鉆井儀表的研究與使用,，不僅提高了鉆井過程中各項(xiàng)參數(shù)指示與記錄的準(zhǔn)確程度，而且為油田的安全生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù),。目前鉆井現(xiàn)場(chǎng)有六道參數(shù)儀、八道參數(shù)儀等鉆井參數(shù)儀以及液面報(bào)警器等單項(xiàng)參數(shù)記錄儀,，這些儀表雖能提供現(xiàn)場(chǎng)參數(shù),，但數(shù)據(jù)傳輸大多還是靠有線通信。而有線傳輸受地理環(huán)境因素影響較大,，不能任意鋪設(shè),，且可擴(kuò)充性差，在鉆井搬遷過程中拆卸和安裝工作量大,。相比較而言,，無線通信卻具有高可移動(dòng)性、通信范圍不受環(huán)境條件的限制,、傳輸范圍能得到較大地拓寬等優(yōu)點(diǎn),。因此作者等人和黃河鉆井公司共同研制開發(fā)了無線傳輸鉆井參數(shù)儀。
　　無線傳輸鉆井參數(shù)儀的研制,，改進(jìn)了現(xiàn)有的鉆井參數(shù)儀依靠的有線傳輸方式,，使勝利油田鉆井參數(shù)記錄儀器儀表的相對(duì)落后的現(xiàn)狀得到了較大改觀。無線傳輸鉆井參數(shù)儀在鉆井過程中具有實(shí)時(shí)采集,、無線傳輸,、實(shí)時(shí)監(jiān)控以及計(jì)算機(jī)分析與打印等功能，從而提高了鉆井現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)采集與記錄分析的準(zhǔn)確性,、可靠性,，使鉆井參數(shù)儀器儀表更具實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)了更新?lián)Q代,。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,，整個(gè)系統(tǒng)由鉆井指揮觀測(cè)室和鉆井現(xiàn)場(chǎng)兩部分組成。

　　鉆井指揮觀測(cè)室部分由自行研制的通信接口" title="通信接口">通信接口,、系統(tǒng)觀測(cè)工控計(jì)算機(jī),、打印機(jī)等組成。通信接口的主要作用是將鉆井現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)監(jiān)測(cè)鉆井參數(shù)的智能分站(包括井臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)" title="實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)">實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理站)的數(shù)據(jù)與觀測(cè)工控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換,，同時(shí)還肩負(fù)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)超限時(shí)在鉆井指揮觀測(cè)室報(bào)警的作用,。系統(tǒng)觀測(cè)工控計(jì)算機(jī)可以增加、刪除系統(tǒng)掛接的智能分站,，負(fù)責(zé)各類監(jiān)測(cè)參數(shù)的類型定義,、報(bào)警上下限的設(shè)置與修改以及正常工作時(shí)按照一定的要求巡要現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)參數(shù)信息，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在工作界面上,，同時(shí)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分類管理,，包括定時(shí)存儲(chǔ),、顯示實(shí)時(shí)曲線、生成各類報(bào)表并輸出等,。
　　鉆井現(xiàn)場(chǎng)包括需要監(jiān)測(cè)各參數(shù)的智能分站和井臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理站,。監(jiān)測(cè)參數(shù)的智能分站將各類傳感器信息采集、處理后存放在自己的內(nèi)存中,，供井臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理站和鉆井指揮觀測(cè)室的系統(tǒng)觀測(cè)工控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)用,。在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的要求,，設(shè)計(jì)安裝的智能分站包括兩個(gè)測(cè)量泥漿池液位的智能分站,、一個(gè)測(cè)量泥漿出口處H2S濃度的智能分站、一個(gè)測(cè)量泥漿泵出口壓力的智能分站和一個(gè)測(cè)量井臺(tái)鉆具懸重的智能分站,。
　　井臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理站的作用是讓井臺(tái)上作業(yè)的人員能實(shí)時(shí)地觀察到現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù),，并且各類參數(shù)一旦超限時(shí)能提供聲光報(bào)警，從而及時(shí)提醒工作人員現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的參數(shù)異常情況,，以最快的速度采取應(yīng)急措施,，避免事故的發(fā)生和擴(kuò)大。
2 系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)" title="設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)">設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　該系統(tǒng)主要包括電源模塊,、通信模塊以及井臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理站和各智能分站等部分,，在這些部分的設(shè)計(jì)過程中，充分考慮了提高系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性,。
2.1 電源部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　為適應(yīng)不同的用戶要求,，在設(shè)計(jì)智能分站電源時(shí)考慮了三種方案：第一是智能分站的供電直接由現(xiàn)場(chǎng)交流電提供(如圖2所示)；第二是智能分站的供電直接由直流電池提供(如圖3所示),，這要求每口井完工后要對(duì)直流電池進(jìn)行充電,，保證在下一口井鉆井過程中不再更換電池，以保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性,；第三是智能分站的供電由交流電和直流電共同提供(如圖4所示),，當(dāng)有交流電時(shí)，交流電為本智能分站的所有電路提供電能,，同時(shí)對(duì)后備的直流電池進(jìn)行小電流充電,，直到充滿為止。一旦現(xiàn)場(chǎng)交流電停電,，系統(tǒng)則由直流電池維持供電,。直流電池供電時(shí)間的長(zhǎng)短與所選擇的電池容量有關(guān)，考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,，選用了能維持兩天的蓄電池,。因此本智能監(jiān)測(cè)分站的設(shè)計(jì)也依不同的供電要求而有所不同。上述電源電路的設(shè)計(jì)并不是在每個(gè)智能分站中都存在,，而是根據(jù)鉆井現(xiàn)場(chǎng)的需要分成三種情況,，鉆井公司根據(jù)自己的工作特點(diǎn)進(jìn)行選用,。這種多方式的設(shè)計(jì)方法具有較大的工作靈活性，也是本設(shè)計(jì)的特色之一,。

