金仁高
(中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司生產(chǎn)測(cè)井中心,陜西 西安 710000)
田鵬,何西攀
(中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶事業(yè)部,陜西 西安 710000)
段驍宸
(中石油長(zhǎng)慶油田分公司第十二采油廠,甘肅 慶陽 745400)
赫長(zhǎng)平,白玉勝
(中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司生產(chǎn)測(cè)井中心,陜西 西安 710000)
測(cè)井技術(shù)在地球資源勘查、地層測(cè)試特別是油氣資源開發(fā)過程中發(fā)揮著重要作用。測(cè)井技術(shù)利用聲、電、核、磁等,結(jié)合現(xiàn)代新材料和新技術(shù),在高溫、高壓環(huán)境下,對(duì)地層進(jìn)行勘測(cè),精確分析地層構(gòu)造、成分,為油氣資源勘查提供支持[1]。目前,國內(nèi)常規(guī)生產(chǎn)測(cè)井系統(tǒng)主要采用大型車載式機(jī)柜系統(tǒng),具有功能強(qiáng)、硬件齊全等特點(diǎn),可以滿足各種測(cè)井作業(yè)的需要。然而,由于車載式機(jī)柜自身體積龐大,存在與井下儀器配接困難的問題,特別在海上作業(yè)或長(zhǎng)距離作業(yè)時(shí),存在攜帶、安裝不便的瓶頸,限制了生產(chǎn)測(cè)井系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展,電子設(shè)備向高、精、尖方向發(fā)展,具備的功能越來越強(qiáng)大,儀器體積越來越小巧,可以滿足油氣資源勘查的需要。為此,筆者對(duì)一種基于筆記本、小型專業(yè)化測(cè)井面板組成的便攜式生產(chǎn)測(cè)井地面系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
目前,國內(nèi)外測(cè)井公司研發(fā)的生產(chǎn)測(cè)井儀器種類眾多,與其配套的地面系統(tǒng)采用大型車載式機(jī)柜系統(tǒng),雖然具有強(qiáng)大功能且硬件配備齊全,但設(shè)計(jì)體積巨大、成本較高,不適合海洋油氣資源開采作業(yè)。另外,在我國測(cè)井行業(yè)中,傳統(tǒng)測(cè)井車所占比例較高,所提供的空間有限,不能容納機(jī)柜式生產(chǎn)測(cè)井系統(tǒng),因而急需功能完善的便攜式生產(chǎn)測(cè)井系統(tǒng)。筆者通過對(duì)國內(nèi)外生產(chǎn)測(cè)井系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顟B(tài)的分析,對(duì)油氣資源開采、數(shù)控測(cè)控行業(yè)進(jìn)行深入研究,提出了基于CAN(control area network)總線的分布多MCU并行處理系統(tǒng)[2]。CAN主要對(duì)一定區(qū)域內(nèi)各種設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制,最早由德國Bosc公司提出,并應(yīng)用于汽車監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由于CAN設(shè)計(jì)思想獨(dú)特,具有良好的穩(wěn)定性,且相關(guān)功能強(qiáng)大,適用于便攜式生產(chǎn)測(cè)井地面系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先,基于CAN總線的分布多MCU并行處理系統(tǒng),綜合運(yùn)用通信技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù),實(shí)現(xiàn)集中信號(hào)分離、分布采集和綜合處理。同時(shí),該系統(tǒng)采用三級(jí)結(jié)構(gòu),即信號(hào)分離級(jí)、信號(hào)采集級(jí)、綜合處理級(jí)。各個(gè)層級(jí)之間采用CAN總線方式連接,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 基于CAN總線的分布多MCU并行處理 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖
1)集中信號(hào)分離級(jí) 該級(jí)主要收集原始信號(hào),即傳感器信號(hào),包括溫度、壓力、濕度、自然伽馬等,為基于CAN總線的分布多MCU并行處理系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),完成原始信號(hào)的分離。
