曹博凡, 劉湘政, 張雄輝, 蔡志明, 張勇, 章鵬

(1.重慶大學光電技術及系統(tǒng)教育部重點實驗室, 重慶 400044; 2.中國石油集團測井有限公司技術中心, 陜西 西安 710077; 3.中國石油集團測井有限公司西南分公司, 重慶 400021)

0　引　言

隨著測井技術的發(fā)展,大斜度井、水平井和復雜井越來越多,測井難度越來越大,對測井工藝也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的電纜測井施工安全風險大,濕接頭式管具輸送電纜測井對接成功率低,井控風險大[1],隨鉆測井成本較高。無電纜過鉆具存儲式測井技術不僅克服了這些缺點,而且在施工的時候能使儀器得到很好的保護[2-4],在大斜度井、水平井和復雜井測井中有著廣泛的應用。但是,在過鉆具存儲式測井過程中,由于地面系統(tǒng)無法獲知井下儀器的狀態(tài),測井成功率低。為提高測井成功率,對測井儀器在泵出之前的狀態(tài)監(jiān)測尤為必要。

為實現(xiàn)存儲式測井過程中儀器在泵出之前的狀態(tài)監(jiān)測,井下儀器必須與地面系統(tǒng)建立聯(lián)系,因此有必要對存儲式測井工藝進行改進。泵出存儲式測井系統(tǒng)采用電纜跟進式泵出測井,但是無法監(jiān)控儀器在井下的工作狀態(tài)[5]。黃鵬賓[6]和曹宇欣等[7]探討了在無電纜存儲式測井工藝基礎上加入電纜后的測井工藝流程。中國石油川慶鉆探工程有限公司也對過鉆具存儲式測井工藝進行了改進。本文在改進的過鉆具存儲式測井工藝基礎上,利用電纜傳輸方式,設計了測井儀器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),使得井下儀器同時滿足儀器狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸和測井數(shù)據(jù)本地存儲兩方面功能,實現(xiàn)了在泵出之前對儀器狀態(tài)的監(jiān)測。

1　改進的過鉆具存儲式測井設備

圖1　改進的過鉆具存儲式測井設備結構圖

改進的測井設備結構如圖1所示。測井流程:首先將鉆具下至目的層段,隨后用電纜將測井儀器通過鉆具水眼下放,用泥漿泵加壓使儀器泵出鉆具;在進行儀器的狀態(tài)監(jiān)測后,通過地面系統(tǒng)控制抓釋器斷開電纜與儀器,取出電纜及與其連接的上部工具,上提鉆桿進行測井;在測井完畢后可以用電纜下放回收工具,地面系統(tǒng)發(fā)送命令控制上下抓釋器連接,從鉆具中快速收回測井儀器,最后將鉆具起至地面。其中,抓釋器的連接與脫離是比較關鍵的環(huán)節(jié),上抓釋器為母頭,下抓釋器為公頭,母頭和公頭均分布若干導電環(huán),導電環(huán)分別與電纜的每根芯相接,當公頭和母頭完全對接時,電纜與儀器實現(xiàn)電氣連接。正式測井前需要斷開電纜與儀器,地面系統(tǒng)控制電機反轉,使套筒松開抓釋器,通過電纜撤回上抓釋器及上部工具;當測井完成后電纜與儀器連接時,由電纜釋放上部工具,使抓釋器公頭和母頭對接,地面系統(tǒng)控制母頭上部的電機馬達正轉推動套筒鎖緊抓釋器,實現(xiàn)電纜與儀器相連。

