导向钻井地面指令下传及信息回放系统界面毕业论文.doc

毕业设计论文）任务书题 目导向钻井地面指令下传及信息回放系统界面设计设计（论文）内容及基本要求在旋转导向钻井作业过程中，井下导向工具根据地面控制系统发送的控制指令控制轨迹按预定的设计轨迹逼近靶点（区）。导向钻井信息地面回放系统是整个下行系统的起始单元和控制中心，向地面人员显示基本的、直观的钻进信息，并提供各种下行控制指令，使现场工程技术人员清楚的掌握和分析钻头所在位置以及井下导向工具对井眼轨迹的控制情况，实现地面人员对井下导向工具进行监控。1. 简单了解下行通信地面控制系统的基本原理。2. 学习了解各类人机交换界面设计程序的特点及优缺点。3. 完成相关资料检索和开题报告。4. 应用MATLAB进行人机交换界面设计程序。5. 进行导向钻井信息地面指令下传界面和数据回放界面总体设计。6. 地面指令下传界面具有下传控制指令发送功能，能显示出当前指令的5位有效指令脉宽。7. 数据回放界面能显示井下存储的有效信息，如工具面角、井斜角、泥浆排量、井下温度、涡轮电机电压等信息，并作出各自的曲线，并能存储。8. 完成论文的写作和15000字符以上的英文资料翻译。设计（论文）起止时间 年 月 日 至 年 月 日设计（论文）地点指导教师签名年 月 日系（教研室）主任签名年 月 日学生签名年 月 日导向钻井地面指令下传及信息回放系统界面设计摘 要：近年来，石油钻探技术有了很大的发展，特别是旋转导向钻井技术的发展，使钻井向着自动化方向迈进。下行通讯地面控制系统是旋转导向钻井下行通讯系统的重要组成部分，钻井作业的实际需要和旋转导向闭环钻井系统的功能组成决定了由地面监控系统实现下传控制指令、进行下行通讯的必要性。在这种需求下，一个性能可靠的操作界面的设计就很有必要。本文完成了导向钻井地面指令下传及信息回放系统数据交换界面的设计， 在实现了指令下传及信息回放的基础上，完成导向钻井信息地面指令下传界面和数据回放界面总体设计。利用MATLAB GUI图形用户界面设计了具有下传控制指令发送功能、能显示出当前指令的5位有效指令脉宽的地面指令下传界面，设计了能显示工具面角、井斜角、泥浆排量、井下温度、压力等井下存储的有效信息的窗口，并且实现了画出各参数曲线并进行存储的数据回放界面，使用户不必直接面对枯燥的程序代码，就可以完成各种数据的采集和操作。界面运行后显示出设计合理、简洁明了、准确性高等优点，能充分满足指令下传、信息回放及存储的要求。关键词：MATLAB GUI；导向钻井；信息回放；指令下传The Interface Design of Steering Drilling Ground Instruction Downwards and Information Playback System Abstract：In recent years, oil drilling technology has been greatly developed, especially the rotary steering drilling technology. Downlink communications ground control system is an important part of the rotary steering drilling downlink communication system. The actual needs of the drilling and the functional components of the rotary steering drilling closed-loop system determine the necessity of downstream control instructions and downlink communication that achieve it use ground monitoring system. A reliable interface design is necessary to satisfy these demands. The interface design of steering drilling ground instruction download and information playback system were completed in this article. On the basis of achieve instruction download and information playback，complete the ground command of the steering drilling information download interface and design of the data playback interface. The current