2)分布信號(hào)采集級(jí) 該級(jí)配備高速微處理器和先進(jìn)的外部設(shè)備,如高速ADC、DAC和SPI器等,保證各種信號(hào)的精確采集和有效處理。同時(shí),該級(jí)采用基于母線的方法,依據(jù)信號(hào)類型,增加或者減少某部分信號(hào)的處理功能[3]。
3)綜合處理級(jí) 該級(jí)通過可靠的CAN總線,對(duì)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行濾波,實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)面以及廣播等方式的數(shù)據(jù)接收,完成數(shù)據(jù)的管理和處理工作。
根據(jù)生產(chǎn)測(cè)井技術(shù)的工作原理,對(duì)多種儀器進(jìn)行分析后,歸納總結(jié)出測(cè)井儀器回傳信號(hào)的特點(diǎn)。其中,上傳信號(hào)主要由模擬量、脈沖量、編碼信號(hào)組成。模擬量信號(hào)來源于各種模擬測(cè)井儀,如聲波、磁定位等儀器,主要形式為類正弦信號(hào);脈沖量信號(hào)來源于自然伽馬儀、多臂井徑儀、脈沖水溫測(cè)井儀等,主要是正、負(fù)脈沖信號(hào);編碼信號(hào)來源于組合式測(cè)井儀,該儀器內(nèi)的電纜遙測(cè)短節(jié)單元為重要部件,負(fù)責(zé)將各種測(cè)井儀器采集的數(shù)據(jù)編輯成幀格式,如溫度、濕度、壓力、流量、密度、自然伽馬等信息,并將幀格式通過測(cè)井電纜傳輸給地面系統(tǒng)。
全面了解井下儀器信號(hào)后,依據(jù)地面系統(tǒng)功能需求、技術(shù)指標(biāo)以及供電要求,確定地面系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖(見圖2)。
圖2 測(cè)井地面系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖
基于生產(chǎn)測(cè)井地面系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求,該系統(tǒng)采用基于CAN總線的分布多MCU并行處理方式,每一個(gè)電路模塊均采用獨(dú)立CPU進(jìn)行處理,各個(gè)模塊之間數(shù)據(jù)通信采用高速、高性能、高穩(wěn)定性的CAN總線通信方式。依據(jù)地面系統(tǒng)完成的功能,將其劃分為各個(gè)子系統(tǒng),分別為信號(hào)分離板、A/D采集板、定時(shí)計(jì)數(shù)板、WTC板及深度測(cè)量板。
首先,通過多模電纜和井下系統(tǒng)獲得各種儀器采集壓力、穩(wěn)定、濕度、流量、密度、自然伽馬、水位層、槽位層、油層的數(shù)據(jù)信息。由于下井電纜使用情況不同,經(jīng)常產(chǎn)生一根電纜信號(hào)出現(xiàn)多種傳輸信號(hào)的現(xiàn)象[4]。另外,長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸,必然存在較大的信號(hào)干擾和衰竭,所以需要專門的信號(hào)分離板來解決信號(hào)分離、還原問題,再由相應(yīng)的硬件電路板或子系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)處理。A/D采集板主要完成高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換,針對(duì)模擬量信號(hào)回傳的井下儀器,如聲波、接箍等儀器。定時(shí)計(jì)數(shù)板主要針對(duì)脈沖量信號(hào)上傳的井下儀器,如自然伽馬儀、多臂井徑儀等。WTC板主要針對(duì)編碼信號(hào)。另外,在測(cè)井技術(shù)中,深度測(cè)量是生產(chǎn)測(cè)井的重要標(biāo)尺,而地面系統(tǒng)主要通過電纜絞車儀器跟蹤系統(tǒng)中的光電編碼盤或者磁記號(hào)儀來測(cè)量物理深度并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。通過深度測(cè)量板采集深度數(shù)據(jù),并與其他電路板在當(dāng)前深度下的各種參數(shù)(如溫度、濕度、壓力和自然伽馬)進(jìn)行對(duì)應(yīng)并記錄下來,通過CAN總線通信方式上傳到上位機(jī)上。測(cè)井參數(shù)經(jīng)過系統(tǒng)處理后,以一定深度和橫向比例顯示在上位機(jī)顯示器上,方便勘測(cè)人員實(shí)時(shí)觀察、記錄和分析。
