摘 要：綜合錄井儀是集地質(zhì)錄井、鉆井工程和信息評(píng)價(jià)于一體的鉆井監(jiān)測(cè)、資料錄取系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集單元作為綜合錄井儀的核心部分，是獲取原始井場(chǎng)數(shù)據(jù)的唯一來(lái)源。目前國(guó)內(nèi)外綜合錄井儀規(guī)格多達(dá)幾十種，數(shù)據(jù)采集單元在格式標(biāo)準(zhǔn)和硬件匹配上，矛盾尤顯突出。不僅造成儀器使用繁雜，還給后期的維修和維護(hù)工作帶來(lái)難度。進(jìn)而導(dǎo)致培訓(xùn)難度大、服務(wù)成本高等問(wèn)題，嚴(yán)重影響服務(wù)質(zhì)量。為滿(mǎn)足生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化需求，規(guī)范井場(chǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)放性數(shù)據(jù)共享，分析并應(yīng)用氣體采集系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：綜合錄井儀；通訊方式；氣體系統(tǒng)

錄井技術(shù)是油氣勘探開(kāi)發(fā)活動(dòng)中最基本的技術(shù)，是在油氣鉆井施工中能及時(shí)獲取井下各種信息從而為油氣勘探開(kāi)發(fā)和鉆井施工提供決策依據(jù)的一種方法技術(shù)，是發(fā)現(xiàn)油氣藏、評(píng)價(jià)油氣藏最及時(shí)、最直接的手段。國(guó)內(nèi)各大錄井公司都在組織科技力量改造、研制、開(kāi)發(fā)自己的設(shè)備，提高工作人員的整體素質(zhì)，以市場(chǎng)為導(dǎo)向，以技術(shù)求發(fā)展。綜合錄井儀是集地質(zhì)錄井、鉆井工程和信息評(píng)價(jià)于一體的鉆井監(jiān)測(cè)、資料錄取系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集單元作為綜合錄井儀的核心部分，是獲取原始井場(chǎng)數(shù)據(jù)的唯一來(lái)源。

目前國(guó)內(nèi)外綜合錄井儀規(guī)格多達(dá)幾十種，數(shù)據(jù)采集單元在格式標(biāo)準(zhǔn)和硬件匹配上，矛盾尤顯突出。不僅造成儀器使用繁雜，還給后期的維修和維護(hù)工作帶來(lái)難度。進(jìn)而導(dǎo)致培訓(xùn)難度大、服務(wù)成本高等問(wèn)題，嚴(yán)重影響服務(wù)質(zhì)量。

解決錄井儀器使用過(guò)程存在的品種、規(guī)格過(guò)多帶來(lái)的實(shí)際問(wèn)題，涉及到錄井儀器從局部到整體標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程。文章參考相關(guān)資料和實(shí)踐結(jié)果對(duì)綜合錄井儀系統(tǒng)進(jìn)行研究。

一、工程采集模塊

針對(duì)法國(guó)ALS綜合錄井儀，研究其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟、硬件數(shù)據(jù)處理技術(shù)和管理方法。

二、氣體采集模塊

（一）工程采集模塊。工程數(shù)據(jù)采集單元實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)多個(gè)傳感器信號(hào)源信息的自動(dòng)采集、整合，并按照一定的通訊方式，通過(guò)工程數(shù)據(jù)采集軟件，實(shí)現(xiàn)傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)向綜合錄井軟件的傳輸共享。包括采集硬件和傳輸軟件兩部分。設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)綜合錄井儀通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件單元，包括信號(hào)調(diào)理單元和數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，前者主要作用是信號(hào)預(yù)處理，后者則屬于上位采集計(jì)算機(jī)，安裝工程數(shù)據(jù)采集軟件。

