遠程井下鉆頭姿態實時監測系統研究

范濤，李銘鈞，成曉煒

（西安石油大學電子工程學院，西安710065）

0 引言

油田油井數量多且分布范圍由幾十至上百平方公里不等，分布比較零散[1]。在多線鉆井操作以及后期監測方面目前大多采用人工巡井方式，由人工每日定時檢查鉆井設備運行情況并記錄各油井信息數據[2]。然而石油鉆井行業面臨更大更多的挑戰：一是技術上要求鉆井目標越來越小、越來越精確，管理上要求越來越精細化、決策科學化、快速準確化；二是鉆井工程投資大、風險高，鉆井過程中所使用的技術方法和專業技術人員管理人員所做出的各項決策和方案等都直接關系到鉆井施工的效益和成敗；三是有的鉆井作業地區偏遠荒蕪，給施工帶來極大的不便，因此，鉆井工藝技術的發展不僅需要多種理論知識的指導，而更重要的是在鉆井過程中能隨時保障前后方的信息溝通，將現場產生的大量數據資料及時傳輸到后勤，使得后勤職能部門對現場施工數據及時瀏覽與分析，實時監控，及時指導和處理鉆井現場的問題，達到降低鉆井風險和施工成本的目的[3-5]。

針對上述問題設計一種以遠程監測總站為中心，各油田上位機分散采集存儲井下信息的星狀網絡結構的系統設計分案，該系統可以整合所有油田鉆井作業的鉆頭姿態信息數據，各個油井上位機存儲所有信息后通過Web 網絡統一傳送到監測總站中通，監測總站可以實時監測各油田鉆頭的姿態信息，減少人力成本，提高安全性能，降低鉆井風險。

1 系統硬件設計

1.1 監測系統組成

遠程井下鉆頭姿態實時監測系統由四部分組成：姿態信息采集系統、油田上位機、監測總站、Web 網絡通信單元。姿態信息采集模塊將井下鉆頭上的加速度、磁強計，溫度傳感器等傳感器數據集成到一塊基于DSP 的數據采集板進行統一數據處理，并將處理后得到的姿態等信息通過CAN 總線傳送到井上油田上位機中，Web 遠程通信技術和監測總站則實現了鉆井過程現場與指揮中心之間的實時數據傳輸和遠程監控，如圖1 所示。

圖1 監測系統結構圖

1.2 系統應硬件實現

（1）姿態信息采集系統（A/D 轉換模塊）

以TMS320F28335 為系統設計核心，外設硬件設計主要包括信號調理電路、時鐘電路、ADC 校正電路、電源電路、復位電路、顯示電路以及通訊接口。載體姿態信號通過傳感器采集后，經過信號調理電路，將調理后的信號和兩路校正電壓信號送入ADC，轉化為DSP可處理的數字信號，并進行數字濾波、ADC 誤差校正和測量誤差校正，最后解算姿態角度并通過CAN 總線傳送到油田上位機中。

（2）油田上位機

以MINI2440 開發板為基礎進行二次開發，設計了一套油田上位機系統。MINI2440 開發板具有一鍵燒寫、支持32/64-bit 電腦、跨平臺等特性、支持所有友善之臂開發板，具有多個串口（AD 轉換串口、LCD 串口、USB 串口等）方便我們進行二次開發。該開發板通過轉換器可實現接受CAN 總線傳輸數據，保存數據以及LCD 顯示數據功能，完全滿足需求。

（3）監測總站

監測主機采用有線入網或無線入網的方式，與各個油田上位機有固定的IP，以便于監測主機與上位機之間的網絡通信，監測主機可以登錄網頁隨時監測各個油田鉆頭的井斜、方位角、工具面角以及查詢鉆井過程中鉆頭姿態的歷史信息。

2 系統軟件設計

系統軟件部分采用模塊化編程，由姿態信息采集系統、油田上位機模塊以及監測總站模塊三部分組成。

2.1 姿態信息采集系統

姿態信息采集系統主要由系統初始化模塊、采樣模塊、解算模塊、CAN 總線傳輸模塊組成，流程如圖2所示。

（1）采樣模塊：

采集三軸傳感器電壓信號，通過AD 轉換為數字信號，程序中通過公式將數字信號轉化為可視的電壓信號存儲在數組中：每組采集10 次數據，每次采集x，y，z 三個數據，共采集45 組數據一共450 組數據，再將這450 組數據x，y，z 三組數據分別通過冒泡排序進行從小到大的排序，再將這些數據進行中值濾波，取150～300 組數據進行求平均值得到我們想要的姿態電壓值。

（2）解算模塊：

通過解算模塊，將我們采集到的電壓值通過我們的姿態解算公式得到我們想要的井斜I 以及工具面角T。

（3）CAN 總線傳輸模塊：

將解算出來的姿態角信息通過CAN 總線傳輸到油田上位機中去，傳輸信息包括井斜、方位角、工具面角。

圖2 姿態信息處理系統

圖3 油田上位機軟件流程圖

2.2 油田上位機

油田上位機主要由CAN 總線接受模塊、數據保存模塊、Web 網絡通信模塊以及屏顯模塊組成，如圖3所示。

（1）數據庫存儲模塊：將我們解算得到的I、T 保存到數據庫中數據庫包括了保存數據時的時間以及I、T數據。

（2）數據傳輸模塊：通過HTTP 協議將獲得的數據傳送到總站服務器中，數據包括本油田的名字，數據時的時間以及I、T 數據。

（3）屏顯模塊：利用Framebuffer 技術將數據實時通過LCD 顯示，同時可使技術人員使用觸屏的方式進行相關界面的選擇。

2.3 監測總站

監測總站部分主要由數據庫存儲模塊和網頁顯示模塊構成，功能流程如圖4 所示。

（1）數據庫存儲模塊：將我們接收到的I、T 保存到數據庫中數據庫包括了保存傳送數據油田的名字，保存數據時的時間以及I、T 數據。并將數據按油田名稱保存到各自數據庫列表中去。

（2）網頁顯示模塊：登錄網頁可以將描述的功能顯示出來并進行相關的操作。

圖4 監測總站功能圖

2.4 信息存儲操作部分代碼

3 系統性能測試

測試該遠程監測系統，驗證該系統可以實現項目所描述功能。油田上位機可以在屏幕上顯示一級界面（選擇功能界面）、二級界面（實時姿態信息，歷史時間段選擇）、三級界面（歷史信息列表），如圖5 所示。

圖5 油田上位機界面

監測總站需要在網頁上顯示一級界面（功能選擇界面）、二級界面（實時姿態信息，歷史時間段選擇）、三級界面（歷史信息列表），如圖6 所示。

4 結語

本文介紹了以HTTP 網絡協議為基礎的油田井下鉆頭姿態監測嵌入式系統的具體實現。該系統可以將實時采集到的姿態信息傳送到油田上位機顯示保存，并可以在監測總站中訪問各個油田，將這三者連為一個整體，方便油田后勤部門對各個石油的管理。隨著網絡的發展，該系統方案具有更加廣闊的應用前景。

圖6 監測總站三級界面