The Challenge:
　　隨鉆嵌入式處理單元是隨鉆地面系統(tǒng)的核心,，主要負(fù)責(zé)兩大任務(wù)：一、對(duì)泥漿脈沖遙傳信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,、處理和解碼；二,、對(duì)鉆井深度進(jìn)行準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)測(cè)量,。泥漿脈沖遙傳信號(hào)和深度信號(hào)均參雜著大量的環(huán)境干擾，開(kāi)發(fā)能夠有效濾除這些環(huán)境干擾,，還原原始信號(hào)的處理算法是整個(gè)處理單元最大的挑戰(zhàn),，具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性。因此,，需要一套性能強(qiáng)大,、工作穩(wěn)定可靠、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單快速的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)作為單元的核心,，以減少開(kāi)發(fā)工程師在硬件相關(guān)方面的投入,，將有限的資源集中在處理算法的開(kāi)發(fā)上。
　
The Solution:
　　使用NI LabVIEW及相關(guān)模塊結(jié)合NI CompactRIO及相關(guān)數(shù)據(jù)采集模塊開(kāi)發(fā)了一套隨鉆嵌入式處理單元,，采集鉆井現(xiàn)場(chǎng)安裝的泥漿壓力傳感器,、深度編碼盤、死繩傳感器,、鉤載傳感器和泵沖傳感器信號(hào),，經(jīng)過(guò)處理后得到泥漿脈沖遙傳數(shù)據(jù)和鉆井深度數(shù)據(jù)，傳送給上位機(jī)進(jìn)行后處理,。
　
Author(s):
　　Di'nan Jiang - China Oilfield Services Limited
　　Songwei Zhang - China Oilfield Services Limited
　　Huatao Lu - China Oilfield Services Limited
　
　　多年來(lái),，井下數(shù)據(jù)傳輸是制約隨鉆測(cè)井技術(shù)發(fā)展的瓶頸,，目前比較成熟的數(shù)據(jù)傳輸方式是泥漿脈沖遙傳。隨鉆地面系統(tǒng)的核心任務(wù)之一就是采集泥漿脈沖信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理,，解碼為原始數(shù)據(jù),；同時(shí)，另一核心任務(wù)是需要在鉤載或死繩傳感器的配合下,，通過(guò)深度編碼盤進(jìn)行鉆井深度實(shí)時(shí)測(cè)量,。使用NI CompactRIO作為隨鉆嵌入式處理單元的核心，利用其強(qiáng)大的處理能力,，實(shí)時(shí)性能,，快速開(kāi)發(fā)特性，以及堅(jiān)固性和可靠性,，工程師們可以更專注于泥漿脈沖信號(hào)處理,、解碼算法以及深度測(cè)量算法的開(kāi)發(fā)。目前,，隨鉆嵌入式處理單元已經(jīng)通過(guò)地面循環(huán)試驗(yàn)和井下循環(huán)試驗(yàn)兩次上百小時(shí)的運(yùn)行試驗(yàn),，工作穩(wěn)定，功能正常,，完全達(dá)到隨鉆測(cè)井地面系統(tǒng)的要求,。
　
開(kāi)發(fā)背景
　　隨鉆測(cè)井技術(shù)是油氣田勘探開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前為幾家國(guó)際性大公司所壟斷,。在國(guó)內(nèi)隨鉆測(cè)井和相關(guān)的定向鉆井服務(wù)市場(chǎng)上,，國(guó)外技術(shù)占據(jù)主導(dǎo)地位，其中國(guó)內(nèi)的海上市場(chǎng)則完全為國(guó)外技術(shù)所壟斷,。近年來(lái),，國(guó)內(nèi)企業(yè)購(gòu)置的國(guó)外隨鉆測(cè)井裝備估計(jì)每年都需花費(fèi)數(shù)億元人民幣，包括伽瑪/電阻率/中子密度/MWD在內(nèi)的隨鉆測(cè)井設(shè)備（井下儀器按每種2支配置）售價(jià)超過(guò)4000萬(wàn)元,，不僅購(gòu)置和維護(hù)成本高昂,，而且受到技術(shù)和市場(chǎng)的雙重限制，在相當(dāng)程度上制約著我國(guó)油氣資源,、特別是海上油氣田的勘探開(kāi)發(fā),，也限制了國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)的發(fā)展。隨著我國(guó)深水油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的展開(kāi),，這個(gè)問(wèn)題將愈顯嚴(yán)重,。
　　
　　自主研發(fā)隨鉆項(xiàng)目的成功實(shí)施將形成我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的相對(duì)完整的隨鉆測(cè)井技術(shù)和裝備，打破國(guó)外技術(shù)的壟斷,，與進(jìn)口設(shè)備相比將大大降低其生產(chǎn),、維護(hù)和使用成本，為我國(guó)海上、特別是深水油氣資源的勘探開(kāi)發(fā),，以及我國(guó)油田服務(wù)企業(yè)的發(fā)展壯大提供有效的技術(shù)支撐,。
　
泥漿正脈沖編碼技術(shù)
　　正脈沖信號(hào)是通過(guò)瞬時(shí)部分阻擋鉆柱內(nèi)泥漿柱的通行，迫使壓力升高而產(chǎn)生的,。因此,，當(dāng)脈沖器提升閥上行部分阻擋泥漿流，壓力上升,，當(dāng)提升閥歸位,，鉆柱壓力回到原始狀態(tài)，如圖1所示：

