單元已經(jīng)通過地面循環(huán)試驗和井下循環(huán)試驗兩次上百小時的運行試驗,工作穩(wěn)定,功能正常,完全達到隨鉆測井地面系統(tǒng)的要求。
 
開發(fā)背景
  隨鉆測井技術是油氣田勘探開發(fā)的關鍵技術之一,目前為幾家國際性大公司所壟斷。在國內(nèi)隨鉆測井和相關的定向鉆井服務市場上,國外技術占據(jù)主導地位,其中國內(nèi)的海上市場則完全為國外技術所壟斷。近年來,國內(nèi)企業(yè)購置的國外隨鉆測井裝備估計每年都需花費數(shù)億元人民幣,包括伽瑪/電阻率/中子密度/MWD在內(nèi)的隨鉆測井設備(井下儀器按每種2支配置)售價超過4000萬元,不僅購置和維護成本高昂,而且受到技術和市場的雙重限制,在相當程度上制約著我國油氣資源、特別是海上油氣田的勘探開發(fā),也限制了國內(nèi)相關企業(yè)的發(fā)展。隨著我國深水油氣資源勘探開發(fā)的展開,這個問題將愈顯嚴重。
  
  自主研發(fā)隨鉆項目的成功實施將形成我國自主知識產(chǎn)權(quán)的相對完整的隨鉆測井技術和裝備,打破國外技術的壟斷,與進口設備相比將大大降低其生產(chǎn)、維護和使用成本,為我國海上、特別是深水油氣資源的勘探開發(fā),以及我國油田服務企業(yè)的發(fā)展壯大提供有效的技術支撐。
 
泥漿正脈沖編碼技術
  正脈沖信號是通過瞬時部分阻擋鉆柱內(nèi)泥漿柱的通行,迫使壓力升高而產(chǎn)生的。因此,當脈沖器提升閥上行部分阻擋泥漿流,壓力上升,當提升閥歸位,鉆柱壓力回到原始狀態(tài),如圖1所示:


圖1 正脈沖信號發(fā)生器


泥漿正脈沖編碼是通過調(diào)整泥漿脈沖之間的脈沖間隔實現(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)隱含在兩個脈沖的之間的脈沖間隔中,不同脈沖間隔長度代表不同的信息,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為間隔時長,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。
 
  對于一個實際的遙測物理系統(tǒng)中,需要定義些參數(shù),最小間隔時長(MIN_TIME)是指在數(shù)據(jù)編碼中一個用于編碼對應數(shù)值0的時間長度,如果一個間隔等于最小間隔時長,則這個間隔編碼數(shù)據(jù)信息為0。由于噪音的存在,在井底下產(chǎn)生的壓力信號不同于在地面上的壓力信號,這里定義比特寬度(BIT_WIDTH)來校正傳送的值,只要一個間隔的脈沖落在BW窗口內(nèi),認為無論偏移多少為一個有效的脈沖,實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(以下簡稱EPU)同時承擔多項采集測量處理任務和系統(tǒng)通訊任務,是整個隨鉆地面系統(tǒng)的核心中樞?,F(xiàn)場的深度、泥漿壓力、鉤載、死繩和泵沖傳感器信號進入進入EPU,經(jīng)過安全隔離柵隔離、信號調(diào)理板調(diào)理之后,送入cRIO的數(shù)據(jù)采集卡,由FPGA對數(shù)據(jù)進行采集,得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過CPU處理后,通過LAN傳送給上位機。同時,上位機通過cRIO的中轉(zhuǎn),通過RS485總線與司鉆顯示器和DBC中控進行通訊,驅(qū)動Bypass電磁閥,進行指令下傳。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。


圖3 隨鉆地面系統(tǒng)框架


泥漿脈沖信號濾波解碼
  在井場現(xiàn)場,泥漿脈沖信號是通過安裝在立管上的壓力傳感器采集獲得的。
 
  在現(xiàn)場條件下,從井下發(fā)出的泥漿脈沖信號傳遞到地面時,混雜了非常強的背景噪聲,其來源主要有泥漿泵活塞周期往復運動產(chǎn)生的泥漿泵噪聲、鉆頭粘卡后突然釋鉆柱產(chǎn)生大弧度擺動產(chǎn)生的鉆柱扭矩噪聲和鉆柱鉆進中的震動產(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FIR初級濾波、自適應濾波、小波分析、互相關處理等一系列濾波處理,獲得較為干凈的脈沖信號波形。之后,通過準確判定脈沖位置,計算相鄰脈沖的時間間隔,從而計算的到相應的通訊數(shù)據(jù)。
 
深度測量
  鉆井深度的測量,是通過測量鉆機大鉤上提下放運動過程進行累加,從而間接獲得的。除了需要準確實時的測量大鉤位置外,還需要準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,先測量大鉤的載荷,與設定的閾值進行比較,高于閾值認為是掛在大鉤上,反之認為沒有掛在大鉤上,處于座卡狀態(tài)。但在鉆井過程中,會有各種震動產(chǎn)生,使測量得到的載荷也隨之劇烈波動。當鉆井深度較淺,鉆具重量較輕時,閾值非常接近大鉤空鉤載荷,劇烈的波動很容易越過閾值造成誤判。
 
  為了消除震動的影響,需要對測量測到的鉤載進行濾波。而濾波算法要求一方面有效濾除波動,另一方面具有很低的延遲,這兩方面是一對矛盾關系。在綜合了FIR、IIR、平均值濾波、中值濾波等算法的特點后,使用FPGA模塊的相關濾波模塊設計了一套有效的濾波算法,能夠進行準確的深度測量。
 
試驗情況
  在已經(jīng)進行的地面循環(huán)試驗、井下循環(huán)試驗和實鉆試驗中,隨鉆嵌入式處理單元累計工作幾百小時,成功驗證了其可靠性和實時性。達到的性能指標主要有:
 
  1、傳輸率:達到了3.0bps,為目前國內(nèi)的同類技術的最高水平;
 
  2、誤碼率:在試驗過程中,解碼的誤碼率在1%以下;
 
  3、可靠性:在試驗工作過程中,隨鉆嵌入式處理單元工作穩(wěn)定,算法運行正常,沒有出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象。
 
總結(jié)
  經(jīng)過試驗驗證,基于CompactRIO開發(fā)的隨鉆嵌入式處理單元已經(jīng)初步達到了實用化的水平。
 
  在整個處理單元開發(fā)過程中,快捷方便的LabVIEW圖形化編程工具極大的解放了開發(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量算法的開發(fā)。同時,CompactRIO堅固的結(jié)構(gòu)和極高的可靠性也給人留下了深刻的印象。
 
  Next Steps
  觀看工業(yè)控制視頻演示
 
  了解NI LabVIEW圖形化編程

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