無(wú)電纜測井中大批量數據存儲與傳輸模塊的實(shí)現

2004年6月A版

摘  要：本文提出了一種低成本、高成功率的無(wú)電纜水平井測井方法——鉆桿推進(jìn)無(wú)電纜測井模式。詳細介紹了數據存儲和傳輸模塊的軟硬件設計。

關(guān)鍵詞：大批量數據存儲；數據傳輸；水平井；無(wú)電纜

引言

　　隨著(zhù)石油勘探開(kāi)發(fā)水平的提高，水平井、大斜度井、大位移井在油田開(kāi)發(fā)中已相當普遍。與之相配套的測井技術(shù)也得到了很大發(fā)展。我國于90年代初相繼研制成功了電纜濕接頭鉆桿推進(jìn)測井技術(shù)、鉆桿推進(jìn)保護套式測井技術(shù)，基本解決了水平井的測井問(wèn)題。但此類(lèi)技術(shù)施工難度大、成本極高，而且測井成功率較低。

　　通信技術(shù)與計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，以及各種大規模集成電路性?xún)r(jià)比的不斷提高，使得使用大規模存儲設備成為可能。因此，我們根據水平井測井的特殊要求，提出了一種不采用測井電纜的水平井測井方法__鉆桿推進(jìn)無(wú)電纜測井模式。簡(jiǎn)化了水平井測井的工藝，降低了成本，經(jīng)過(guò)試驗證明具有較高的測井成功率，解決了目前油田開(kāi)發(fā)急需解決的問(wèn)題。

無(wú)電纜測井系統

　　鉆桿推進(jìn)無(wú)電纜測井系統由地面和井下兩部分構成(見(jiàn)圖1)。

　　地面部分的主要功能為深度—時(shí)間測量。它利用原有的測井地面設備加裝一鉆桿移動(dòng)深度—時(shí)間測量裝置，實(shí)時(shí)記錄鉆桿的深度、速度和相對應的時(shí)間，并以文件形式進(jìn)行存儲。

　　井下部分包括原有的井下儀器以及井下數據采集系統。其中，井下數據采集系統是整個(gè)系統的核心裝置。其主要功能是以等時(shí)的方式將井下儀器送來(lái)的信號進(jìn)行采樣，并將其以文件的形式記錄在大容量存儲體中，從而獲得數據與時(shí)間的對應關(guān)系。

系統工作過(guò)程如下：

　　在井場(chǎng)作測井準備時(shí)，利用地面系統主計算機的串行通信方式，通過(guò)臨時(shí)連接電纜與準備下井的井下數據采集系統進(jìn)行通信，其通信目的是向井下數據采集授時(shí)，使主計算機與井下部分時(shí)鐘校準；設置預定采樣深度的井下壓力值，作該數據采集系統起動(dòng)采集，并設置井下儀器供電的臨界值；同時(shí)在地面對井下儀器進(jìn)行刻度，將刻度數據通過(guò)串行接口輸入主計算機。

　　將數據采集模塊和下井儀器與鉆桿相連，推送下井。地面系統記錄深度和時(shí)間的關(guān)系數據，當下井儀器被推送到預定的測井深度時(shí)，數據采集模塊中的壓力檢測電路測得其數值和預定的壓力值相等時(shí)，打開(kāi)逆變電源向井下測井儀器供電，此時(shí)數據采集模塊以等時(shí)方式采集測井數據并存入閃存中。此過(guò)程一直到儀器到達井底，然后又上提到停止測井的深度，即閃存中記錄了下放和上提兩個(gè)過(guò)程中測井的相應數據，此時(shí)關(guān)閉逆變電源。

　　當儀器提出井口，在地面，通過(guò)臨時(shí)電纜將數據采集模塊與主機串口相連，將閃存中存儲的井下測井數據傳輸到主機中。主機將地面系統記錄的深度--時(shí)間數據和井下系統記錄的地層參數—時(shí)間數據進(jìn)行處理，得到完整的測井資料(即地層參數—深度對應關(guān)系數據)，此時(shí)完成了整個(gè)測井過(guò)程。

　　整個(gè)系統中，井下數據采集、存儲和傳輸模塊是關(guān)鍵部分。由于幾千米井下，溫度高、壓力強、濕度大，環(huán)境條件十分惡劣。因此，井下數據采集、存儲和傳輸模塊除了必須選用軍品級器件外，還必須做熱備份，使用完全相同的兩套電路，同時(shí)獨立地進(jìn)行測井數據的采集和記錄。保證測井的高成功率。      下面給出數據采集、存儲與傳輸模塊的軟硬件設計。

數據存儲與傳輸模塊設計

硬件設計

　　數據存儲與傳輸模塊的主要功能就是等時(shí)(0.5s)地從井下儀器中采集測井數據，并將數據存儲到閃存中，待測井結束后，該模塊通過(guò)RS-485總線(xiàn)將存儲的測井數據傳輸給主機，通信速率為300Kbit/s。閃存的存儲容量為10M字節。另外該模塊還可對保溫瓶溫度等模擬量進(jìn)行采集。在整個(gè)測井過(guò)程中數據能否可靠地存儲與傳輸是整個(gè)測井成功與否的關(guān)鍵，其結構框圖如圖2所示。主要由CPU(8751)、程序存儲器、數據存儲器、FLASH存儲器、時(shí)鐘振蕩器、RS-485接口，A/D轉換器、譯碼及控制電路和日歷時(shí)鐘等部分組成。

