（信号与信息处理专业论文）基于can总线的录井数据采集传输系统设计.pdf

摘要 综合录井仪在油气勘探开发过程中发挥着越来越重要的作用。目前正在使用的综合 录井仪数据采集精度低，导致不能精确监控钻井参数变化；数据信号传输采用一对一寻 址的r s 4 8 5 总线传输，造成工程开工布线和工程完工后的拆卸工作繁重，甚至可能引 起仪器损坏。为了能够克服这些缺点，本文将可靠性高、实时性强的c a n 总线技术用 于综合录井仪中并完成了集数据采集、实时数据传输、实时数据监控功能于一体的基于 c a n 总线的录井数据采集传输系统开发。 本文结合钻井现场录井工程参数数据采集与传输的需要，提出了下位机以单片机为 核心、以c a n 总线技术为数据传输方式；上位机采用p c i l 6 8 0 u 通讯卡完成通讯接口 的综合录井仪整体设计方案。在设计中主要开发了数据采集模块和c a n 总线通讯模块 软、硬件；编写了上位机c a n 总线通讯控制程序；并针对现场的干扰因素，设计了抗 干扰措施，实现了综合录井仪的整体功能。 整套系统在实验室进行了整体联调，并在钻井现场进行了现场试验。现场实验表明 c a n 总线型综合录井仪可以完成对悬重和泥浆密度等模拟量信号的高精度( 1 6 位) 采 集、脉冲信号的高精度测量和绞车信号处理：提高数据传输速率，克服传统录井仪器设 备安装任务重、工程准备时间长、应用不便的缺点。整套系统具有广泛的应用前景。 关键词：c a n 总线，综合录井仪，数据采集 d e s i g no fl o g g i n gd a t aa c q u i s i t i o na n d1 r r a n s l n i s s i o n s 殍诧瓣b a s e do 珏c a nb 毪s j i aj i a l l b o ( s i g i 】l a l & i n f o m l a t i o np r o c e s s i n 曲 d 汝酬酚p r o d a 主甥s h o u a b s t r a c t a tp s e n t ，也ee o m p r e h e n s i v el o g g i n gi n 蛐e n t sa r cp l a y i n gm o r ea n dm o r ei m p o 豫m t r o l e si no i li n d u s t 】硼1 ei n 妇期功：n t sb e i n gu s e di no i l 蠡e l da f el o w - p r e c i s i o n ，a i l d1 1 0 ta b l et 0 m o m t o rt h ed r i l l i n gp a 豫m e t e r sa c c u r a 主e l y d a t aa c q u i s i t i o ns i 盟a l sa r ee o m m u n i c a 患e dw i 也 r s 4 8 5b u sp o i n tt op o i n t a sar e s u l t ，i n s t a l l a t i o na i l dd i s a s s e m b l yo fi n s 旬r u m e n t sb e c o m e h e a v yl o a d s ，a n di n s 觚m e n t sm a yb ed 蝴a g e de a s 戤t oo v e r c o m e 也e s ed i s a d v 雒t a g e s ，吐l i s 伽e s i sd e v e l o p sc o m p r e h e n s i v e1 0 9 9 i n gi 1 1 s 咖e m sa n d 印p l i e sc a nb u st e c h n o l o g yi n t o i n s 仃u m e n t s 。c a nb u s h a se x c e l l e n tr e 越t i m ec a p a b i l 姆a 耐s t a b i l 诹t h ei n s 钒髓e 觳据h a v e s u c h 如n c t i o na sd a 埝a c q u i s “i o n ，r e a l - t i m ed a t a 也m s m i s s i o na n dm o n i t o r i n gr e a l - t i m ed a t a m i c c o 蛐l l 嚣u l l i tt e c 妇o l o g y 勰dc a n b t l s 删m 越e 撕挑t e c h 瀚董o g ya 糙8 弹l i e d i n t ot l l ed e s i 印o fc o m p r e h e n s i v el o g g i n gi n s t r u _ m e n t s ，p c i l6 8 0c a nb u sc o m 【n l n l i c a t i o n c a 砖砥n g s 搬ec o 躐la r e an e 细。呔专ou p p e re o m p u t e 毛童。