基于激光測距儀和開源硬件的井深測量系統設計*

胡永建，孫成芹，韓昊辰，孫 琦，王天嬌

0 引言

在石油鉆井領域，錄井及隨鉆測井均需要實時獲取當前鉆井深度。絕大多數井深測量系統采用“鉆桿校深+大鉤高度測量”的方法，即累加已下鉆鉆具的長度數據得到絕對井深，通過測量大鉤高度得到當前單根的相對井深，兩者的和就是實際井深。

懸掛大鉤的大繩通過游車和天車的滑輪組纏繞在絞車滾筒上，滾筒轉動帶動大鉤上下運動。使用安裝在絞車滾筒軸上的絞車傳感器（脈沖編碼器）測量轉數，進而計算出大鉤高度。由于大繩在滾筒上纏繞層數等因素，該測量方法需要完成復雜的標定[1]，另外現場的電磁干擾等因素也對絞車傳感器的測量精度有影響[2]。

本文設計的新型井深測量系統使用激光測距儀測量大鉤高度，與絞車傳感器通過二次測量間接得到大鉤高度的方法不同，使用激光測距儀可直接獲得高度數據，測量結果不受大繩張力大小、磨損狀況等因素的影響，具有更高的精度和更簡單的標定方法。本新型井深測量系統使用開源硬件完成傳感器的系統集成，結合物聯網發展新技術，以較低成本快速完成了系統設計。

1 測量原理

以轉盤鉆為例，圖1是井深測量系統示意圖。激光測距儀安裝在游車上，向安裝在天車底部的反光板發射并接收返回的激光束，測量游車與天車的距離。

首次使用前需要校準，安裝完鉆井所需的方鉆桿與上下旋塞閥后提升大鉤，使下旋塞閥的下接頭臺肩與方補心平齊，記錄此時的激光測距儀讀數。在正常鉆進時，激光測距儀度數越大表示相對井深越大。在鉆頭到底的情況下，井深D計算如下：

其中，di是已接入的n根鉆桿中第i根鉆桿的長度；dBHA是井下鉆具組合的長度，累加已下鉆鉆具的長度數據得到絕對井深；d為當前的激光測距儀讀數；dZERO是校準時的激光測距儀讀數，兩者的差是相對井深。在鉆頭未到底的情況下，該式計算的是鉆頭深度。

圖1 井深測量系統示意圖

僅當鉆頭觸及井底，測量得到的數據才是井深。在起鉆、坐卡等狀態下，鉆頭脫離井底，此時數據為無效井深數據。為了判斷鉆井狀態，在鉆機懸重表油路中接入了鉤載傳感器測量油壓，經過校準可以得到大鉤懸重。根據大鉤懸重和大鉤運動方向可以判斷鉆井狀態。

激光測距儀的信號及供電線沿大鉤自然垂下，順著水龍頭的水龍帶接入井深測量系統主機；鉤載傳感器與主機通過電纜相連。

2 系統設計

2.1 主機控制器

井深測量系統需要完成標定、在表格中輸入鉆具長度及維護記錄數據庫等任務，同時測量的井深數據需要發送到WITSML（井場信息傳輸標準標記語言）服務器，對主機控制器的計算、存儲、人機界面及聯網能力有較高要求，不適合使用傳統的PLC組態控制方式。

研揚科技出品的開源硬件UP創客板使用英特爾凌動處理器，配備不同容量的DDR3L內存和eMMC程序存儲器。該單板機有較多接口：包括1個千兆以太網端口、1個HDMI接口及多個USB接口[3]?？梢赃\行微軟Windows10完整版，方便使用Visual Studio編程。

本井深測量系統設計使用HDMI接口的7寸1 024×600分辨率液晶屏作為顯示器，使用專用按鍵（不使用標準鍵盤及鼠標）完成人機交互。

2.2 專用鍵盤

由于鉆井現場干擾的存在，觸摸屏大多無法使用，只能使用鍵盤輸入數據，這里使用4×4薄膜鍵盤作為輸入設備。

雖然UP創客板配備了一個40針的GP總線接口，支持可作為按鍵檢測功能的GPIO、UART及SPI等多種接口，但到目前為止廠家尚未提供Windows下適合.NET編程的托管API驅動，因此使用另一類常見開源硬件Arduino完成USB接口的HID專用鍵盤設計，為此設計了Arduino UNO板的擴展板（HAT）[4]，其電路如圖2所示。

P1、P2是UNO板引腳對應的插座，P3是矩陣薄膜開關的插針，P4是USB接口，其VBUS引腳同時為UNO板供電。D1為防靜電用的瞬態抑制二極管（TVS）陣列，D2是齊納二極管陣列，用來將UNO板IO口輸出電壓鉗位到3.6 V，以防損壞主機控制器的USB接口。R1、R2為限流電阻，R3用于USB接口識別。

