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开发井小型综合录井仪研制 摘要 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- j l - ：c 程、j 擘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石油勘探辅助仪器。 为了满足开发井录井服务的需要，完善录井手段，通过分析丌发井的特点， 对比研究国内外各种综合录井仪的特点之后，本文提出了一种新型模式的综合录 井仪一开发井综合录井仪。 本论文的主要研究工作： 研究了综合录井仪的国内外现状，指出了项目研究的意义。 分析了l ：发外的特j 7 i 结介综介求j l ：仪f 内) i 核，抛了丌发扑录，i 二仪两利设 计方案，对方案进行了论述划比，确定了破终方案。 根据录井仪的总体结构设计，确定了数据采集系统的设计实现方案，气体测 量程检测系统的设计方案，并根据生产井对井深的高精度要求分析确定了井深的 测量原理，实现了绞车方式f i j j l ：深信号检测。 开发，f 录井软件系统按照模块化设计。软件系统主要分为联机系统和专家 系统。联机系统包括初始化模块、数据采集处理模块、数据存储模块和数据输出 模块。在数据处理模块中，建立绞车映射井深的数学模型，设计并实现了井深自 动模糊校矿；迎蠢了迟到井深的计杯模j 州，实现了迟到井深的实时讨算。在圉内 率先将0 家系统0 l 入求j l ：脱场。拒0 家系统砹汁一| 二体脱j ， l 的程序设计技术列 特定领域的录井专家知识的紧密结合，系统山录井专家知识库、现场实时录井数 据库、逻辑推理器和人机对话接口部分组成。 系统设计特色是整体小型化和f i d 氧火焰气体检测仪与空气压缩机、氢气发 1 4 - ：2 , i 介而为+ i | | 勺设计。 另外本文对录井现场的干扰因素进行了分析，提出了解决方案，并应用于仪 器设计巾。 该求j r 仪现在已经完成了样机设玑i i 卅：进行现场实验，。典践征明浚样帆性 能良好，符合丌发井要求。 关键涮：录外仪小型化f ：深迟到井深全烃检测f i d t h e d e s i g no fp r o d u c t i o n - w e l ll o g g i n gu n i t a b s t r a c t t h em u d l o g g i n gu n i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo nt h eo i l & g a se x p l o r i n ga n dw e l l d r i l l i n gm o n i t o r i n g 。 i no r d e rt om e e tt h en e e do fp r o d u c t i o n w e l ll o g g i n gs e r v i c e s ，t h i sp a p e rb r i n g o u tan e ws t y l ed e s i g n - - - - p r o d u c t i o n - w e l ll o g g i n gu n i t ( p w l u ) t h ep w l ui sm a i n l yc o m p o s e do ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ( d a s ) t h e o n l i n es o f t w a r e ( o s ) ，t h eg a sd e t e c t i n gu n i t ( g d u ) t h ed a sa c h i e v e st h ef u n c t i o n so fs i g n a lc o n d i t i o n i n g ，a dc o n v e r t i n gm a d s i g n a lt r a n s m i t t i n g g d ud ot h eo n l i n el o g g i n g w o r kt oc a t c ht h e e s c a p i n g h y d r o g a s f r o mt h em u d t h eg d ud e t e c t o ra d o p t sh y d r o g e nf l a m ei o nd e t e c t o r 口d ) t h eo sm a i n l yp a ya t t e n t i o nt ot h es i g n a lc a l i b r a t i o n ，d a t ar e a l t i m er e c o r d ， 7d a t a s t o r e ，w e l ld r i l l i n gm o n i t o r i n g t h i sp a p e rg i v e sap