周 靜，陳子明，常 鵬，彭琰舉，牛夜光

（1.西安石油大學(xué) 井下測控研究所，陜西 西安　710065；2.中國石油天然氣管道局第四工程分公司 河北 廊坊　065000）

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具井下黑匣子數(shù)據(jù)回收技術(shù)改進(jìn)

周 靜1，陳子明2，常 鵬2，彭琰舉1，牛夜光2

（1.西安石油大學(xué) 井下測控研究所，陜西 西安710065；2.中國石油天然氣管道局第四工程分公司 河北 廊坊065000）

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具是進(jìn)行大位移鉆井系統(tǒng)準(zhǔn)確鉆進(jìn)的關(guān)鍵裝置，它是一個(gè)多參數(shù)的測控系統(tǒng)，測量的狀態(tài)變量包：方位參數(shù)、溫度、壓力等，這些狀態(tài)參數(shù)的獲得是導(dǎo)向的前提和基礎(chǔ)；文中提出了一種能夠應(yīng)用于鉆井工具的黑匣子改進(jìn)方案。黑匣子就是用于記錄旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的狀態(tài)信息和井眼軌跡等數(shù)據(jù)的裝置；以往的數(shù)據(jù)回收采用-2串口

進(jìn)行，傳輸速率一直是瓶頸問題，特別是對于海量數(shù)據(jù)的傳輸，本文對以往的數(shù)據(jù)回收方案做了改進(jìn)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于USB的井下黑匣子數(shù)據(jù)回收系統(tǒng)。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具；黑匣子；數(shù)據(jù)回收；USB

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是20世紀(jì)90年代興起的一項(xiàng)高尖端鉆井技術(shù)，是目前公認(rèn)的最先進(jìn)的鉆井技術(shù)［1-2］；當(dāng)前測井面臨著如何提高數(shù)據(jù)的傳輸速率這個(gè)重要問題，所以我們在合理選取所需要的數(shù)據(jù)的同時(shí)，更應(yīng)該提高數(shù)據(jù)的傳輸效率；一般來說，并不是多有的數(shù)據(jù)都要實(shí)時(shí)地傳輸?shù)降孛妫?］；例如一些中間測井?dāng)?shù)據(jù)可以邊鉆邊測，然后將測量的數(shù)據(jù)存儲在儀器中，待儀器回到地面后再將這些數(shù)據(jù)回放，例如旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井姿態(tài)以及井底壓力等參數(shù)的測量；但這些參數(shù)的測量和存儲，及數(shù)據(jù)回放速率的提高一直是一個(gè)較難解決的問題。同時(shí)各時(shí)刻導(dǎo)向工具狀態(tài)和鉆井姿態(tài)的記錄也并未形成很好的歷史數(shù)據(jù)，因此采用快速的硬件接口及通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)的高速傳輸是非常必要的，同時(shí)也是為了診斷和分析鉆井中所存在的問題及提高鉆井效率等提供可靠的歷史依據(jù)。黑匣子就是用于記錄旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的狀態(tài)和井眼軌跡等數(shù)據(jù)的裝置；但是，當(dāng)前國內(nèi)尚沒有有關(guān)井下黑匣子的研究，對鉆井事故的檢測也沒有引起人們的關(guān)注，記錄的導(dǎo)向工具的狀態(tài)參數(shù)主要用于對導(dǎo)向工具的控制，沒有建立完整的記錄井下各傳感器的信息和狀態(tài)的專門裝置［4-5］。而為本數(shù)據(jù)回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)的黑匣子能夠工作在井下125℃的高溫，近年來，隨著漏油事件和鉆井平臺事故的不斷增多，井下的狀況及信息對于決策顯得尤為重要。井下黑匣子的作用也隨之突顯，以往的數(shù)據(jù)回收裝置采用RS-232串口進(jìn)行，傳輸速度一直是一個(gè)瓶頸問題，特別是對于海量數(shù)據(jù)的傳輸，為了提高傳輸速度和鉆井效率，同時(shí)兼容目前的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具及MWD系統(tǒng)，并為診斷和分析鉆井中所存在的問題提供可靠依據(jù)。

1　黑匣子數(shù)據(jù)回收方案設(shè)計(jì)

