董俊辰 李擁軍 王園園
【摘要】針對(duì)油氣井的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,為了同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下系統(tǒng),因此研究深度以及對(duì)應(yīng)于深度的溫度、電阻率、自然伽馬測(cè)量原理,開發(fā)基于LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),進(jìn)行理論的分析和和軟件的設(shè)計(jì)。其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),通過探頭對(duì)套管外介質(zhì)特性進(jìn)行探測(cè),并將信號(hào)分為兩路深度和溫度、電阻率、自然伽馬同步上傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng),地面系統(tǒng)接收信號(hào),進(jìn)行解碼判別通過兩個(gè)通用異步串行接口RS-232同時(shí)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信,然后由采集軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收校驗(yàn)、采集監(jiān)控、合并存儲(chǔ)等工作。實(shí)踐證明,該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單,同步數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性高、穩(wěn)定可靠。
【關(guān)鍵詞】LabVIEW;數(shù)據(jù)采集;測(cè)井;RS-232
引言
研究表明,快速探測(cè)井下深度以及同步于深度的溫度、自然伽馬、電阻率的變化,對(duì)探知套管外介質(zhì),合理開發(fā)油氣田有戰(zhàn)略意義。同時(shí),隨著測(cè)井技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,儀器和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸顯得尤為重要。采集井下數(shù)據(jù)是測(cè)井行業(yè)對(duì)地層介質(zhì)系統(tǒng)深入了解的必要途徑。能否準(zhǔn)確無誤,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)在測(cè)井過程中得到的數(shù)據(jù),是測(cè)井的關(guān)鍵,本文用LabVIEW 實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司開發(fā)的一種多功能圖形化編程軟件,它是一種帶有圖形控制流結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流模式,程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序,可以大大縮短開發(fā)軟件的時(shí)間。LabVIEW具有以下特點(diǎn):①有功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析函數(shù)庫;②提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器(如示波器、萬用表)類似的控件,可用來方便地創(chuàng)建用戶界面,調(diào)試手段也很靈活簡(jiǎn)單;③內(nèi)置高效的程序編譯器,采用32位編譯方式運(yùn)行應(yīng)用程序;④開放式的開發(fā)平臺(tái),通過LabVIEW可調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫接口,混合編程。
1.各測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的測(cè)量原理
測(cè)量深度系統(tǒng)是由電纜拖動(dòng)光電編碼器轉(zhuǎn)動(dòng),并輸出雙路脈沖信號(hào)來計(jì)數(shù)。對(duì)溫度、電阻率和自然伽馬的測(cè)量均是通過探頭采集電壓信號(hào),以PICF87X系列單片機(jī)為主控單元對(duì)套管外的介質(zhì)特性進(jìn)行探測(cè)。發(fā)射線圈輸出二次場(chǎng)信號(hào)并在接收線圈接收微弱的差分雙極性脈沖序列,信號(hào)經(jīng)過濾波、可變?cè)鲆娣糯蠛筮M(jìn)入A/D芯片,對(duì)信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化結(jié)果送入單片機(jī)進(jìn)行編碼,再通過單芯電纜上傳至地面系統(tǒng)。地面系統(tǒng)將接收到的信號(hào),進(jìn)行解碼判別通過兩個(gè)通用異步串行接口RS-232同步與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信,然后由上位機(jī)采集軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收校驗(yàn)、采集監(jiān)控、合并存儲(chǔ)等工作,實(shí)現(xiàn)對(duì)井下深度、溫度、電阻率、自然伽馬數(shù)據(jù)的采集。
