基于可編程處理器的實時數據采集在石油鉆井測斜中的研究及設計

王淑香

（內蒙古化工職業學院，內蒙古 呼和浩特 010070）

基于可編程處理器的實時數據采集在石油鉆井測斜中的研究及設計

王淑香

（內蒙古化工職業學院，內蒙古 呼和浩特 010070）

針對石油鉆井復雜的工作環境，以及測量計算對數據實時性、準確性的要求，設計了基于可編程處理器的高速、多通道、可編程數據采集單元，實現了多傳感器數據實時采集.同時通過上位機的處理，實現了測量結果的實時顯示。給出了采集系統的總體設計方案，以及各分立數據傳感單元的設計方案.現場下井實驗數據表明，該數據采集及通訊單元工作穩定，數據傳輸實時、準確，達到了預期的基本要求.

油井測斜；可編程處理器；數據采集

測斜儀是一種井眼軌跡測量系統，通過沿被測井眼井筒的運行測量被測井眼不同深度處的井斜、方位信息，結合深度信息可達到監測和繪制井眼軌跡的目的，從而提供有效的井眼軌跡工程參數.其應用領域包括石油勘探開發測井、水工環測井、固體礦產測井等[1,4].

其中陀螺測斜儀是石油鉆井測斜的主要手段，陀螺測斜儀是利用陀螺測量儀器的角速度，加速度計測量儀器的加速度分量，通過導航解算得到儀器運動軌跡，即井眼軌跡.與傳統測斜儀相比，陀螺測斜儀能夠在有磁場干擾的情況下進行井眼軌跡有關參數的測量，可以有效的提高油井測斜系統測量結果的準確性.

陀螺測斜儀在導航解算的過程中，需要原始數據必須具有準確性、實時性、等特點[2]，這是獲得精確井眼軌跡的關鍵技術之一.因此這就決定了在油井工作的各個傳感器必須能夠將所測到的數據準確及時地上傳到地面信息采集設備即上位機.可編程處理器不僅處理速度快[3]，同時具有大量的硬核、軟核資源，適用于大量數據運算.基于其優點，本文設計了基于可編程處理器的高速、多通道數據采集單元.

1 數據采集單元總體設計

陀螺測斜儀的信息采集單元分為井下和地面兩個部分.井下部分包括三只陀螺、三只加速度計及相應的六路溫度傳感器和井下供電電源.因此井下數據采集單元負責對這些信息進行采集，同時把采集到的信息通過測井專用的鎧裝電纜傳送到地面采集單元.地面部分包括電纜長度傳感器和地面供電電源.因此地面采集單元的主要任務是采集電纜長度信息和地面系統供電系統信息，同時接收井下儀器上傳的采集數據；地面采集單元另一個任務是要把所有采集到的數據送入上位機進行實時顯示.

基于以上分析，設計了陀螺測斜儀的數據采集單元如圖1所示的.由于可編程處理器具有通過編寫邏輯代碼靈活實現電路的優點，在數據采集單元硬件設計時，采用其作為核心部件并進行外圍電路設計.以硬核和軟核為基礎編寫處理器對數據進行處理運算，同時使用Verilog語言設計編寫接口電路.

圖1 數據采集單元組成框圖

儀器工作流程為：井下可編程處理器采集陀螺、加表、溫度傳感器以及井下電源信息，并把所采集到的數據按照約定的幀格式進行打包、編碼后傳到地面控制系統；地面控制系統的可編程處理器接收并解調井下儀器上傳的數據并送入上位機，同時將采集的纜長數據送入上位機；上位機對接收來的各種數據并處理進行顯示.

2 井下儀器數據采集單元設計

陀螺和加表的信息測量不僅數據量大，同時還要要求數據傳輸速率快、準確性高.因此選用的數據通訊形式為差分脈沖輸出方式，即輸出數據由正負兩路脈沖構成，脈沖頻率隨載體運動角速度變化而變化.陀螺靜態工作時，角速度量很小，脈沖輸出頻率很低；陀螺動態工作時，角速度量很大，脈沖輸出頻率較高.通過在可編程處理器中設計脈沖計數器對其輸出進行采集.差分的數據傳輸方式可以有效地抑制共模噪聲，提高數據準確度，同時脈沖的傳輸方式可以提高數據通訊速度.

