鉆柱內(nèi)孔電磁波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及軟件設(shè)計(jì)

韓 旭 江 波2 陳向東3 夏文鶴

(1.西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院 四川 成都 610500)(2.中國(guó)石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院 四川 成都 610000) (3.西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 四川 成都 611756)

一、引言

針對(duì)目前井下數(shù)據(jù)傳輸效率低，可靠性差的難題，將鉆柱作為電磁波信號(hào)通道，研制出高效可靠的信號(hào)傳輸系統(tǒng)，滿足氣體鉆井井下安全監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰榱藵M足整個(gè)系統(tǒng)流程的需要，完成電磁波實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究工作，故研制配套的地面監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)電磁波數(shù)據(jù)采集、分析觀察等工作。

二、監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過(guò)電磁波傳輸測(cè)試結(jié)果可以觀察到，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接傳輸，尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)從近鉆到地面3000m的傳輸距離。通常借助信號(hào)中繼的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸距離的增大和提升。也就是說(shuō)整個(gè)井下網(wǎng)絡(luò)中繼器的布置，需要按照鉆柱結(jié)構(gòu)組成直線狀分布，從而形成一個(gè)直線分布的鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)。傳輸過(guò)程中，當(dāng)上一級(jí)中繼所發(fā)射的電磁波信號(hào)功率在鉆桿內(nèi)的衰減程度與接收靈敏度相接近時(shí)，就需要有一級(jí)新的中繼器加入進(jìn)來(lái)，這樣就可以不斷的延長(zhǎng)信號(hào)的傳輸距離，最終將信號(hào)傳輸至地面。

下圖1是為井下電磁波信號(hào)中繼傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方案，圖中1-10總計(jì)10個(gè)標(biāo)號(hào)，表示電磁波通訊單元，該傳輸系統(tǒng)的傳輸過(guò)程如下：信號(hào)發(fā)射模塊(1、2)位于鉆頭處，對(duì)井下的實(shí)時(shí)參數(shù)信息進(jìn)行采集，并向地面方向進(jìn)行逐級(jí)發(fā)送，依次通過(guò)低序號(hào)到高序號(hào)的電磁波通訊單元。在這個(gè)鏈?zhǔn)街欣^網(wǎng)絡(luò)中，最終實(shí)現(xiàn)井底電磁波信號(hào)的傳出，并被信號(hào)接收模塊(9、10)進(jìn)行接收。再通過(guò)設(shè)計(jì)相關(guān)地面信號(hào)接收方案將電磁波信號(hào)引出到鉆柱外部地面空間的信號(hào)接收器。隨后在地面對(duì)電磁波信號(hào)進(jìn)行接收后向終端顯示器進(jìn)行發(fā)送，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量信息從井底向地面?zhèn)鬏數(shù)倪^(guò)程。為提高傳輸效率，各中繼模塊應(yīng)采用透明接力傳輸。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件

三、監(jiān)控系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)

氣體鉆井電磁波監(jiān)測(cè)軟件按功能總共分為4個(gè)部分，分別是：參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、系統(tǒng)管理模塊。參數(shù)設(shè)置模塊是設(shè)置中繼模塊參數(shù)狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊是實(shí)現(xiàn)電磁波數(shù)據(jù)采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，得到監(jiān)測(cè)物理量的具體數(shù)值，最后存入數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，并顯示各物理量的數(shù)值，同時(shí)采集中繼器工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)管理模塊主要解析中繼器、采集器的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)中繼器、射頻模塊工作狀態(tài)進(jìn)行判斷預(yù)警。其框圖如圖2所示

圖2 系統(tǒng)功能框架圖

(一)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻模塊數(shù)據(jù)的提取、處理、顯示分析和存儲(chǔ)，如圖3所示，軟件重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)通信和數(shù)據(jù)處理。

圖3 數(shù)據(jù)讀取結(jié)構(gòu)圖

(二)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，上位機(jī)數(shù)據(jù)處理主要包含中繼器數(shù)據(jù)處理、射頻模塊數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存三部分。

1.中繼器數(shù)據(jù)處理

中繼器除了依次傳輸射頻模塊的數(shù)據(jù)外，還對(duì)中繼器工作狀態(tài)進(jìn)行了處理，當(dāng)中繼器模塊正常工作時(shí),在界面中顯示為綠色；如果超過(guò)10分鐘未收到或上傳數(shù)據(jù)中繼器模塊會(huì)變?yōu)辄S色；若長(zhǎng)時(shí)間未收到、上傳數(shù)據(jù)或出現(xiàn)電量不足溫度過(guò)高等情況，中繼器模塊會(huì)變?yōu)榧t色，表示此時(shí)該中繼器出現(xiàn)故障。

圖4 中繼器數(shù)據(jù)處理流程圖

2.射頻模塊數(shù)據(jù)處理

射頻模塊監(jiān)控界面功能主要為“功率查詢”，對(duì)射頻模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和監(jiān)控。

圖5 射頻模塊數(shù)據(jù)處理流程圖

左側(cè)數(shù)據(jù)欄實(shí)時(shí)顯示測(cè)量到的天線相關(guān)數(shù)據(jù)，有組網(wǎng)狀態(tài)、天線功率、參數(shù)查詢。可手動(dòng)點(diǎn)擊相應(yīng)界面進(jìn)行查詢顯示。

3.數(shù)據(jù)保存

提取數(shù)據(jù)之后，判斷數(shù)據(jù)讀取中是否存在中繼器故障情況，如是則刪除掉后面的數(shù)據(jù)再存入數(shù)據(jù)庫(kù)，若不是，則可將現(xiàn)有數(shù)據(jù)按其編號(hào)輪次存入在數(shù)據(jù)庫(kù)中，供以后查詢。保存數(shù)據(jù)之后，就可以查看歷史數(shù)據(jù)，導(dǎo)出文本文檔保存，相關(guān)流程圖如6、7圖所示。

圖6 保存數(shù)據(jù)功能流程圖

圖7 數(shù)據(jù)查詢、圖表顯示、導(dǎo)出功能流程圖

四、軟件界面設(shè)計(jì)

根據(jù)上述軟件模塊程序流程和架構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)際需要，將氣體鉆井試驗(yàn)過(guò)程中各參數(shù)實(shí)時(shí)顯示窗口界面并以數(shù)值形式記錄在文件中，為氣體鉆井電磁波隨鉆測(cè)量技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控和試驗(yàn)后分析研究提供了便利。如圖8所示，上位機(jī)界面主要分為左、右兩個(gè)窗口。左側(cè)窗口中，在取數(shù)參數(shù)一欄手動(dòng)選擇功率查詢即可通過(guò)下方的取數(shù)結(jié)果查看收、發(fā)端電磁波功率大小；右側(cè)窗口主要用來(lái)判斷數(shù)據(jù)包接收情況。

圖8 軟件界面圖

五、結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該氣體鉆井電磁波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)地面監(jiān)控軟件符合實(shí)際試驗(yàn)需求。功能較為完善，能夠完成對(duì)電磁波傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸及監(jiān)控。