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)。"

　　– 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?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。

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　　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：

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　　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。

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　　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。