溫度傳感模塊工作于單總線傳輸模式.由于單總線時序對時間要求非常嚴格，在溫度讀取模塊設計時采用了大量的計數器來設定時間間隔.這樣一路溫度讀取邏輯將會占用很多硬件資源.系統中共有六路溫度需要讀取，若單獨設計六個溫度讀取模塊，則會降低可編程處理器硬件資源的利用率，同時也降低了可編程處理器工作穩定性.為了解決這一問題，考慮到系統中溫度是一個連續緩慢變化的量，數據更新上沒有陀螺要求的嚴格，因此設計上采用了基于分時復用技術的信號采集電路，如圖2所示.

圖2 溫度數據采集框圖

供電單元數據采集設計中采用傳統成熟的采樣電阻輸出電壓信號的方案[5]，通過信號調理電路對采樣信號進行濾波，變換到A/D變換器允許輸入電壓范圍內，然后通過可編程處理器讀取A/D轉換的數字量，經過處理得到真實的被采樣電路的電壓值.

3 地面控制系統數據采集單元設計

地面控制系統數據采集纜長信息，傳輸給上位機用以結合油井深度來監測和繪制井眼軌跡.其包括纜長傳感器、計數器以及通訊接口電路組成.基本采集單元結構圖如圖3所示：

圖3 電纜數據采集電路結構示意圖

纜長傳感器有兩路TTL電平的脈沖的輸出，分別為A和B.一個脈沖輸出表示一個單元長度的移動，A，B兩路信號具有±90°的相位差，用以表示當前脈沖的所表示的移動的方向，當A路信號的上升沿領先B路信號的上升沿時表示電纜在提升，反之，當B路信號的上升沿領先A路信號時，則表示電纜在下放.圖4表示了兩種情況的波形.地面供電單元數據采集同井下部分相同.井下數據同地面通訊采用凱裝電纜實現.井下數據經過可編程處理器編碼后，發送到地面采集單元.經過對數據解碼得到原始數據，然后傳輸給上位機進行數據處理并顯示.

圖4 纜長傳感器波形輸出比較圖

4 試驗數據分析

圖5為儀器測量解算得到的井斜角隨井深變化曲線圖.從中可以看出儀器解算正確，說明儀器的正常工作.

圖5 井斜曲線圖

溫度也是一個連續變化的量，圖6為溫度隨時間變化曲線，從圖中可以看出溫度變化是緩慢的，升溫速度大約10.8℃/h.

圖6 溫度隨時間變化曲線

5 結論

針對測斜儀解算單元對原始數據的實時性、可靠性以及解算精度的要求，設計了基于可編程處理器的高速、多通道數據采集單元.由于油井測斜工作環境的復雜性，采集單元分為地面和井下兩部分.對井下采集單元及地面采集單元分別進行了設計.在井下采集單元研究中，就采集單元整體設計，對陀螺、加速度計、溫度及電源的采集設計做了詳細闡述.在地面采集單元設計中，詳細描述了電纜傳感器數據采集設計.

最終的系統測試表明，基于可編程處理器的實時數據采集系統工作穩定，數字通信功能正常，滿足測斜儀對數據實時、準確的要求.

〔1〕林鐵，林恒，等.光纖陀螺測斜儀數據采集及傳輸單元設計與實現[J]，測井技術，2009，33（4）.

〔2〕周益.光纖陀螺測斜儀地面系統硬件設計[D].北京航空航天大學，2007.

〔3〕夏宇聞.Verilog HDL數字與綜合[M].北京:電子工業出版社,2004.

〔4〕張路,王西江.鉆井信息管理系統在石油鉆井中的應用研究[J].內蒙古石油化工,2009（24）.

〔5〕屈萬里,黃載祿.石油測井井下數據采集[J].華中理工大學學報，1991，19（4）.

TP274.2

A

1673-260X（2012）05-0060-02