（控制理论与控制工程专业论文）综合录井仪研制.pdf

石油大学( 华东) 硕士研究生论文摘要本论文设计开发了一种基于总线技术的新型录井仪模块化总线型综合录井仪。该监控系统不仅能够提供准确齐全的钻井参数，为精细钻井和录井信息评价服务，同时，设计开发的录井专家系统能够实时准确地对钻井过程进行状态判断、油气预测和工程事故报警，指导钻井生产。针对国内外录井仪存在的缺陷和不足，本论文主要完成以下研究工作：1 、实现分布式总线型模块化体系结构设计，硬件系统采用分布式结构、总线型连接，突出了系统的抗干扰能力，提高了系统的可靠性。2 、实现d a s ( 数据采集系统) 模块化设计，研制开发了各种采集模块及气体多量程检测系统，提高了数据采集系统的处理速度和系统的开放性。3 、实现了系统小型化、便携化，使得本监控系统便于设备的运输和安装使用。4 、设计开发监控软件，主要包括联机软件、脱机软件及录井专家系统的设计开发，实现了各种参数的实时采集、动态显示、数据综合、存储、输出及当前钻井信息的分析与判识。项目于2 0 0 3 年3 月通过山东省科技厅鉴定，成果达到国际先进水平。关键词：录井仪模块化总线型小型化专家系统石油大学( 华东) 硕士研究生论文1 1a b s t r a c tt h ed e v e l o p m e n to fm u d - - l o g g i n gi n s t r u m e n tan e wi n s t r u m e n t t h em o d u l a r i z a t i o nm u d l o g g i n gi n s t r u m e n tb a s e do nn e t w o r k b u st e c h n o l o g yisp r e s e n t e di nt h ep a p e rt oi m p r o v ed o m e s t i ca n df o r e i g nl o g g i n gu n i t s t h el o g g i n gi n f o r m a t i o no b t a i n e df r o mt h ed e v e l o p e ds y s t e mc a nb eu s e dt oe v a l u a t ed r i l l i n ge n g i n e e r i n ga n dm a k ed e c i s i o ni nt h ea r e ao fo i la n dg a se x p l o i t a t i o n v a r i o u sr e a l t i m es t a t u s e scanb ea c c u r a t e l yd i s t i n g u i s h e db yr u n n i n gl o g g i n ge x p e r ts y s t e mt os u p e r v i s et h ed r i l l i n go p e r a t i o n d i s t r i b u t e ds y s t e ms t r u c t u r e ，c o m p u t e rn e t w o r k b u st e c h n o l o g y ，m o d u l a r i z a t i o nd e s i g ni nt h e d a sa n dh a r d w a r em i n i a t u r i z a t i o na r ea p p l i e di nt h es y s t e m ，s ot h a tt h es y s t e mi sm o r er e l i a b l e ，p r o c e s s e sr a p i d l ya n dc o m b i n e sm o r ec o m p a t i b l ya n dc o n v e n i e n t l y t h es y s t e ms o f t w a r ec o n s i s t so fo n1 i n es o f t w a r e ，o f fl i n es o f t w a r ea n dl o g g i n ge x p e r ts y s t e m t h eo nl i n es o f t w a r eg a t h e r sr e a l t i m ed a t a ；t h eo f f1 i n es o f t w a r ep r o c e s s e sa n do u t p u t st h ed a t as a v e di nh i s t o r yd a t a b a s e ；t h el o g g i n ge x p e r t s y s t e mm o n