instruction transfer interface was designed using MATLAB GUI graphical user interface the function that contain control commands sent downstream，show five effective instruction pulse width of the ground under the direction of，the window was designed that can display the tool face angle，deviation angle，mud displacement，underground storage of down hole temperature，pressure and other useful information，Then the playback interface was draw that can plot the respective curves and the data stored in，so that users do not have to directly face the boring code，and can complete the acquisition and operation of a variety of data. After running this interface, the design show the good characteristics of reasonable，clear，concise，accuracy，advantages，and can fully meet the requirements under the direction of transfer，playback and storage requirements.Keywords： MATLAB GUI; steering drilling; information playback; instruction downwards communication 目 录1. 绪 论11.1 引言11.2 研究的目的及意义11.3 国内外研究现状11.4 论文研究的主要内容31.5 文本工作安排32 MATLAB GUI软件的介绍42.1引言42.2 MATLAB的功能及应用领域42.2.1 MATLAB简介42.2.2 软件功能42.2.3 运行环境42.3 MATLAB GUI 工具介绍42.4 MATLAB GUI 的一般设计步骤62.5 创建图形界面用户的具体操作63.导向钻井信息传输通道工作原理103.1 钻井信息地面与井下双向通信原理103.2 钻井液脉冲信号下传方案103.3 下行通讯编码设计113.3.1三降三升编码指令113.3.2编码指令与导向力大小、工具面角方位的关系124.图形用户界面的设计144.1 两种界面设计的方法144.2 图形用户界面的设计144.3 界面总体布局154.4 主界面的设计154.5 指令编码界面的设计174.6 信息回放界面的设计195界面的运行与程序调试225.1 首页界面的演示225.2 指令编码界面的运行225.3 信息回放界面的运行235.4 程序的调试25 总 结26参考文献27致谢29附录 301 绪 论1.1 引言 导向钻井在石油开采中，占有着重要的地位。由于资源的限制和不可实现性，本文通过利用MATLAB GUI模拟、设计和开发出导向钻井指令下传及信息回放界面。在一定环境下，用MATLAB GUI强大的功能支持下，让人更加深刻地了解与导向钻井有关的知识。1.2 研究的目的及意义随着国民经济的快速发展，全球各行业对石油天然气的需求急剧增加，这就对油气井的钻采效率、对复杂油气藏的开采提出了严峻的考验。随着石油钻井学科的不断发展，旋转导向钻井技术的产生避免了常规钻井技术中由于频繁起钻下钻带来的一系列问题，比如井眼轨迹不规则从而加大钻具的摩阻和扭矩、钻进过程不连续影响钻井效率、井眼延伸距离有限使得开采复杂油藏受限。旋转导向钻井法是代导向钻井的发展方向，钻进时的摩阻与扭矩小、钻速高、钻头进尺多、井身轨迹平滑易调控、建井周期短成本低，适应开采复杂结构井的需要，其先进性、优越性、方向性表明了它是现代导向钻井工程的研究重点1和发展方向。下行通讯地面控制系统是旋转导向钻井下行通讯系统的重要组成部分。旋转导向闭环钻井系统的核心是井下旋转导向工具、地面与井下双向信息传输系统、地面监控系统等。在旋转导向钻井过程中，地面需要不断给井下工具发送控制指令，以控制轨迹按预定的设计轨迹逼近靶点（区）。地面监控系统是旋转导向钻井系统的指挥中心，在钻井过程中，地面监控系统根据井下数据作出控制指令，经下行通讯通道，下传发送给井下导向工具，与井下旋转导向钻井工具系统相互联系，实现控制指令的传送，指导井下工具按照设计的轨迹钻井，实现不同功能要求的操作2。