　　本系統的主控芯片是MD87C51單片機，負責整個(gè)模塊的協(xié)調工作，主要任務(wù)包含：與主計算機通過(guò)RS-485通信、將采集的數據記錄在大容量的閃存中，這里使用了XILINX公司的XC3030來(lái)對地址進(jìn)行譯碼，使得單片機能夠訪(fǎng)問(wèn)大容量的閃存。日歷時(shí)鐘電路主要實(shí)現準確計時(shí)的任務(wù)，包含：接收主計算機下發(fā)的系統時(shí)間，對本時(shí)鐘電路進(jìn)行授時(shí)，保證主計算機和本電路的時(shí)間同步；通過(guò)計時(shí)器對時(shí)間進(jìn)行累計，與主控芯片MD87C51通過(guò)串口通信。A/D轉換電路主要由AD7824實(shí)現，用以采集系統所需的相關(guān)數據，通過(guò)單片機總線(xiàn)傳送給主控模塊MD87C51。

　　大容量數據存儲的實(shí)現是使用了20片AMD公司生產(chǎn)的閃存芯片AM29F040B(每片容量為512K)。譯碼電路，使用了XILINX公司的可編程門(mén)陣列XC3030。通過(guò)硬件描述語(yǔ)言對XC3030進(jìn)行編程配置，產(chǎn)生所需的地址譯碼。由于MD87C51的尋址空間最大為64K，這里采用了鎖存低8位地址的方式來(lái)對閃存進(jìn)行尋址。單片機為每片閃存分配了2K的地址空間。單片機讀寫(xiě)閃存的時(shí)候，需要先將相應地址的低8位鎖存入XC3030，然后再對相應的2K空間進(jìn)行操作。這樣，就可以運用普通的51單片機訪(fǎng)問(wèn)大容量的存儲器。運用這種方式，可以靈活運用51單片機進(jìn)行大地址空間的訪(fǎng)問(wèn)。

　　日歷時(shí)鐘電路在整個(gè)無(wú)電纜測井系統中占有重要的地位，其定時(shí)精度直接影響到測井數據與時(shí)間的對應關(guān)系。采用MD87C51單片機作為日歷時(shí)鐘電路的控制處理器，通過(guò)定時(shí)器中斷進(jìn)行時(shí)間累加，同時(shí)通過(guò)串行口與主控單片機通信。

軟件設計

　　軟件設計分為兩部分，主控單片機的程序設計和日歷時(shí)鐘電路中單片機的程序設計。                                                                                       
　　主控單片機程序包括一個(gè)主程序和兩個(gè)中斷服務(wù)子程序。中斷服務(wù)程序包含T0中斷服務(wù)子程序和串口中斷服務(wù)子程序，其中，T0中斷服務(wù)予程序只是設定一個(gè)中斷標志，不做任何其他工作；串口中斷服務(wù)予程序的主要工作是接收和發(fā)送數據。主程序控制整個(gè)模塊的工作狀態(tài)，數據存儲與傳輸模塊存在兩種工作狀態(tài)，即地面通信狀態(tài)和井下測井狀態(tài)，其中，地面通信狀態(tài)就是在地面與主機相接，和主機之間進(jìn)行通信，包括初始化(擦除閃存等)、刻度以及數據傳輸等；而進(jìn)入井下測井狀態(tài)后，主要工作是每隔0.5s收集一次井下儀器的測井數據，并將它寫(xiě)入閃存中。主程序框圖如圖3所示。

　　上電復位后，首先進(jìn)行系統的初始化工作，隨后查詢(xún)主計算機是否發(fā)送命令，判斷命令類(lèi)型，根據相應的初始化命令、刻度命令、數據傳輸命令或者壓力到達臨界值命令，進(jìn)行設置時(shí)間、 送刻度數據、傳輸測井數據或者進(jìn)入測井狀態(tài)等操作。

　　日歷時(shí)鐘的軟件包含一個(gè)主程序和兩個(gè)中斷服務(wù)子程序(T０和串行通信)，T0中斷服務(wù)程序主要是設置一個(gè)標志，主程序根據此標志進(jìn)行時(shí)間累加，串行通信中斷服務(wù)子程序主要任務(wù)是接收主控單片機的命令，并向主控單片機發(fā)送數據。上電后，先進(jìn)行初始化，初始化后檢查是否有T0中斷，如果有，則進(jìn)行時(shí)間累加，否則直接檢測是否有M301命令，若有，處理命令，否則繼續進(jìn)行檢測，命令主要包括初始化命令和傳輸時(shí)間值命令。

結語(yǔ)

　　本系統的關(guān)鍵在于地面系統和井下儀器在時(shí)間上能夠同步，這樣就大大提高效率和方便性，實(shí)現了無(wú)電纜水平井測井，解決了水平井測井成本高的問(wèn)題。

　　本系統使用了較少的硬件電路，較少的連線(xiàn)，充分使用了可編程邏輯器件和單片機的內部資源，達到了系統所需的功能和要求，提高了電路的可靠性和工作效率，成本和可維修性都大大高于分立邏輯器件設計模式。

　　在系統可靠性測試中，誤差率在10-9以下。由于井下條件惡劣，因此井下儀器的器件需要選擇高溫器件。在實(shí)地測了多口水平井，取得理想結果。

　　目前，本系統已在勝利油田測井公司批量生產(chǎn)，在實(shí)際的油田測井中，工作穩定可靠，得到了用戶(hù)單位的好評?！?BR>