a r t i c u l a ri n t r o d u c e sf o ra b o v e m e n t i o n e dt h r e ep a r t i nt h e d a sc h a r t ，t h ew e l ld r i l l i n gd e p t ha c q u i r i n gi ss t r e s s e d h 1t h eg d uc h a r t ， t h e p r o g r a mc o n t r o l l e dm i c r o - c u r r e n ta m p l i f i e re l e c t r o n i cd e s i g n i st h e m o s tc a r ep a r t a b o u tt h eo s ，t h r e ei m p o r t a n tm o d u l e ，d r i l ls t a t ej u d g e m o d u l e ，w e l ld e p t hc a l c u l a t i o nm e d t f l ea n dl a gd e p t hc a l c u l a t i o nm o d u l e ，a r e d e s c r i b e dc a r e f u l l y i na d d i t i o n ，t h ee x p e r ts y s t e mo nt h em u d l o g g i n g i sa l s o i n t r o d u c e d t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h et m i ti s p o r t a b l e h lo r d e rt o d e c r e a s et h eu n i t s p a c e ，t h eh a r d w a r eo fd a si ss i m p l i f i e d ，a n d t h eh y d r o g e n e r a t o r ，t h eg a s c o m p r e s s o ra n dt h ef i d i sc o m p a c t e di n t oab o x e x p e r i m e n t w i t h t h e s a m p l eu n i t i s d o i n g n o wo nt h ew e l l s i t e k e y w o r d s ：m u d - l o g g i n gu n i tp o r t a b l e w e l ld e p t hl a gd e p t ht o t a l g a sd e t e c ；t o rf i d 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符号合肥工业大学硕士 学位论文质量要求。 答辩委员会签名： 主席： * n 每，像根 刍声 觚 咎 石t 序括 冷似，长 翮舶帕 厚腭脚不 啼孔砷旧 钕，些蓿 删虢p 椒 员 师 委 导 独创性声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，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 金日墨王些太堂或其它教育 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。 学位论文作者签名：砂佬湾 辩醐一砌少日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件及磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权金妲王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，并可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：立卅先f 李 签字醐鸬铀矽日 学位论文作者毕业后去向：中国石化集团公司胜利石油管理局 工作单位：中石化胜利石油管理局经营管理部电话：( 0 5 4 6 ) 8 5 5 6 6 4 1 通讯地址：山东省东营市东营区邮编：2 5 7 0 7 5 坼r 久 刖 z 痧 8哥淬 名 耻 雠 嘲 黝 料 致谢 本文是在合肥工业大学电气工程学院副院长方敏教授的精心指导下完成的。 在这近三年的工作和学习期1 白j ，我深深感到从恩师那里学到的不仅仅是知识和技 术，更重要的是他们严谨的治学态度、事实求是的工作作风和高风亮节的做人品 质，这些必将使我在今后的工作和学习中受益无穷。合肥工业大学的其他老师也 给予了热情的帮助和大量的指导，在此表示衷心的感谢。 论文的完成是在地质录，i 二公司完成的。其问胜利地质录井公司的罗大博高级 工程师给予了很多关心和大量的技术帮助。