基于CompactRIO的隨鉆嵌入式處理單元

　　"使用LabVIEW幫助工程師更專(zhuān)注于泥漿脈沖信號處理、解碼算法以及深度測量算法的開(kāi)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的核心，主要負責兩大任務(wù)：一、對泥漿脈沖遙傳信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理和解碼；二、對鉆井深度進(jìn)行準確的實(shí)時(shí)測量。泥漿脈沖遙傳信號和深度信號均參雜著(zhù)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，還原原始信號的處理算法是整個(gè)處理單元最大的挑戰，具有相當的復雜性。因此，需要一套性能強大、工作穩定可靠、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單快速的實(shí)時(shí)嵌入式系統作為單元的核心，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)模塊結合NI CompactRIO及相關(guān)數據采集模塊開(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，經(jīng)過(guò)處理后得到泥漿脈沖遙傳數據和鉆井深度數據，傳送給上位機進(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)，井下數據傳輸是制約隨鉆測井技術(shù)發(fā)展的瓶頸，目前比較成熟的數據傳輸方式是泥漿脈沖遙傳。隨鉆地面系統的核心任務(wù)之一就是采集泥漿脈沖信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，解碼為原始數據；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(shí)時(shí)性能，快速開(kāi)發(fā)特性，以及堅固性和可靠性，工程師們可以更專(zhuān)注于泥漿脈沖信號處理、解碼算法以及深度測量算法的開(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)試驗和井下循環(huán)試驗兩次上百小時(shí)的運行試驗，工作穩定，功能正常，完全達到隨鉆測井地面系統的要求。

　　開(kāi)發(fā)背景

　　隨鉆測井技術(shù)是油氣田勘探開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前為幾家國際性大公司所壟斷。在國內隨鉆測井和相關(guān)的定向鉆井服務(wù)市場(chǎng)上，國外技術(shù)占據主導地位，其中國內的海上市場(chǎng)則完全為國外技術(shù)所壟斷。近年來(lái)，國內企業(yè)購置的國外隨鉆測井裝備估計每年都需花費數億元人民幣，包括伽瑪/電阻率/中子密度/MWD在內的隨鉆測井設備（井下儀器按每種2支配置）售價(jià)超過(guò)4000萬(wàn)元，不僅購置和維護成本高昂，而且受到技術(shù)和市場(chǎng)的雙重限制，在相當程度上制約著(zhù)我國油氣資源、特別是海上油氣田的勘探開(kāi)發(fā)，也限制了國內相關(guān)企業(yè)的發(fā)展。隨著(zhù)我國深水油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的展開(kāi)，這個(gè)問(wèn)題將愈顯嚴重。

　　自主研發(fā)隨鉆項目的成功實(shí)施將形成我國自主知識產(chǎn)權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(jìn)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(kāi)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(guò)瞬時(shí)部分阻擋鉆柱內泥漿柱的通行，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：

　　泥漿正脈沖編碼是通過(guò)調整泥漿脈沖之間的脈沖間隔實(shí)現數字編碼的一種編碼方式。脈沖位置編碼的信息或者數據隱含在兩個(gè)脈沖的之間的脈沖間隔中，不同脈沖間隔長(cháng)度代表不同的信息，如圖2所示。

　　Data = (Interval - MIN_TIME) / BIT_TIME

　　其中，Data為編碼數據，Interval為間隔時(shí)長(cháng)，從上式知道，編碼的數據越大，脈沖間隔就越大，反之亦然。

　　對于一個(gè)實(shí)際的遙測物理系統中，需要定義些參數，最小間隔時(shí)長(cháng)（MIN_TIME）是指在數據編碼中一個(gè)用于編碼對應數值0的時(shí)間長(cháng)度，如果一個(gè)間隔等于最小間隔時(shí)長(cháng)，則這個(gè)間隔編碼數據信息為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(lái)校正傳送的值，只要一個(gè)間隔的脈沖落在BW窗口內，認為無(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的理論脈沖位置值一致。

　　系統構成

　　隨鉆嵌入式處理單元（以下簡(jiǎn)稱(chēng)EPU）同時(shí)承擔多項采集測量處理任務(wù)和系統通訊任務(wù)，是整個(gè)隨鉆地面系統的核心中樞?，F場(chǎng)的深度、泥漿壓力、鉤載、死繩和泵沖傳感器信號進(jìn)入進(jìn)入EPU，經(jīng)過(guò)安全隔離柵隔離、信號調理板調理之后，送入cRIO的數據采集卡，由FPGA對數據進(jìn)行采集，得到的數據經(jīng)過(guò)CPU處理后，通過(guò)LAN傳送給上位機。同時(shí)，上位機通過(guò)cRIO的中轉，通過(guò)RS485總線(xiàn)與司鉆顯示器和DBC中控進(jìn)行通訊，驅動(dòng)Bypass電磁閥，進(jìn)行指令下傳。系統架構如圖3所示。

　　泥漿脈沖信號濾波解碼

　　在井場(chǎng)現場(chǎng)，泥漿脈沖信號是通過(guò)安裝在立管上的壓力傳感器采集獲得的。

　　在現場(chǎng)條件下，從井下發(fā)出的泥漿脈沖信號傳遞到地面時(shí)，混雜了非常強的背景噪聲，其來(lái)源主要有泥漿泵活塞周期往復運動(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據經(jīng)過(guò)FIR初級濾波、自適應濾波、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(guò)準確判定脈沖位置，計算相鄰脈沖的時(shí)間間隔，從而計算的到相應的通訊數據。

　　深度測量

　　鉆井深度的測量，是通過(guò)測量鉆機大鉤上提下放運動(dòng)過(guò)程進(jìn)行累加，從而間接獲得的。除了需要準確實(shí)時(shí)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(jìn)行比較，高于閾值認為是掛在大鉤上，反之認為沒(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，使測量得到的載荷也隨之劇烈波動(dòng)。當鉆井深度較淺，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，需要對測量測到的鉤載進(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)濾波模塊設計了一套有效的濾波算法，能夠進(jìn)行準確的深度測量。

　　試驗情況

　　在已經(jīng)進(jìn)行的地面循環(huán)試驗、井下循環(huán)試驗和實(shí)鉆試驗中，隨鉆嵌入式處理單元累計工作幾百小時(shí)，成功驗證了其可靠性和實(shí)時(shí)性。達到的性能指標主要有：

　　1、傳輸率：達到了3.0bps，為目前國內的同類(lèi)技術(shù)的最高水平；

　　2、誤碼率：在試驗過(guò)程中，解碼的誤碼率在1%以下；

　　3、可靠性：在試驗工作過(guò)程中，隨鉆嵌入式處理單元工作穩定，算法運行正常，沒(méi)有出現系統崩潰的現象。

　　總結

　　經(jīng)過(guò)試驗驗證，基于CompactRIO開(kāi)發(fā)的隨鉆嵌入式處理單元已經(jīng)初步達到了實(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(zhuān)注于泥漿脈沖波形濾波解碼算法和深度測量算法的開(kāi)發(fā)。同時(shí)，CompactRIO堅固的結構和極高的可靠性也給人留下了深刻的印象。