存儲(chǔ)式測(cè)井儀器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹博凡, 劉湘政, 張雄輝, 蔡志明, 張勇, 章鵬

(1.重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400044; 2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司技術(shù)中心, 陜西 西安 710077; 3.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司西南分公司, 重慶 400021)

0　引　言

隨著測(cè)井技術(shù)的發(fā)展,大斜度井、水平井和復(fù)雜井越來(lái)越多,測(cè)井難度越來(lái)越大,對(duì)測(cè)井工藝也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的電纜測(cè)井施工安全風(fēng)險(xiǎn)大,濕接頭式管具輸送電纜測(cè)井對(duì)接成功率低,井控風(fēng)險(xiǎn)大[1],隨鉆測(cè)井成本較高。無(wú)電纜過(guò)鉆具存儲(chǔ)式測(cè)井技術(shù)不僅克服了這些缺點(diǎn),而且在施工的時(shí)候能使儀器得到很好的保護(hù)[2-4],在大斜度井、水平井和復(fù)雜井測(cè)井中有著廣泛的應(yīng)用。但是,在過(guò)鉆具存儲(chǔ)式測(cè)井過(guò)程中,由于地面系統(tǒng)無(wú)法獲知井下儀器的狀態(tài),測(cè)井成功率低。為提高測(cè)井成功率,對(duì)測(cè)井儀器在泵出之前的狀態(tài)監(jiān)測(cè)尤為必要。

為實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)式測(cè)井過(guò)程中儀器在泵出之前的狀態(tài)監(jiān)測(cè),井下儀器必須與地面系統(tǒng)建立聯(lián)系,因此有必要對(duì)存儲(chǔ)式測(cè)井工藝進(jìn)行改進(jìn)。泵出存儲(chǔ)式測(cè)井系統(tǒng)采用電纜跟進(jìn)式泵出測(cè)井,但是無(wú)法監(jiān)控儀器在井下的工作狀態(tài)[5]。黃鵬賓[6]和曹宇欣等[7]探討了在無(wú)電纜存儲(chǔ)式測(cè)井工藝基礎(chǔ)上加入電纜后的測(cè)井工藝流程。中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司也對(duì)過(guò)鉆具存儲(chǔ)式測(cè)井工藝進(jìn)行了改進(jìn)。本文在改進(jìn)的過(guò)鉆具存儲(chǔ)式測(cè)井工藝基礎(chǔ)上,利用電纜傳輸方式,設(shè)計(jì)了測(cè)井儀器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),使得井下儀器同時(shí)滿足儀器狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)本地存儲(chǔ)兩方面功能,實(shí)現(xiàn)了在泵出之前對(duì)儀器狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

1　改進(jìn)的過(guò)鉆具存儲(chǔ)式測(cè)井設(shè)備

圖1　改進(jìn)的過(guò)鉆具存儲(chǔ)式測(cè)井設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

改進(jìn)的測(cè)井設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。測(cè)井流程:首先將鉆具下至目的層段,隨后用電纜將測(cè)井儀器通過(guò)鉆具水眼下放,用泥漿泵加壓使儀器泵出鉆具;在進(jìn)行儀器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)后,通過(guò)地面系統(tǒng)控制抓釋器斷開(kāi)電纜與儀器,取出電纜及與其連接的上部工具,上提鉆桿進(jìn)行測(cè)井;在測(cè)井完畢后可以用電纜下放回收工具,地面系統(tǒng)發(fā)送命令控制上下抓釋器連接,從鉆具中快速收回測(cè)井儀器,最后將鉆具起至地面。其中,抓釋器的連接與脫離是比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié),上抓釋器為母頭,下抓釋器為公頭,母頭和公頭均分布若干導(dǎo)電環(huán),導(dǎo)電環(huán)分別與電纜的每根芯相接,當(dāng)公頭和母頭完全對(duì)接時(shí),電纜與儀器實(shí)現(xiàn)電氣連接。正式測(cè)井前需要斷開(kāi)電纜與儀器,地面系統(tǒng)控制電機(jī)反轉(zhuǎn),使套筒松開(kāi)抓釋器,通過(guò)電纜撤回上抓釋器及上部工具;當(dāng)測(cè)井完成后電纜與儀器連接時(shí),由電纜釋放上部工具,使抓釋器公頭和母頭對(duì)接,地面系統(tǒng)控制母頭上部的電機(jī)馬達(dá)正轉(zhuǎn)推動(dòng)套筒鎖緊抓釋器,實(shí)現(xiàn)電纜與儀器相連。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