在论文工作期间，胜利地质录井公司 为我提供了良好的实验条件和工作环境。论文的顺利完成和他们的热心指导和 帮助也是分不开的，在此，我向他们致以最衷心的感谢! 第一章引言 第一节国内外录井仪发展现状 综介j 止j l ：仪址心川l ur 披术、1 0 感撩披术、7e 年成激扪匕i 器分牛j i 、汁钾l 数 字采集处理、地质、$ l l i j ：i ：税、0 家系统评价软件技术二j 。一作，j i ：进行j 连续随钻 录j - i - - r f l l 钻井过稀! 瞒挖的一种新) 诅朽f l | l 蛐探辅助仪器。 综合求j i ：仪j 以d i 9 l i g 状态i i 泶架t i l ij l ：坩i ! 参数及沈浆l 7c 仆特”参数，贸 现钻井过程监控、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。 虽然从石油工业诞生的那天起，录井技术就涎生了，但录井仪的发展却有着 一个十分漫长的里程。从画方钻杆记钻时，捞砂样建立地层剖而到气测配合记钻 时，用百分比法建立地层剖面，初步判断汕气层，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，历时6 0 余年。综合录井仪的出现是 近1 5 年的事。现在综合录井仪已成为当今勘探刀：发过程中的一项不可替代的设 备。 一、困外综合录- j | 二仪发展现状 综合录井仪的发展在国外应用较早，技术也处于领先。但9 0 年代以胁，综 合录井仪的发展较慢。9 0 年代后，随着石汕工业的复兴和计算机技术的应用普 及，综合录i ：仪订了快速发煺，先肝j 见了儿利t 新型的综介求j 卜仪，如法网的 a l s 一2 、美国的d r i l l b i 和加拿大的d a t aw 1 z a r d 等。近些年综合录井仪确有大 的进步和发展，表现在仪器更为先进，计算机配嚣和软件功能更加成熟，其主要 特点如下： l 、仪器更新换代速度加快。困际上大体上是5 年左右换一代。 2 、仪器性能可靠，i 包路集成程度提商，最小检矧浓度越来越小。 ：j 、传感搽的可j l # 陀、柑砷成年耐川h 4 i 刖剃州门摊商，l ! ! i ：摊商了测h 柏f 度 义为川户l i 。约r 人h ij 地小 1 、综合j 止j 1 ：仪机摊“软仆功能力+ | f l 远较仪器f 葩什发j 陛。 5 、求j m | 违务内箨越米越多，川心i j j 耻焚越米越复杂。 以洲q ( ) s l i v i 的综合史j i ：仪为例j l 汁竹机糸统从t 的f 计鳕： 机已经发展到a l s 一2 的棚互l | j 网的6 台汁钎机。 6 、录井发备有向小型仪器发展的趋势。 国外以市场为导向，以盈利为目的，在价格昂贵的大型仪器无本质变化的情 况下又不愿意花大钱研制全新的录井仪器，向小型仪器发展势在必行。 7 、录井仪的服务功能大型化，主要服务于探井，面向生产井的综合录井 仪尚未出现，但幽外已经有研制的意向。 二、国内录井仪发展现状 8 5 年我国大量引进了t d c 综合录井仪，标志着我国综合录井仪的全面推广 应用j 目前囡内进口的录井仪有g e o s e r v i c e 公司的a l s - 2 综合录井仪、i n t e g 的d r ii l b i t 综合录井仪和d a 1 1 a l o g 生产的d a t a - wi z a r d s 综合求，| 二仪。e u 国内 总体处于一种消化i 及收国外录井仪的阶段，通过对国外综合录1 1 二仪n 勺消化吸收， 目阿国内厂家也在尝试着研制综合录井仪，其中以一h 海神开公司制造生产的 s k 一1 2 0 1 型综合录井仪为代表。国内的综合录井仪的设计基本以仿制为主，而且 基本上魁在老的t d c 综合求井仪模型上进 ：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。面向，l ：发井的综合录井仪尚未出 现。 第二节问题的提出 综合录井仪是多参数的泥浆求，f ：改备，它埘及发现汕e 一、| 9 f f 钻保护 油气层、指导钻井安全施工和优化钻井参数等方砥有着重要作用。随着勘探难度 的增加，钻探的模式也由粗放向精细钻井转变，综合录井仪的作用也越来越重要， 但址随精求j l ：仪机求外现场的摊i j 麻川，逐渐批槲j j l j0 u 题： 仪器大型化，不便运输 所有的常舰录井仪全部采川以气测为j ! 的模块 j 技结构。仪器安裟在火的集 装牟f 内，录，i - ir , j 需要渊运n j i - 场。4 米造成运输1 i 便，：米一i 川微人的井场i 而积。 功能组合不灵活 针对不同的地区，有不同的录井任务，即使只需要对很少的几项参数进行录 井，如平衡井录井主要检测的参数就是钻井液密度，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。 