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(hào)處理、解碼算法以及深度測(cè)量算法的開發(fā)。"– Di'nan Jiang, China Oilfield Services Limited

　　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(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(chǎng)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(hào)，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(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，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，通過深度編碼盤進(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(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。

　　開發(fā)背景

　　隨鉆測(cè)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(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，國(guó)內(nèi)企業(yè)購置的國(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4000萬元，不僅購置和維護(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發(fā)的展開，這個(gè)問題將愈顯嚴(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：

　　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(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。

　　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CPU處理后，通過LAN傳送給上位機(jī)。同時(shí)，上位機(jī)通過cRIO的中轉(zhuǎn)，通過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。

　　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)。

　　深度測(cè)量

　　鉆井深度的測(cè)量，是通過測(cè)量鉆機(jī)大鉤上提下放運(yùn)動(dòng)過程進(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)為沒有掛在大鉤上，處于座卡狀態(tài)。但在鉆井過程中，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)過程中，解碼的誤碼率在1%以下；

　　3、可靠性：在試驗(yàn)工作過程中，隨鉆嵌入式處理單元工作穩(wěn)定，算法運(yùn)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(yàn)驗(yàn)證，基于CompactRIO開發(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(cè)量算法的開發(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。