珏l e 文壤en e e 幽o fl o g g 溉gd a 极 a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o n t h es o m v a r ca n dh a r d w o fd a t aa c q u i s i t i o nm o “1 e sa i l d c a nb u se o 捌嘲戚e a t i o 珏搬o d m e 鑫端d e v e l 印e d 。砸l ec a nb 髓e 。班嘲撒i e a 专主熊e o f 建r o l p m c e d u r e so fu p p e rc o m p u t e ri sc o m p l e t e d a n t i o a m m i n gm e a s u r c sa r ed e s i g n e d f i n a l l ym e 壬娃l i o no fi 蛾黟a 鼍i v ol o g g i 建g 溺s 锨撇移鹏i s 忿越i z e d t h ei n s 咖e n t sh a _ v eb e e nt e s t c di nl a b ，徽l df i e l d 馘p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u t 硼瓣懿p e 蠢羔薹l e 越s 羚s u l 拯豳o w 疆基t 赫s & s i g 攮i s 曲l e 协h p l 蹦e 躐鑫蕤纛l o gs 遮隰l s 玉隐 a c q u i s i t i o na tl l i 班a c c u r a c y ，m e a s 嘶n gp e r i o d so fp u n l ps 们k es i g n a la n dr e a l i z i n g 谢n c h s 至辫掇lp 妁c e s s i 羲g 。m e 鼹w h i l e 也ec a nb 睡se o 激撒滋矗c 鑫圭i 。嚣m 。d 毽l ei sp 氆i 燃oi 羚s 饿王m e 嬲， w h i c hi r n p r o v e sd a t a 觚m s m i s s i o nc o m m u l l i c a t i o nr a t e 洲l do v e r c o m es u c hd i s a d v a l l t a g e s 嬲 h e 斟汝l o 鑫熬o fi n s 巍l 醚i o n 氇聪i 粥。藏v c 戚鼹e e 靠印酬i o n 弧ei n s 撅聪e 瓜sk 粥ab 甜 a p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o 砖s ：c p i nb 潞，c o 黻p r e k 滋s i v e 埝g 酵n gi 蛰妇撇e 珏重s ，d a 组a c q 蝣s i 专主强 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外 ，本论文不包含其他入已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石 油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：盗2 鱼迄 日期：沙p g 年多月j 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：沙嗜年乡月岁日 日期：夕_ 略年名月占日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 本课题研究背景和意义 第1 章绪论 中国石油工业是在新中国成立后开始起步的，由于国民经济的快速增长和对环境保 护要求的提高，对石油天然气的需求逐步加大，我国从1 9 9 3 年起成为石油净进口国， 目前面临的能源安全问题非常严重，到2 0 2 0 年我国石油产量将不足需求量的一半，而 当国内石油需求一半以上需要进口的时候，将对国民经济的发展和经济安全产生重大影 响。基于石油行业的综合录井系统的研究和提高石油的开采能力己经成为我国经济发展 的一个重大问题，如何使得石油开采实现智能化、信息化和精确化也成为了一个重要课 题，这就要求有一整套更为有效的手段，通过计算机系统对石油行业的各项数据进行整 合、分析、进而对决策提供一定的支持【1 】。录井技术是油气勘探活动中最基本的技术，它 是发现油气藏、开发油气藏最及时，最直接也是最重要的手段之一。录井的实施主要是 靠综合录井仪，综合录井仪是应用电子技术、传感器技术、气相及液相色谱分析、信号采 集、计算机数字采集处理、地质钻井工程专家系统评价软件技术于一体并进行连续随钻 录井和钻井过程监测的一种石油勘探辅助仪器。综合录井仪可以在实时状态下采集泥浆 参数、钻井工程参数及泥浆中烃类和非烃类气体特性参数，实现钻井过程实时监测、井 下异常预报、地层压力监测预报和及时发现评价油气层。从而帮助实现在钻井过程中发 现油气层、保护油气层、减少井下事故提高综合勘探效益。 综合录井仪所涉及技术包括钻井工程、地质、气相及液相色谱分析、传感器技术、 计算机数据采集、信息处理及传输和专家系统评价软件等多学科技术，系统主要由现场 数据采集系统和联机脱机处理软件两大部分所组成。其中的数据采集系统绝大部分采用 的是集中式数据采集系统，综合录井仪大多设备体积庞大，结构复杂，安装调试连接繁 杂。