一種存儲式測井工程監控系統軟件的實現和研究

李盛

（中國電子科技集團公司第二十二研究所 河南省新鄉市 453003）

1 監控系統地面系統軟件設計

地面系統軟件設計在系統中，主要組成部分有絞車傳感器、大鉤負荷傳感器、立壓傳感器等深度相關的三種傳感器數據采集、預處理、存儲；實時監控數據采集、解碼、預處理、存儲、實時監控數據顯示、曲線繪制、實時監控數據傳輸到鉆臺井口顯示器；測井完成后通過下井儀器數據校正時間深度文件、并根據校正的時間深度文件實現工程監控數據的回放顯示、曲線繪制、數據和曲線的打印、以及圖頭文件的生成打印。地面軟件的主要功能涉及以下幾個方面：

（1）建立面向對象的深度采集用戶界面，實現人機交互，對深度采集傳感器，采用人機工程設計在保證可靠性、維修性、安全性的條件下，確保操作人員正常、準確的操作。

（2）實現地面計算機和井下儀器的數據交互。

（3）深度傳感器數據采集需要出廠前對大鉤負荷傳感器和立壓傳感器進行車間刻度，深度采集則需要在現場根據絞車傳感器、井筒、大繩的現場狀況刻度調整來校準測量。

（4）實現對井下工程監控數據的解碼、糾錯等處理操作。

（5）將經過解碼的工程監控實時數據傳輸到鉆臺井口顯示器上提供實時預警，防止事故發生。

（6）對經過解碼的工程監控實時數據進行圖形化處理。

（7）時間深度數據的存儲和預處理。

（8）使用井下儀器時間測量數據，通過特定的算法校準進行輔助校正得到用于生成深度曲線數據所需要的準確時間深度文件。

（9）對工程參數的曲線回放功能實現，可以生成數據和曲線報表，并完成打印。

（10）根據不同的需求，制定圖頭模板，生成相應的圖頭文件，顯示打印。

圖1：實時測井主界面

鑒于軟件實時系統的設計要求，通過使用多線程方式同時進行深度數據采集、電磁波實時監控數據解碼，實時監控數據曲線繪制、實時監控數據傳輸。地面處理系統的設計和實現中，系統性能穩定，在進行時間深度數據采集的同時，可以高效完成對電磁波信號的實時采集和解碼處理，實時地將井下儀器速度、伸縮，張力、推靠姿態及通訊狀態、電池狀態，用戶關心的設備安全性數據通過實時繪制的曲線來反映，另外也將這些數據通過網絡傳輸到司鉆顯示器進行顯示，當遇到問題時通過聲光報警讓司鉆及時采取相應措施，阻止危險發生。而由于存儲式測井多應用于裸眼井，測井時下井儀器的作業環境較差，通過增加工程參數的數據回放功能，可以在發生工程事故時能夠達到回溯效果。

1.1 用戶界面的設計

面向對象的人機界面設計實現界面與應用的分離設計，從而形成整個系統的面向對象設計模型的人機交互。

（1）使用SplitContainer 控件將用戶界面根據不同功能模塊進行劃分，實現多窗口設計，用戶可以根據不同的需求和使用習慣設計定制界面顯示風格設置缺省布局，并使用XML 文件對修改進行保存，提供一鍵恢復默認用戶界面恢復出廠設置。

（2）對于各個功能模塊采用繼承和重寫窗體事件處理函數方式，通過調用相應窗體文件生成的DLL 來實現。這種迭代開發的方式提高了軟件開發的效率，也方便對軟件界面的維護和升級。

1.2 接口設計

圖2：監控界面放大顯示

工程監控地面系統中，深度傳感器數據采集主要采用RS-232串口通訊，采集來自傳感器總線的絞車傳感器A、B 信號,大鉤負荷傳感器信號以及立壓傳感器信號，地面系統深度測量是通過絞車傳感器感應鉆機的滾筒轉動，利用滾筒參數、大繩參數參與計算、校正系數參與微調的處理方式，結合大鉤負荷傳感器的輕重載狀態判斷來實現深度的準確測量，測井完成后通過讀取井下儀器數據完成深度校準，最終生成時間深度文件用于井下儀器的深度匹配完成測井；井下儀器下井前需要和計算機進行時間同步以及參數配置，等儀器從井下起出后需要讀取存儲在儀器里的測井數據，這些都是通過CAN 通訊來實現；和井下儀器的通信司鉆顯示器通過RS-485 總線與地面控制計算機連接，通訊速率9600bps，通訊間隔500ms，提供對伸縮、張力、測井井深、大鉤速度等狀態以數值和圖形的方式顯示，提供井下儀器的通訊是否正常、電池是否欠壓、伸縮和張力、測井速度超限等三種工作狀態信息報警提示。井下儀器實時狀態數據主要依靠電磁波傳輸到深度機箱，井下儀器數據存儲在存儲器中，數據的處理分成兩個部分，一是測量數據是通過軟件大鉤負荷傳感器輕重載來判斷儀器是否處于測量狀態來進行對有效深度數據進行甄別和剔除，二是工程監控數據由于需要完整的記錄整個測井過程井下儀器的狀態所以需要通過全記錄來實現深度數據和井下儀器監控數據的記錄，工程監控井下儀器數據是在測井過程中通過電磁波傳輸來實現。實時顯示經過軟件處理直接進行曲線繪制，只起實時監控功能使用，回放數據則根據讀取井下儀器其他數據對深度進行精準匹配處理后，進行數據表的存儲，顯示和打印、監控數據曲線的繪制保存和打印，以便數據回溯的需求。