圖2 Arduino專用鍵盤

2.3 傳感器集成

井深測量系統用到了激光測距儀及鉤載傳感器兩個傳感器。與主機控制器集成時不僅要考慮接口種類，也要考慮防爆設計。為了充分利用以太網的聯網優勢，最終確定的集成方式如表1所示。

表1 傳感器集成方式

傳感器及電纜位于危險區內，必須增加適當的防爆措施，圖3是主機結構示意圖。

在Windows操作系統下，UP創客板目前只支持一路串口，這里使用串口服務器來連接多個傳感器。作為物聯網技術的一種，串口服務器為串口和以太網之間提供了聯通的橋梁。本型號串口服務器支持兩路串口同時工作，串口通過撥碼開關可以配置為RS232、RS485及RS422接口，這里均配置為RS485。串口服務器的10/100 Mbit/s網口與UP創客板的千兆以太網口相連。為保證數據可靠通訊，串口服務器配置為TCP服務器，串口通訊速率及格式與各自的傳感器或隔離柵一致。

3 軟件設計

3.1 軟件模塊

本井深測量系統軟件模塊劃分如圖4所示。

TCP Client的兩個實例有不同的端口，分別對應于串口服務器連接鉤載傳感器的隔離柵串口和連接激光測距儀的隔離柵串口。鉤載傳感器隔離柵使用ModBus通訊協議[6]，由相應的編碼解碼模塊處理；激光測距儀配置為使用SerialLink通訊協議[7]，其典型查詢指令如下：

發送：＜STX＞0122＜ETX＞

接收：＜STX＞8122+0152700＜ETX＞

其中＜STX＞是指令頭 （0x02），＜ETX＞是指令尾（0x03），用ASCII碼表示操作數。上述指令發送讀取距離指令，接收到的距離測量數據是15.27 m。

鉆機狀態判斷模塊利用大鉤懸重及大鉤高度判斷鉆機工作狀態，并根據當前距離測量數據得到相對井深。從事先輸入數據庫的鉆具長度表中提取數據計算絕對井深。計算相對井深和絕對井深的和就是當前井深，當前井深顯示在本機界面上并保存到數據庫記錄中，同時通過以太網，由WITSML客戶端發往WITSML服務器供第三方使用。

3.2 TCP客戶端的異步實現

使用VB.NET完成了主機控制器軟件編程，其中TCP Client類需要長期在后臺運行。為了實現多線程編程，即可使用System.Threading.Tasks命名空間下的類創建異步任務，也可通過System.ComponentModel.BackgroundWorker類實現。本設計使用Async、Await關鍵字簡化了該項工作。

System.Net.Sockets.TcpClient類為TCP網絡服務提供客戶端連接，該類除了同步的Connect方法外，還實現了異步連接的ConnectAsync方法[8]，下列代碼創建了該類的實例，該實例連接IP地址為“192.168.127.10”的串口服務器的端口4001，同時獲取用于發送及接收數據的Network?Stream∶

Dim mC As TcpClient=New TcpClient()

Await mC.ConnectAsync(IPAddress.Parse("192.168.127.10")，4001)

Dim mS As NetworkStream=mClient.GetStream()

發送數據需要調用NetworkStream的Write方法，接收數據可使用ReadAsync異步方法。

3.3 人機界面

圖5是井深測量系統面板。

圖5 井深測量系統面板

通過分列在液晶屏兩側的薄膜開關“軟”按鍵，可以完成各種設置、選擇顯示輔助數據、更改數據單位、輸入數據等操作。

4 總結

本文設計的井深測量系統使用激光測距儀測量大鉤高度，簡化了井深測量標定過程，提高了測量精度。配合使用鉤載傳感器可以完成鉆機工作狀態的自動判斷。通過開源硬件UP創客板、Arduino板與傳感器的集成縮短了研發時間，達到了設計目標。

參考文獻：

［1］鄭應釗，林孟，陳輝.大鉤高度標定方法探討［J］.錄井工程，2010，21（1）：65-67.

［2］王立波.絞車傳感器測量誤差原因分析與對策［J］.錄井工程，2009，20（1）：54-57.

［3］AAEON.UPDatasheetV8 2-CN ［Z］.2013.

［4］ Arduino.Guide.ArduinoUno ［EB/OL］.https：//www.arduino.cc/en/Guide/ArduinoUno，2017-01-12.

［5］Arduino.Guide.Libraries［EB/OL］.https：//www.ardu?ino.cc/en/Guide/Libraries，2017-02-07.

［6］福建順昌虹潤精密儀器有限公司.NHR系列三、四端子模塊、安全柵通信協議［Z］.2015.

［7］ SICK.Operating instructions Distance measuring device DL100 Pro-RS-422［Z］.2015.

［8］ Microsoft.Library.Tcpclient［EB/OL］.https：//msdn.microsoft.com/zh-cn/library/system.net.sockets.tcpclient?VS.80）.aspx.