圖1 正脈沖信號(hào)發(fā)生器

泥漿正脈沖編碼是通過(guò)調(diào)整泥漿脈沖之間的脈沖間隔實(shí)現(xiàn)數(shù)字編碼的一種編碼方式,。脈沖位置編碼的信息或者數(shù)據(jù)隱含在兩個(gè)脈沖的之間的脈沖間隔中,，不同脈沖間隔長(zhǎng)度代表不同的信息,，如圖2所示,。

圖2 基于脈沖間隔的正脈沖編碼

　　Data = (Interval - MIN_TIME) / BIT_TIME
　　其中，Data為編碼數(shù)據(jù),，Interval為間隔時(shí)長(zhǎng),，從上式知道，編碼的數(shù)據(jù)越大,，脈沖間隔就越大,，反之亦然。
　
　　對(duì)于一個(gè)實(shí)際的遙測(cè)物理系統(tǒng)中,，需要定義些參數(shù),，最小間隔時(shí)長(zhǎng)（MIN_TIME）是指在數(shù)據(jù)編碼中一個(gè)用于編碼對(duì)應(yīng)數(shù)值0的時(shí)間長(zhǎng)度，如果一個(gè)間隔等于最小間隔時(shí)長(zhǎng),，則這個(gè)間隔編碼數(shù)據(jù)信息為0,。由于噪音的存在，在井底下產(chǎn)生的壓力信號(hào)不同于在地面上的壓力信號(hào),，這里定義比特寬度(BIT_WIDTH)來(lái)校正傳送的值,，只要一個(gè)間隔的脈沖落在BW窗口內(nèi)，認(rèn)為無(wú)論偏移多少為一個(gè)有效的脈沖,，實(shí)際脈沖位置與比特寬度內(nèi)的理論脈沖位置值一致,。
　
系統(tǒng)構(gòu)成
　　隨鉆嵌入式處理單元（以下簡(jiǎn)稱EPU）同時(shí)承擔(dān)多項(xiàng)采集測(cè)量處理任務(wù)和系統(tǒng)通訊任務(wù)，是整個(gè)隨鉆地面系統(tǒng)的核心中樞?，F(xiàn)場(chǎng)的深度,、泥漿壓力、鉤載,、死繩和泵沖傳感器信號(hào)進(jìn)入進(jìn)入EPU,，經(jīng)過(guò)安全隔離柵隔離、信號(hào)調(diào)理板調(diào)理之后，送入cRIO的數(shù)據(jù)采集卡,，由FPGA對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,，得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)CPU處理后，通過(guò)LAN傳送給上位機(jī),。同時(shí),，上位機(jī)通過(guò)cRIO的中轉(zhuǎn)，通過(guò)RS485總線與司鉆顯示器和DBC中控進(jìn)行通訊,，驅(qū)動(dòng)Bypass電磁閥,，進(jìn)行指令下傳。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示,。