1.1 深度的測(cè)量原理
測(cè)深是測(cè)井的一個(gè)重要測(cè)量參數(shù),對(duì)同步于深度的溫度、伽馬、電阻率的測(cè)量有重要影響?;诠怆娋幋a器的測(cè)深系統(tǒng),因?yàn)椴皇軓?fù)雜地質(zhì)影響和電磁場(chǎng)的干擾,在探測(cè)效率和精度上很占優(yōu)勢(shì)。光電編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式位移傳感器,廣泛應(yīng)用于角位移或角速率的測(cè)量。該系統(tǒng)采用增量式光電編碼器,光碼器的內(nèi)部光碼盤的固有分辨率很高, 輸出脈沖信號(hào),抗電干擾能力強(qiáng),與計(jì)算機(jī)接口電路兼容。
1.2 溫度的測(cè)量原理
井下溫度,是評(píng)價(jià)地層信息的重要參考依據(jù)。測(cè)井每下井深度增加100m,溫度升高3℃,所以要選擇高靈敏度且測(cè)量準(zhǔn)確的耐高溫測(cè)溫材料。這里井下系統(tǒng)選用Pt100鉑熱電阻,該鉑電阻的熱響應(yīng)時(shí)間較小,測(cè)溫范圍一般為-70°C~+600°C,因此它很適合于測(cè)量井下的表面溫度和監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)溫度變化。根據(jù)井下條件,在0~630°C范圍內(nèi),鉑電阻的電阻值與溫度間的關(guān)系可以精確地表示為:
(1)
其中,為溫度為t℃時(shí)鉑電阻的電阻值,表示溫度為0℃時(shí)鉑電阻的電阻值(Ω),A、B、C分別為常數(shù)。對(duì)于Pt100,=100Ω,A=3.90802℃,B=-5.802℃,C=0。由公式(1)可以得出在100℃時(shí),電阻值的變化量是38.5Ω,而由Bt2帶來的變化量為0.58Ω,在系統(tǒng)中影響為1.5%。因此可將Pt100近似作為線性器件來使用。
1.3 電阻率的測(cè)量原理
測(cè)量電阻率的儀器過套管本身是一個(gè)巨大的金屬良導(dǎo)體,其電阻率要比井眼流體的電阻率低很多,在向地層發(fā)射低頻電信號(hào)后,一般頻率選擇在用0.01~10.0Hz之間頻率,大部分電流在金屬套管中流動(dòng),但是仍然有小部分的電流通過金屬套管進(jìn)入地層。如果可以檢測(cè)到儀器測(cè)量電極與地面回路電極之間的電位差,并且可以檢測(cè)流入地層的電流,就能夠得到地層電阻率信息。
供電電極向套管通以極低頻率的注入總電流I,一部分泄漏到地層中,稱之為泄露電流,進(jìn)入地層的電流大小由地層電阻率決定。儀器測(cè)量電極測(cè)出從套管泄露流入地層的電流產(chǎn)生的電位差,它與地層的電阻率成正比。利用歐姆定律計(jì)算:
(2)
(3)
式中,K為測(cè)井儀器常數(shù),根據(jù)井眼的實(shí)際情況確定;為測(cè)量段套管的電阻。
1.4 自然伽馬的測(cè)量原理
傳統(tǒng)的自然伽馬測(cè)井,主要是利用伽馬探測(cè)器測(cè)量地層中的U、Th、K等元素的含量,即利用探測(cè)器測(cè)量地層中總的自然伽馬射線強(qiáng)度,以此為依據(jù)來研究地層性質(zhì),劃分地層巖性,求出地層的泥質(zhì)含量。自然伽馬測(cè)量電路還有一個(gè)重要作用,那就是輔助校深。由于單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)和伽馬射線的強(qiáng)度成正比關(guān)系,根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)就可以確定套管接箍的位置,井下套管是由很多段的標(biāo)準(zhǔn)套管連接起來的,且標(biāo)準(zhǔn)套管的長(zhǎng)度是一定的,因此通過接箍的位置就可以為整個(gè)系統(tǒng)的深度測(cè)量提供校正,即輔助校深。
2.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
2.1 數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)思路
根據(jù)井下系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù),深度數(shù)據(jù)格式是十六進(jìn)制四字節(jié),溫度、電阻率、自然伽馬的數(shù)據(jù)格式是十六進(jìn)制表示的48個(gè)字節(jié),第0字節(jié)是首判斷位0xaa,第2字節(jié)還是個(gè)判斷位(0xa1或0xa2),尾判斷位是0xbb,除了判斷位,剩下的字節(jié)就表示所需采集的22個(gè)數(shù)據(jù),包括溫度、電阻率、自然伽馬的數(shù)據(jù)。因?yàn)榫码娐废到y(tǒng)電阻、電容不匹配或干擾信號(hào)的影響,難免會(huì)出現(xiàn)采集上來的數(shù)據(jù)與單片機(jī)原設(shè)定好的的數(shù)據(jù)格式不匹配。為了防止這樣,我們必須采用合理的方法,確保數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確性。