因此，钻井作业的实际需要和旋转导向闭环钻井系统的功能组成决定了由地面监控系统实现下传控制指令、进行下行通讯的必要性。1.3 国内外研究现状旋转导向钻井技术的诞生已有20多年，在这一不算短暂的时期内，石油钻井技术从控制理论到测量技术和井下工具都在不断地完善。掌握了下行通讯技术特别是地面下传信息在井下的接收并投入商业应用的国际公司实现了对井眼轨迹的闭环控制，其代表性产品3有：Baker Hughes公司的Auto Trak旋转闭环自动钻井系统，Schlumberger公司的Power Drive调制式全旋转导向自动钻井系统，Halliburton公司的Geo-Pilot旋转导向自动钻井系统，这些产品都属于全闭环自动控制的旋转导向钻井系统。闭环自动控制的导向钻井系统主要由地面监控系统、井下偏置导向执行工具、井下微处理控制器、MWD/LWD（Measure While Drilling/ Logging While Drilling）等测量仪器以及双向通讯通道组成。闭环控制钻头的运动轨迹是指井下导向执行工具与井下测量控制系统之间的小闭环，以及井下旋转导向钻井工具系统与地面监控系统之间的大闭环这两种方式。现在国内在旋转导向钻井技术的研究多集中在实现大闭环控制上。双闭环控制方式示意图如图1-1所示。图1-1 旋转导向钻井系统井眼轨迹控制方式由于MWD技术的成熟6，井下地层参数、工艺参数、井眼轨道的几何参数等通过泥浆脉冲上传基本能满足工程要求，而信号从地面发送到井下与MWD技术上传通讯的实现方案、信号传输方式和采集检测方法都存在不同之处，加之受钻井液粘性阻力和管路系统弹性变形的影响，钻井液脉冲在传输过程中存在明显的衰减和延迟，所以不能简单地在现有MWD技术基础上增加信号下传功能4。在Auto Trak系统中，它的井下测量控制系统安装在一个稳定测控平台上，这个平台由通过轴承相连的可相对转动的旋转心轴和不旋转外套组成，旋转心轴的上方连接钻柱、下方连接钻头，其作用是传递压力、扭矩及输送钻井液；不旋转外套上安装有井下微处理器、控制电路、偏置导向机构。井下CPU里预置了井身轨迹数据，可在井下将随钻测量的数据与预置的设计数据进行比较，然后操纵其独立的液压系统来控制偏置导向工具，完成导向功能，这也即是井下小闭环控制；而它的地面监控系统也可通过下行通讯向井下发送指令，根据实际钻井工作状况调整设计数据，实现对井身轨迹的精确控制，这也即是大闭环控制。该系统的下行通道采用调制钻井液排量来承载指令信息。由此可见，泥浆脉冲方式的下行通讯已经成熟并且应用于实际，不过该技术的编码方式、解码方法、接收装置等关键技术仍未公开，国内的一些公司与研究机构依旧都在积极参与这方面的研究，力求解决下行信息传输这一难题。地面监控系统向井下旋转导向钻井工具系统的控制器发送信息，传输通道是信息的传输媒介，下行通讯问题就是寻找与信号最为匹配的信道，并采用一定的编码形式由信道传输，最后由信息接收装置解码接收。在信息传送中，选择泥浆脉冲作为下行通道，信息的接收端是井下泥浆发电机，井下控制器监测电机转子转速的变化，识别编码信息并解码得到控制信号5。但是在地面向井下发送控制命令时，为了比较精确地控制转速，需要抬起钻头避免旋转时与井底的摩擦力。在信息传送中，同样选择泥浆脉冲作为下行通道，只是信息编码是利用泥浆流速的变化。不过井下接收装置的物理结构较为复杂，并且不适用于钻柱旋转速度较低的情况。在下行通讯中，信息载体都是钻井液，只是检测器件有区别，一个是在井下安装压力传感器检测钻井液压力变化，一个是用加速度传感器来检测受钻井液排量变化而产生的钻具振动变化，井下控制器定时地采集传感器输出接收信息。选择钻杆作为下行通道，对钻杆的振动和静止状态进行编码，采用安装在钻头附近的振动传感器作为检测装置。地面监控系统通过改变钻具的转速来下传命令，井下设置转速传感器采集信号。尽管这些技术方法各有所长也有其本身不可消除的劣势6，都处于试验性质的研制阶段，还未有一个成熟的系统投入生产应用，所以近期的研究会以继续加深对闭环控制的研究为主。1.4 论文研究的主要内容本课题的主要研究内容是以用MATLAB GUI完成旋转导向钻井系统的指令编码及信息回放为目标，在全面了解旋转导向钻井系统的结构形式、工作原理、主要技术特点的基础上，研究信息传输通道的特征，进而提出一种实用的下行通讯方案；设计出一个不同以往的且简便易行的界面；开发一套井下信息接收装置，实现对下传命令的显示、画图，这个界面将提供指令编码下传以操纵井下导向执行工具并且了解井下的数据，力求简单明了易操作性好。1.5 论文结构安排本论文对旋转导向钻井系统的指令编码理论研究做了论述，设计了基于MATLAB GUI的一个界面，完善了旋转导向钻井的地面系统。论文介绍了旋转导向钻井系统的组成及其工作原理，叙述了下行通讯方案，并按照安全可靠、传输效率高、误码率低的指标选定了信息传输方式。