i t o r sa n dd i s t i n g u i s h e st h es t a t u e so fd r i i i i n ge n g i n e e r i n g t h es y s t e ms o f t w a r ei sf l e x i b l ei nc o n f i g u r a t i o n ，p o w e r f u li nf u n c t i o na n ds i m p l ei no p e r a t i o n t h em o n it o r i n gs y s t e mh a sb e e nc h e c k e da n da c c e p t e di nm a r c h ，2 0 0 3b yt h et e c h n o l o g yd e p a r t m e n to fs h a n d o n 晶a n de a c ht e c h n i c a li n d e xh a sr e a c h e dt h ew o r l da d v a n c e dl e v e l k e y w o r d s ：m u d - l o g g i n gi n s t r u m e n tm o d u l a r i z a t i o nn e t w o r k - b u sm i m a m r i z a t i o ne x p e r ts y s t e m独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：堇滩潮哆年r月习e l关于论文使用授权的说明本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密论文在解密后应遵守此规定)学生签名：导师签名：兰湟牲函噼年f月刎日。跏年r月j 日石油大学( 华东) 硕士研究生论文概述第一章概述“- 2 3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施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。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。录井作为石油勘探开发领域的专业技术服务公司，相比较而言技术发展比较晚，科技实力、装备和资金相对较薄弱。进入2 l世纪后，面对石油供需关系的变化，国内石油进出口量逐年递增，缺口日益加大的形势，中国石油工业的发展战略已转向实旋低成本和靠科技进步加快发展的战略。国际上从事录井技术服务的公司总数仅占中国的一半，而排在前三位的美国的b a k e rh u g h e si n t e q 录井公司( 占世界录井服务市场的4 0 左右) 、法国的g e o s e r v i c e 录井公司( 占世界录井服务市场的3 0 左右) 、美国的h a l l i b u r t o n 录井公司( 占世界录井服务市场的2 0 左右) ，他们的服务业务总和却占国际录井市场的9 0 以上。国际上的石油勘探开发技术服务公司的产业组织，都有一个共同的特点：即科、工、贸一体化，科研、技术和产品开发、仪器研制生产、作业服务、资料处理、解释一条龙的综合技术服务。1 1 录井技术的历史与发展趋判3 - 5 1随着油气勘探和工程施工难度的加大，人们对及时发现和预测油气层、并及时获取钻头位置的各种地质、工程信息更加关注，从而促使录石油大学( 华东顾士研究生论文概述井技术由简单的地面观察记录通过引进电子技术、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( l w d ) ，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，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。综合录井仪是在随钻录井和钻井过程监控的一种新型石油勘探辅助仪器，它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施工提供决策所需的依据和数据，是发现油气藏、评价油气藏最及时、最直接的技术手段，具有获取地下信息及时、多样、分析解释快捷的特点。录井技术是在地质录井基础上发展起来的，初期的录井服务包括深度测量、地质描述以及使用催化热导检测仪( c f d ) 或氢火焰离子化检测仪( f i d ) 进行的气测录井服务。随着找油找气难度的增加、油公司对提高钻井效率的重视和对安全与环保问题的关注以及现代电子学和计算机技术的应用，从而使得录井技术得到了较快的发展。国外的发展现状【1 9 j录井技术在国外应用较早，技术也处于领先。