作者：
蔣荻南    張鬆偉    盧華濤
中海油田服務股份有限公司

應用領域：嵌入式係統
 
挑戰：
隨鑽嵌入式處理單元是隨鑽地麵係統的核心
，主要負責兩大任務：一、對泥漿脈衝遙傳信號進行實時采集、處理和解碼；二
、duizuanjingshendujinxingzhunquedeshishiceliang。nijiangmaichongyaochuanxinhaoheshenduxinhaojuncanzazhedaliangdehuanjingganrao，kaifanenggouyouxiaolvchuzhexiehuanjingganrao，haiyuanyuanshixinhaodechulisuanfashizhenggechulidanyuanzuidadetiaozhan，juyouxiangdangdefuzaxing。yinci

，xuyaoyitaoxingnengqiangda、工作穩定可靠、開發簡單快速的實時嵌入式係統作為單元的核心，以減少開發工程師在硬件相關方麵的投入，將有限的資源集中在處理算法的開發上。
 
應用方案：
使用NI LabVIEW及相關模塊結合NI CompactRIO及相關數據采集模塊開發了一套隨鑽嵌入式處理單元，采集鑽井現場安裝的泥漿壓力傳感器、深度編碼盤
、死繩傳感器、鉤載傳感器和泵衝傳感器信號，經過處理後得到泥漿脈衝遙傳數據和鑽井深度數據
，傳送給上位機進行後處理。
 
使用的產品：
LabVIEW8.5軟件平台，Real-Time模塊，FPGA模塊
NI cRIO-9014
NI cRIO-9104
NI 9203
NI 9401
NI 9871  
 
介紹： 
    多(duo)年(nian)來(lai)，井(jing)下(xia)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)是(shi)製(zhi)約(yue)隨(sui)鑽(zuan)測(ce)井(jing)技(ji)術(shu)發(fa)展(zhan)的(de)瓶(ping)頸(jing)
，目(mu)前(qian)比(bi)較(jiao)成(cheng)熟(shu)的(de)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)方(fang)式(shi)是(shi)泥(ni)漿(jiang)脈(mai)衝(chong)遙(yao)傳(chuan)。隨(sui)鑽(zuan)地(di)麵(mian)係(xi)統(tong)的(de)核(he)心(xin)任(ren)務(wu)之(zhi)一(yi)就(jiu)是(shi)采(cai)集(ji)泥(ni)漿(jiang)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)實(shi)時(shi)采(cai)集(ji)和(he)處(chu)理(li)
，解(jie)碼(ma)為(wei)原(yuan)始(shi)數(shu)據(ju)

；同時

，另一核心任務是需要在鉤載或死繩傳感器的配合下，通過深度編碼盤進行鑽井深度實時測量。使用NI CompactRIO作(zuo)為(wei)隨(sui)鑽(zuan)嵌(qian)入(ru)式(shi)處(chu)理(li)單(dan)元(yuan)的(de)核(he)心(xin)

，利(li)用(yong)其(qi)強(qiang)大(da)的(de)處(chu)理(li)能(neng)力(li)和(he)實(shi)時(shi)性(xing)能(neng)

，快(kuai)速(su)開(kai)發(fa)特(te)性(xing)，以(yi)及(ji)堅(jian)固(gu)性(xing)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)，工(gong)程(cheng)師(shi)們(men)可(ke)以(yi)更(geng)專(zhuan)注(zhu)與(yu)泥(ni)漿(jiang)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)
、jiemasuanfayijishenduceliangsuanfadekaifa。muqian，suizuanqianrushichulidanyuanyijingjingguodimianxunhuanshiyanhejingxiaxunhuanshiyanliangcishangbaixiaoshideyunxingshiyan
，gongzuowending

，gongnengzhengchang，wanquandadaosuizuancejingdimianxitongdeyaoqiu。
 
正文：
開發背景
    隨(sui)鑽(zuan)測(ce)井(jing)技(ji)術(shu)是(shi)油(you)氣(qi)田(tian)勘(kan)探(tan)開(kai)發(fa)的(de)關(guan)鍵(jian)技(ji)術(shu)之(zhi)一(yi)，目(mu)前(qian)為(wei)幾(ji)家(jia)國(guo)際(ji)性(xing)大(da)公(gong)司(si)所(suo)壟(long)斷(duan)。在(zai)國(guo)內(nei)隨(sui)鑽(zuan)測(ce)井(jing)和(he)相(xiang)關(guan)的(de)定(ding)向(xiang)鑽(zuan)井(jing)服(fu)務(wu)市(shi)場(chang)上(shang)，國(guo)外(wai)技(ji)術(shu)占(zhan)據(ju)主(zhu)導(dao)地(di)位(wei)，其(qi)中(zhong)國(guo)內(nei)的(de)海(hai)上(shang)市(shi)場(chang)則(ze)完(wan)全(quan)為(wei)國(guo)外(wai)技(ji)術(shu)所(suo)壟(long)斷(duan)。近(jin)年(nian)來(lai)，國(guo)內(nei)企(qi)業(ye)購(gou)置(zhi)的(de)國(guo)外(wai)隨(sui)鑽(zuan)測(ce)井(jing)裝(zhuang)備(bei)估(gu)計(ji)每(mei)年(nian)都(dou)需(xu)花(hua)費(fei)數(shu)億(yi)元(yuan)人(ren)民(min)幣(bi)，包(bao)括(kuo)伽(jia)瑪(ma)/電阻率/中子密度/MWD在內的隨鑽測井設備（井下儀器按每種2支配置）售價超過4000萬元