应用MATLAB GUI实现了对指令的编码和井下信息的回放，并对界面的制作过程进行了详细的介绍。在控制指令编码部分，以工具面角和导向力大小为基础，对井下44个典型编码指令作了设置；按照井下接收装置硬件系统的功能结构，设计出相应的功能界面。最后，论文总结了课题研究的内容，解决的问题以及现有研究存在的不足，对后续研究进行了展望。2 MATLAB GUI 概述本章阐述了MATLAB GUI的原理及结构，并对其运行环境进行了简单的描述。讲到了它在导向钻井领域的应用，以及界面设计的实际应用。2.1 MATLAB简介2.1.1 MATLAB MATLAB软件是1987年以后发展起来的一门新技术，由于它具有强大的数值计算和数据图形显示功能，在控制系统、数据分析、信号处理、工程数学、金融系统、通信系统、土木工程、图形可视化等领域得到了广泛应用。煤田地质系统要加快现代现建设步伐，正确地进行勘探设计，科学地管理和指挥生产，及时可靠地制定施工方案等工作都需要借助数据分析和工程图件来完成。MATLAB 软件能根据用户的指令迅速准确地分析数据，并结果可视化和绘制出所需要的图形。在煤田地质勘探中，利用这一工具可以进行煤质分析并作图，如煤层气解析法损失量的计算、煤层灰份与发热量的线性关系，灰份与真、视密度的关系，镜质组最大反射率与相对深度和挥发份的关系；煤(岩)矿体特征分析如厚度分析、沿走向和倾向的变化规律分析，砂岩体与地层厚度的关系；煤层质量分析如主要有用组分和伴生有用、有益、有害组分的含量；赋存状态和变化规律等分析；煤矿工业利用性能评价分析等等。绘制各种等值(厚)线图、简易水文曲线、地表水及地下水动态曲线、构造地质方面如玫瑰花图、各种汇总统计图等图件，具有分析结果数字化和可视化、程序简单、运行速度快、容易校正误差和修改源文件来构成新的专用工具包的特点。2.1.2 软件功能目前在我国使用比较普遍的MATLAB软件是Math works公司的 MATLAB，它于 1987 年在美国首先推出，从3.0版逐渐发展到6.1版，具有以下几种功能：矩阵和矩阵运算功能：提供了如何利用不同方法来输入和产生矩阵，以及矩阵的数学运算，还包括了矩阵分解以及线性方程组的求解。数值计算和数值分析：提供了多项式的处理、插值问题、数据分析和统计、信号处理、功能函数以及常微分方程的求解等。稀疏矩阵：提供了稀疏矩阵的生成、运算。绘图功能：提供了直角坐标和极坐标下二维、三维甚至四维、特殊图形、句柄图形(面向对象的图形系统)的绘制。 图形用户界面：提供了图形界面工具，以及图形界面的设计和注意事项10。2.2.3 运行环境 MATLAB 适用于多种机型和操作系统，在Window Expressional或Window Edition操作系统下采用，其内存容量12 MB以上，硬盘在10G 以上，CPU在1.7G 以上均可运行。2.3 MATLAB GUI 工具介绍图形用户界面( graphical user interface，GUI)是由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象(Object) 构成的一个用户界面。用户通过一定的方法（如鼠标或键盘）选择、激活这些图形对象11，使计算机产生某种动作或变化，比如实现计算、绘图等。假如科技工作者仅仅执行数据分析、解方程等工作，一般不会考虑GUI的制作。但是如果想向客户提供应用程序，想进行某种技术、方法的演示， 想制作一个供反复使用且操作简单的专用工具，那么图形用户界面是最好的选择之一。MATLAB为表现其基本功能而设计的演示程序demo是使用图形界面的最好范例。MATLAB的用户在指令窗口中运行demo打开图形界面后，只要用鼠标进行选择和点击，就可浏览丰富多彩的内容。开发实际的应用程序时应该尽量保持程序的界面友好，因为程序界面是应用程序和用户进行交互的环境。在当前情况下，使用图形用户界面是最常用的方法。提供图形用户界面可使用户更方便地使用应用程序，不需要了解应用程序怎样执行各种命令，只需要了解图形界面组件的使用方法；同时，不需要了解各种命令是如何执行的，只要通过用户界面进行交互操作就可以正确执行程序。在MATLAB 7. 0中，图形用户界面是一种包含多种图形对象的界面，典型的图形界面包括图形显示区域、功能按钮空间以及用户自定义的功能菜单等。为了让界面实现各种功能，需要对各个图形对象进行布局和时间编程。这样，当用户激活对应的GUI对象时，就能执行相应的时间行为。最后，必须保存和发布自己创建的GUI，使得用户可以应用GUI对象12。在MATLAB中，所有对象都可以使用M文件进行编写。GUI也是一种MATLAB对象，因此，可以使用M文件来创建GUI。使用M文件创建GUI的方法也是最基础的，使用其他方法创建GUI图形界面时，实现图形控件的各种功能时，也需要编写相应的程序代码。