远程井下钻头姿态实时监测系统研究

2020-03-05范涛李铭钧成晓炜

现代计算机 2020年1期

范涛，李铭钧，成晓炜

（西安石油大学电子工程学院，西安710065）

0 引言

油田油井数量多且分布范围由几十至上百平方公里不等，分布比较零散[1]。在多线钻井操作以及后期监测方面目前大多采用人工巡井方式，由人工每日定时检查钻井设备运行情况并记录各油井信息数据[2]。然而石油钻井行业面临更大更多的挑战：一是技术上要求钻井目标越来越小、越来越精确，管理上要求越来越精细化、决策科学化、快速准确化；二是钻井工程投资大、风险高，钻井过程中所使用的技术方法和专业技术人员管理人员所做出的各项决策和方案等都直接关系到钻井施工的效益和成败；三是有的钻井作业地区偏远荒芜，给施工带来极大的不便，因此，钻井工艺技术的发展不仅需要多种理论知识的指导，而更重要的是在钻井过程中能随时保障前后方的信息沟通，将现场产生的大量数据资料及时传输到后勤，使得后勤职能部门对现场施工数据及时浏览与分析，实时监控，及时指导和处理钻井现场的问题，达到降低钻井风险和施工成本的目的[3-5]。

针对上述问题设计一种以远程监测总站为中心，各油田上位机分散采集存储井下信息的星状网络结构的系统设计分案，该系统可以整合所有油田钻井作业的钻头姿态信息数据，各个油井上位机存储所有信息后通过Web 网络统一传送到监测总站中通，监测总站可以实时监测各油田钻头的姿态信息，减少人力成本，提高安全性能，降低钻井风险。

1 系统硬件设计

1.1 监测系统组成

远程井下钻头姿态实时监测系统由四部分组成：姿态信息采集系统、油田上位机、监测总站、Web 网络通信单元。姿态信息采集模块将井下钻头上的加速度、磁强计，温度传感器等传感器数据集成到一块基于DSP 的数据采集板进行统一数据处理，并将处理后得到的姿态等信息通过CAN 总线传送到井上油田上位机中，Web 远程通信技术和监测总站则实现了钻井过程现场与指挥中心之间的实时数据传输和远程监控，如图1 所示。

图1 监测系统结构图

1.2 系统应硬件实现

（1）姿态信息采集系统（A/D 转换模块）

以TMS320F28335 为系统设计核心，外设硬件设计主要包括信号调理电路、时钟电路、ADC 校正电路、电源电路、复位电路、显示电路以及通讯接口。载体姿态信号通过传感器采集后，经过信号调理电路，将调理后的信号和两路校正电压信号送入ADC，转化为DSP可处理的数字信号，并进行数字滤波、ADC 误差校正和测量误差校正，最后解算姿态角度并通过CAN 总线传送到油田上位机中。

（2）油田上位机

以MINI2440 开发板为基础进行二次开发，设计了一套油田上位机系统。MINI2440 开发板具有一键烧写、支持32/64-bit 电脑、跨平台等特性、支持所有友善之臂开发板，具有多个串口（AD 转换串口、LCD 串口、USB 串口等）方便我们进行二次开发。该开发板通过转换器可实现接受CAN 总线传输数据，保存数据以及LCD 显示数据功能，完全满足需求。

（3）监测总站

监测主机采用有线入网或无线入网的方式，与各个油田上位机有固定的IP，以便于监测主机与上位机之间的网络通信，监测主机可以登录网页随时监测各个油田钻头的井斜、方位角、工具面角以及查询钻井过程中钻头姿态的历史信息。

2 系统软件设计

系统软件部分采用模块化编程，由姿态信息采集系统、油田上位机模块以及监测总站模块三部分组成。

2.1 姿态信息采集系统

姿态信息采集系统主要由系统初始化模块、采样模块、解算模块、CAN 总线传输模块组成，流程如图2所示。

（1）采样模块：

采集三轴传感器电压信号，通过AD 转换为数字信号，程序中通过公式将数字信号转化为可视的电压信号存储在数组中：每组采集10 次数据，每次采集x，y，z 三个数据，共采集45 组数据一共450 组数据，再将这450 组数据x，y，z 三组数据分别通过冒泡排序进行从小到大的排序，再将这些数据进行中值滤波，取150～300 组数据进行求平均值得到我们想要的姿态电压值。

（2）解算模块：

通过解算模块，将我们采集到的电压值通过我们的姿态解算公式得到我们想要的井斜I 以及工具面角T。

（3）CAN 总线传输模块：

将解算出来的姿态角信息通过CAN 总线传输到油田上位机中去，传输信息包括井斜、方位角、工具面角。