儀器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)是要獲得井下儀器的響應(yīng)參數(shù),以此來(lái)推斷儀器的工作狀態(tài)。無(wú)電纜過(guò)鉆具存儲(chǔ)式測(cè)井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)保存在井下儀器中,改進(jìn)的過(guò)鉆具存儲(chǔ)式測(cè)井用電纜作為地面系統(tǒng)與井下儀器的信息傳輸媒介,地面系統(tǒng)獲取井下儀器的狀態(tài)信息是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。為此,需分別設(shè)計(jì)電纜與地面系統(tǒng)及井下儀器的通信接口模塊。為保證改進(jìn)的存儲(chǔ)式測(cè)井工藝的可靠性,系統(tǒng)還需地面絞車編碼器和電纜張力計(jì)獲得儀器深度和電纜張力數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)包括地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng),地面系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)和地面監(jiān)測(cè)模塊,井下系統(tǒng)包括井下通信轉(zhuǎn)換模塊和井下儀器串。地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)由電纜連接,通過(guò)電纜傳輸方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。計(jì)算機(jī)發(fā)送相應(yīng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)命令,由地面監(jiān)測(cè)模塊編碼之后通過(guò)電纜傳輸?shù)骄孪到y(tǒng),儀器返回相應(yīng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)式測(cè)井儀器的數(shù)據(jù)接口采用CAN總線,通信轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)命令和狀態(tài)數(shù)據(jù)在電纜和CAN總線之間的數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換。地面監(jiān)測(cè)模塊對(duì)井下儀器上傳的狀態(tài)數(shù)據(jù)、地面電纜張力數(shù)據(jù)和深度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,最后將測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、電纜張力數(shù)據(jù)和深度信息通過(guò)USB控制器發(fā)送到計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼,并顯示測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)曲線。

圖2　儀器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1　地面系統(tǒng)

地面系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)自于計(jì)算機(jī)命令的編碼與驅(qū)動(dòng)、儀器狀態(tài)數(shù)據(jù)和電纜張力數(shù)據(jù)的獲取、數(shù)據(jù)通信等方面的功能。以TI公司的DSP處理器為核心設(shè)計(jì)地面監(jiān)測(cè)電路的系統(tǒng)見(jiàn)圖3。地面系統(tǒng)的硬件包括計(jì)算機(jī)、USB通信接口、DSP控制模塊、命令驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)增益控制模塊、深度信號(hào)處理模塊、電纜張力處理模塊和電源模塊。

圖3　地面監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)框圖

地面系統(tǒng)的核心是DSP控制模塊,選用的TMS320F28069處理器的CPU主頻高達(dá)90 MHz,其片內(nèi)的ADC的采樣速率最高可達(dá)3.46 MSPS(Millon Samples Per Second)[8],滿足對(duì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集的要求。F28069還集成了正交編碼脈沖(QEP)模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)深度信號(hào)的處理。F28069集成的通用串行總線(USB)2.0模塊可以實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)測(cè)模塊與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

DSP控制模塊對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)送的命令信號(hào)進(jìn)行編碼,轉(zhuǎn)換為AMI曼徹斯特碼,在電纜上傳輸?shù)腁MI曼徹斯特碼的波形接近正弦波,信號(hào)中的高頻諧波成分很少,誤碼率低[9]。一般的油氣井深度很大,為減少信號(hào)能量的衰減,需要驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)編碼后的命令信號(hào)進(jìn)行功率放大,使井下儀器收到有效的命令信號(hào)。增益控制模塊對(duì)井下儀器上傳的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行放大之后輸入DSP模塊的AD采集通道,系統(tǒng)中采用了程控放大電路。地面電纜張力處理模塊對(duì)地面電纜的張力信號(hào)進(jìn)行濾波與放大之后輸入DSP的另一個(gè)AD采集通道。深度信號(hào)處理模塊對(duì)輸入系統(tǒng)的絞車編碼器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行整形和電纜抖動(dòng)消除預(yù)處理后輸入DSP的QEP模塊。DSP模塊實(shí)現(xiàn)地面系統(tǒng)的控制和狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集與上傳。

3.2　井下系統(tǒng)

井下系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)命令信號(hào)與狀態(tài)數(shù)據(jù)的收發(fā)和井下?tīng)顟B(tài)參數(shù)的采集功能。井下系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖4。井下系統(tǒng)包括信號(hào)調(diào)理模塊、主控模塊、張力、井溫及CCL傳感器和井下儀器串。

圖4　井下系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)地面下發(fā)的命令信號(hào)濾波整形,使AMI曼徹斯特碼成為標(biāo)準(zhǔn)曼徹斯特碼發(fā)送給主控模塊,并對(duì)主控模塊輸出的狀態(tài)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)之后通過(guò)電纜發(fā)送至地面系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)命令和狀態(tài)數(shù)據(jù)的信號(hào)調(diào)理。主控模塊采用了TI公司的DSP處理器TMS320F2808實(shí)現(xiàn)對(duì)下行命令的解碼和上行數(shù)據(jù)的編碼,以及命令和數(shù)據(jù)在曼徹斯特碼數(shù)據(jù)與CAN數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)了命令和數(shù)據(jù)的雙向傳輸。主控模塊還可實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器串張力、井下溫度和CCL(套管接箍定位)信號(hào)等狀態(tài)參數(shù)的采集。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1　地面系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖5　DSP控制模塊軟件設(shè)計(jì)流程