随着石油工业的复兴和计算机技术的应用普及，录井技术有了快速发展，先后出现了几种新型的综合录井仪，如法国g e o s e r v i c e 公司的t d c 、a l s - i ( g e o - 5 0 0 0 ) 、a l s 一2 ( g e o 一6 0 0 0 ) 、美国i n t e g 公司的d r i l l b i ，美国h a l l i b u r t o n 公司的g e o r a m a 、s d l 、s d l 一9 0 0 0 和加拿大c a t a l o g 公司的d a t aw i z a r d 等。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，目前世界录井技术发展的主要特点如下：石油大学( 华东) 硕士研究生论文概述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 综合录井仪已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 一2 的相互联网的6 台计算机。9 录井设备有向小型化、模块化发展的趋势。由于大型仪器服务价格昂贵，其安装、接线、排线费时费力，且占用较大的井场面积。小型化、模块化系统是今后录井设备改进和发展的必然趋势。国内录井仪发展现状【6 8 1石油大学( 华东) 硕士研究生论文概述8 5 年我国大量引进了t d c 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 一2 、i n t e g 公司的d r i 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 a r d s 等综合录井仪。目前国内总体处于一种消化吸收国外录井技术的阶段，通过对国外录井技术的消化吸收，国内厂家也在尝试着研制录井设备。国内的综合录井仪的设计基本以仿制为主，而且基本上是在t d c 综合录井仪模型上进行仿制，仪器性能的稳定性、参数量、精度以及软件等方面都跟不上国际先进水平。目前，我国各油田采用的钻井现场录井方法有气测录井、地化录井、综合录井等。考虑到实用性和经济性，油田使用最广泛的有两种仪器：一是代表气测录井方法的s q c - 8 8 2 色谱气测仪，是定性地分析从泥浆中脱附的气态烃。近几年来在仪器检测精度、功能上有了很大的发展，已成为油田勘探不可缺少的技术手段；另一种是代表岩屑录井方法的d h 一9 1 0 地化录井仪，是直接对岩屑进行定量分析其含油量，结果真实、可靠，是目前唯一的定量录井方法。以上这些录井方法及录井设备尽管都在往微机化、智能化、机电一体化上发展，但仍未逃脱单一功能的束缚，未从根本上解决我国录井现状相对落后的局面。近几年国内录井技术有了长足的发展，主要表现：1 气测录井技术取得重大突破：现在的气测录井技术较传统技术有了很大的发展，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石油大学( 华东) 硕士研究生论文概述目的。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- - 4 , 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。综合录井仪的成本过高，服务费用相应巨大，不适合我国的录井服务行业。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：1 仪器大型化，不便运输：几乎所有的录井设备采用以气测为主的模块拼装结构，安装在大的集装箱内，造成运输不便，且占用很大的井场石油大学( 华东) 硕士研究生论文概述面积。2 仪器信号采集与处理过于集中：传统的录井设备几乎全部采用集中式数据采集系统，把整个监控系统的十几个控制回路，以及上百个过程变量的测量、处理、显示和操作等都集中在一台计算机上，一旦计算机的核心部分( 如c p u 、过程输入输出等) 发生故障，轻者影响生产，重者损坏设备。3 功能组合不灵活：针对不同的地区、不同的任务，即使只需要对很少的几项参数进行录井，也需要把整个综合录井仪拉到井场，造成了资源的浪费和加快了仪器的折旧。4 录井系列不健全：目前，大部分油田只注重探井的数据采集与系统监控，很少注意生产并的钻井参数，且后者在油田钻井开采中占有很大的比例，而其录井技术还停留在原来的水平上：手工测量井深、钻时，手工整理所有的地质录井资料，并且反映油气显示的基本指标一全烃含量也不能测量，录井资料的及时性、准确率都大大降低。基于以上原因，石油大学信息与控制工程学院受山东省科技局委托，设计开发具有较高精度、性能稳定、易于操作的模块化总线型综合录井仪，实现录取钻井参数的数字化操作系统，监测井下全烃含量。实时记录钻压，监测地层压力、钻具等，辅助钻井，发现遗漏的油气层。