几十个现场测控参量所用电缆成本昂贵，铺设连接困难，安装施工周期长，直接影 响钻井生产。同时信号检测、传输可靠性差，维护维修工作量很大，从而也降低了综合 录井仪的整体性能【2 】。 针对集中式数据采集系统所存在的问题，本课题提出了基于c a n 总线的录井数据 采集传输系统，进行基于c a n 总线型综合录井仪器系统的研制开发。系统采用分布式 总线型模块化体系结构，即所有现场参数的采集、转换由相应的系列节点进行处理，由 一根两芯通讯电缆将所有安装在现场的采集模块连接到系统数据处理计算机。采用分布 第l 章绪论 式结构，大大提高了系统的可靠性；总线型连接，结构简单节约电缆，系统小型化，安 装连接快速高效：模块化设计，提高数据采集系统的处理速度和开放性，系统扩充方便 快捷，降低维护维修工作量，从而也提高了综合录井仪的整体性能、科技含量。 1 2 录井仪器发展现状 录井技术是油气勘探开发活动中最基本的技术，是在油气钻井施工中能及时获取井 下各种信息从而为油气勘探开发和钻井旋工提供决策依据的一种方法技术，是发现油气 藏、评价油气藏最及时、最直接的手段。虽然从石油工业诞生的那天起，录井技术就诞 生了，但录井仪的发展却有着一个十分漫长的里程。从画方钻杆记录钻时，捞砂样建立 地层剖面到气测配合记录钻时，用百分比法建立地层剖面，初步判断油气层，走到应用 综合录井仪实时采集各项资料，用计算机建立剖面识别油气层，历6 0 余年。现在录井技 术通过引进电子技术、传感技术、气相及液相色谱分析技术、计算机技术、数字采集技 术，信号处理技术、地质分析、钻井工程、专家系统评价及软件开发等现代高新技术， 发展成为对钻头位置的各种地质、工程信息的实时记录，亦即随钻录井，现代录井技术 涉及石油地质、钻井工程、地球化学、地球物理测井、传感技术、信息处理与传输、计 算机等多种现代科学知识的一种边缘专业技术。现在综合录井仪己成为当今勘探开发过 程中的一项不可替代的设备。随着中国石油工业的发展，录井行业经历了从小到大、从 附属于钻井行业的班组、小队到发展成专业化技术服务公司；从徒手的简单技术劳动到 利用计算机和传感器自动采集、分析处理，面向多主体信息服务、高技术含量的产业， 在油气勘探中显示了愈来愈重要的作用和广阔的发展前景【3 】。 1 2 1 国外录井仪发展现状 录井技术是在油气勘探开发过程中逐步形成与发展起来的一门综合型应用技术。通 过不断引进现代科学技术发展成果，如计算机技术、通讯技术、信息技术等，录井的项 目日益丰富，服务水平明显提高。由过去的常规地质录并发展成为地质、气测、工程、 地化一体化的综合服务技术。而地质录井资料已经成为油气勘探开发不可缺少的分析决 策依据，并将为今后的勘探开发做出必要的支持和帮助。录井技术在国外应用较早，技 术也处于领先h 。5 】。随着石油工业的复兴和计算机技术的应用普及，录井技术也在快速 发展。 国外先后出现了几种新型的综合录井仪：例如加拿大d a t a l o g 公司最新研制的 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 d a t a l o g 综合录井系统，法国g e o s e r c e 公司的t d c 、a l s l ( g e o 5 0 0 0 ) 、 a l s 2 ( g e o 一6 0 0 0 ) ，美国i n t e g 公司的d 赳l l b y t e 综合录并仪，美国h a l l m u n o n 公司 的g e o r 觚媳、s d l 、s d l 9 0 0 0 等【6 1 。近些年录井技术确有大的进步和发展，随着新设备 的研发核心技术的推广，目前世界录井仪器主要特点如下： ( 1 ) 自动化程度越来越高。随着科学技术的发展，整机性能、自动化程序、可靠性 和精确度不断提高，全部操作实现了计算机化。 ( 2 ) 仪器更新换代速度加快。国际上大体上是5 年左右换一代。且每次升级，仪器 性能、功能均有显著提高。 ( 3 ) 仪器性能可靠，电路集成程度不断提高，最小检知含量越来越小。传感器的可 靠性、精确度耐用性不同程度的提高，既提高了测量精度，又为用户节约了大量成本。 ( 4 ) 先进的综合录井系统对泥浆内气体己能做到定量分析，使之更趋于准确反映地 下客观情况。 ( 5 ) 泥浆气体分析仪器不局限于色谱，还利用光谱来连续检测泥浆内的气体的含量 及组分。 ( 6 ) 综合录井仪己发展成集井场多种数据采集、显示、处理及解释为一体的综合系 统，它可满足安全优化钻井、综合判油气水层的多方面需要。 ( 7 ) 录井融合勘探开发技术于一身。随钻地震录井技术、随钻测量录井技术、地化 录井技术的综合应用，很有效的指导钻井和油气开发。 ( 8 ) 录井服务内容越来越多，相应的配套设施越来越复杂。以法国的g e o s e v i c e 的综合录井仪为例，其计算机系统从t d c 的一台计算机已经发展到a l s 2 的相互联网 的6 台计算机。 ( 9 ) 先进成熟的现场总线被不断引入到系统设计中，使得通讯更加可靠，安装更加 方便。 ( 1 0 ) 定量荧光技术投入现场使用。定量荧光检测仪的使用可以实现可靠准确监测油 气层的目的。 1 2 2 国内录井仪发展现状 8 5 年我国大量引进了t d c ( t o t a ld r i l l i n gc o n t r 0 1 ) 综合录井仪，标志着我国录井技术 的全面推广和应用。