，不僅購置和維護成本高昂，而且受到技術和市場的雙重限製，在相當程度上製約著我國油氣資源、特別是海上油氣田的勘探開發

，也限製了國內相關企業的發展。隨著我國深水油氣資源勘探開發的展開，這個問題將愈顯嚴重。

    自zi主zhu研yan發fa隨sui鑽zuan項xiang目mu的de成cheng功gong實shi施shi將jiang形xing成cheng我wo國guo自zi主zhu知zhi識shi產chan權quan的de相xiang對dui完wan整zheng的de隨sui鑽zuan測ce井jing技ji術shu和he裝zhuang備bei
，打da破po國guo外wai技ji術shu的de壟long斷duan，與yu進jin口kou設she備bei相xiang比bi將jiang大da大da降jiang低di其qi生sheng產chan
、維護和使用成本，為我國海上、特別是深水油氣資源的勘探開發，以及我國油田服務企業的發展壯大提供有效的技術支撐。

泥漿正脈衝編碼技術
    正(zheng)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)是(shi)通(tong)過(guo)瞬(shun)時(shi)部(bu)分(fen)阻(zu)擋(dang)鑽(zuan)柱(zhu)內(nei)泥(ni)漿(jiang)柱(zhu)的(de)通(tong)行(xing)，迫(po)使(shi)壓(ya)力(li)升(sheng)高(gao)而(er)產(chan)生(sheng)的(de)。因(yin)此(ci)
，當(dang)脈(mai)衝(chong)器(qi)提(ti)升(sheng)閥(fa)上(shang)行(xing)部(bu)分(fen)阻(zu)擋(dang)泥(ni)漿(jiang)流(liu)，壓(ya)力(li)上(shang)升(sheng)，當(dang)提(ti)升(sheng)閥(fa)歸(gui)位(wei)，鑽(zuan)柱(zhu)壓(ya)力(li)回(hui)到(dao)原(yuan)始(shi)狀(zhuang)態(tai)，如(ru)圖(tu)1所示：

圖1 正脈衝信號發生器

    泥(ni)漿(jiang)正(zheng)脈(mai)衝(chong)編(bian)碼(ma)是(shi)通(tong)過(guo)調(tiao)整(zheng)泥(ni)漿(jiang)脈(mai)衝(chong)之(zhi)間(jian)的(de)脈(mai)衝(chong)間(jian)隔(ge)實(shi)現(xian)數(shu)字(zi)編(bian)碼(ma)的(de)一(yi)種(zhong)編(bian)碼(ma)方(fang)式(shi)。脈(mai)衝(chong)位(wei)置(zhi)編(bian)碼(ma)的(de)信(xin)息(xi)或(huo)者(zhe)數(shu)據(ju)隱(yin)含(han)在(zai)兩(liang)個(ge)脈(mai)衝(chong)的(de)之(zhi)間(jian)的(de)脈(mai)衝(chong)間(jian)隔(ge)中(zhong)，不(bu)同(tong)脈(mai)衝(chong)間(jian)隔(ge)長(chang)度(du)代(dai)表(biao)不(bu)同(tong)的(de)信(xin)息(xi)，如(ru)圖(tu)2所示。   

圖2 基於脈衝間隔的正脈衝編碼

    Data = (Interval - MIN_TIME) / BIT_TIME
    其中
，Data為編碼數據，Interval為間隔時長，從上式知道，編碼的數據越大，脈衝間隔就越大，反之亦然。
    對於一個實際的遙測物理係統中
，需要定義些參數
，最小間隔時長（MIN_TIME）是指在數據編碼中一個用於編碼對應數值0的時間長度，如果一個間隔等於最小間隔時長
，則這個間隔編碼數據信息為0。由於噪音的存在，在井底下產生的壓力信號不同於在地麵上的壓力信號，這裏定義比特寬度(BIT_WIDTH)來校正傳送的值，隻要一個間隔的脈衝落在BW窗口內，認為無論偏移多少為一個有效的脈衝，實際脈衝位置與比特寬度內的理論脈衝位置值一致。

係統構成
    隨鑽嵌入式處理單元（以下簡稱EPU）同時承擔多項采集測量處理任務和係統通訊任務，是整個隨鑽地麵係統的核心中樞。現場的深度、泥漿壓力
、鉤載、死繩和泵衝傳感器信號進入進入EPU，經過安全隔離柵隔離
、信號調理板調理之後
，送入cRIO的數據采集卡，由FPGA對數據進行采集，得到的數據經過CPU處理後
，通過LAN傳送給上位機。同時，上位機通過cRIO的中轉