（1）SLJK-II采集硬件。在數(shù)據(jù)源方面，錄井現(xiàn)場(chǎng)傳感器已經(jīng)使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流型傳感器和脈沖頻率傳感器。因此通用數(shù)據(jù)采集接口研制應(yīng)在傳感器的電性匹配、通用型信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)和外型設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化和通用化?；驹O(shè)計(jì)思路是規(guī)范信號(hào)的輸入輸出特性，研制調(diào)理電路，開(kāi)發(fā)出信號(hào)調(diào)理的硬件“黑匣子”。同時(shí)考慮到生產(chǎn)實(shí)際需求，在信號(hào)處理流程中增加防爆功能和防雷擊功能設(shè)計(jì)。

（2）工程采集軟件分析。在獲得儀器傳輸格式化的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)工程數(shù)據(jù)采集軟件，一方面完成對(duì)硬件單元的信號(hào)讀取，一方面在完成必要的計(jì)算后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)戒浘浖?，?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。該軟件模塊主要由系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)顯示模塊、傳感器信號(hào)采集模塊、信號(hào)標(biāo)定模塊數(shù)據(jù)共享傳輸模塊5部分組成。系統(tǒng)初始化模塊主要完成用戶(hù)對(duì)通訊卡和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，數(shù)據(jù)顯示模塊實(shí)時(shí)顯示采集傳感器信號(hào)的變化狀況，傳感器信號(hào)采集模塊完成對(duì)信號(hào)采集板卡原始信號(hào)的實(shí)時(shí)讀取，信號(hào)標(biāo)定模塊完成采集電信號(hào)與對(duì)應(yīng)物理量間的變化關(guān)系，數(shù)據(jù)共享傳輸模塊完成以匹配的通訊協(xié)議向上位采集計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)共享傳輸模塊。用戶(hù)設(shè)置軟件所應(yīng)用的儀器類(lèi)型及傳輸方法，進(jìn)一步完成參數(shù)的傳輸。數(shù)據(jù)傳輸格式大體有兩種，一是通用的WITS格式數(shù)據(jù)傳輸，能夠?yàn)榻邮誛ITS格式的儀器傳輸數(shù)據(jù)；二是特殊格式傳輸，即針對(duì)特殊儀器，能夠應(yīng)用于3種主流綜合錄井儀，包括

Advantage、ALS系列及SL-EXPLORERZH-2儀器。傳輸方式有串口和網(wǎng)絡(luò)兩種，基本上適應(yīng)于各種綜合錄井儀。

（二）色譜采集模塊。（1） SLSP-2K快速色譜儀。快速色譜分析的主要指導(dǎo)思想則是在保證分離度和靈敏度的前提下，注重分析速度的提高。一個(gè)溶質(zhì)被注射到色譜儀后，會(huì)形成一個(gè)譜帶，它象一個(gè)塞子狀的氣體，其形狀應(yīng)該是圓柱形的，如將其描述為色譜峰，其峰形應(yīng)該是矩形的。隨著色譜過(guò)程的進(jìn)行，這一柱塞形的氣流會(huì)因擴(kuò)散或其他因素的影響而逐漸變形，至離開(kāi)色譜柱而進(jìn)入檢測(cè)器時(shí)，它已經(jīng)成為一個(gè)高斯型的峰了。在峰上的任一點(diǎn)上，溶質(zhì)的濃度符合正態(tài)分布。任何一個(gè)色譜過(guò)程，基本上都是譜帶展寬的過(guò)程。色譜峰越窄，分析周期就可以越少，所以減少譜帶寬度是快速色譜分析的主要方法。①氣體分配單元。氣體分配單元：為氣體分析單元提供各種配氣和對(duì)分析用氣進(jìn)行預(yù)處理。主要功能：對(duì)鉆井液出、入口脫出樣品氣進(jìn)行吸入并送入各分析系統(tǒng)。對(duì)空氣、氫氣和樣品氣進(jìn)行干燥、凈化處理。對(duì)空氣、氫氣和樣品氣進(jìn)行穩(wěn)壓、穩(wěn)流控制。②氣體分析單元。分析單元作為SLSP-2K快速色譜儀的核心部分，主要分為氣體分析單元和儀器控制系統(tǒng)兩大單元。通過(guò)兩套獨(dú)立