国内进口的主要录井设备有g e o s e r v i c e 公司的a l s 2 、i n t e g 公司的d 砌i l b i t 和d a t a l o g 公司生产的d a t a w i z 铷如s 等综合录井仪。国内为了 3 第l 章绪论 能满足自己的需要，在不断引进、学习国外先进录井技术的基础上通过仿制、自主设计 等手段形成了自己的录井仪器系统。例如上海神开科技工程有限公司开发的s k 1 2 0 1 综合录井仪( 9 0 年代早期) 、s k 2 0 0 0 、s k - 2 0 0 0 f 、s k - c m s ，河南新乡电子工业部2 2 所开发的s l z 一1 、1 a 、1 b 、1 c 及s l z 2 ，上海中油石油仪器制造有限公司开发的w 色l l s t a r 多功能综合录井仪等综合录井仪，同时各石油录井公司都有自己开发的综合录井仪器在 油田一线使用，例如胜利油田地质录井公司最新生产的s l a l s 2 2 综合录井仪，大港油 田d m l ( 德玛) 综合录井仪等1 7 叫。近几年国内录井仪器有了长足的发展，主要表现： ( 1 ) 气测录井技术取得重大突破：现在的气测录并技术较传统技术有了很大发展， 色谱分析周期短、脱气效率稳定、能较准确反映地层含气量。 ( 2 ) 地化录井技术渐趋成熟：岩石热解色谱分析技术是7 0 年代末发展起来的地球化 学录井方法。它采用地化录井仪对岩屑、岩心、井壁取心样品进行热解色谱分析，在钻 井现场达到定量评价储集层中烃类含量的目的。 ( 3 ) 定量荧光技术投入现场使用：常规荧光仪虽然已有近6 0 年的历史了，但其局限 性显而易见：原油荧光主要在紫外线范围内，肉眼只能识别其中一小部分，凝析油、轻 质油及中质油的大部分不在肉眼可视范围内；荧光描述主观性很大，其准确性在很大程 度上取决于现场人员的经验。 ( 4 ) m w d ( 随钻测量) 与l w d ( 随钻录井) 技术方兴未艾：7 0 年代后期迅速发展起来的 随钻测量技术，最初是用来帮助定向钻井，现在也是一种有效的地层评价工具。 ( 5 ) 钻具振动分析技术引入录井领域：在钻井过程中，钻具振动与钻柱及其组成部 分的动力学特性有关。早在6 0 年代，国际就开始钻具振动问题的研究，并开发出各种 检测仪器和解释技术，用来指导安全钻井，可有地防止钻具事故和钻井问题的发生。 ( 6 ) 传感器技术有所创新：近年来，地面传感器的发展比较缓慢，但地面传感器技 术仍有所创新，其精度和性能均有很大提高。 ( 7 ) 计算机技术为录井技术提供了发展的动力：计算机技术的应用推动了录井技术 的发展，使录井实现了从手工劳动向机械化、自动化的飞跃，使录井资料的应用实现了 从简单分析向综合解释、评价的飞跃。 综合录井仪是一种典型的分散式数据采集系统，目前国内外普遍装备的这种系统都 由现场传感器、接口与计算机设备组成。现场传感器与接口之间传输的是模拟信号，每 一个现场传感器都必须通过一根线缆输出模拟信号，这样就有多达2 0 根以上信号电缆， 从而使传感器线缆的架设、维护、检修在综合录井仪搬迁和安装过程中的工作量占有相 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 当大的比重。为解决上述问题，各个公司都在积极将日益成熟的通讯技术引入到综合录 井仪的设计中，提高通讯可靠性、实时性。国内外综合录井仪信号传输方式如下表卜1 所示。 表1 1 综合录井仪通讯方式 1 a b i el 一1c o m m u n i c a t i o no fi n t e g r a t i v el o g g i n gi n s t r u m e n t 公司名称 综合录井仪型号 通讯类型 法国地质服务公司a l s 3r s 4 8 5 总线 胜利油田地质录井公司s l a l s 2 2 综合录井仪 r s 4 8 5 总线 上海神开石油仪器有限公司s k c m s 综合录井仪c a n 总线 中原油田地质录井处n l s 综合录井仪t c p i p 网络技术【l o 】 d a l a l o g 公司( 加) d a t a l o g 综合录井仪 3 7 芯系统总线传输1 1 】 随着大型综合录井仪在钻井现场的推广应用，逐渐暴露出了一些问题：目前在用的 录井仪器，传感器信号采集大多采用“一对一 ( 一个传感器对应一种数据采集模块) 方式，数据信号传输亦是采用“一对一”寻址方式的r s 4 8 5 总线传输或多总线复用方 式【1 2 1 。这两种方式存在如下不可克服的缺点： ( 1 ) 录井仪器的各种测量传感器，数量众多，采用“一对一”方式进行数据采集和 测量，数据采集单元模块种类多，可能来自不同的厂家，控制方式各异，有不同的接口 方式，至少需要2 0 3 0 种，给整体系统的管理和维护带来了极大的不便。 ( 2 ) 现场数据传输的通信方式基于传统的r s 4 8 5 总线，技术含量低，通用性差，传 输速度慢、抗干扰性能差，可靠性低【1 3 】。 随着钻井现场技术应用条件的不断改善和应用技术的不断成熟，近年来，国内外先 后出现了基于工业总线技术的钻井仪表、录井仪器设备，但新出现的基于工业总线技术 的设备价格昂贵、技术保密。当设备发生故障时不能及时处理，为录井服务带来了诸多 不便。 