基于可编程处理器的实时数据采集在石油钻井测斜中的研究及设计

王淑香

（内蒙古化工职业学院，内蒙古 呼和浩特 010070）

基于可编程处理器的实时数据采集在石油钻井测斜中的研究及设计

王淑香

（内蒙古化工职业学院，内蒙古 呼和浩特 010070）

针对石油钻井复杂的工作环境，以及测量计算对数据实时性、准确性的要求，设计了基于可编程处理器的高速、多通道、可编程数据采集单元，实现了多传感器数据实时采集.同时通过上位机的处理，实现了测量结果的实时显示。给出了采集系统的总体设计方案，以及各分立数据传感单元的设计方案.现场下井实验数据表明，该数据采集及通讯单元工作稳定，数据传输实时、准确，达到了预期的基本要求.

油井测斜；可编程处理器；数据采集

测斜仪是一种井眼轨迹测量系统，通过沿被测井眼井筒的运行测量被测井眼不同深度处的井斜、方位信息，结合深度信息可达到监测和绘制井眼轨迹的目的，从而提供有效的井眼轨迹工程参数.其应用领域包括石油勘探开发测井、水工环测井、固体矿产测井等[1,4].

其中陀螺测斜仪是石油钻井测斜的主要手段，陀螺测斜仪是利用陀螺测量仪器的角速度，加速度计测量仪器的加速度分量，通过导航解算得到仪器运动轨迹，即井眼轨迹.与传统测斜仪相比，陀螺测斜仪能够在有磁场干扰的情况下进行井眼轨迹有关参数的测量，可以有效的提高油井测斜系统测量结果的准确性.

陀螺测斜仪在导航解算的过程中，需要原始数据必须具有准确性、实时性、等特点[2]，这是获得精确井眼轨迹的关键技术之一.因此这就决定了在油井工作的各个传感器必须能够将所测到的数据准确及时地上传到地面信息采集设备即上位机.可编程处理器不仅处理速度快[3]，同时具有大量的硬核、软核资源，适用于大量数据运算.基于其优点，本文设计了基于可编程处理器的高速、多通道数据采集单元.

1 数据采集单元总体设计

陀螺测斜仪的信息采集单元分为井下和地面两个部分.井下部分包括三只陀螺、三只加速度计及相应的六路温度传感器和井下供电电源.因此井下数据采集单元负责对这些信息进行采集，同时把采集到的信息通过测井专用的铠装电缆传送到地面采集单元.地面部分包括电缆长度传感器和地面供电电源.因此地面采集单元的主要任务是采集电缆长度信息和地面系统供电系统信息，同时接收井下仪器上传的采集数据；地面采集单元另一个任务是要把所有采集到的数据送入上位机进行实时显示.

基于以上分析，设计了陀螺测斜仪的数据采集单元如图1所示的.由于可编程处理器具有通过编写逻辑代码灵活实现电路的优点，在数据采集单元硬件设计时，采用其作为核心部件并进行外围电路设计.以硬核和软核为基础编写处理器对数据进行处理运算，同时使用Verilog语言设计编写接口电路.

图1 数据采集单元组成框图

仪器工作流程为：井下可编程处理器采集陀螺、加表、温度传感器以及井下电源信息，并把所采集到的数据按照约定的帧格式进行打包、编码后传到地面控制系统；地面控制系统的可编程处理器接收并解调井下仪器上传的数据并送入上位机，同时将采集的缆长数据送入上位机；上位机对接收来的各种数据并处理进行显示.

2 井下仪器数据采集单元设计

陀螺和加表的信息测量不仅数据量大，同时还要要求数据传输速率快、准确性高.因此选用的数据通讯形式为差分脉冲输出方式，即输出数据由正负两路脉冲构成，脉冲频率随载体运动角速度变化而变化.陀螺静态工作时，角速度量很小，脉冲输出频率很低；陀螺动态工作时，角速度量很大，脉冲输出频率较高.通过在可编程处理器中设计脉冲计数器对其输出进行采集.差分的数据传输方式可以有效地抑制共模噪声，提高数据准确度，同时脉冲的传输方式可以提高数据通讯速度.