1 2 本课题的研究意义录井技术在井场的综合运用，极大的推动了钻井过程综合录井仪的发展。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、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控的一种新型石油勘探辅助仪器。它6石油大学( 华东) 硕士研究生论文概述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旅工提供决策所需的依据和数据，是发现油气藏、评价油气藏最及时、最直接的技术手段，具有获取地下信息及时、多样、分析解释快捷等特点。综合录井仪的发展在国外应用较早，技术也处于领先。9 0 年代后，随着石油工业的发展和计算机技术的应用普及，综合录井仪有了快速发展，先后出现了几种新型的综合录井仪，如法国的a l s 一2 、美国的d r i l l b i和加拿大的d a t aw i z a r d 等。八五年我国引进了t d c 综合录井仪，标志着我国综合录井仪在钻井生产过程的应用。目前国内总体处于一种消化吸收国外录井仪的阶段，通过对国外综合录井仪的消化吸收，目前国内厂家也在尝试着研制综合录并仪，其中以上海神开公司制造生产的s k i z o i 型综合录井仪为代表。国内综合录井仪的设计基本以仿制为主，而且基本上是在老的t d c 综合录井仪模型上进行仿制，仪器性能的稳定性、精度以及软件功能等方面都跟不上国际先进水平。同时国内开发的录井仪器由于其性能价格比低、适用性差，难以满足现场生产要求。模块化总线型综合录井仪为克服以上录井仪器的种种不足而研制开发的，以满足钻井生产过程的各种录井任务。综合录井仪所涉及的技术包括钻井工程、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。目前国内外各种综合录井仪的联机脱机处理软件功能日趋统一和完善。但配套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，尤其是钻井现场的每个测控参数都要求必须用一根电缆线直接连接到录互塑查堂f 兰查2 堡主里塞兰堡塞堡堕井数据处理计算机中。几十个现场测控参量所用电缆线成本昂贵，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。针对集中式数据采集系统所存在的问题，本课题提出分布式数据采集设计思想，进行分布式总线型模块化录井数据采集系统的研制开发。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、转换由相应的系列模块进行处理，用一根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。采用分布式结构，大大提高系统的可靠性；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，从面也提高了综合录井仪的整体性熊。1 3 本课题的主要研究内容及成果模块化总线型综合录井仪主要实现了钻井技术参数的实时采集和控制功能，实现了以井深为纵坐标的录取参数的全自动化、数字化，可较好的监测地层压力异常、钻具异常，有助于发现遗漏的油气层，帮助卡准层位。针对传统的综合录井仪和集中式数据采集系统所存在的问题。我们提出分布式录井数据采集系统设计思想，进行分布式总线型模块化录井数据采集系统的研制开发。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、转换由相应的模块进行处理，用一根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。采用分布式结构，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，节约电缆，现场安装便石油大学( 华东) 硕士研究生论文概述捷；系统小型化，安装连接快速高效，携带方便，适用于各种钻井现场；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，从而也提高综合录井仪的整体性能。模块化总线型综合录井仪实现的主要功能是对现场信号进行采集、转换( a d 、d a ) 、信号处理、参数的实时显示、数据的保存等。通过传感器将钻井现场的物理量转换成电信号，对应模块对传送来的数据进行信号调理，将信号放大或衰减、滤波、整形或调整电平，使之满足a d转换器或计算机的输入要求。由a d 模块将模拟电信号转换成时间、数值上量化且离散的数字量输入计算机系统。系统采用计算机r s 4 8 5 通讯技术，能很好地适应现场环境要求。研究成果模块化总线型综合录井仪应用于钻井现场，作为工业监控计算机系统，能够实时提供各种数据采集和控制功能。本监控系统现已成功投入到钻井现场使用，效果良好，能够适合于各种井场的使用和技术要求。