為了使黑匣子數(shù)據(jù)回收系統(tǒng)和現(xiàn)有系統(tǒng)更好兼容，首先要清楚旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井的原理及系統(tǒng)特點(diǎn)［6］，進(jìn)而對方案進(jìn)行可行性分析，最終確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1.1系統(tǒng)分析

在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí)，鉆井工具各狀態(tài)變量及各傳感器參數(shù)的測量是導(dǎo)向的關(guān)鍵，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置，是以液壓為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的可伸縮的翼肋，翼肋能夠在井壁產(chǎn)生一種由井下鉆具系統(tǒng)調(diào)節(jié)其大小和方向的徑向推動(dòng)力，而由三個(gè)翼肋推動(dòng)力的合力作用進(jìn)而實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的控制，鉆井過程中根據(jù)系統(tǒng)的加速度傳感器和磁通門傳感器確定所處的位置，進(jìn)而通過對電機(jī)的控制進(jìn)行旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井［7-8］。系統(tǒng)調(diào)節(jié)的原理圖如圖1所示：

圖1　旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)工作原理圖

來自磁通門傳感器的信號和加速度傳感器的信號通過采集系統(tǒng)進(jìn)行處理得到導(dǎo)向工具實(shí)際所在的位置［9-10］，根據(jù)期望的角度和實(shí)際所處的位置角度的偏差，輸入給電機(jī)，通過雙閉環(huán)控制達(dá)到期望的位置；根據(jù)鉆井系統(tǒng)的原理及要求，要建立完整的數(shù)據(jù)報(bào)告，需要對系統(tǒng)中的加速度傳感器、磁通門傳感器、井下溫度、壓力、導(dǎo)向工具所處的姿態(tài)進(jìn)行完全記錄，根據(jù)系統(tǒng)的原理及要求初設(shè)兩種方案：

1）方案一：USB-MCU，通訊協(xié)議采用完全的USB。

優(yōu)點(diǎn)：傳輸速度快，數(shù)據(jù)誤碼率低，且各個(gè)計(jì)算機(jī)通用。缺點(diǎn)：上位機(jī)軟件編寫較為困難，且驅(qū)動(dòng)開發(fā)是一個(gè)難題，而且是通訊成功與否的核心問題。

2）方案二：USB接口芯片，該芯片含8位并行數(shù)據(jù)口可兼容現(xiàn)行的MCU系統(tǒng)。

優(yōu)點(diǎn)：開發(fā)難度降低且上下位機(jī)編程都相對簡單，同時(shí)也保證了數(shù)據(jù)的高速傳輸。

缺點(diǎn)：占用MCU的端口較多

鑒于以上分析和總結(jié)得出：如果只是是取出存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)用USB接口芯片構(gòu)建數(shù)據(jù)回放是高效而可行的且對目前的系統(tǒng)沒有太大的影響。能夠和目前的鉆井測控系統(tǒng)及MWD系統(tǒng)很好的兼容，因此采用方案二。

1.2系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)回收系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分，即數(shù)據(jù)存儲部分和通信部分；進(jìn)行井下數(shù)據(jù)采集時(shí)，來自外部傳感器或者其他的模擬信號先通過單片機(jī)的端口進(jìn)入單片機(jī)，通過AD轉(zhuǎn)換后的鉆井參數(shù)數(shù)據(jù)將存儲在XRAM中，在數(shù)據(jù)包達(dá)到512字節(jié)后再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存在SD卡中；數(shù)據(jù)采集完成后通過USB總線將測井參數(shù)回收到PC，再進(jìn)行系統(tǒng)的反演［11］。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)回收圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)數(shù)據(jù)回收圖

2　硬件電路設(shè)計(jì)

為了能夠兼容目前的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，并滿足數(shù)據(jù)采集和回放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，根據(jù)系統(tǒng)的功能，可將硬件部分劃分為數(shù)據(jù)的采集部分和數(shù)據(jù)回放部分；系統(tǒng)的硬件組成如圖3所示。

3　系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1觀總體設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，系統(tǒng)固件程序的設(shè)計(jì)主要完成以下幾個(gè)功能：

1）對采集來的測井?dāng)?shù)據(jù)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，然后將這些數(shù)據(jù)以塊存儲在SD卡中；