FID氫火焰離子化檢測(cè)器系統(tǒng)，可同時(shí)分析樣品氣中總烴含量和C1～C5含量。SLSP-2K快速色譜儀的分析單元中，使用了氫氣作載氣，空氣作助燃?xì)?。樣品氣?jīng)干燥和過(guò)濾后，由樣品泵吸入，經(jīng)穩(wěn)壓控制后，一路直接進(jìn)入總烴FID檢測(cè)器；另一路通過(guò)十通閥，由定量管到色譜柱，經(jīng)過(guò)色譜預(yù)柱和主色譜柱的分離后，進(jìn)入FID檢測(cè)器進(jìn)行組分分析。組分分析采用單定量管，雙柱單流程，整個(gè)分析周期分為分析周期和反吹周期。

（2）檢測(cè)器系統(tǒng)。SLSP-2K快速色譜儀的檢測(cè)范圍要求從1ppm到100%的樣品濃度，檢測(cè)器的線(xiàn)性范圍和靈敏度要求很高。我們?cè)谖樟嗣绹?guó)VARIAN公司FID檢測(cè)器技術(shù)的基礎(chǔ)上重新研制了小型FID檢測(cè)器，滿(mǎn)足了儀器的需要。FID檢測(cè)器的性能依賴(lài)于氣體流量的合適選擇。設(shè)計(jì)的基本原則：氫氣、樣氣、助燃?xì)饣旌媳龋?：0.5：15）可以獲得高的響應(yīng)值和好的穩(wěn)定性。使用中氫氣做載氣，可省掉一路載氣。

（3）氣路系統(tǒng)。氣路系統(tǒng)包括：進(jìn)樣、各種氣體的凈化處理、各種氣體管路及其壓力與流量控制、樣品泵、流量計(jì)、檢測(cè)器等。SLSP-2K快速色譜儀采用了8812和8831型的色譜專(zhuān)業(yè)氣體穩(wěn)壓閥和針形閥。8812型穩(wěn)壓閥是磨片式穩(wěn)壓方式，該穩(wěn)壓閥受壓截面大，受壓敏感，穩(wěn)壓效果好。磨片式穩(wěn)壓方式較傳統(tǒng)的波紋管式穩(wěn)壓閥穩(wěn)壓效果上要高出一個(gè)檔次，常規(guī)錄井儀器只在樣品氣上使用了磨片式穩(wěn)壓方式，空氣助燃和氫氣由于造型的限制均沒(méi)有采用磨片式穩(wěn)壓閥。8831型針形閥由于具有壓力選擇性，同時(shí)，在8812高穩(wěn)壓精度的條件下，8831型可進(jìn)行氣體流量的精細(xì)調(diào)節(jié)，保證輸出穩(wěn)定的分析用氣。另外，為配合FID氫火焰離子化檢測(cè)器，建立起高質(zhì)量的氣路分析系統(tǒng)。在氣路上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，合理配置分析監(jiān)視系統(tǒng)，在工藝措施上進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì)，包括：樣品氣的放空、放空比例選擇，樣品的流徑、流速、阻尼等，建立了較為理想的氣路分析系統(tǒng)。