模块化总线型综合录井仪在硬件和软件都经过严密的考虑、论证，采取很好的抗干扰措施，确保系统的可靠性、稳定性。实时跟踪井深，精度可达0 1 ，且具有井深矫正系数，对现场出现异常或由于操作人员的误操作而引起的误差进行矫正，实时跟踪大钩位置，精确计算迟到时间，实时显示钻压，准确跟踪转盘的转速，精确测量上米的钻时，自动跟踪井下全烃的含量，存储滤波后的最大值，并通过实时曲线、历史曲线显示动态趋势。本系统的监控画面见附录。本系统充分考虑到钻井现场工作条件的恶劣情况，具有自诊断、自恢复功能，可对现场采集模块实行诊断和功能恢复。实现了计算机自动检测现场传感器硬件的功能，改变了过去因传感器失灵而影响生产的事石油大学( 华东) 硕士研究生论文概述故发生。运用软件更改硬件的思路，通过更改软件检测通道，只需在控制室改变接线端子即可完成损坏硬件的修复工作。针对不同录井任务的需要，对于现场所需的参数也不同，本套系统可另加自定义参数的实时监测，满足现场要求。平。本项目于2 0 0 3 年3 月通过山东省科技厅鉴定，成果达到国际先进水1 0石油大学( 华东) 硕士研究生论文相关技术发展及应用第二章相关技术发展及应用模块化总线型综合录井仪系统采用分布式总线型体系结构，采用分布式结构，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，节约电缆，现场安装便捷；系统小型化，安装连接快速高效，携带方便，适用于各种钻井现场；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。2 1 分布式处理系统的发展及优越性1 0 - 1 1 】随着科学技术的发展，企业中的生产工艺和流程日趋复杂，对工业生产自动化的要求越来越高，这推动着计算机控制系统的迅速发展。六十年代，工业生产过程逐渐大规模化、复杂化，要求控制系统既能处理大量数据，又能实现高级控制，于是人们开始将计算机用于过程控制，产生了计算机控制系统，为生产过程控制开辟了一条新的途径。此时的计算机控制系统是属于计算机集中控制，当时它虽然取得了成功，但也暴露了它本身存在的致命弱点，即危险集中。因为它把整个生产流程的几十个，甚至几百个控制回路，以及上千个过程变量的测量、处理、显示和操作等都集中在一台计算机上，一旦计算机的核心部分( 如c p u 、过程输入输出等) 发生故障，轻者影响生产，重者损坏设备。如果采用一台计算机工作另一台计算机备用的双机系统，则可提高可靠性，但成本太高，难以推广应用。基于“危险分散”的设计思想，将控制部分分散，而将操作显示部分集中，这就是分布式的计算机控制系统。分布式计算机控制系统是七十年代中期出现的新技术，它奠基在计算机网络技术的发展之上。它是一个由多个子系统组成的系统，每个子系统都由各自的计算机来控制管石油大学( 华东) 硕士研究生论文相关技术发展及应用理。各子系统按各自的目标运行，而整个系统的目标和任务又事先按一定方式分配给子系统，子系统之间可以进行信息交换。分布式计算机控制系统既包含了子系统的分散性，又包含了对子系统的综合性。在这样的运行方式下，任何一个子系统可以独立完成其既定的功能，而不依赖于其它子系统。如果任何一个子系统发生故障或离线维修，也不会造成整个系统的瘫痪。相对于计算机集中控制系统，分布式计算机控制系统使危险分散，提高了可靠性。目前国内的大型工厂或装置大多已采用了分布式计算机控制系统，而一些中小型的企业中仍然采用计算机集中控制系统。本课题中的操作系统由于需监控的数据量不是很大，如仅使用一台计算机对所有传感器进行数据采集、监督控制和监视操作，使计算机的负载较重，危险集中，维护不方便。计算机出现任何故障或需要维护时都必将影响整个钻井生产，影响到钻井工程的经济效益。为提高系统的可靠性，以适应新的竞争模式下的市场对综合录井设备安全、平稳运行的要求，模块化综合录井仪采用总线型体系结构，极大的提高了系统可靠性和稳定性，系统硬件简单，节约电缆，现场安装便捷。系统小型化，安装连接快速高效，携带方便。2 2 数据采集1 1 2 - 1 4 1大规模集成电路与电子计算机的普及应用推动了科技的进步。为了把需要处理的信息输入给计算机，并由计算机处理将结果输出到所需的场所，就需要一系列的输入、输出设备来完成信息的调理、采样、a d 、d a 转换、打印、显示等工作。这些处理信息的输入输出设备与计算机一起构成了一个数据采集与处理系统( d a s ) 。数据采集系统的结构随其石油大学( 华东) 硕士研究生论文相关技术发展及应用用途不同而不同，但大体上均是由传感器、信号调理器、多路开关、采样保持、模数转换、数字锁存等组成。数据采集是计算机应用的一个重要分支，主要研究信息数据的采集、存贮、处理及控制等内容。7 0 年代以来，由于微机技术的快速发展及其在军、民用工程领域的广泛应用，尤其是适于通用微机( 如工业p c 机) ，使用的板卡级数据采集产品的大量出现，以微机为核心的可编程数据采集技术得到迅速发展。