設(shè)計(jì)思路是:兩路RS-232與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口通信后,數(shù)據(jù)暫存在緩沖區(qū),運(yùn)行程序后,當(dāng)幀頭是aa時(shí)開始提取數(shù)據(jù),否則放棄保留數(shù)據(jù)。然后如果再提取47個(gè)字節(jié)之后是幀尾bb的話,則保留數(shù)據(jù),否則放棄保留。再次如果第2字節(jié)是0xa1,數(shù)據(jù)保留為一組,如果第2字節(jié)是0xa2,數(shù)據(jù)保留為另一組。然后把以上數(shù)據(jù)和深度數(shù)據(jù)按時(shí)間合并匹配,然后順序依次寫入文檔。如圖1所示是數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)思路。
2.2 程序面板總體框架
由于本程序是針對(duì)數(shù)據(jù)做的一系列處理工作,可以引用LabVIEW上經(jīng)常用到的生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式。從軟件的角度講,生產(chǎn)者是數(shù)據(jù)的提供方,用于數(shù)據(jù)的采集,在生產(chǎn)循環(huán)中采用了輪詢結(jié)構(gòu),用于數(shù)據(jù)的交換,把數(shù)據(jù)先存入緩沖區(qū),再傳遞給消費(fèi)者,簡(jiǎn)言之,生產(chǎn)者負(fù)責(zé)采集和發(fā)布數(shù)據(jù);消費(fèi)者是數(shù)據(jù)的消費(fèi)方,用于數(shù)據(jù)的分析和處理。本文在該模式的架構(gòu)下,進(jìn)行數(shù)據(jù)的一系列處理。從數(shù)據(jù)的角度講,當(dāng)生產(chǎn)過剩而消費(fèi)不足的情況下,緩沖區(qū)的剩余空間不斷減小至耗盡。當(dāng)緩沖區(qū)無剩余空間時(shí),生產(chǎn)者必須停止生產(chǎn),一直等到緩沖區(qū)出現(xiàn)剩余空間再繼續(xù)生產(chǎn)。反之,當(dāng)消費(fèi)能力大于生產(chǎn)能力的時(shí)候,緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)就會(huì)逐漸減少,直至緩沖區(qū)中再無數(shù)據(jù)可用,此時(shí),消費(fèi)者處于等待狀態(tài),這就是隊(duì)列的應(yīng)用。不管是生產(chǎn)者還是消費(fèi)者循環(huán),都是利用的while循環(huán)結(jié)構(gòu),一幀一幀的提取數(shù)據(jù),這就保證了數(shù)據(jù)有序而有效的進(jìn)行處理。
圖1 數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)思路
圖2 軟件操作流程圖
2.3 前面板設(shè)計(jì)
(1)配置串口和波特率。根據(jù)通用異步串行接口RS-232選取默認(rèn)的波特率9600b/s,串口選com1和com2。
(2)波形顯示控件。當(dāng)程序運(yùn)行過程中,顯示VISA讀取到深度、溫度、電阻率、伽馬值的大小和描繪出的連續(xù)變化曲線。
(3)開始采集、清除波形、退出控件。開始采集控件實(shí)現(xiàn)開始采集各個(gè)數(shù)據(jù),清除控件是把存在在波形圖表控件中的數(shù)據(jù)曲線清零,即賦零值,退出控件指退出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
(4)歷史數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑控件。通過對(duì)路徑的選擇,實(shí)現(xiàn)對(duì)以往數(shù)據(jù)的回放和對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。
(5)選擇性選擇顯示數(shù)據(jù)。通過選擇控件,實(shí)現(xiàn)對(duì)某些數(shù)據(jù)曲線的顯示和隱藏。
軟件操作過程流程圖如圖2所示。
2.4 程序面板的設(shè)計(jì)
2.4.1 串口通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
LabVIEW中使用標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出應(yīng)用程序接口,用VISA完成對(duì)儀器的控制。VISA可控制串口、USB等儀器,并根據(jù)使用儀器的類型調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序,用戶無需學(xué)習(xí)各種儀器的通信協(xié)議。VISA獨(dú)立于操作系統(tǒng)、總線和編程環(huán)境。換言之,無論使用何種設(shè)備、操作系統(tǒng)和編程語言,均使用相同的應(yīng)用程序接口。開始使用VISA之前,應(yīng)確保選擇合適的儀器控制方法。
2.4.2 數(shù)據(jù)采集模塊