為了解決各個(gè)子系統(tǒng)間的信號(hào)干擾問題,提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性,設(shè)計(jì)使用線性電源和開關(guān)電源。線性電源主要負(fù)責(zé)信號(hào)采集板、A/D采集板模擬部分供電,電路板中數(shù)字部門供電均由開關(guān)電源提供。井下儀器供電電壓不同,所以地面系統(tǒng)配備專門下井電源,輸出電壓范圍為0~300VDC,為不同測(cè)井儀器供電。另外,為了防止電源濾波將測(cè)井信號(hào)濾除,需要增加直流電平隔離模塊來實(shí)現(xiàn)直流電源與測(cè)井信號(hào)之間的有效隔離。
便攜式生產(chǎn)測(cè)井地面系統(tǒng)的基礎(chǔ)是硬件,其決定了系統(tǒng)的功能和性能。該系統(tǒng)采用模塊化硬件設(shè)計(jì),包括信號(hào)分離板、深度測(cè)量板、A/D采集板、定時(shí)計(jì)數(shù)板和WTC板。
信號(hào)分離板作為系統(tǒng)重要設(shè)備,主要解決信號(hào)上傳過程中不同信號(hào)之間的衰減、干擾等問題,更加準(zhǔn)確地對(duì)進(jìn)入其他電路模塊的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。信號(hào)分離板結(jié)構(gòu)如圖3所示。
另外,子系統(tǒng)板與信號(hào)分離板之間的CAN通信,需要選用高速、高性能CPU,因而采用C8051F040單片機(jī)。
圖3 信號(hào)分離板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
深度信息是重要的測(cè)井信息,其數(shù)據(jù)不準(zhǔn)將會(huì)導(dǎo)致整體測(cè)井資料報(bào)廢,進(jìn)而出現(xiàn)嚴(yán)重生產(chǎn)事故。目前,深度測(cè)量板主要采用普通單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì),其外圍電路復(fù)雜,執(zhí)行速度緩慢。為了克服普通單片機(jī)的設(shè)計(jì)弊端,該次研究采用基于DSP處理器的設(shè)計(jì)形式,簡(jiǎn)化外圍電路,以提高執(zhí)行速度和可靠性,為后期升級(jí)提供支持。首先,深度信號(hào)主要由跟蹤系統(tǒng)中的光電編碼器獲得,測(cè)量輪通過深度傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)光電編碼器運(yùn)動(dòng)[5],隨著測(cè)井電纜的上下而轉(zhuǎn)動(dòng)。光源通過專門的光電編碼盤產(chǎn)生光電脈沖,單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)量代表測(cè)井速度。自深度起點(diǎn)開始,累計(jì)進(jìn)行測(cè)井深度的脈沖計(jì)算。磁記號(hào)、電纜張力測(cè)量主要是由位于井口的磁記號(hào)儀和張力傳感器獲得,兩者之間都存在差分小信號(hào),需要對(duì)相應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大處理。各個(gè)板之間的通信是利用DSP片內(nèi)的CAN控制器外接、收發(fā)器(SN65HVD230)實(shí)現(xiàn),通信速率由軟件調(diào)節(jié),其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
圖4 深度測(cè)量板結(jié)圖
A/D采集板主要采集分離板分離、處理后的模擬信號(hào),對(duì)各種模擬量采集精度要求比較高,若使用TMS320F241片內(nèi)10位A/D不能達(dá)到精度要求,因而采用Burr-Brown公司生產(chǎn)的ADS7807。另外,由于外接模擬測(cè)井儀情況不同,模擬量應(yīng)多路采集,且采集信號(hào)分為單極、雙極兩種。由于信號(hào)輸入A/D采集板之前模擬量幅值比較小,需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)化。A/D采集板結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 A/D采集板結(jié)構(gòu)圖
WTC板將溫度、壓力、流量計(jì)等信息混合成為一定幀格式并發(fā)送到地面系統(tǒng)中。因此,編碼格式是WTC板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。編碼信號(hào)經(jīng)過幾千米電纜上傳,不僅使傳輸信號(hào)受到干擾,而且積累直流電會(huì)導(dǎo)致儀器工作電壓不穩(wěn)。由于編碼信號(hào)幅值較少,處于±3V電壓之間,脈沖寬度為10μs,因而對(duì)編碼信號(hào)進(jìn)行處理前,要對(duì)其限幅值進(jìn)行放大處理,即整形、正負(fù)分離和限幅。