为开发具有自主知识产权的基于c a n 总线型综合录井仪，我们研制了高精度数据 采集节点实现信号采集，在数据采集中采用成熟的c a n 总线技术实现信号的传输，实 现了高精度数据采集、减少了现场电缆线数目、增强了系统抗干扰能力。 1 3 c a n 总线技术简介 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e 觚r k ) 总线属于现场总线的一种，是一种简化型网络结构 5 第l 章绪论 ，为了有别于l a n 故称为控制器局部网。c a n 总线是德国l b b e nb o s c h 公司从8 0 年代 初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据协 议，目前已成为国际标准化组织i s o l l 8 9 8 标准，它是一种有效支持分布式控制或实时 控制的串行通信网络，c a n 的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络【1 4 。1 5 】。在 自动化电子领域、发动机控制部件、传感器、防滑系统等应用中，c a n 的位速率可高 达1 m b p s ，同时它可以廉价地应用于交通运载的电气系统中，例如：灯光聚束、电气窗 口等等，以替代所需要的硬件连接。 c a n 总线广泛的应用与其良好的性能密切相关，其特点如下： ( 1 ) c a n 可实现全分布式多机系统，且无主、从之分，网络上任意一个节点均可在 任意时刻，主动地向其它节点发送信息，通讯方式灵活，利用这一特点，可以方便地构 成多机备份系统。 ( 2 ) c a n 采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时向网络发送消息时， 优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可以不受影响地继续发送信息， 从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫 痪情况。 ( 3 ) c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传 送接收数据，无需专门的“调度”。 ( 4 ) c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速率5 k b p s ) ；通信速率最高可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 ( 5 ) c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 ( 6 ) c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的 操作不受影响。 ( 7 ) c a n 总线具有较高的性能价格比。它的结构简单，器件容易购置，每个节点的 价格低，而且开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工具。 总之，c a n 总线具有实时性强、可靠性高、通信速率快、结构简单、互操作性好、 总线协议具有完善的错误处理机制、灵活性高和价格低廉等特点【1 6 肿】。将c a n 总线网络 应用于录井数据采集系统中，将减少录井数据采集系统的实际成本，减轻现场布线的困 难，保证即使在野外恶劣的环境下运行，也能高速、灵活、可靠地进行实时数据传输，实 现系统实时监控的需要。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 4 本论文的主要研究内容 本论文在跟踪国内外综合录井仪最新发展动态和最新先进技术的基础上，吸收国内 外各类系统的精华，开发一种高精度、高可靠性、高安全性的综合录井系统，使现场技术 人员和工程人员能够及时监测钻井过程。该综合录井仪采用性能优良、系统简捷可靠的 c a n 现场总线系统作为数据传输。c a n 总线采用主从工作方式，每个节点实时采集录井 数据并将数据通过e a n 总线发送到监控机，并且可以响应监控机的各种操作命令。 c a n 总线型综合录井仪分为数据采集和中心数据监控软件两个部分。数据采集部 分具体分为：现场录井参数采集、传输节点；中心数据处理、监控节点。；在完成这两部 分功能的基础上，扩展中心节点的应用范围，为其提供与以太网数据交换的接口，并在中 心节点的工控机中建立适合工控机工作的t c p i p 协议站，实现中心节点与以太网通信， 实现数据共享。 本论文完成的工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 完成符合c a n 总线协议传输的模拟量信号数据采集节点软、硬件设计。实现 刖d 转换分辨率为1 6 位，单路信号转换时间6 0 m s 。 ( 2 ) 完成符合c a n 总线协议传输的脉冲信号数据采集节点软、硬件设计。实现脉 冲频率量测量，计数误差0 1 。 ( 3 ) 完成符合c a n 总线协议传输的绞车信号数据采集节点软、硬件设计。实现绞 车准确计数功能，为上位机计算实时井深提供了依据。 ( 4 ) 完成c a n 总线通讯模块软、硬件设计，主节点p c i c a n 通讯接口设计，制 定了c a n 总线应用层协议，实现了c a n 总线系统网络通讯。 ( 5 ) 针对现场干扰，在系统中设计了相应的抗干扰措施，保证了整套系统在钻井 现场可靠、稳定运行。 ( 6 ) 完成c a n 总线各个功能节点与主节点实验室联网调试，对整个数据采集系统 软、硬件电路进行调试，实现各个节点数据精确采集、传输。完成整套综合录井系统钻 井现场数据采集功能、c a n 总线稳定通讯功能测试。 本人所做的主要工作是现场录井参数采集、传输节点的设计，中心节点数据接收、 发送接口设计。 7 第2 章系统功能分析及总体设计 第2 章系统功能分析及总体设计 c a n 总线型综合录井仪系统采用分布式总线型体系结构，大大提高系统的可靠性 和系统的稳定性；总线型连接结构简单、安装连接快速高效、系统扩充方便快捷、降低 维护维修工作量，适用于各种钻井现场。 2 1 系统功能分析 综合录井技术以多参数、大信息量和实时性为现场决策提供了大量可靠的决策资料 ，不仅在发现油气显示、地质分层、储量预测、区块、构造评价上效果显著，而且更在 工程安全监测、指导科学钻井、降低钻探风险上具有其他技术无法取代的技术优势；不 仅在新区勘探过程中对参数井、预探井、探井的钻探中有广泛的应用，而且对老区开发 过程中的开发井、调整井的施工也具有很大的作用，为国家的石油工业做如了贡献。在 对综合录井技术进行分析总结我们得出：综合录井的核心是钻井工程服务和地下油气发 现，具体表现为： ( 1 ) 实时状态下采集钻井工程及泥浆中气体特性参数，实现钻井过程监控。 ( 2 ) 进行井下情况检测，完成各种井下异常预报、地层压力异常预报。 ( 3 ) 通过气测数据的分析及时发现评估油气层，指导钻井。 钻井过程是一个针对地下资源开发的系统工程，具有过程复杂、涉及范围广、风险 大等特点。其作业面在地下，决策者在地面，影响因素多，情况复杂多变。为了在钻井 过程中避免工程风险、漏失油气显示，综合录井仪器在工作时需要同时监测众多的井场 实时参数【1 8 】。胜利综合录井参数表如下表2 1 所示。 表2 1 胜利综合录井参数 i a b i e 2 - 1 s h e n g l il o g g i n gp a r a m e t e r s 序号参数类别参数 1 深度参数垂直井深、标准井深、迟到井深、钻头位置、大钩高度 2 岩性参数岩屑、岩芯、壁芯 3 物性参数钻时、瞬时钻时、钻进时间、迟到时间、孔隙度p 、渗透率k 4 油气参数 荧光强度、荧光相对含量、荧光波长( 或频率) 、全烃、组分 c 1 c 5 ，热解s o ，s 1 ，s 2 ， 热解气相色谱c 0 2 ，h 2 s 5 工程参数钻压、转盘转速、立压、扭矩、泵速、排量、套压 6 钻井液参数入口密度、出口密度、粘度、入口温度、出口温度、电导率 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 设计的基于c a n 总线的综合录井仪的最终功能是实现在钻井过程中发现油气层、 保护油气层、减少井下事故、提高综合勘探效益的目的。为了能够实现这个目的就需要 它能够实现以下的功能要求： ( 1 ) 可实现以井深为坐标的录取参数的数字化：由于钻井的过程都是以钻井的垂直 位移为坐标，所以需要计算钻井的井深。而井深计算涉及的参数有绞车脉冲参数、大钩 悬重，泵冲参数等。 ( 2 ) 可预测地层压力异常、钻具异常：地层压力异常是钻井过程所普遍存在的，如 何预防压力异常，可以通过钻压和转盘转速来进行推测，以地层可钻性指数( d 指数) 为 主要指标。所以模块化总线型综合录井仪需要钻压和转盘转速两项参数。由于要考虑到 泥浆密度的影响，加入了校正成为d c 指数，因此需要检测钻井泥浆的密度。 ( 3 ) 发现遗漏的油气层，帮助卡准层位：在钻井现场，判断层位和发现油气层主要 参考两项参数：钻时和气测录井。钻时表示钻进单位进尺所需要的纯钻井时间。钻时从 侧面反映了地下岩石的可钻性。根据钻时的变化，可粗略地划分岩性，进行地层对比， 可以判断钻头使用情况，提高钻头使用率。钻时不是直接检测到的一级参数，是间接计 算的参数。气测录井是通过测定钻井泥浆中的石油天然气的成分及含量，来了解地层含 油、气情况，能及时的反映地下含油气情况，并能预报井喷，气测录井主要由气体检测 仪来完成，气测仪主要是由全烃检测和组分检测系统组成。两种系统在气测录井过程中 有着不同用途和侧重点。 由于气体检测的泥浆返上地面需要一段时间，着就需要测定迟到时间和迟到井深。 全烃气测检测到的参数值对应的是迟到井深。迟到井深需要涉及泥浆的入口排量，需要 计算泥浆泵冲数。 总结以上可以得出需要直接检测的参数有：绞车、泵冲、大钩悬重、转盘转速、立 压、泥浆密度、泥浆中的全烃含量等。间接计算得到的录井参数：井深、钻时、迟到时 间、迟到井深、d c 指数等。 2 2 系统总体构成设计 基于c a n 总线综合录井仪主要由钻井现场传感器、基于c a n 总线信号采集节点和 监控数据计算机及其外围设备等组成。基于c a n 总线综合录井系统总体框图如下图2 1 所示。 9 第2 章系统功能分析及总体设计 钻井平台 图2 1 基于c a n 总线综合录井系统总体框图 f i 9 2 。li n t e g r a t i v el o g g i n gi n s t r u m e n ts y s t e mb a s e do nc a nb u sf r a m ed i a g r a m 本系统从功能上主要分为数据采集传输部分、中心数据监控部分。