，通過RS485總線與司鑽顯示器和DBC中控進行通訊
，驅動Bypass電磁閥，進行指令下傳。係統架構如圖3所示。

圖3 隨鑽地麵係統框架 
 

圖4 隨鑽嵌入式處理單元（EPU）

泥漿脈衝信號濾波解碼
    在井場現場，泥漿脈衝信號是通過安裝在立管上的壓力傳感器采集獲得的。
    zaixianchangtiaojianxia
，congjingxiafachudenijiangmaichongxinhaochuandidaodimianshi
，hunzalefeichangqiangdebeijingzaosheng，qilaiyuanzhuyaoyounijiangbenghuosaizhouqiwangfuyundongchanshengdenijiangbengzaosheng、鑽頭粘卡後突然釋鑽柱產生大弧度擺動產生的鑽柱扭矩噪聲和鑽柱鑽進中的震動產生的鑽頭噪聲。
    在EPU中，采集獲得的泥漿脈衝波形數據經過FIR初級濾波、自適應濾波
、小波分析、huxiangguanchulidengyixilielvbochuli
，huodejiaoweiganjingdemaichongxinhaoboxing。zhihou
，tongguozhunquepandingmaichongweizhi，jisuanxianglinmaichongdeshijianjiange
，congerjisuandedaoxiangyingdetongxunshuju。

圖5 泥漿脈衝信號濾波

深度測量
    鑽zuan井jing深shen度du的de測ce量liang
，是shi通tong過guo測ce量liang鑽zuan機ji大da鉤gou上shang提ti下xia放fang運yun動dong過guo程cheng進jin行xing累lei加jia，從cong而er間jian接jie獲huo得de的de。除chu了le需xu要yao準zhun確que實shi時shi的de測ce量liang大da鉤gou位wei置zhi外wai
，還hai需xu要yao準zhun確que判pan斷duan鑽zuan具ju是shi否fou掛gua在zai大da鉤gou上shang，跟gen隨sui大da鉤gou一yi起qi上shang提ti下xia放fang。
    判pan斷duan鑽zuan具ju是shi否fou掛gua在zai大da鉤gou上shang，先xian測ce量liang大da鉤gou的de載zai荷he

，與yu設she定ding的de閾yu值zhi進jin行xing比bi較jiao
，高gao於yu閾yu值zhi認ren為wei是shi掛gua在zai大da鉤gou上shang，反fan之zhi認ren為wei沒mei有you掛gua在zai大da鉤gou上shang，處chu於yu座zuo卡ka狀zhuang態tai。但dan在zai鑽zuan井jing過guo程cheng中zhong，會hui有you各ge種zhong震zhen動dong產chan生sheng，使shi測ce量liang得de到dao的de載zai荷he也ye隨sui之zhi劇ju烈lie波bo動dong。當dang鑽zuan井jing深shen度du較jiao淺qian，鑽zuan具ju重zhong量liang較jiao輕qing時shi，閾yu值zhi非fei常chang接jie近jin大da鉤gou空kong鉤gou載zai荷he，劇ju烈lie的de波bo動dong很hen容rong易yi越yue過guo閾yu值zhi造zao成cheng誤wu判pan。

圖6 鉤載波動曲線 

    為(wei)了(le)消(xiao)除(chu)震(zhen)動(dong)的(de)影(ying)響(xiang)，需(xu)要(yao)對(dui)測(ce)量(liang)測(ce)到(dao)的(de)鉤(gou)載(zai)進(jin)行(xing)濾(lv)波(bo)。而(er)濾(lv)波(bo)算(suan)法(fa)要(yao)求(qiu)一(yi)方(fang)麵(mian)有(you)效(xiao)濾(lv)除(chu)波(bo)動(dong)，另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)具(ju)有(you)很(hen)低(di)的(de)延(yan)遲(chi)，這(zhe)兩(liang)方(fang)麵(mian)是(shi)一(yi)對(dui)矛(mao)盾(dun)關(guan)係(xi)。在(zai)綜(zong)合(he)了(le)FIR
、IIR
、平均值濾波、中值濾波等算法的特點後，使用FPGA模塊的相關濾波模塊設計了一套有效的濾波算法，能夠進行準確的深度測量。

試驗情況

    在已經進行的地麵循環試驗、井下循環試驗和實鑽試驗中，隨鑽嵌入式處理單元累計工作幾百小時，成功驗證了其可靠性和實時性。達到的性能指標主要有：
1、傳輸率：達到了3.0bps，為目前國內的同類技術的最高水平
；
2、誤碼率：在試驗過程中，解碼的誤碼率在1%以下；
3、可靠性：在試驗工作過程中
，隨鑽嵌入式處理單元工作穩定，算法運行正常，沒有出現係統崩潰
的現象。

圖7 試驗現場的EPU 

總結
    經過試驗驗證
，基於CompactRIO開發的隨鑽嵌入式處理單元已經初步達到了實用化的水平。
    在整個處理單元開發過程中，快捷方便的LabVIEW圖形化編程工具極大的解放了開發人員的精力，可以更專注於泥漿脈衝波形濾波解碼算法和深度測量算法的開發。同時，CompactRIO堅固的結構和極高的可靠性也給人留下了深刻的印象。