2）為數(shù)據(jù)的存儲建立FAT16文件系統(tǒng)；

3）將采集的測井?dāng)?shù)據(jù)通過USB總線回收到PC。

為了實(shí)現(xiàn)以上的設(shè)計(jì)要求，對系統(tǒng)的固件程序進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)［12-13］，系統(tǒng)固件流程框圖如圖4所示。

3.2數(shù)據(jù)存儲軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集部分主要實(shí)現(xiàn)將模擬信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，每次將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過文件系統(tǒng)生成文件，并以塊的形式存儲在SD卡中；系統(tǒng)采集的程序框圖如圖5所示。

3.3數(shù)據(jù)回收軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)回收軟件設(shè)計(jì)分為兩部分：1）通用的固件程序；即所有USB必需實(shí)現(xiàn)的基本USB功能，能接收、處理來自主機(jī)的各種請求，并向主機(jī)返回要求的數(shù)據(jù)；2）具有特定功能的USB固件。實(shí)現(xiàn)對大存儲數(shù)據(jù)協(xié)議的支持，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫操作。USB固件程序能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恍┗竟δ埽?dāng)USB總線接入主機(jī)進(jìn)行設(shè)備識別前，會(huì)先進(jìn)行一些設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換才能實(shí)現(xiàn)USB總線枚舉。進(jìn)行了一系列的狀態(tài)轉(zhuǎn)移后，進(jìn)入U(xiǎn)SB總線枚舉，通過總線枚舉實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的信息的獲得，同時(shí)實(shí)現(xiàn)USB的即插即拔功能；根據(jù)以上對數(shù)據(jù)回放原理的分析，要將采集來存儲在SD卡的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)的USB接口傳輸至PC，數(shù)據(jù)回放程序的設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。

圖5　數(shù)據(jù)采集程序框圖

4　結(jié)　論

文中設(shè)計(jì)的基于USB的井下黑匣子數(shù)據(jù)回收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對井下海量數(shù)據(jù)的回收，解決了基于RS-232通訊端口進(jìn)行數(shù)據(jù)回收傳輸速度問題，該系統(tǒng)具有體積小，可靠性強(qiáng)，適應(yīng)井下高溫高壓環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，若使用以往的串口進(jìn)行數(shù)據(jù)回收，采用115 200 bps進(jìn)行數(shù)據(jù)回收時(shí)，8 GB數(shù)據(jù)要傳輸大約160小時(shí)，而為了兼顧測井效率，這種情況在井場不允許，采用改進(jìn)后的USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)回收，傳輸8 GB數(shù)據(jù)只需要40分鐘，大大縮短了數(shù)據(jù)的回收時(shí)間。試驗(yàn)證明，改進(jìn)后的方案可行。

圖6　數(shù)據(jù)回放程序框圖

［1］蘇義腦，竇修榮，王家進(jìn).旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的功能、特性和典型結(jié)構(gòu)［J］.石油鉆采工藝，2003（4）:6-7.

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Rotary steerable tool downhole black box data recovery technology improvements

ZHOU Jing1，CHEN Zi-ming2，CHANG Peng2，PENG Yan-ju1，NIU Ye-guang2
（1.Institute of Measurement and Control in Xi'an Shi you University，Xi'an 710065，China；2.China Petroleum Pipeline NO.4 Construction CO.，Lang'fang 065000，China）

Rotary steering tools is a core part of the rotary steerable drilling system，it is a multi-parameter measurement and control system，rotary steerable drilling tool state parameters:temperature，pressure，tool face angle，well deviation angle，azimuth，these state parameters obtained oriented prerequisite and basis for；This paper is focus on the rotary steerable drilling tool downhole black box data recovery improvement program.The black box is the rotary steerable tool used to record status information and borehole trajectory data device；Previous data recovery using RS-232 serial transmission the speed has been the bottleneck problem，especially for the transmission of vast amounts of data，this paper on data recovery program improvements，design and realization of USB-based underground black box data recovery system.

rotary steerable drilling tool；black box；data recovery；USB

TN919

A

1674－6236（2016）16-0058-03

2016-02-17稿件編號：201602057

國家科技重大專項(xiàng)（大型油田及煤層氣開發(fā)）項(xiàng)目（2011ZX05021-005）

周靜（1964—），女，廣東龍川人，碩士，教授。研究方向：旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能鉆井系統(tǒng)。