2.2 通信模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　通信模塊的設(shè)計(jì)包括通信接口的設(shè)計(jì)及無線模塊的選擇,。其中，通信接口是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分,，沒有它系統(tǒng)就無法實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和智能分站的通信,。工控機(jī)" title="工控機(jī)">工控機(jī)的對(duì)外數(shù)據(jù)接口除供打印機(jī)使用的一個(gè)并行口外，還有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS-232異步串行口,。與外部設(shè)備的通信一般采用串行口。RS-232信號(hào)至少需要三根線,，最遠(yuǎn)能傳輸15米,，足以滿足現(xiàn)場(chǎng)的需要。但是,，無線通信模塊的接口信號(hào)為TTL電平的,，所以為了能保證接口的順利對(duì)接，必須對(duì)RS-232信號(hào)電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換,，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后,，還可以將小功率的報(bào)警裝置一并與通信接口串接。因本通信接口的電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,，所以本設(shè)計(jì)中直接將通信接口電路板安裝在工控機(jī)內(nèi)部,，通信接口的電源也直接取自工控機(jī)內(nèi)部的5V電源。通信接口的原理框圖如圖5所示,。

　　無線模塊選用了北京捷麥公司的D21DL型無線數(shù)傳模塊,，該模塊采用透明式數(shù)據(jù)傳輸方式，無需改變?cè)型ㄐ懦绦蚣斑B接方法,；內(nèi)裝E²PROM及看門狗電路,，而且掉電后可記憶設(shè)置參數(shù)，具有組網(wǎng)通信模式,；采用工業(yè)級(jí)產(chǎn)品設(shè)計(jì),，工作溫度范圍寬，適合野外工作,；傳輸距離較遠(yuǎn),，便于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信。
2.3 智能分站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　本系統(tǒng)目前共有五個(gè)智能分站,，分別用于測(cè)量鉆井現(xiàn)場(chǎng)的泥漿池的液位,、泥漿泵出口壓力、鉆具懸重及泥漿出口處的H₂S濃度,。各智能分站除測(cè)量所需的傳感器不同外,，其它電路設(shè)計(jì)原理基本相同,。其原理框圖如圖6所示?？紤]到泥漿池泥漿一般具有較高的溫度而且具有一定的腐蝕性,，因此要求選擇的液位傳感器具有比較高的性能，如耐高溫,、抗腐蝕等,。選擇了由西門子公司生產(chǎn)的THE PROBE一體化超聲波液位傳感器。THE PROBE集傳感器和電子線路于一體,，它可以測(cè)量敞開或密閉容器中的液位?，F(xiàn)場(chǎng)所需要測(cè)量的壓力參數(shù)有泥漿泵出口壓力和鉆具懸重，鉆具懸重信息在現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)被轉(zhuǎn)化成液壓,，并且有標(biāo)準(zhǔn)口徑以供安裝液壓傳感器,，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)最后選用了北京昆侖海岸傳感器計(jì)數(shù)中心生產(chǎn)的防爆型JYB-KB-PAG型壓力傳感器。系統(tǒng)中還采用了J.DITTRICH ELEKTRONIC GmbH &Co. KG生產(chǎn)的MF420C型氣體濃度傳感器來測(cè)量H2S濃度,，該傳感器包含一個(gè)電氣化學(xué)傳感器,，可以測(cè)出某些有毒氣體和空氣中蒸汽的濃度。