温度传感模块工作于单总线传输模式.由于单总线时序对时间要求非常严格，在温度读取模块设计时采用了大量的计数器来设定时间间隔.这样一路温度读取逻辑将会占用很多硬件资源.系统中共有六路温度需要读取，若单独设计六个温度读取模块，则会降低可编程处理器硬件资源的利用率，同时也降低了可编程处理器工作稳定性.为了解决这一问题，考虑到系统中温度是一个连续缓慢变化的量，数据更新上没有陀螺要求的严格，因此设计上采用了基于分时复用技术的信号采集电路，如图2所示.

图2 温度数据采集框图

供电单元数据采集设计中采用传统成熟的采样电阻输出电压信号的方案[5]，通过信号调理电路对采样信号进行滤波，变换到A/D变换器允许输入电压范围内，然后通过可编程处理器读取A/D转换的数字量，经过处理得到真实的被采样电路的电压值.

3 地面控制系统数据采集单元设计

地面控制系统数据采集缆长信息，传输给上位机用以结合油井深度来监测和绘制井眼轨迹.其包括缆长传感器、计数器以及通讯接口电路组成.基本采集单元结构图如图3所示：

图3 电缆数据采集电路结构示意图

缆长传感器有两路TTL电平的脉冲的输出，分别为A和B.一个脉冲输出表示一个单元长度的移动，A，B两路信号具有±90°的相位差，用以表示当前脉冲的所表示的移动的方向，当A路信号的上升沿领先B路信号的上升沿时表示电缆在提升，反之，当B路信号的上升沿领先A路信号时，则表示电缆在下放.图4表示了两种情况的波形.地面供电单元数据采集同井下部分相同.井下数据同地面通讯采用凯装电缆实现.井下数据经过可编程处理器编码后，发送到地面采集单元.经过对数据解码得到原始数据，然后传输给上位机进行数据处理并显示.

图4 缆长传感器波形输出比较图

4 试验数据分析

图5为仪器测量解算得到的井斜角随井深变化曲线图.从中可以看出仪器解算正确，说明仪器的正常工作.

图5 井斜曲线图

温度也是一个连续变化的量，图6为温度随时间变化曲线，从图中可以看出温度变化是缓慢的，升温速度大约10.8℃/h.

图6 温度随时间变化曲线

5 结论

针对测斜仪解算单元对原始数据的实时性、可靠性以及解算精度的要求，设计了基于可编程处理器的高速、多通道数据采集单元.由于油井测斜工作环境的复杂性，采集单元分为地面和井下两部分.对井下采集单元及地面采集单元分别进行了设计.在井下采集单元研究中，就采集单元整体设计，对陀螺、加速度计、温度及电源的采集设计做了详细阐述.在地面采集单元设计中，详细描述了电缆传感器数据采集设计.

最终的系统测试表明，基于可编程处理器的实时数据采集系统工作稳定，数字通信功能正常，满足测斜仪对数据实时、准确的要求.

〔1〕林铁，林恒，等.光纤陀螺测斜仪数据采集及传输单元设计与实现[J]，测井技术，2009，33（4）.

〔2〕周益.光纤陀螺测斜仪地面系统硬件设计[D].北京航空航天大学，2007.

〔3〕夏宇闻.Verilog HDL数字与综合[M].北京:电子工业出版社,2004.

〔4〕张路,王西江.钻井信息管理系统在石油钻井中的应用研究[J].内蒙古石油化工,2009（24）.

〔5〕屈万里,黄载禄.石油测井井下数据采集[J].华中理工大学学报，1991，19（4）.

TP274.2

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1673-260X（2012）05-0060-02