现在的微机，只需在其扩展槽内插上一块数据采集板，并辅以应用软件，即可组成一套微机数据采集与处理系统，实现信息处理和实时控制功能。模块化总线型录井仪实现的原理是对现场传感器信号进行实时采集与处理。通过传感器把物理量转换成电信号，对送来的数据进行信号调理，将信号进行相应的放大或衰减、滤波、整形或电平调整，使之满足a d 转换器或计算机的输入要求。由a d 模块将模拟电信号转换成数值上量化且离散的数字量输入计算机系统。采用计算机通讯技术，能很好的适应现场的恶劣条件。2 3 信号处理【1 5 。1 7 】所谓信号处理就是对所采集的数据进行变换，通常是将一个信号变换成在某种意义上比原始信号更合乎要求的另一种信号形式。通常，所采集到的数据是被测目标的某些物理量经过非电量到电量的转换，又经过放大或衰减、采样、编码、传输等环节之后所呈现出来的一种数据格式。这种数据不直观，没有明确的物理意义，必须把它恢复成原来的物理形式，这是数据处理的首要任务。另外，在上述各环节中由于设备不理想，以及外界干扰、噪声的影响，都或多或少地在采集石油大学( 华东) 硕士研究生论文相关技术发展及应用到的数据中引入一定的误差。因而数据处理的另一任务就是采取各种方法( 如剔除奇异项、平滑滤波、数字滤波等) 最大限度的消除这些误差，以尽可能精确的获得现场数据。数据处理的另一任务是对数据本身进行某些加工变换( 如：求均值或做傅立叶变换等) 或在有关的数据之间进行某些相关的运算( 如计算相关函数) ，从而得到某些更能表达该数据内在特征的二次数据。数据处理可分为联机处理( 实时处理) 和脱机处理( 事后处理) 两种。一般讲，联机处理( 在数据采集系统工作的同时，对数据进行某些处理)由于处理时间是受限的，因而只能做一些简单的、粗略的、基本的处理，能处理的数据量也是有限的，主要是为了提供一些用以实时监控的数据，其通常处理的有校准和刻度变换等。而脱机处理由于处理时间不受限制，因而可以做一些较为复杂的处理。本系统中联机处理采用了对采集量求均值和两点标定的方法实现实时监测；脱机处理采用了平滑滤波技术和计算相关函数进行处理，采用自适应滤波的原理，利用所测得的数据，对信号模型和噪声参数进行实时追踪估计，通过系统的输出反馈到自适应滤波器，对自适应累加器的权值进行实时修改，使系统输出的噪声功率最小，从而实现实时抑制噪声的目的，使有用信号和干扰信号分离，保证历史曲线和历史数据库的准确性。1 4 石油大学( 华东) 硕士研究生论文系统功能分析级总体设计第三章系统功能分析及总体设计本章主要是通过对常规综合录井仪的功能进行分析，确定模块化总线型综合录井仪的检测参数，建立基本系统，并在此基础上，提出设计方案，通过方案综合确定系统的设计方案。3 1 系统的功能分析1 8 2 5 】对常规综合录井仪的功能进行分析，有助于掌握综合录井仪的技术内核，抓住主要矛盾，设计出完善的录井设备。通过对国内外的综合录井仪的研究分析，结合录井现场人员的工作经验，我们总结出综合录井仪的核心是钻井工程服务和地下油气发现。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。模块化总线型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。通过对国内外综合录井仪的分析和钻井现场基本情况的调研，结合现场要求，可确定录井服务的最小功能要求：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) 6 习为主要指标。所以模块化总线型综合录井仪需石油大学( 华东) 硕士研究生论文系统功能分析级总体设计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，这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。3 2 系统的总体设计【2 6 _ 2 7 】目前常规的综合录井仪是一种典型的集中式数据采集系统，目前国内外普遍装备的这种系统都由现场传感器、接口箱与计算机设备组成。由于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，这样就有多达几十根的信号电缆，这就加大了现场出现事故的概率。集中式数据采集系统把整个监控系统变量石油大学( 华东) 硕士研究生论文系统功能分析级总体设计的测量、处理、显示和操作等都集中在一台计算机上，一旦计算机的核心部分( 如c p u 、过程输入输出等) 发生故障，轻者影响生产，重者损坏设备。为实现录井仪的小型化和模块化，我们研制模块化总线型综合录井仪，使用数据采集模块实现信号采集，采用串口通讯，利用r s 2 3 2 4 8 5转换模块实现信号的传输，实现电缆线数目的极大减少，从而加大抗干扰的能力。模块化总线型综合录井仪实现模块化、开放化。