圖3 隨鉆地面系統(tǒng)框架

泥漿脈沖信號(hào)濾波解碼
　　在井場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng),，泥漿脈沖信號(hào)是通過(guò)安裝在立管上的壓力傳感器采集獲得的。
　
　　在現(xiàn)場(chǎng)條件下,，從井下發(fā)出的泥漿脈沖信號(hào)傳遞到地面時(shí),，混雜了非常強(qiáng)的背景噪聲，其來(lái)源主要有泥漿泵活塞周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的泥漿泵噪聲,、鉆頭粘卡后突然釋鉆柱產(chǎn)生大弧度擺動(dòng)產(chǎn)生的鉆柱扭矩噪聲和鉆柱鉆進(jìn)中的震動(dòng)產(chǎn)生的鉆頭噪聲,。
　
　　在EPU中，采集獲得的泥漿脈沖波形數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)FIR初級(jí)濾波,、自適應(yīng)濾波,、小波分析、互相關(guān)處理等一系列濾波處理,，獲得較為干凈的脈沖信號(hào)波形,。之后，通過(guò)準(zhǔn)確判定脈沖位置,，計(jì)算相鄰脈沖的時(shí)間間隔,，從而計(jì)算的到相應(yīng)的通訊數(shù)據(jù)。
　
深度測(cè)量
　　鉆井深度的測(cè)量,，是通過(guò)測(cè)量鉆機(jī)大鉤上提下放運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行累加,，從而間接獲得的。除了需要準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的測(cè)量大鉤位置外,，還需要準(zhǔn)確判斷鉆具是否掛在大鉤上,，跟隨大鉤一起上提下放。
　
　　判斷鉆具是否掛在大鉤上,，先測(cè)量大鉤的載荷,，與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，高于閾值認(rèn)為是掛在大鉤上,，反之認(rèn)為沒(méi)有掛在大鉤上,，處于座卡狀態(tài)。但在鉆井過(guò)程中，會(huì)有各種震動(dòng)產(chǎn)生,，使測(cè)量得到的載荷也隨之劇烈波動(dòng),。當(dāng)鉆井深度較淺，鉆具重量較輕時(shí),，閾值非常接近大鉤空鉤載荷,，劇烈的波動(dòng)很容易越過(guò)閾值造成誤判。
　
　　為了消除震動(dòng)的影響,，需要對(duì)測(cè)量測(cè)到的鉤載進(jìn)行濾波,。而濾波算法要求一方面有效濾除波動(dòng)，另一方面具有很低的延遲,，這兩方面是一對(duì)矛盾關(guān)系,。在綜合了FIR、IIR,、平均值濾波,、中值濾波等算法的特點(diǎn)后，使用FPGA模塊的相關(guān)濾波模塊設(shè)計(jì)了一套有效的濾波算法,，能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的深度測(cè)量,。
　
試驗(yàn)情況
　　在已經(jīng)進(jìn)行的地面循環(huán)試驗(yàn),、井下循環(huán)試驗(yàn)和實(shí)鉆試驗(yàn)中,，隨鉆嵌入式處理單元累計(jì)工作幾百小時(shí)，成功驗(yàn)證了其可靠性和實(shí)時(shí)性,。達(dá)到的性能指標(biāo)主要有：
　
　　1,、傳輸率：達(dá)到了3.0bps，為目前國(guó)內(nèi)的同類技術(shù)的最高水平,；
　
　　2,、誤碼率：在試驗(yàn)過(guò)程中，解碼的誤碼率在1%以下,；
　
　　3,、可靠性：在試驗(yàn)工作過(guò)程中，隨鉆嵌入式處理單元工作穩(wěn)定,，算法運(yùn)行正常,，沒(méi)有出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象。
　
總結(jié)
　　經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,，基于CompactRIO開(kāi)發(fā)的隨鉆嵌入式處理單元已經(jīng)初步達(dá)到了實(shí)用化的水平,。
　
　　在整個(gè)處理單元開(kāi)發(fā)過(guò)程中，快捷方便的LabVIEW圖形化編程工具極大的解放了開(kāi)發(fā)人員的精力,，可以更專注于泥漿脈沖波形濾波解碼算法和深度測(cè)量算法的開(kāi)發(fā),。同時(shí)，CompactRIO堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)和極高的可靠性也給人留下了深刻的印象。
　
　　Next Steps
　　觀看工業(yè)控制視頻演示
　
　　了解NI LabVIEW圖形化編程