除了使用M文件来创建GUI对象之外，MATLAB还为用户开发图形界面提供了一个方便高效的集成开发环境： MATLAB 图形用户界面开发环(MATLAB graphical user interface development environment ) 简称GUIDE，其主要是一个界面设计工具集。Matlab7.0将所有GUI所支持的用户控件都集成起来，同时提供界面外观、属性和行为响应方法的设置方法。除了可以使用GUIDE创建GUI之外，还可以将设计好的GUI 界面保存为一个FIG 资源文件，自动生成对应的M 文件。该M文件包含了GUI初始化代码和组建界面布局的控制代码。使用GUIDE创建GUI对象执行效率高，可以交互式地进行组件布局，还能生成保存和发布GUI的对应文件。FIG文件包含GUI图形窗口及其子对象的完全描述，包含所有相关对象的属性信息，可以调用hg.save 命令或者使用M文件编辑器的FileSave命令生成该文件。FIG文件是一个二进制文件，包含系列化的图形窗口对象。所有对象的属性都是用户创建图形窗口时保存的属性。该文件最主要的功能是对象句柄的保存。M文件：该文件包含GUI设计、控制函数及控件的回调函数，主要用来控制GUI展开时的各种特征。该文件基本上可以分为GUI初始化和回调函数两个部分，控件的回调函数根据用户与GUI的具体交互行为分别调用。应用程序M文件使用open. fig命令来显示GUI对象，但是该文件不包含用户界面设计的代码，对应代码由FIG文件保存13。2.4 MATLAB GUI 的一般设计步骤简单说来，一个好的界面应遵循以下3个原则：简单性(Simplicity) 、一致性(Consistency) 及习常性( Familiarity)。界面制作包括界面设计和程序实现。具体制作步骤如下：（1） 分析界面所要求实现的主要功能，明确设计任务；（2） 在稿纸上绘出界面草图，并站在使用者的角度来审查草图；（3） 按构思的草图，上机制作(静态) 界面，并对其进行检查；（4） 编写界面动态功能的程序，对功能进行逐项检查。以上过程只是一般原则，在设计中，步骤之间也可能要交叉执行或复合执行；设计和实现过程往往不是一步到位的，可能需要反复修改，才能获得满意的界面。建议先进行界面布局编码，后进行动态交互功能的编码。2.5 创建图形界面用户的具体操作 MATLAB为用户提供了丰富的Windows图形界面设计方法，使用户能够在利用其强大数值计算功能的同时设计出友好的图形界面。一个好的界面应遵循以下三个原则：简单性(Simplicity)，一致性(Consistency)及习常性(Familiarity)14。 （1）简单性 设计界面时，应力求简洁、直接、清晰地体现出界面的功能和特征。那些可有可无的功能，应尽量删去，以保持界面的整洁。设计的图形界面要直观，为此应多采用图形，而尽量避免数值。设计界面应尽量减少窗口数目，力避在不同窗口之间来回切换。 （2）一致性 所谓一致性有两层含义：一是所开发的界面风格要尽量一致；二是新设计的界面不要与其它已有的界面风格截然相左。这是因为用户在初次使用新界面时，总习惯于凭经验进行试探。比如说，图形显示区常安排在界面左半边，而按键等控制区被排在右侧。 （3）习常性 设计新界面时，应尽量使用人们所熟悉的标志和符号。因为用户可能并不了解新界面的具体含义及操作方法，但他完全可以根据熟悉标志做出正确猜测，自学入门 。MATLAB提供了一种可视化的设计工具GUIDE，可以直接利用GUIDE进行菜单设计、控件的编排和设定、回调函数的编辑等。GUI的设计很简单，直接用鼠标或键盘增减图形对象，并可将几个图形对象加到一个图形上，增强了可视性。图形用户界面或GUI指的是用户与计算机或计算机程序的接触点或交互方式，是用户与计算机进行信息交流的平台。其包含的图形对象有：窗口、图标、按钮、菜单和文本和用户界面，最常见的选择或激活这些对象的方式有用鼠标或其他设备去控制屏幕上的鼠标光标的运动等。我们利用用户界面设计来使得我们可以非常方便的实现图像的调入及其参数的输入。让我们直观的观察不同参数下的输入输出有什么变化。让我们加深对导向钻井知识的理解和应用15。首先进入MATLAB，fileguide，然后我们选择“BLANK GUI”，在一个空白的界面来制作，“确定”之后就可以得到如图2-1所示的界面。图2-1 MATLAB GUI进入界面左边有很多可以选择的控件菜单项，通过选择相应的控件实现相应的功能。所有的控件组合都在这个编辑器中进行，左边的控件具体如下：界面菜单包括图形窗的标准菜单，自定义的用户菜单，现场菜单。PC 平台上，缺省情况下产生的MATLAB图形窗总有一个顶层菜单条( Top-level menu)。它包含5个标准菜单项：文件、编辑、工具、窗口和帮助。可以使用uimenu 指令创建自定义用户菜单。现场菜单总是和某个(些) 图形对象相联系，并通过鼠标右键激活，方便用户的交互性操作。除菜单外，控件是另一种实现用户与计算机交互的主要途径。表1列出10种控件特征及功能表。