分别负责信号的 采集传输和采集数据的处理监控。 ( 1 ) 数据采集部分：完成传感器信号从物理信号到模拟电信号的转换和模拟信号调 理及完成数字化，通过c a n 总线方式传送到上位机。 数据采集部分又分为：现场数据采集节点，监控机主节点。现场数据采集节点主要 针对录井过程中需要采集的参数布置不同的数据采集节点，例如绞车信号采集节点，悬 重信号采集节点等。监控机主节点负责对各个数据采集节点发送询问命令，数据采集节 点在接收到询问命令后，将存放在节点数据缓冲区中的数据通过c a n 总线发送给主节 点。主节点通过p c i c a n 通讯卡将节点发送的数据采集进监控机为数据的后续处理做 准备。 ( 2 ) 中心数据监控部分：完成现场节点的数据采集、信号处理、参数标定、历史数据 存储、实时显示、趋势浏览、现场打印、状态判断、声光报警和实现现场人工智能诊断 等功能。 本系统中需要实时采集的参数有：绞车、泵冲、大钩悬重、转盘转速、立压、泥浆 密度、泥浆中的全烃含量等。从数据采集的角度可以分为三类：脉冲量信号参数( 转盘 转速、泵冲等) 、模拟量信号参数( 钻压、悬重、密度、扭矩等) 、绞车量参数。综合 录井仪器最为重要的数据采集部分由相应的三种不同的节点组成：脉冲量节点、模拟量 节点、绞车量节点。数据采集系统的整体结构框图如下图2 2 所示。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 c a n 总线 图2 2 数据采集系统的整体结构框图 f i 9 2 2d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mf r a m ed i a g r a m 基于c a n 总线的录井数据采集传输系统主要完成钻井现场录井数据的实时采集、传 输，并且将采集到的数据在上位机中作相应的处理，达到实时监控钻井现场的目的，在 此基础上由计算机作进一步的处理。系统数据采集部分的性能、准确度决定了整体的性 能和技术水平。 2 3 本章小结 本章介绍了综合录井仪需要监测的参数，分析了录井系统总体功能，并进行了整体 设计。详细阐述了基于c a n 总线的录井数据采集传输系统的结构组成、各部分具体实现 的功能。 第3 章数据采集模块电路设计与开发 第3 章数据采集模块电路设计与开发 为了实现在钻井过程中发现油气层、保护油气层、减少井下事故、提高综合勘探效 益的目的，需要实时、准确采集众多的现场数据。在c a n 总线型综合录井仪设计中，开 发了脉冲量数据采集模块、模拟量数据采集模块、绞车信号数据采集模块，完成数据实 时准确测量。 3 1 脉冲量节点数据采集模块的设计 录井数据参数中有许多脉冲量信号，例如泵冲信号、转盘转速等。录井现场使用的 泵冲传感器为两线制防爆型接近开关传感器。传感器具体参数为： 工作温度范围：4 0 1 0 0 额定工作电压：6 3 0 v 额定工作电流：2 1 0 0 i n a 垂直感应距离：s 1 2 砌m 最大工作频率：5 0 h z 现场传感器采用2 4 v 供电方式，产生低电平为3 v ，高电平为2 0 v 的脉冲信号。对 泵冲信号采集需要完成准确测量每分钟脉冲个数，由于脉冲信号的周期较长，设计中采 用首先测量其周期，然后得到每分钟脉冲个数的方式。 3 1 1 脉冲量节点数据采集模块核心部件选型 根据系统对脉冲量数据采集的功能要求，在设计中选择了a t m e l 公司的a t 8 9 s 5 2 型单片机作为主控制器。单片机( m i c r 0c o n 仃o l l e ru 1 1 i t ) 是把组成微型计算机的各功能 部件：中央处理器c p u 、随机存取存储器r a m 、只读存储器r o m 、i o 接口电路、定 时器计数器以及串行通讯接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算 机。由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要求制定设计的，故又叫单片微控制器 ( s i n g l ec 1 1 i pm i c r o c o n 仃o l l e r ) 【1 9 】。a t 8 9 s 5 2 主要性能如下： 与m c s 5 l 单片机产品兼容 8 k 字节在系统可编程f 1 a s h 存储器 1 0 0 0 次擦写周期 全静态操作：o h z 3 3 h z 三级加密程序存储器 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 3 2 个可编程i o 口线 三个1 6 位定时器计数器 八个中断源 全双工u 灿玎串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符 3 1 2 脉冲量节点数据采集模块硬件电路设计 在脉冲量节点数据采集模块设计中考虑到传感器的工作方式，接口采用两线端子， 其中一个端口为2 4 v 电源为传感器供电，另外一端口为信号线。现场信号经过经单门限 比较器调理后，可以将测量范围变宽，适合更多不同电源供电场合使用。