2　系統(tǒng)設計方案

儀器的狀態(tài)監(jiān)測是要獲得井下儀器的響應參數(shù),以此來推斷儀器的工作狀態(tài)。無電纜過鉆具存儲式測井的測井數(shù)據(jù)保存在井下儀器中,改進的過鉆具存儲式測井用電纜作為地面系統(tǒng)與井下儀器的信息傳輸媒介,地面系統(tǒng)獲取井下儀器的狀態(tài)信息是系統(tǒng)設計的重點。為此,需分別設計電纜與地面系統(tǒng)及井下儀器的通信接口模塊。為保證改進的存儲式測井工藝的可靠性,系統(tǒng)還需地面絞車編碼器和電纜張力計獲得儀器深度和電纜張力數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)包括地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng),地面系統(tǒng)包括計算機和地面監(jiān)測模塊,井下系統(tǒng)包括井下通信轉換模塊和井下儀器串。地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)由電纜連接,通過電纜傳輸方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。整個系統(tǒng)的結構見圖2。計算機發(fā)送相應的狀態(tài)監(jiān)測命令,由地面監(jiān)測模塊編碼之后通過電纜傳輸?shù)骄孪到y(tǒng),儀器返回相應的狀態(tài)數(shù)據(jù)。存儲式測井儀器的數(shù)據(jù)接口采用CAN總線,通信轉換模塊實現(xiàn)命令和狀態(tài)數(shù)據(jù)在電纜和CAN總線之間的數(shù)據(jù)接口轉換。地面監(jiān)測模塊對井下儀器上傳的狀態(tài)數(shù)據(jù)、地面電纜張力數(shù)據(jù)和深度數(shù)據(jù)進行采集,最后將測井數(shù)據(jù)、電纜張力數(shù)據(jù)和深度信息通過USB控制器發(fā)送到計算機,計算機對這些數(shù)據(jù)進行解碼,并顯示測井數(shù)據(jù)曲線。

圖2　儀器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結構

3　系統(tǒng)硬件設計

3.1　地面系統(tǒng)

地面系統(tǒng)主要實現(xiàn)對來自于計算機命令的編碼與驅動、儀器狀態(tài)數(shù)據(jù)和電纜張力數(shù)據(jù)的獲取、數(shù)據(jù)通信等方面的功能。以TI公司的DSP處理器為核心設計地面監(jiān)測電路的系統(tǒng)見圖3。地面系統(tǒng)的硬件包括計算機、USB通信接口、DSP控制模塊、命令驅動模塊、數(shù)據(jù)增益控制模塊、深度信號處理模塊、電纜張力處理模塊和電源模塊。

圖3　地面監(jiān)測模塊設計框圖

地面系統(tǒng)的核心是DSP控制模塊,選用的TMS320F28069處理器的CPU主頻高達90 MHz,其片內的ADC的采樣速率最高可達3.46 MSPS(Millon Samples Per Second)[8],滿足對測井數(shù)據(jù)采集的要求。F28069還集成了正交編碼脈沖(QEP)模塊,實現(xiàn)對深度信號的處理。F28069集成的通用串行總線(USB)2.0模塊可以實現(xiàn)地面監(jiān)測模塊與計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸。

DSP控制模塊對計算機發(fā)送的命令信號進行編碼,轉換為AMI曼徹斯特碼,在電纜上傳輸?shù)腁MI曼徹斯特碼的波形接近正弦波,信號中的高頻諧波成分很少,誤碼率低[9]。一般的油氣井深度很大,為減少信號能量的衰減,需要驅動模塊對編碼后的命令信號進行功率放大,使井下儀器收到有效的命令信號。增益控制模塊對井下儀器上傳的數(shù)據(jù)信號進行放大之后輸入DSP模塊的AD采集通道,系統(tǒng)中采用了程控放大電路。地面電纜張力處理模塊對地面電纜的張力信號進行濾波與放大之后輸入DSP的另一個AD采集通道。深度信號處理模塊對輸入系統(tǒng)的絞車編碼器產(chǎn)生的脈沖信號進行整形和電纜抖動消除預處理后輸入DSP的QEP模塊。DSP模塊實現(xiàn)地面系統(tǒng)的控制和狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集與上傳。

3.2　井下系統(tǒng)

井下系統(tǒng)實現(xiàn)命令信號與狀態(tài)數(shù)據(jù)的收發(fā)和井下狀態(tài)參數(shù)的采集功能。井下系統(tǒng)框圖見圖4。井下系統(tǒng)包括信號調理模塊、主控模塊、張力、井溫及CCL傳感器和井下儀器串。

圖4　井下系統(tǒng)設計框圖

信號調理模塊對地面下發(fā)的命令信號濾波整形,使AMI曼徹斯特碼成為標準曼徹斯特碼發(fā)送給主控模塊,并對主控模塊輸出的狀態(tài)數(shù)據(jù)信號進行驅動之后通過電纜發(fā)送至地面系統(tǒng),實現(xiàn)命令和狀態(tài)數(shù)據(jù)的信號調理。主控模塊采用了TI公司的DSP處理器TMS320F2808實現(xiàn)對下行命令的解碼和上行數(shù)據(jù)的編碼,以及命令和數(shù)據(jù)在曼徹斯特碼數(shù)據(jù)與CAN數(shù)據(jù)之間的轉換,實現(xiàn)了命令和數(shù)據(jù)的雙向傳輸。主控模塊還可實現(xiàn)對儀器串張力、井下溫度和CCL(套管接箍定位)信號等狀態(tài)參數(shù)的采集。