录井系列不健全 丁r 发_ 1 ：足 | | l 钻井丌采的大头，仍缺少，i ij ；, l f i j 录j i ：仪器，丌发) i ：录，l ：技术 还停留在原米的水，h 二：j f l 测m j i ：深、铺州，f i ：憋耻所订的地质求j i ：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，这样不但费时费力，还不 能及时发现汕气显示，而且录井资料的及叫性、准确率鄙人大降低。 追踪国外先进技术，研制开发井综合录井仪，实现综合录井仪的小型化，模 块化是当今冈内外综合录井仪研究的热点。 第三节项目来源 本课题是胜利石汕管理局根据钻探的实际需嘤掘的。 石油钻探是一项复杂的耗资巨大的系统工程。任何一口井都会而临工程事故 的危险和漏失油层的可能。虽然综合录井仪可以避免上述现象的发生，但是由于 综合录井仪的成本太高服务费用相应巨大。只有探井才上综合录井仪，而开发 井虽然也有工程风险和漏失汕气显示可能，但由于成本的关系，目前有的丌发井 尚未有综合录井仪服务。胜利油阳每年的勘探任务随着地层的明晰呈现探井减少 开发井增多的趋势。开发井的数量有时达n - 年几百口，而现在用于丌发井的录 井仪器是一项空白。 因此，i ：发一利卟型化、组合灵活，功能j i ：放，成小不衢的l f | 阳j 1 ：发j i ：的新型 综合录井仪是非常必要的，对占领国内丌发井市场，提高劳务收入，有着战略意 义。 第四节课题目的与意义 本课题主要目的是独立f | 勺研究设计贝彳f 独创怛i ：的、针划) 1 ：发外服务的小型 化的综合录井仪。通过课题的进行，争取消化吸收国外录井仪的优点，摸索综合 录井仪设计的规律，总结综合录井仪的基本计算模型，为设计新型的具有国外先 进水平的小型综合录井仪打下基础。 通过研制新型的丌发井综合录井仪，可以填补困内录井服务的一项空白，提 高国内录井仪设计水平，完善国内录井仪器系列，为钻井提供全面灵活的服务方 式，占领国内外大量的开发井录井市场，因此丌发井综合录井仪的研制具有重 要的科研和经济意义。 第二章系统设计分析 本章主要是通过对常规综合录井仪的功能分析和开发井特点分析，确定丌 发井综合录井仪的最少参数，矬立是本系统，l 鲥劬检测参数，j ：在l 土l - t i l i i d 提出设计方案，通过方案综合确定系统的设汁办案。 第一节系统基本功能分析 一、常规综合录井仪的功能分析 对常规综合录井仪的功能进行分析，可以仃助r j ：掌握求j i ：仪的丛术内核，抓 住主要矛盾，为设计确定针对开发井录井的功能提供帮助。综合录井仪的主要功 能= = f r ： 1 、j l 过实时：状念l 、采玳“i i 小i ：j ：| l ! 肢沈浆i i ，7c 小，附1 陀穆数，贸脱铺j 卜过枷l 忧控。 2 、进行井下。h ，况检测，先成符4 l j l ：卜片常顺报、地从爪力片常预报。 3 、通过气测数掘的分析及时发现评价汕气层。 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。 通过以上分析，综合录井仪的核心是钻井工程服务和地下汕气发现。 二、开发井的特点分析 钻井的主要目的：一是了解地质情况，为正确刿断储 f | i 构造、提( j t - j f 发的一 手资料；二是在明确油气构造后进行石油开采，提高原油采收率。开发井的作用 主要是石油开采。由此可以看出丌发井的主要特点是油气构造基本清楚，钻井勘 探难度小，地质储量不需要估计情况下进行钻探，进行油气生产。虽然对比探井， 开发井的难度和工作量要小，但考虑到钻井是一项耗资巨大的工程，在钻井过程 中容易出现钻具刺穿、掉钻具、卡钻等工程事故，所以工程参数录井服务是必需 的。另外由于地层的不规律，油气层地层复杂断块多，可能存在油气层的遗漏和 层位定位不准，因此实时的气测录井也是必要的。所以有必要为开发井提供工程 参数录井和气测录井。 三、系统基本功能及参数确定 通过对综合录井仪的分析和丌发井基本情况的调研，同时结合现场要求，可 确定开发井的录井服务最小功能要求： 1 、可实现以井深为坐标的录取参数的数字化。 由于钻井的过程都足以钻井的垂直位移为坐标，所以需要计算t i j l ；f j j i t ：深。 而井深计算涉及的参数有：绞车参数、大钩悬重。 2 、i 叮以预测地层j 。i ：力片常、铺 常。地j ，爪力”常址”j i ：过私所忤避仃 在的，_ f c | 【何坝i 蚵胍力”常，j 以通过钻爪和转舭转述水进j 川e 测，以l j 指数为主 要指标。所以开发井综合录井仪需要钻压和转盘转速两项参数。山于要考虑到泥 浆密度的影响，加入了校f 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，是问接计算的参 数。 气测录井是通过测定钻井泥浆中的石汕天然气的成分及含量，来了解地层含 油、气情况。气测录井能及时的反映地下含汕气情况，并能预报井喷。气测录井 主要由气体检测仪来完成，气测仪主要是山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。