表2-1 控件特征及功能控件名称功能Push Button启动运算Slider连续步进获取数值Radio Button多项互斥功能选择Check Box多重选择功能Edit Text数据传递Static Text文本显示Pop-up Menu单项选择List box单项选择功能Toggle Button两状态切换Axes绘图坐标系所有这些界面元素的建立，只需在GUIDE中通过鼠标拖曳、放置即可完成接下来还要对各界面元素进行属性的设置而在设置这些属性时，若设置不当会给编程人员带来不必要的烦琐，也会给用户带来不必要的麻烦MATLAB 6x 的属性编辑器有5种启动方式，其中最简单的一种就是在设计窗口的控件对象上直接双击，就可出现直观的界面，在设置这些属性时，要注意以下几个常用而又重要的属性16：（1）窗口对象的Name属性：它是对窗口标题栏的设置如图2中“曲线拟合演示窗口”的内容；（2）窗口对象的N umber title属性：其设置值为on /off，当为on时，窗口标题拦中显示图形窗口的数字号码；（3）窗口对象的Handle visibility属性：一般可以设置为“Call Back”，表示为该图形窗口只对该窗口的回调函数是可见的，对于命令行和其他函数是不可见的这样可以避免命令行窗口中所输入的其他函数的干扰，以保证这个图形用户界面能够顺利进行；（4）窗口对象的Position属性：用来对窗口进行定位；（5）窗口或控件对象的属性：它的设置是给所设计的图形窗口一个标记，为方便后面使回调程序的编写，该属性值的设置时最好遵循唯一性、简单性、理解性原则；（6）控件的Font Name属性：用来设置控件对象显示内容的字体名称，由用户直接输入字体的中文名称即可；（7）控件的Font size属性：用来设置控件对象的显示内容的字体号；（8）控件的string属性：它是对控件对象所显示内容的设置，内容是字符串，可支持中文输入；（9）控件的Value属性：设置控件的当前值，格式为标量或向量不同的控件有不同的取值；（10）控件的Max、Min属性：用来指定该控件中可以设置的最大值和最小值如图2 中编辑框的Max、Min属性分别为10、1，限制拟合阶数取1至10之间的整数；（11）控件及菜单对象的Callback 属性：是一个非常重要的属性，是能完成界面功能的关键图形界面设计完成之后，通过对设计器菜单栏上有关设置，点击工具栏上面的运行按纽，即可自动生成一个主控文件，是软件的核心部分，包括了GUI界面的初始化，相关文件的调用等等。一个图形界面的完成，最终是通过图形界面的各种控件对象的操作来完成， 而这些操作必定是通过MATLAB中函数代码的执行来完成的. 函数代码的编制可以通过编写回调函数完成，而编写时当所要求执行的指令比较简单时，可以把该控件的代码直接写在“Callback”属性中；当所要求执行的指令比较长时可以把函数代码放在一个自定义的M文件中，在“Callback”中直接将其文件名写上，也可以在主控文件中直接编写，当操作该控件时系统会自动执行“Call back”中所要求执行的内容17。3导向钻井信息传输通道工作原理3.1 钻井信息地面与井下双向通信原理导向钻井泥浆脉冲信号传输与MWD中的信号传输在原理上有一定的相似性，但二者在信号传输方式和检测方法上存在着许多不同之处。钻井液脉冲波的传输过程，实际上是一种能量的转换过程。在该下行通讯传输方案中，完成相关任务的信息下行通讯系统由与地面监控装置相连的负脉冲发生器、安装在井下工具中的数据接收装置和井下工具等部分组成。指令下传的过程：地面发送的指令编码可以控制井下钻具的工作，由地面设备通过脉冲控制器、电磁阀控制泥浆排量，依据排量变化发送下行指令，再由井下接收装置接收传送信息，至井下工具实施控制，完成对钻头的导向。井下的近钻头信息如工具面角、井斜角等数据，由井下工具通过MWD传送到地面构成了上行通道，为下一步工作做好准备。如图3-1为地面与井下双向通信原理图。图3-1 双向通信原理图3.2 钻井液脉冲信号下传方案钻井液脉冲可分为正脉冲和负脉冲两种形式。在MWD系统中，大多数采用的是正脉冲。正脉冲是在钻铤内安装脉冲发生器，它能瞬间阻碍钻井液的流动，从而产生高于正常压力的压力波。在地面信号下行传输系统中，采用负脉冲形式。负脉冲是通过对立管钻井液泄流而产生的低于正常压力的压力波。在立管上引出一条分支管线，通过地面监控计算机形成控制指令，由脉冲阀控制器控制脉冲阀的开启与关闭。当脉冲阀打开时，钻井液通过单向阀脉冲阀节流阀分流了立管正常排量的20%的钻井液，并使其返回泥浆池。由于钻井液的瞬间分流，导致立管以及钻柱内压力骤然下降。当脉冲阀关闭时，循环系统的压力恢复到正常值。因此，通过脉冲阀的开启与闭合，产生钻井液压力降、升的钻井液负脉冲波形信8号。分支管路中蓄能器和节流阀是为了保持分支管路中液流的平稳，避免出现更大的压力波动。单向阀的作用是防止分支管路中钻井液倒流。3.3 下行通讯编码设计3.3.1三降三升编码指令地面下传控制信号需要经过编码将信号转变为信号的编码，才能在信道上传输。