首先是初始化,此處的最重點(diǎn)是VISA的串口配置,調(diào)用“VISA串口配置”函數(shù)中的資源名稱連接口是指定的串口按特定設(shè)置初始化,通過將數(shù)據(jù)連線至VISA資源名稱輸入端,可確定要使用的波特率,數(shù)據(jù)比特,停止位的選擇等。
再次是通過調(diào)用“VISA讀取”函數(shù),將從VISA資源名稱指定的設(shè)備或接口讀取指定數(shù)量的字節(jié),并將數(shù)據(jù)返回至讀取緩沖區(qū)?!癡ISA資源名稱”的屬性節(jié)點(diǎn),選擇instri類的屬性中的Serial Setting:Number of Bytes at Serial port,讀取緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù),并再次返回緩沖區(qū)。
最后是將兩組緩沖區(qū)讀取的字符串變成所需要的不帶符號(hào)的字節(jié)數(shù)組,然后通過“插入數(shù)組”控件將兩組數(shù)據(jù)連接起來,最后通過波形圖表顯示控件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。圖3所示是串口數(shù)據(jù)的讀取和連接。
圖3 串口數(shù)據(jù)讀取和連接
2.4.3 數(shù)據(jù)分析處理模塊
(1)數(shù)據(jù)寫入二進(jìn)制文件:把采集到的數(shù)據(jù)存放一個(gè)數(shù)組里,再連接“數(shù)組至電子表格字符串轉(zhuǎn)換”函數(shù),使數(shù)組轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制的字符串形式表格,然后再把數(shù)據(jù)寫入二進(jìn)制文件。為了以后方便對(duì)數(shù)據(jù)的查詢,可以連接“獲取時(shí)間/日期字符串”函數(shù),把實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間記錄下來,寫入二進(jìn)制文件。
(2)數(shù)據(jù)保存:使用“打開-創(chuàng)建-替換文件”函數(shù),可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一個(gè)指定的.txt文檔中。
(3)數(shù)據(jù)清除:有必要把正在采集的數(shù)據(jù)清除掉,以便對(duì)下次重新采集數(shù)據(jù)帶來方便,數(shù)據(jù)的清除也即把采集的數(shù)據(jù)變?yōu)榱?,所以可以把采集到的?shù)據(jù)保存到一個(gè)簇,利用波形圖表的屬性節(jié)點(diǎn)給簇賦予零值,這樣就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的清除。
(4)退出程序:利用“關(guān)閉文件”函數(shù)可以關(guān)閉指定的打開文件,并且返回引用原來文件的位置。
2.4.4 采集系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果
將電路系統(tǒng)連接通路后,計(jì)算機(jī)與兩路RS-232進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,運(yùn)行LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序,首先兩個(gè)串口初始化綠色指示燈開始閃爍,串口通信成功。接著在計(jì)算機(jī)任意處新建一個(gè).txt文檔,給文檔命名,并保存好。點(diǎn)擊“開始采集”按鈕,開始把數(shù)據(jù)寫入剛才建好的文檔,然后保存。這就完成了一次儀器對(duì)數(shù)據(jù)的完整記錄。如果想重新記錄一組數(shù)據(jù)的話,先點(diǎn)擊“清除波形”,然后再次重復(fù)以上的操作,就可再次成功記錄數(shù)據(jù)。以上操作就可以完成數(shù)據(jù)的接收校驗(yàn)、采集監(jiān)控、合并存儲(chǔ)等工作。
3.結(jié)論
本文用LabVIEW設(shè)計(jì)的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集軟件,經(jīng)實(shí)踐證明各個(gè)模塊功能穩(wěn)定,能準(zhǔn)確采集井下系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)波形,并保存到.txt文檔,保存的數(shù)據(jù)可以通過保存的文本文檔再回放出來,前面板布局清楚明了,可直觀的檢測(cè)數(shù)據(jù),憑借多次的實(shí)驗(yàn)測(cè)試,可以滿足工程上的需要。
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基金項(xiàng)目:國(guó)家973計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011CB707001);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271292)。
作者簡(jiǎn)介:
董俊辰,西安石油大學(xué)在讀研究生,研究方向:精密儀器與機(jī)械。
李擁軍,中國(guó)石油測(cè)井有限公司生產(chǎn)測(cè)井中心高級(jí)工程師。