4　系統(tǒng)軟件設計

4.1　地面系統(tǒng)軟件設計

圖5　DSP控制模塊軟件設計流程

DSP控制模塊軟件設計采用C語言在CCS平臺完成開發(fā)和調試。軟件設計流程見圖5。當軟件系統(tǒng)檢測到計算機發(fā)送的命令時,DSP模塊對命令進行編碼,使其輸出傳輸速率為20.83 kbit/s的AMI曼徹斯特碼[10]。軟件系統(tǒng)等待接收井下儀器狀態(tài)數(shù)據(jù),ADC模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,通過控制通用定時器的周期中斷啟動DSP的AD轉換,測井數(shù)據(jù)的傳輸速率為41.66 kbit/s[10],根據(jù)Nyquist采樣定理[11],設置采樣頻率1 MHz。當數(shù)據(jù)量達到設定的采樣點數(shù)時,通過USB將測井數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機解碼。為了保證測井工藝的可靠性,在定時器的控制下,對電纜張力和儀器深度的定時采集。

圖6　信號轉換模塊軟件設計流程

4.2　井下系統(tǒng)軟件設計

井下通信轉換模塊的軟件程序設計流程見圖6。當檢測到命令信號時,軟件系統(tǒng)對命令進行解碼。每個命令中包含傳感器或井下某支儀器的地址。若解碼后命令中的地址與傳感器匹配,主控模塊將采集傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)。若解碼后命令中的地址與儀器串的某只儀器匹配,利用CAN模塊將命令信號發(fā)送給井下儀器串。在儀器收到命令之后,儀器狀態(tài)數(shù)據(jù)將通過CAN總線傳輸?shù)街骺啬K。狀態(tài)數(shù)據(jù)由主控模塊編碼之后發(fā)送到信號調理模塊。

5　實驗驗證

5.1　井下狀態(tài)傳感器監(jiān)測實驗

井下狀態(tài)傳感器包括儀器串張力傳感器、溫度傳感器和CCL傳感器,地面的絞車編碼器和電纜張力計可獲得儀器的深度信息和電纜張力數(shù)據(jù)。實驗中采用光電編碼器產(chǎn)生的脈沖信號輸入地面電纜張力處理模塊模擬實際的絞車編碼器的脈沖信號。

儀器下放過程中,地面系統(tǒng)對狀態(tài)傳感器實現(xiàn)定時監(jiān)測。由計算機設定定時采集的間隔為150 ms,每隔150 ms會發(fā)采集命令,由地面監(jiān)測系統(tǒng)編碼后通過電纜傳輸?shù)骄孪到y(tǒng),示波器捕獲的反相命令信號的波形見圖7。命令信號的數(shù)據(jù)傳輸速率為21.83 kbit/s,即每位的時間寬度為48 μs,圖7中前面的負脈沖和正脈沖為命令的同步信號,占1.5位的寬度,即72 μs。

圖7　命令信號波形圖

井下系統(tǒng)收到命令后發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)到地面系統(tǒng)。地面系統(tǒng)計算機可實時顯示測井數(shù)據(jù)曲線(見圖8)。計算機界面實時顯示CCL波形、電纜張力波形和相關狀態(tài)參數(shù),其中“張力”為電纜地面張力,“張力2”為井下儀器串張力。

圖8　計算機界面(局部)

5.2　抓釋器控制實驗

計算機分別發(fā)送抓釋器馬達開和抓釋器馬達斷命令,井下系統(tǒng)均能正常返回數(shù)據(jù)0x00AA與0x00BB,表示抓釋器控制功能正常。

6　結　論

(1) 無電纜過鉆具存儲式測井過程中無法對測井儀器進行狀態(tài)監(jiān)測,針對一種改進的過鉆具存儲式測井技術,設計了測井儀器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

(2) 該系統(tǒng)可以實現(xiàn)儀器狀態(tài)監(jiān)測功能,提高了測井成功率。