圖3：工程數據實時監控回放軟件主界面

1.3 數據的預處理

時間深度數據記錄同時按兩種模式記錄，用于生成測井數據深度匹配的時間深度文件數據考慮到由于存儲式施工的特點存在時間的不連續性，剔除冗余的等待時間段和重復深度段的時間深度數據，并進行糾錯處理，剔除明顯超越邊界不合邏輯的數據；而用于匹配實時工程監控的數據需要全程不間斷監控測井狀態，所以需要全測量記錄完整的時間深度數據，考慮到深度相關數據的實時性和可利用性可以精確到秒級來存儲，而在回放過程中由于可能存在長時間等待而該停滯等待作業段又是無事故狀態，所以存儲時存儲全記錄的數據，而在數據回放是可以選擇性剔除無事故狀態長時間等待的數據，并選擇此段不繪制曲線，但保證原始數據的存儲狀態不變。工程監控數據預處理則完成全測量過程的速度、伸縮，張力、推靠姿態及通訊狀態、電池狀態的全記錄，但也需要通過固定算法對實時數據進行甄別和篩選處理，防止解碼錯誤導致產生的不合邏輯的數據的存在。測井前要進行計算機和下井儀器時間同步，計算機和井臺司鉆顯示器時間同步。深度采集需要的大鉤負荷傳感器、立壓傳感器都需要到現場進行刻度標定的操作來實現數據的準確可靠，絞車傳感器則需要根據現場的設備通過特定的算法實現深度校正。

2 數據曲線繪制和打印

工程監控地面系統的數據顯示和曲線回放采用 Microsoft Visual studio C# 和 SQLite 數據庫設計開發，采用dataset 數據集來實現數據的訪問和存儲，基于window1064 位操作系統平臺。Microsoft Visual studio C#是面向對象的開發語言，提供了高級開發工具的同時具備調試功能、數據庫功能和其他實用的工具集合，方便快速高效的開發各種應用程序。SQLite 數據庫是一種輕便式小型數據庫，能夠跟多種程序語言結合處理速度遠高于Mysql 等其他開源數據庫，支持的SQL 語句也毫不遜色于其他開源數據庫。DataSet 不依賴于數據庫的獨立數據集合，即便關閉數據庫，依然可用。

2.1 曲線顯示

監控系統數據回放采用曲線設置模板，實現了監控數據和顯示打印的分離，提供模板編輯功能，曲線模板存儲著軌道設置（橫向頁面設置）、縱向比例設置、曲線顯示設置（邊界、顏色、線性/對數等）等。只要數據文件的曲線名能在模板中設置，就可以顯示。設置好的模板可以存儲為XML(可擴展標記語言)文件，方便下次調用。模板的文件名存儲在數據文件中，為下次打開的默認模板，若找不到，系統自動使用monitor.xml 模板文件。提供默認的繪圖格式，但也提供修改繪圖格式信息的機制，曲線名可以修改，但不允許重名，

2.1.1 坐標設置

提供軌道、網格類型、垂直比例、曲線設置功能，軌道定義為頁面的橫向區域，單位是inch，820 打印機的打印紙最大寬度為8.5inches，軌道的有限寬度定義為8inches。顯示按屏幕大小進行縮放，曲線顯示只能在某一軌道內，不允許跨越軌道。

2.1.2 網格類型

有線性網格和對數網格兩種，線性網格按細線條數，均勻的將軌道分為若干小的橫向區域，對數網格按對數模的個數，將軌道分為若干小的橫向區域，起始模定義網格讀值形式一般設為2.網格的線型、線寬、顏色、條數都可以重新設置。

2.1.3 垂直比例

設置顯示打印與實際數據比例關系，以及縱向深度標志線深度顯示。

2.1.4 曲線模板

曲線模板采用xml 標準規范定義格式，方便操作和修改存儲。

2.1.5 監控數據回放區域

上面部分是工程監控數據曲線顯示區域，下面是曲線圖例顯示格式信息，包含了工程監控數據曲線顯示的分區信息、左右邊界信息、顯示曲線顏色。雙擊曲線圖例區域任何地方都可以實現對曲線顯示信息的編輯，可以修改曲線設置，選擇軌道，可以改變曲線所屬的軌道，并自動保存信息。上面部分的左邊顯示測井的時間、深度、右邊是工程監控數據曲線分區顯示。如圖3 所示。

2.2 曲線打印

實現圖例打印控制，選擇工程監控數據曲線圖例的打印，可以通過控制左右邊界實現調整打印紙的左右邊界。在形成打印文件（pdf或圖片）時，將曲線顯示和屏幕保持一致，提供逆頁序打印模式，自動獲取系統默認打印機的顏色打印屬性實現彩色打印。