可以方便的自由组合实现检测参数的功能扩展，自由挂接各种录井设备及仪表。系统的总体框图如图3 1 所示。图3 1 分布式总线型模块化录井仪系统功能结构图石油大学( 华东) 硕士研究生论文系统功能分析级总体设计本系统主要包括如下几部分：1 数据采集系统设计：系统主要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。2 全烃气体检测仪设计：完成从钻井泥浆脱出的烃类气体的全量检测。3 软件系统的编制：完成现场模块的数据采集、信号处理、参数标定、历史存储、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。模块化总线型综合录井仪主要实现了钻井技术参数的实时采集和控制功能，并将现场采集的数据经过信号处理后采用计算机通讯技术传送给计算机作进一步处理。所以数据采集系统的性能和精度决定着系统整体性能和技术指标。分布式录井数据采集系统结构图如3 2 所示：图3 2 分布式总线型模块化录井数据采集系统结构图数据采集系统的基本组成框图如图3 3 所示。石油大学( 华东) 硕士研究生论文系统功能分析级总体设计”脉冲模块j+ 图一圈一图|r 气测模块一i坚斗圜一圈一圜|图3 3 数据采集系统基本组成框图1 9 一匣二画一斗一笪圈圈石油大学( 华东) 硕士研究生论文系统硬件体系结构第四章系统硬件体系结构随着科学技术的发展，工业生产过程逐渐大规模化、复杂化，要求控制系统既能处理大量数据，又能实现高级控制，于是产生了计算机控制系统，为生产过程控制开辟了一条新的途径。此时的计算机控制系统是属于计算机集中控制，当时它虽然取得了成功，但也暴露了它本身存在的致命弱点，即危险集中。一旦计算机的核心部分发生故障，轻者影响生产，重者损坏设备。如果采用一台计算机工作另一台计算机备用的双机系统，可提高可靠性，但成本太高，难以推广应用。基于“危险分散”的设计思想，将控制部分分散，而将操作显示部分集中，这就是分布式的计算机控制系统。它是一个由多个子系统组成的系统，每个子系统都由各自的计算机来控制管理。分布式计算机控制系统既包含了子系统的分散性，又包含了对予系统的综合性。在这样的运行方式下，任何一个子系统可以独立完成其既定的功能，而不依赖于其它予系统。如果任何一个子系统发生故障或离线维修，也不会造成整个系统的瘫痪。相对于计算机集中控制系统，分布式计算机控制系统使危险分散，提高了可靠性。本课题中的数据采集系统( d a s ) 如果使用了一台计算机对所有传感器进行数据采集、监督控制和监视操作，危险集中，维护不方便。为提高系统的可靠性，以适应录井服务竞争模式下的市场经济，我们采用模块化总线型体系结构，系统采用分布式结构、总线型连接、模块化设计提高数据采集系统的处理速度和开放性，使系统扩充方便快捷，降低维护维修工作量，从而也提高综合录井仪的整体性能。4 1 模块化总线型系统硬件设计 2 8 - 3 1 , 3 5 】石油大学( 华东) 硕士研究生论文系统硬件体系结构模块化总线型综合录井仪主要由钻井现场传感器、气铡仪、接口箱和计算机及其外围设备组成。现场传感器：绞车传感器、泵冲传感器、转盘转速、悬重传感器、立管压力、泥浆入口密度传感器、泥浆出口密度传感器等。气测仪：氢气发生器单元、空气压缩机单元、全烃检测器。接口箱：防爆箱、航空接头、a d 模块、计数模块、d i d o 模块、绞车鉴相模块、通讯转换4 8 5 模块。计算机：由于录井现场条件恶劣，且机器需要长时间不问断的运行，我们选择性能较好的研华工控机。硬件总体框图如4 1 所示：g 。l 一一一、lm i k 1 惫重寺传恐器卜一7 l 模块援口褶1 1绞车等传感器f t ：爿模块接口箱 -工控 c h o + + e 形成的c h o _ 与火焰中大量水蒸气碰撞发生分子一离子反应，产生 k o + 离子：c l i o + + h ：o 一 h 。o + c o化学电离产生的正离子( c h o + 、h 。o + ) 和电子( e 一) 在外加1 5 0 3 0 0 v 直流电场作用下向两极移动而产生微电流。氢火焰电离检测器对大多数有机化合物有很高的灵敏度，故对痕量有机物的分析很适宜，但对在氢火焰中不电离的无机化合物，例如c o ，石油大学( 华东) 硕士研究生论文系统硬件体系结构c 0 2 ，s 0 2 ，n 2 ，n h 3 等就不能检测，所以这些不电离的无机化合物对氢火焰电离检测器分析没有响应。在电路部分增加可编程放大器，系统根据测量信号自动切换量程。考虑到不同的油井或在开发过程中不同时期，总烃含量的量程范围变化较大( 如2 1 0 0 0 0 0 0 p p m ) ，若采用同一种放大系数也即气测仪的量程范围势必造成较大测量误差，为此，选取可编程运算放大器。根据气测仪的输出范围( o 1 0 r ) 由计算机判断比较后自动选取设定合适的测量范围，从而保证测量精度。