（4）電器系統(tǒng)。電器系統(tǒng)是儀器控制的核心，要求技術(shù)指標(biāo)高、自動(dòng)化程度高、可靠性高、操作簡(jiǎn)便、維修方便等。在設(shè)計(jì)上采用集散式控制系統(tǒng)，模塊化設(shè)計(jì)，將硬件按功能劃分為5個(gè)模塊，分別為控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、FID微電流放大器模塊、傳感器模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等，與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)共同組成完整的儀器控制系統(tǒng)。1）微電流放大器。使用常規(guī)放大器無(wú)法檢測(cè)如非常小的電流，我們選用超高阻抗、低噪聲低漂移、靜電計(jì)級(jí)集成放大器AD549作為放大器。同時(shí)，又由于檢測(cè)范圍十分寬，從最小檢知濃度1ppm～100%，所以將放大器量程分為兩檔，高靈敏度檔可以檢測(cè)從1ppm到1%的組分或總烴濃度，低靈敏度檔可以檢測(cè)0.1%到100%的組分或總烴濃度。量程可以由操作人員根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)手動(dòng)切換，也可以由色譜工作站軟件根據(jù)采集到的信號(hào)自動(dòng)切換，保證了檢測(cè)最小分辨率和100%濃度的檢測(cè)要求。FID放大器由于輸入阻抗高，放大倍數(shù)高，靈敏度極高，極易受到外界干擾和產(chǎn)生自激震蕩，在設(shè)計(jì)上進(jìn)行了許多設(shè)計(jì)保障，如精心設(shè)計(jì)電路板元件布局和走線(xiàn)、選擇電路板材等，最大限度地降低、避免干擾，解決了FID放大器的噪聲和前級(jí)的平衡問(wèn)題，消除前末級(jí)之間的干擾，提高了放大器精度和可靠性，使放大器的本底噪聲達(dá)到10μV以下。2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。當(dāng)前市場(chǎng)上有許多數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，采樣速率可從幾十到幾百K/s，但多數(shù)采用16位以下A/D，從采集分辨率和線(xiàn)性范圍上都無(wú)法滿(mǎn)足色譜譜圖采集的要求。要提高采集分辨率和線(xiàn)性范圍必須提高A/D采集的位數(shù)，但隨著A/D采集位數(shù)升高，采集速率急劇下降，目前國(guó)內(nèi)有分辨率達(dá)到20位的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，它們的采樣速率僅為10次/秒以下，精度和采集速率都無(wú)法滿(mǎn)足色譜峰的檢測(cè)。因此，與色譜工作站軟件廠(chǎng)家合作，使用高精度的24位A/D轉(zhuǎn)換器，由單片機(jī)控制，組成雙通道數(shù)據(jù)采集器，采集頻率達(dá)到20次/秒，滿(mǎn)足了快速色譜儀的譜圖采集要求，其技術(shù)指標(biāo)為：最小分辨率：1μV；輸入電壓范圍：

-1.3V～+1.3V；動(dòng)態(tài)范圍：107；線(xiàn)性度：±0.005%。3）通訊系統(tǒng)。SLSP-2K快速色譜儀采用集散式控制系統(tǒng)，儀器內(nèi)部的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)互相獨(dú)立工作，控制系統(tǒng)和采集系統(tǒng)通過(guò)串口和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)聯(lián)系，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)既可以通過(guò)串口和上位機(jī)通訊也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口和上位機(jī)通訊。

三、成果

通過(guò)研究綜合錄井儀工程及氣體數(shù)據(jù)核心單元，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、色譜分析系統(tǒng)的基于串口通訊方式和基于TCP/IP通訊方式的技術(shù)原理，掌握了串口通訊方式和基于TCP/IP通訊方式的多種數(shù)據(jù)通訊類(lèi)型，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了綜合錄井儀通用采集器，包括工程數(shù)據(jù)軟硬采集單元和色譜氣體采集軟件，初步實(shí)現(xiàn)了通用性軟硬件與國(guó)外進(jìn)口綜合錄井儀軟件的技術(shù)配套。

（1）完成工程信號(hào)采集接口軟硬件開(kāi)發(fā)。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的主流綜合錄井儀，研發(fā)了適合目前多種錄井儀器的數(shù)據(jù)采集單元，形成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程和技術(shù)規(guī)范。（2）色譜儀通用數(shù)據(jù)接口研制，研發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)化色譜儀數(shù)據(jù)工作站。

隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)進(jìn)口綜合錄井儀服役時(shí)間加長(zhǎng)，儀器逐漸進(jìn)入故障多發(fā)期，通過(guò)該研究成果能夠?qū)崿F(xiàn)硬件技術(shù)配套，從而解決儀器故障維修和技術(shù)改造的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，降低儀器整體運(yùn)行費(fèi)用，具有廣闊應(yīng)用前景。

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