曲線打印報表回放使用XML 提供模板編輯功能，采用了XML(可擴展標記語言)來存儲和保存設置信息，模板化處理根據用戶不同要求可以自定義顯示區間和能夠設置走紙速度，由于時間段不連續，因此程序能夠自動處理不走白紙。

2.3 數據庫連接

工程參數數據和深度數據存儲采用了SQlite 數據庫存儲，應用了Dataset 數據集操作，使用軟件加密算法和加密狗雙重保護數據，設置權限用戶只能查看原始數據，無法修改原始數據，保證原始數據的真實有效。

數據存儲后，程序具備基于遠程監控的數據傳輸功能，在聯網狀態下測井計算機工作在服務器模式下，使用了基于TCP/IP 網絡協議的C/S 傳輸模式功能自動打開，當基地需要數據時主動連接服務器，握手成功后將文件傳輸到基地計算機，方便基地對測井現場狀況進行及時了解并做出相應的反應，由于使用了數據庫無連接模式，所以并不影響現場數據的存儲和顯示。

2.4 數據曲線的繪制和刷新

原始數據是毫秒級別的數據，信息包括時間，測速、大鉤負荷，大鉤高度，鉆頭位置、井下張力、井下伸縮、井下通訊狀態、1#電池是否欠壓、2#電池是否欠壓、姿態保持器狀態等。一口井在特殊情況下有可能需要幾天的時間完成，數據存儲量大，需要通過滾動屏幕顯示實時監控數據，使用雙緩沖技術，首先在內存中繪制曲線，在滾屏顯示過程中將內存中相應位塊的圖像剪貼到顯示區域，這樣就能克服上述問題，同時也避免了當快速滾動加載數據時由于加載的數據量過大而引起的程序無反應的問題。連續的顯示曲線，進而將內存中的設備相關圖像轉換成設備無關的、標準格式的圖像進行保存。針對背景刷新引起的閃爍，采用了不進行背景重繪的方法來消除，針對工程監控數據曲線圖形刷新造成的屏幕閃爍現象，采用內存DC 繪圖來消除屏幕閃爍。做到工程數據監控數據顯示和打印分離，實現了和設備無關的顯示和打印，顯示時通過獲取屏幕X 方向分辨率和Y 方向分辨率，來計算顯示相應的像素比例尺，計算出顯示圖頭和相應的頁面曲線高度，再計算頁面曲線高度所能容納的井深，確定滾動條位置，算出井深范圍，實現了在不同分辨率的顯示器上顯示同樣的效果。打印時則通過獲取打印機的分辨率和打印紙張的大小來計算出相應的打印像素比例尺來確定曲線打印所對應的比例以及打印的邊界，再根據特定的紙張寬度和長度來實現曲線繪制。通過顯示和打印的兩者結合又實現了所見即所得的打印效果。利用SQLite 數據庫和Dataset 的配合使用sql 語句查詢的方式就可以實現提供選擇指定時間段或者指定深度段兩種方式，按用戶需求來進行曲線顯示和打印。也可以通過查詢的方式快速定位到指定時間段或者深度段的監控曲線繪制顯示，甚至可以通過輸入指定的工程監控數據的邊界值來快速定位到相應越界事故區域。

2.5 數據安全性

數據保護采用多重方式，應用程序使用特定軟件加密處理，防止應用程序反編譯和暴力破解。硬件加密狗和硬件模塊識別同時使用，軟件內嵌加密算法多重保護。

3 結論

存儲式工程數據地面監控測井尤其適用于大斜度井、大位移井等復雜水平井，該系統具有施工方便、縮短了測井作業時間、進而提高了測井的效率，且能夠有效降低測井施工安全風險和作業成本。本系統技術的突破關鍵在于深度處理、電磁波傳輸距離，實時監控預警和解碼的可靠性和穩定性，核心在于工程監控數據回放和曲線的生成和打印，通過對井下儀器狀態實時監控可以最大限度的預防工程事故的發生，在復雜井段和事故多發井段的使用作用更為明顯，圖形化處理簡單明了，聲光預警功能輔助操作和井臺司鉆提前做出預判，彌補了井臺司鉆指重計誤差大，反應慢的缺陷，及時降低了事故發生的機率；而工程參數的曲線回放功能，在發生工程事故時能夠回溯還原真相具有事故追責功效，對違規操作起到一定的震懾作用，對規范作業起到積極作用。

4 思考

基于電磁波傳輸的工程監控地面系統的優勢固然明顯，但是也是有一定的局限性，由于電磁波傳輸主要影響因素是地層電阻率，所以對于不適合的地層還需要通過雙向通訊技術和傳輸中繼等技術來提高電磁波傳輸的距離和質量。泥漿脈沖方式和電磁波傳輸的互相補充也不失為一種有效的解決方案，但關鍵的技術還在于解碼算法和解碼方式的改進和提高才能從根本上解決問題，這也是留給科技攻關人員的一個技術使命。