结构原理框图如下：图4 1 0 氢焰离子检测系统结构下面把流程图中除了氢焰离子检测器( f i d ) 外的主要零部件作一下简单介绍。l 、稳压阀稳压阀在气路中用于稳定气体的输出压力，即使输入压力波动，亦能使输出压力保持不变。稳压阀的输入压力与输出压力必须有一个压力差，这个压力差不能小于0 0 5 m p 。2 、气阻气阻具有针形阀的作用，它是用来控制气体流量大小的，它的阻尼石油太学( 华东) 硕士研究生论文系统硬件体系结构量是不可调的，机械结构上活动部件少，所以气阻的可靠性要比针形阀高得多，经得起振动和冲击。3 、净化器净化器的作用是对载气及f i d 的辅助气体进行纯化，除去其中的水分、烃类、油污等杂质，避免或减小检测器的噪声，从而提高仪器的稳定性和灵敏度。净化器内常用的吸附剂有硅胶、活性炭、分子筛等，使用一段时间后，吸附剂就会失效，因此，要注意更换。微电流放大电路设计：气测微电流放大器的作用主要是完成将离子室的微弱电流转换成a d 可以检测的电压。微电流放大器输入端直接连接离子室，放大器的放大倍数有反馈电阻决定。作为放大器的输入信号，在电流大小一定时，反馈电阻的数值越大，在电阻两端产生的电压降就越大，灵敏度就越高。微电流放大器主要由a d 5 4 9 放大器，精密电阻网络，增益切换电路，自动增益切换控制电路，二级放大电路、射极跟随器组成。其原理框图如下图所示：图4 1 l 微电流工作原理框图由于需要检测的天然气浓度为2p p m - - 1 0 0 0 0 0 0p p m ，覆盖5 个数量级，放大器为了能够保证检测到最小检测量2p p m ，又要保证1 0 0 的浓度输出为l o v 。因此，在整个动态范围内，将放大器增益分为1 0 9 ，1 0 8 ，1 0 7 对应的放大反馈电阻为1 0 g q 、1 g q 、1 0 0 m o 三档来进行工作。增益切换由上位机根据信号进行切换控制。控制信号为两根数字信号线。信号对应表及增益自动控制流程图如图4 1 2 所示。表4 1 控制信号增益对应表控制信号对应增益0 01 0 90 11 0 81 01 0 7图4 1 2 气测增益自动控制流程图表空气压缩机设计：空气压缩机作用是为气测提供载气和帮助燃烧。其主要关键指标为最大产生压力、气体中含油量。设计时同时要考虑到体积的限制( 要与h z 发生器和气体检测仪合在一起) 。空气压缩机主要由h p 空压机、油水分离器、压力开关和气瓶组成。空气压缩机的整体结构如图所示：图4 1 3 空气压缩机原理框图空气压缩机将压缩空气送到油水分离器，通过油水分离器将气源中的可能存在的油进行去除，然后送到储气瓶。储气瓶起到气体存储和缓石油大学( 华东) 硕士研究生论文系统硬件体系结构冲的作用。当气瓶中的压力达到规定压力后，通过压力开关切断压缩机电源关断其工作。氢气发生器设计：h 2 发生器为高纯度h 2 发生器，要求氢气纯度达到含氧量小于3 p p m 。其工作原理是以电解法产生氢气，它以氢氧化钾或氢氧化钠水溶液为电解液，以贵重金属作电极，采用膜分离技术将氢气和氧气彻底分离，并在电解池中采用了过渡族金属催化技术，使氢气纯度含氧量小于3 p p m 。原理框图如图4 1 4 所示。图4 1 4h 2 发生器原理框图主要技术参数：1 )氢气纯度9 9 9 9 9 ( 含氧小于3 p p m )2 ) 氢气流量：o 2 0 0 m l m i n3 )输出压力：o o 2 5 m p a4 )供电电源：2 2 0 v ，5 0 h z5 )消耗功率：1 5 0 w6 ) 环境温度：一2 5 4 0 c传统的气体检测仪的主要是空压机、h 2 发生器、检测仪分体组成。如果按照如此的封装模式，那模块化总线型综合录井仪的体积将非常大，为了实现系统的小型化，在设计三者时，考虑到了体积设计，对体积要求非常严格。整体封装的采用了三块合一的方式。为了减少相互干扰，石油大学( 华东) 硕士研究生论文系统硬件体系结构三者采取了分开供电的方式。另外考虑到检修的方便，三者分别采用了抽屉式的模块化结构。这样既节省了体积又实现了模块化。气体检测仪室内实验数据( 1 0 9 档) 如下表所示。表4 2 气体检测仪室内实验数据样品气体浓度( p p m )输出电压值( m v )221 02 61 0 02 2 05 0 08 3 01 0 0 01 4 4 05 0 0 05 5 0 0l o o o o1 0 0 0 0图4 1 5 气体检测仪工作曲线气测仪采用氢气发生器产生的氢气作载气，用空气压缩机产生的空气作助燃气体。样品气经干燥和过滤后，由样品泵吸入，经稳压稳流后，直接进入f i d 进行天然气总量的检测。f i d 的检测原理是载气、样品气进入检测器的离子室，通过燃烧产生电离，在两极间直流电压的电场作石油大e c ( f # 东) 硕士研究生论文系统硬件体系结构用下，产生定向运动形成微弱的离子流，经微电流放大器放大后产生相应的电压。电压信号通过模拟采集模块采集处理后，进入工控机，经过信号处理、标定后，在对应画面上实时动态显示。