在采用泥浆压力负脉冲传输方式的通信系统中，通过控制脉冲阀的开启与闭合以及脉冲阀开启与闭合的持续时间，产生泥浆压力波的下降沿和上升沿以及相应的脉宽。综合考虑国内外现行的指令下传方式、编码方式及所采用的通信系统特点，以“用不同的压力脉冲波形代表不同的控制命令”为原则，针对压力脉冲波的脉宽编码，利用脉宽形成控制指令代码9。脉宽位的长短可以人为控制，其持续时间是T的整数倍mT，规定其代码为m。T为最小脉宽宽度，它的大小是在对泥浆循环没有影响的前提下由解码装置的检测电路的灵敏度决定的，且不能小于井眼内钻井液波动的衰减周期，一般约定T为30s。另外为了提高井下控制机构动作的灵敏性以及保证检测的准确性，规定一条有效控制指令的所有脉宽位的总时间不超过nT（n为整数），即miTnT；每一个脉宽位不超过kT（取k为9，kn），即mk。考虑到实际传输有误差，每一个脉宽位的起始与结束都允许有T的误差。这主要是由于地面的负脉冲发生器及其控制装置的精度等引起的，T的大小为20%T，当T=30s时T为6s。所以若一条控制指令的总时间超过nT10T即为无效指令编码，若一个脉宽位的时间大于mT2T或小于mT2T也是无效代码。控制指令脉冲信号如图3-2所示。这样不同的脉宽构成一系列不同的代码，也就形成了不同的编码指令，将波形与控制指令编码联系起来。图3-2 控制指令脉冲信号考虑到控制指令发送中以时间最优的原则，可以采用附录B所示编码方式。表中前三位编码代表工具面角，采用矩阵概念进行排列，即第三位对应一级编码的四个工具面角，即对应代码1-4；而第二级对应的工具面角有4个，故可将其排在第三位编码上，对应代码5-8；第三级对应8个工具面角，将其排在第二位编码上，对应代码2-9。从2开始编码是因为三降三升的脉冲指令编码中不会出现0T，最小为1T；第四级有4个工具面角，将其排在第一位编码上，对应代码2-5。第四位编码表示导向力大小，1对应100%，2对应67%，3对应33%。第五位为校验位，表1中（1）表示取1T，以使指令发送时间最短，当然亦可取发送次数，由使用者自行约定。3.3.2编码指令与导向力大小、工具面角方位的关系一个地面下传控制指令至少包含有工具面角和导向力等级这两个控制参数，它们体现的是井下工具的钻进方向和作用力大小。井下工具钻进的方向及力度可以有无数种情况，为了能有效控制井下导向工具的工作状态，设置了44个典型导向工况，如图3-3所示。这44个导向点每一点所代表的导向力大小与方向都不同，最外圈24个点的导向力大小为100%导向力，每个点相差15度倍角；最内圈8个点为33%导向力，每个点相差45度倍角；中间一圈12个点为67%导向力，每个点相差30度倍角。其中0、90、180和270方向上共12个导向点的使用频率最高，即在钻井过程中，井下工具多以0、90、180和270工具面角运行，最外圈上与0、90、180和270方向的导向点相邻的8个导向点的使用频率最低，其余24个导向点的使用频率居中。图3-3 44个导向点如果对导向效果的要求更细致，可以增加导向点，设置每一种导向工况的导向力差别缩小和工具面角差距更小，表3-1给出了三种设置效果。表3-1 三种导向点设置效果导向力 级别44个导向点72个导向点120个导向点各级点数相差倍角各级点数相差倍角各级点数相差倍角100% 导向力2415361060667% 导向力12302415361033% 导向力84512302415前面提到每一个脉宽位的取值最多为9T，即每个脉宽位可以有最多9个状态，那么三个脉宽位可以达到729个状态，即使对导向角度的要求细致到360每一度，也完全满足要求。导向力的大小有100%、67%、33%三种状态，一个脉宽位就可以满足对导向力的编码。另外还需一个脉宽位作为校验位。由此可见，一条控制指令需要用五个脉宽位代码来表示。因此只要在地面控制脉冲阀的开启与闭合，产生3个下降沿和3个上升沿便产生5个脉宽位，如图3-4所示。于是脉宽位不同进而波形不同的三降三升脉冲就代表了不同的控制指令编码，承载了地面发出的控制命令。三降三升脉宽的控制指令代码方案不改变现有钻井工艺，不影响实际钻井工作，并且可以反映在井下涡轮电机的输出电压上。图3-4 三降三升脉冲4 图形用户界面的设计4.1 两种界面设计的方法MATLAB中设计GUI程序的前台界面有全命令行的M文件编程和GUIDE辅助的图形界面设计两种方式：（1）全命令的M文件编程设计GUI程序界面，就是通过低级句柄图形对象创建函数，设置GUI界面下各个交互组件的属性。这主要用到句柄图形对象操作的方法。（2）使用GUIDE辅助设计是一种更简单的创建GUI程序界面的方法。GUIDE即MATLAB提供的GUI程序的开发环境，实际上就是一个图形用户界面程序，MATLAB通过简单的鼠标拖拽等操作就可设计自己的界面，因此也是一般用户实现GUI编程的首选方法18。4.2 图形用户界面的设计在MATLAB主窗口中，选择File菜单中的New菜单项，在选择其中的GUI命令，就会显示图形用户界面的设计模版。