如果將WTC板處理的編碼信號(hào)認(rèn)定為特殊脈沖的話,定時(shí)器就是專門處理脈沖信號(hào)的電路板,并完成脈沖計(jì)數(shù)和計(jì)時(shí)。因此,定時(shí)計(jì)數(shù)板硬件設(shè)計(jì)與WTC完全相同,唯一區(qū)別在于下位機(jī)的DSP軟件存在差異。
信號(hào)分離板主要完成CAN通信數(shù)據(jù)的傳輸和接收,依據(jù)相應(yīng)命令來切換繼電器矩陣電路完成的信號(hào),并將分離的信號(hào)輸送到指定電路板進(jìn)行處理。依據(jù)信號(hào)分離板硬件要求,確定其主要程序流程圖如6所示。首先,系統(tǒng)中單片機(jī)CAN控制器完成報(bào)文對(duì)象的信息初始化,如控制寄存器、定時(shí)寄存器的初始化設(shè)置。其次,繼電器切換程序設(shè)置相對(duì)容易,只需將繼電器的線圈控制引腳電平設(shè)置為低電平即可。
依據(jù)深度測(cè)量板的軟件需求,確定光電編碼信號(hào),利用TMS320F241內(nèi)部正交編碼信號(hào)脈沖電路完成深度測(cè)量工作,張力與磁記信號(hào)主要通過內(nèi)部10位A/D來實(shí)現(xiàn),而CAN通信主要利用內(nèi)部CAN控制器模塊完成,將脈沖信號(hào)傳輸給TMS320F241片內(nèi)CAP1.0、CAP1.1通道。主要程序流程圖如圖7所示。
圖6 信號(hào)分離板主要程序流程圖 圖7 深度測(cè)量板主要程序流程圖
圖8 A/D采集板主要程序流程圖 圖9 WTC板主要程序流程圖
根據(jù)地面系統(tǒng)對(duì)模擬量精度、轉(zhuǎn)換率的要求,認(rèn)為DSP內(nèi)部ADC模塊很難滿足條件,所以外擴(kuò)一片16位高精度、低功率的A/D器件ADS7807,主要負(fù)責(zé)利用DSP內(nèi)部串行外部接口模塊(SPI)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,以及將轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)利用CAN總線上傳。主要程序流程圖如圖8所示。
WTC板軟件依據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求,發(fā)揮數(shù)據(jù)信號(hào)的接受、調(diào)節(jié)和解碼作用,并將數(shù)據(jù)以CAN方式傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)中,其主要程序流程如圖9所示。
系統(tǒng)調(diào)試時(shí),通過手機(jī)工程測(cè)井的實(shí)際參數(shù),制作阻容網(wǎng)來模擬4000~8000m電纜,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成低頻模擬信號(hào)、編碼信號(hào)和脈沖信號(hào)測(cè)試。
便攜式生產(chǎn)測(cè)井地面系統(tǒng)與井下儀器之間采用電纜方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,其長(zhǎng)度為4000~8000m。通過電纜對(duì)井下儀器實(shí)現(xiàn)多電源供電和狀態(tài)控制,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽亢头€(wěn)定。每根電纜具備一定的電阻值,與電纜長(zhǎng)度成正比,一般為150~250Ω。另外,電纜芯之間的分布電容會(huì)大大增加信號(hào)傳輸過程中的損失,降低信號(hào)的可靠性。為了確保長(zhǎng)距離電纜傳輸?shù)姆€(wěn)定性,需要制作符合實(shí)際情況的電氣參數(shù),如電阻和電容(見圖10,其中電阻R=26Ω,電容C=0.033F)。實(shí)踐證明,可以模擬7000m同軸電纜,并對(duì)編碼信號(hào)和模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。
圖10 模擬電纜圖
編碼信號(hào)在傳輸過程中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重變形,由此降低傳輸性能。正脈沖可以引起幅度較大的負(fù)沖,負(fù)脈沖可以引起幅度較大的正沖。同時(shí),水平基線位置也會(huì)受到一定幅度的干擾。一般來說,編碼信號(hào)傳輸過程中容易出現(xiàn)2種情況:①WTC板會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大,但由于正脈沖引起較大負(fù)脈沖,所以放大倍數(shù)比正常情況下要大,高頻信號(hào)干擾會(huì)得到進(jìn)一步放大,導(dǎo)致編碼信號(hào)的傳輸準(zhǔn)確性下降;②水平基線上的高頻干擾經(jīng)過放大后,數(shù)據(jù)解碼處理過程中會(huì)出現(xiàn)多位現(xiàn)象。