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(zé)兩大任務(wù)：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(zhǔn)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(dāng)?shù)膹?fù)雜性。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(guān)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(guān)模塊結(jié)合NI CompactRIO及相關(guān)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(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(wù)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(shù)是油氣田勘探開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)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(guān)的定向鉆井服務(wù)市場上，國外技術(shù)占據(jù)主導(dǎo)地位，其中國內(nèi)的海上市場則完全為國外技術(shù)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(shè)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(shù)和市場的雙重限制，在相當(dāng)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(guān)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(yán)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(shù)和裝備，打破國外技術(shù)的壟斷，與進口設(shè)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(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(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(yīng)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(dān)多項采集測量處理任務(wù)和系統(tǒng)通訊任務(wù)，是整個隨鉆地面系統(tǒng)的核心中樞。現(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(fù)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(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波形。之后，通過準(zhǔn)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(yīng)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(zhǔn)確實時的測量大鉤位置外，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，先測量大鉤的載荷，與設(shè)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(dāng)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(guān)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(guān)濾波模塊設(shè)計了一套有效的濾波算法，能夠進行準(zhǔn)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(biāo)主要有：
1、傳輸率：達到了3.0bps，為目前國內(nèi)的同類技術(shù)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
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