MATLAB为GUI设计一共准备了4种模版，分别是Blank GUI、GUI with Uicontrol、GUI with Axes and Menu、及Modal Question Dialog。在GUI设计模板中选择Blank GUI，然后单击“OK”按钮，就会显示GUI设计窗口如图4-1所示。图4-1 GUI设计模块左边有很多可以选择的控件菜单项，通过选择相应的控件实现相应的功能。首先设计界面的组成部分和布局，本界面的设计主要由：标题、运行按钮、编辑框及其对应变量的名称，图形输出窗口。经过MATLAB图形用户界面GUI设计的相关学习，对所完成的界面的组成部分及其对应的控件的选择和编辑实现方法为，标题和变量的名称用静态变量控件函数Static Text实现；数据输出框由编辑框控件Edit Text实现；而运行按钮由Push Button控件函数实现；多个数据的选择用下拉菜单Pop-up menu实现，图形输出窗口由轴控件函数Axes实现19。4.3 界面总体布局从功能实现的角度出发来构思草图，初步设计三个界面，一个主界面，两个子界面。这个主界面的设计要实现的功能为：首先制作一个比较简洁而又整洁的界面，而且界面的布局合理而又比较直观。其次，能通过这个主界面进入指令编码界面和信息回放界面。主界面上用Static text 编辑上课题名称和制作者姓名。同时设置一个可以关闭全部界面的按钮。指令编码界面要实现的功能为：我们要能通过在下拉菜单中选择不同的选项，点击后对应的右面的图形输出窗口要输出对应参数的曲线，并且能够在Edit text 中显示数据的类型。最后能把现实的编码传送给其他设备。信息回放界面要实现的功能为：利用MATLAB调用excel中的数据显示在界面上，同时又能显示每组数据的曲线，便于观察和分析。然后布局各控件的位置，调整位置和大小，使得布局合理而又简洁和直观，再按表修改各个变量的参数和属性值，则得到整体布局和初始设计20。4.4 主界面的设计这部分构成一个简单的进入画面，显示课题名称及一些设计者信息。设定两个区，说明显示区：包含1个静态文本框(static Text )，分别用于显示“导向钻井地面指令下传及信息回放系统界面设计”。控制区：位于界面的下方，由2个按钮(Push Button )，用于实现控制操作。图4-2 主界面设计画面编辑好界面后需要对界面的控件进行定义，对于主界面双击static text控件，出现其属性框如图4-3所示。图4-3 属性调节框更改它的String选项，并设定字体型号跟颜色，在其中输入“导向钻井地面指令下传及信息回放界面设计”。下面是所设计的主界面的M文件：function varargout = shouye(varargin)gui_Singleton = 1;gui_State = struct(gui_Name， mfilename， . gui_Singleton， gui_Singleton， . gui_OpeningFcn， shouye_OpeningFcn， . gui_OutputFcn， shouye_OutputFcn， . gui_LayoutFcn， ， . gui_Callback， );if nargin & ischar(varargin1) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin1);endif nargout varargout1：nargout = gui_mainfcn(gui_State， varargin：);else gui_mainfcn(gui_State， varargin：);endfunction shouye_OpeningFcn(hObject， eventdata， handles， varargin)handles.output = hObject;guidata(hObject， handles);function varargout = shouye_OutputFcn(hObject， eventdata， handles) varargout1 = handles.output;主界面上设定了三个按钮，分别是实现打开下个界面跟关闭所有打开的界面。在指令编码按钮的Call back语句下添加“S=zhilingxiachuan”，即点击它就会打开指令编码界面。在信息回放按钮的Call back语句下添加“S=xinxihuifang”，即点击它就会进入信息回放界面。接下来制作“指令编码”的界面。 4.5 指令编码界面的设计这部分构成一个波形显示界面，并能传送数据。设定两个区，图形显示区：包含1个轴位框（Axes），1个文本框（Edit text），1个下拉菜单（Pop-up menu）。分别用于显示编码的波形和编码的具体情况。数据发送区：位于界面的右下方，由2个按钮(Push