合理搭配分压 电阻值可以测量出信号高电平大于5 5 v 的脉冲信号，提高了信号采集的抗干扰性。电 压比较器调理后的信号，经过高速光电隔离器6 n 1 3 7 做隔离处理，然后经施密特触发芯 片进行整形处理，将整形后的脉冲信号接入单片机a t 8 9 s 5 2 的t 1 端，测量脉冲信号周 期。模块采用光电隔离技术，输入输出双重保护，隔离电压1 0 0 0 v ，具有瞬变电压抑制 功能，能有效地防止雷击和共地干扰。脉冲信号采集节点原理图如下图3 2 所示。 叵回! 回 泵冲传感器 图3 2 脉冲信号采集节点原理图 f i 9 3 - 2 p u l s es i g n a la e q u i s i t i o nn o d ed i a g r a m 3 。1 3 脉冲量节点数据采集模块软件设计 脉冲量数据采集模块软件部分主要包括：看门狗初始化程序，单片机中断初始化程 1 3 第3 章数据采集模块电路设计与开发 序，脉冲周期测量程序。 为了能够测量出脉冲周期，使用了单片机a t 8 9 s 5 2 内部定时器0 、定时器1 。使用 定时器1 工作在计数状态下，实现来一个完整的脉冲可以产生一次计数中断。定时器o 工作在定时工作模式下，在系统使用1 6 m h z 晶振时，定时器0 产生一次中断的最长时 间长度可由公式( 3 1 ) 得出【2 0 】。 t s = ( 12 7 1 6 ) x 6 5 5 3 6 l o 川 q q 当定时器1 产生一次中断时，定时器0 开始计时，当定时器0 再次产生中断时，将定时 器1 计满中断溢出的次数t o u t ，以及当前定时器累加次数t h l ，t l l ，存放到发送缓冲 区中，通过c a n 总线发送到上微机。这样在上位机中可以由公式( 3 2 ) 计算得到此次所 测脉冲的周期 丁= 乃乃甜+ ( 聊2 5 5 + z z j ) d 7 5 j d “( 3 2 ) 脉冲周期测量流程图如下图3 3 所示。 图3 - 3 脉冲周期测量流程图 f i 9 3 3m e a s u r e i n gp u l s es i g n a ln o wc h a n 脉冲量数据采集程序首先对单片机进行初始化，包括看门狗初始化、单片机中断初 始化、定时器初始化。定时器初始化过程中设置定时器1 、定时器o 的工作方式，计数 或定时的初始值，为准确测量周期做准备。单片机定时器工作时，外部脉冲的下降沿将 触发计数。定时器计数器在每次下降沿时作“加1 计数，并在计满溢出时产生中断。 脉冲量数据采集流程图如下图3 - 4 所示。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 开始 看门狗初始化 单片机中断初始化 单片机定时器初始化 c a n 总线初始化 脉冲周期测量 数据存入发送缓冲区 喂狗程序 图3 - 4 脉冲量数据采集流程图 f i 9 3 - 4 p u i s es i g n a la c q u i s i t i o nn o wc h a r t 3 2 模拟量节点数据采集模块设计 录井过程需要监测的现场参数中有众多的模拟量信号，例如：全烃含量、悬重、钻 井液入出口密度、钻压、立压等。它们是其他众多钻井参数和钻井过程状态判断的重要 依据，必须实时准确的将这些参数检测进机。传统的录并仪器中对模拟量的信号只进行 了简单的调理，通过一个精密的采样电阻将4 - 2 0 i i 谯的模拟量电流信号转换位d 需要 的电阻值，进行模数转换，然后采集进计算机进行处理【2 1 1 。为了能够实现模拟信号的高 精度数据采集，在设计中采用了以单片机为核心控制芯片，以高精度线型光电耦合芯片 完成信号电流到电压转换，以1 6 位高精度加完成模数转化的方案。 3 2 1模拟量节点数据采集模块核心器件选型 在录井现场中存在各种信号干扰，在模拟量采集过程中，各种干扰信号都会随着被 测量信号进入采集系统，这些信号迭加在有用的被测信号上会使测量的准确度降低，造 成采集到的数据不能真实反映所代表的物理量。为了提高采集的准确度必须将被测电路 和控制电路在电气上实现隔离，隔离放大器法和光电隔离法是两种常用的模拟信号隔离 方法。隔离放大器内部集成有高性能的输入输出放大器、调制解调器、信号耦合变压器 1s 第3 章数据采集模块电路设计与开发 等单元器件，通常采用磁耦合方法使放大器的输出和输入之间没有电气联系，从而隔离 了干扰源，抑制了干扰信号，完成对信号的放大。隔离放大器具有完全浮动的输入端和 独立隔离的输出端，并有良好的线性度和稳定性，还有较高的隔离电压和共模抑制比。 但是隔离放大器的价格比较高，只适用于要求较高的场合。 光电隔离是常用且方便有效的隔离方法，它是通过光电之间的相互转换，并利用光 作为媒介进行信号传输，在电气上使测量系统与现场信号完全隔离。光电隔离可以减小 现场信号线以及地线干扰对系统的影响，保证系统安全。此外，由于光电耦合器的输入 阻抗小于干扰源的内阻，因而使迭加于被测量信号上的干扰信号被极大地衰减，基本无 法进入测量系统，从而保证测量的准确度。光电隔离分为数字光电隔离和模拟光电隔离 两种，数字光电隔离模拟信号成本低，但由于数字光隔本身的非线性，使得这种隔离电 路线性度不高，只适用于要求不太高的场合。而模拟光电隔离器在结构上比隔离放大器 简单，价格比隔离放大器低，其使用的光电器件的材料和工艺与数字光电隔离器不同， 线性度比数字光隔有相当大的提高。