　　智能分站的作用是將傳感器4～20mA的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),，并通過A/D轉(zhuǎn)換,，將模擬量換成線性的數(shù)字量，同時(shí)通過工程量變換達(dá)到要求的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試范圍,。為提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度,，同時(shí)滿足系統(tǒng)體積、功耗的要求,，采用了12位的串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543?，F(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)證明，監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)是十分準(zhǔn)確的,。在設(shè)計(jì)直流電池供電和交直流供電時(shí),，考慮到電池的工作時(shí)效問題，在整個(gè)電路設(shè)計(jì)中增加了電源報(bào)警電路,、監(jiān)測(cè)單片機(jī)工作用的12V直流電源和傳感器用的24V直流電源,，以保證電路正常工作及測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并將電源報(bào)警信息及時(shí)上傳至監(jiān)測(cè)工控機(jī),。另外,，為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和連續(xù)性，直流電源的報(bào)警都留有較大的冗余量,，即提前進(jìn)行報(bào)警,。由于鉆井的周期一般為2～4周不等，因此在全部采用直流電池作為智能監(jiān)測(cè)分站的工作能量補(bǔ)給時(shí),，也作了較大冗余量的考慮,，而且直流電源采用的電池也是目前性能價(jià)格比最優(yōu)的免維護(hù)的充電電池,。
2.4 井臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　井臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理站的作用是除了讓井臺(tái)工作人員能實(shí)時(shí)地觀察到現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)以及當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)能盡快采取應(yīng)急措施外，還有一個(gè)作用,，即一旦工控機(jī)因故停機(jī)時(shí),，能替代工控機(jī)向各智能分站發(fā)出巡要數(shù)據(jù)命令，并對(duì)各數(shù)據(jù)實(shí)行監(jiān)控,。因此觀測(cè)分站能替代工控機(jī)的部分功能,，以維持系統(tǒng)的主要功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于井臺(tái)上有鉆機(jī)一直在工作,，因此本部分電路直接采用交流電供電方式,，無需提供后備直流電源。設(shè)計(jì)的井臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理站的結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示,。與智能監(jiān)測(cè)分站不同的是,，井臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理站沒有傳感器及采樣電路等，但需要現(xiàn)場(chǎng)顯示電路并提供聲光報(bào)警電路,。

2.5 系統(tǒng)抗干擾措施
　　由于鉆井現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣，干擾比較嚴(yán)重,，這就要求系統(tǒng)有較強(qiáng)的抗干擾能力,。本系統(tǒng)從硬件和軟件兩方面采取抗干擾措施。
　　硬件抗干擾措施能有效地抑制干擾源,，阻斷干擾傳輸通道,，可消弱或抑制系統(tǒng)的絕大部分干擾。系統(tǒng)安全可靠工作的重要指標(biāo)是電源模塊供電質(zhì)量的可靠性,，而來自外界的電磁干擾是電源干擾的主要來源,。對(duì)于系統(tǒng)中未消除的電磁干擾，在印制電路板時(shí)在電源線與地線之間并接去耦電容,，消除其間的脈沖電流干擾,。同時(shí)采用X5045設(shè)計(jì)了看門狗電路，單片機(jī)工作一旦出現(xiàn)異常,，看門狗電路使其自動(dòng)復(fù)位,。
　　軟件抗干擾措施主要是防止程序“跑飛”或陷入“死循環(huán)”。本系統(tǒng)主要采用軟件冗余,、軟件陷阱,、“看門狗”等技術(shù)，使程序在出現(xiàn)“跑飛”或“死循環(huán)”時(shí)能納入正軌,。
3 工控機(jī)觀測(cè)界面設(shè)計(jì)及系統(tǒng)安裝調(diào)試
　　工控機(jī)觀測(cè)界面便于工作人員直觀獲得現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),，因此它的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到工作人員的工作效率和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度。它的調(diào)試是系統(tǒng)調(diào)試必不可少的部分,。
3.1 鉆井指揮觀測(cè)室管理界面的設(shè)計(jì)
　　本鉆井參數(shù)無線監(jiān)控界面(如圖8所示)以WINDOWS XP操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)平臺(tái),，使用ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù),，采用DELPHI 6.0編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)而成。在系統(tǒng)軟件的編程過程中,， 以簡(jiǎn)便性,、實(shí)用性、通用性為原則,， 開發(fā)了這套系統(tǒng)軟件,。系統(tǒng)軟件利用WINDOWS操作系統(tǒng)自身的多任務(wù)功能， 在進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的同時(shí),，進(jìn)行各種操作以及曲線圖形信息的顯示,、報(bào)表打印等，實(shí)現(xiàn)了全部在內(nèi)存中利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取存儲(chǔ),。