DSP控制模塊軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言在CCS平臺(tái)完成開(kāi)發(fā)和調(diào)試。軟件設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖5。當(dāng)軟件系統(tǒng)檢測(cè)到計(jì)算機(jī)發(fā)送的命令時(shí),DSP模塊對(duì)命令進(jìn)行編碼,使其輸出傳輸速率為20.83 kbit/s的AMI曼徹斯特碼[10]。軟件系統(tǒng)等待接收井下儀器狀態(tài)數(shù)據(jù),ADC模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,通過(guò)控制通用定時(shí)器的周期中斷啟動(dòng)DSP的AD轉(zhuǎn)換,測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的傳輸速率為41.66 kbit/s[10],根據(jù)Nyquist采樣定理[11],設(shè)置采樣頻率1 MHz。當(dāng)數(shù)據(jù)量達(dá)到設(shè)定的采樣點(diǎn)數(shù)時(shí),通過(guò)USB將測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)解碼。為了保證測(cè)井工藝的可靠性,在定時(shí)器的控制下,對(duì)電纜張力和儀器深度的定時(shí)采集。

圖6　信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊軟件設(shè)計(jì)流程

4.2　井下系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

井下通信轉(zhuǎn)換模塊的軟件程序設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖6。當(dāng)檢測(cè)到命令信號(hào)時(shí),軟件系統(tǒng)對(duì)命令進(jìn)行解碼。每個(gè)命令中包含傳感器或井下某支儀器的地址。若解碼后命令中的地址與傳感器匹配,主控模塊將采集傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)。若解碼后命令中的地址與儀器串的某只儀器匹配,利用CAN模塊將命令信號(hào)發(fā)送給井下儀器串。在儀器收到命令之后,儀器狀態(tài)數(shù)據(jù)將通過(guò)CAN總線傳輸?shù)街骺啬K。狀態(tài)數(shù)據(jù)由主控模塊編碼之后發(fā)送到信號(hào)調(diào)理模塊。

5　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1　井下?tīng)顟B(tài)傳感器監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

井下?tīng)顟B(tài)傳感器包括儀器串張力傳感器、溫度傳感器和CCL傳感器,地面的絞車編碼器和電纜張力計(jì)可獲得儀器的深度信息和電纜張力數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中采用光電編碼器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)輸入地面電纜張力處理模塊模擬實(shí)際的絞車編碼器的脈沖信號(hào)。

儀器下放過(guò)程中,地面系統(tǒng)對(duì)狀態(tài)傳感器實(shí)現(xiàn)定時(shí)監(jiān)測(cè)。由計(jì)算機(jī)設(shè)定定時(shí)采集的間隔為150 ms,每隔150 ms會(huì)發(fā)采集命令,由地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)編碼后通過(guò)電纜傳輸?shù)骄孪到y(tǒng),示波器捕獲的反相命令信號(hào)的波形見(jiàn)圖7。命令信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸速率為21.83 kbit/s,即每位的時(shí)間寬度為48 μs,圖7中前面的負(fù)脈沖和正脈沖為命令的同步信號(hào),占1.5位的寬度,即72 μs。

圖7　命令信號(hào)波形圖

井下系統(tǒng)收到命令后發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)到地面系統(tǒng)。地面系統(tǒng)計(jì)算機(jī)可實(shí)時(shí)顯示測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)曲線(見(jiàn)圖8)。計(jì)算機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示CCL波形、電纜張力波形和相關(guān)狀態(tài)參數(shù),其中“張力”為電纜地面張力,“張力2”為井下儀器串張力。

圖8　計(jì)算機(jī)界面(局部)

5.2　抓釋器控制實(shí)驗(yàn)

計(jì)算機(jī)分別發(fā)送抓釋器馬達(dá)開(kāi)和抓釋器馬達(dá)斷命令,井下系統(tǒng)均能正常返回?cái)?shù)據(jù)0x00AA與0x00BB,表示抓釋器控制功能正常。

6　結(jié)　論

(1) 無(wú)電纜過(guò)鉆具存儲(chǔ)式測(cè)井過(guò)程中無(wú)法對(duì)測(cè)井儀器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè),針對(duì)一種改進(jìn)的過(guò)鉆具存儲(chǔ)式測(cè)井技術(shù),設(shè)計(jì)了測(cè)井儀器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

(2) 該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)儀器狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能,提高了測(cè)井成功率。