為了解決上述問題,將電纜傳輸后的編碼信號(hào)分離,分為正、負(fù)脈沖信號(hào),并將處理后的信號(hào)由WTC板進(jìn)行處理,以獲得更加準(zhǔn)確的軟件解碼數(shù)據(jù)。信號(hào)分離板的預(yù)處理將編碼信號(hào)進(jìn)行放大,而WTC板的處理是將正、負(fù)脈沖信號(hào)同時(shí)放大,然后進(jìn)行正、負(fù)脈沖分離。信號(hào)經(jīng)過WTC板信號(hào)調(diào)整后,可以更加準(zhǔn)確地進(jìn)行DSP脈沖單元信號(hào)捕捉,并提高正、負(fù)脈沖信號(hào)間的轉(zhuǎn)化效率。脈沖信號(hào)限幅調(diào)整可以將正、負(fù)脈沖信號(hào)進(jìn)行正確分離,從而過濾掉水平信號(hào)上的高頻干擾信號(hào)。
利用單芯電纜進(jìn)行測(cè)井時(shí),給井下儀器供電以及信號(hào)上傳均采用同一纜芯。長(zhǎng)距離的電纜傳輸,使得井下儀器的上傳信號(hào)損失嚴(yán)重,信號(hào)傳輸整體性差。低頻模擬信號(hào)自身頻率較低(10Hz),電壓幅值較小,因而井下數(shù)據(jù)傳至電纜前,要由驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行模擬信號(hào)放大。低頻模擬信號(hào)傳輸過程中,容易衰減和受到干擾,所以要采用與編碼信號(hào)類似的測(cè)試方法得到電纜傳輸后的模擬信號(hào)。試驗(yàn)表明,模擬信號(hào)經(jīng)過電纜傳輸以后,容易受到50Hz的高頻信號(hào)干擾。如果未對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理,直接傳送至A/D信號(hào)采集板,轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)不符合實(shí)際生產(chǎn)測(cè)井需求。因此,首先進(jìn)行信號(hào)分離板的模擬量調(diào)節(jié),利用電壓源二階低通過濾波技術(shù),將高頻干擾、工作電源干擾過濾,得到所需信號(hào)波。
因?yàn)榫幋a信號(hào)測(cè)試屬于固定規(guī)律脈沖信號(hào),而脈沖信號(hào)測(cè)試屬于隨即脈沖信號(hào),所以脈沖信號(hào)測(cè)試方法與編碼信號(hào)測(cè)試方法類似,只是脈沖寬度不同。編碼信號(hào)測(cè)試的脈沖寬度一般為10μs左右,2個(gè)脈沖時(shí)間間隔分為2種,即數(shù)據(jù)位1位和15位;脈沖信號(hào)測(cè)試的脈沖寬度為10~100μs,2個(gè)脈沖時(shí)間間隔依據(jù)測(cè)井情況而定。
在分析生產(chǎn)測(cè)井儀器的技術(shù)原理的基礎(chǔ)上,研究各種儀器回傳信號(hào)的共性和特點(diǎn),確定了便攜式生產(chǎn)測(cè)井系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。依據(jù)分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念,開發(fā)出基于CAN總線的分布式多MCU并行處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu),完成了基于C8051F040單片機(jī)的信號(hào)分離板軟件設(shè)計(jì),以及以TMS320F241DSP為核心的深度測(cè)量板、A/D采集板,定時(shí)計(jì)數(shù)板和WTC板的軟件設(shè)計(jì)。同時(shí),對(duì)脈沖限幅整形電路、編碼信號(hào)調(diào)節(jié)電路、A/D采集電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。在硬件電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,利用TMS320F241DSP內(nèi)部豐富的資源進(jìn)行編碼信號(hào)采集和解碼、低頻模擬量信號(hào)采集、脈沖信號(hào)測(cè)量、CAN總線數(shù)據(jù)通信等程序設(shè)計(jì)。最后,針對(duì)測(cè)井信號(hào)的特點(diǎn)以及實(shí)際測(cè)井參數(shù),制作阻容網(wǎng)絡(luò)電纜,模擬長(zhǎng)距離電纜傳輸。通過試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知,便攜式測(cè)井方案在整體設(shè)計(jì)、軟件測(cè)試和硬件安裝方面,均符合測(cè)井功能需求和技術(shù)指標(biāo),適用于傳統(tǒng)大型測(cè)井儀器操作不便的環(huán)境,如偏遠(yuǎn)地區(qū)、海上石油平臺(tái)等,具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。