全烃检测部分主要用于检测 气测检测值的变化和发现录井过程中的气测异常撮示，因此全烃参数一般都设计 成连续检测，以防止发生漏测汕气井段。组分检测部分主要用于在全烃录井过程 中出现的气测异常显示，进行烃组分和非烃组分的含量分析，工作人员根据不同 组分的出现，定性分析气测异常显示判别是气层、油层、气水同层、油水同层， 还是水层或非经气层f 内融示。冈此，纰分分析系统r i ：录扑1 j 作巾设汁为非连续 分析，在：l 艺上采用定量管定量和色谱分离，所以组分分析采川间断分析方式。 开发井的特点是地层构造大体已经明了，储层也已经划分明确，针对这种特 点，一f j 去除f ：分枪测系统，泶川连续榆测的个炝榆测系统。 由于气体检测的泥浆返i - l e i f i f , t , ；受段叫0 i j ，这就m 监测定迟剑叫1 u 乖j 迟剑 - j l = 深。迟到井深是录- j | 二行业的一个独订f f , j 术语。j f fj i 9 足i 【i - j ：州氐的 删被泥浆携 带返上地面时有一个迟到时间。而返上的岩屑所代表的井深信息就是迟到井深。 迟到井深获得直接关系捞砂的准确性，对卡准油层有着重要意义。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h 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。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。 第二节系统设计功能要求及指标 通过以上分析和兼顾市场需求，系统设计的主要特点是设计周期要短，仪器 小型化要突出。具体的设计要求及指标如下： 完成泥浆中气体全烃的检测，最小检测浓度不超过l o o p p m 。 完成钻井井深的自动跟踪，最大检测井深达至1 9 9 9 9 9 9 米，最小检测精度 达到1 0 厘米。 完成最少二台泥浆泵的泵冲数检测，1 3 动换算出泥浆排量。 完成泥浆密度，大钩悬重，立管压力等丛本参数的测量。 具有实时和历史数据曲线显示及数据打印。 提供简单的人工智能判断，帮助判断钻井状念、抛0 口发现钻具砰常和井 底压力异常，可进行工程事故报警。 可进行系统自检和通道检测，基本实现无人值守 主体封装实现小型化、便携化。 系统实现模块化、开放化。可以方便的自山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。 第三节总体方案设计 一、项目分析 完成开发井综合录井仪没计要合理分配软硬件资源，同时兼顾设汁的可行 性和性能价格比，总体原则上要突出软件和简化硬件。总体设计可分为三大块： 1 、数据采集系统设计，解决数据数字化问题。系统主要完成传感器信号从物 理信号到模拟电信。；5 - ；f l l 模拟信弓洲理及j 艺成数，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。完成数据采集的标定、存储、显示、打印、状态判断、 报警和实现现场人工智能诊断等功能。 二、方案论证 1 、数据采集系统设计方案 【方案1 】 设计思想是基于d c s 模式的数据采集模式，采用模块化设计，根据参数类 型进行分类。低层数抛采集利用单片机来完成，川p c 1 - 位机完成数据处理，下 位机与上位机数据传输利用r s 2 3 2 串行通讯。原理框图如图l 所示。 采集任务分为四大模块，即模拟量模块、绞车模块、脉冲模块、气测模块。 模拟模块主要完成模拟量的信号调理和模数转换。传感器把录井现场的物理信 号转换为4 - 2 0 m a 的电流信号，通过信号调理完成信号的电流到电压的转换转 换后的电压信号通过采样保持，到a d 转换中实现模拟信号的数字化，8 9 c 5 1 单片机把数字化后的信号通过串行通讯r s 2 3 2 接口发往上位机。采集的模拟量 包括泥浆出j 入 j 密度，大钩恐m ，立毹；压力等。绞年模块主要完成绞车角位 移到脉冲数转换，并把转换后的数字量通过串行通讯发往上位机。绞车传感器 首先把绞车转动的角位移转换成两路正交的脉冲信号，信号经过施密特整形后进 行四倍频和箍相，输出两路信号，一路方向信号，一路四倍频的脉冲信号，然后 通过单片机完成可逆计数，最后8 9 c 5 1 单片机把信弓通过串行通讯r s 2 3 2 接口 发上位机。脉冲模块主要完成泵冲、转盘转迷等脉冲量的整形、计数和测速。气 测模块主要实现全烃量的数字化和数据传输。泥浆中微量气体通过气体检测器转 换为微量电流后经微电流放大器将其放大为大的电压信号，然后通过a d 转换 转换为数字信号山单片机以串行方式送往上位机。 上位计算机主要工作是把接受到的数据进行处理、显示和打印。 身 = 井 参 数 圈圃匿哥圆+ 圆举 l 二 r 绞1 i 模块 酉+ 融r 即l 褊卜 似 计 匿蛋+ 蔓卜臣一圈+ 算 机 鼍陌一圈一图书 蚓i 数据采集系统设计方案1 原理框图 方案1 的优点： 1 ) 故障风险分担。1 i 会因为一个模块影响牲个系统。 2 ) 系统任务分担，上位机内部资源占用少。 3 ) 采用串行通讯，连线减少，线路简化。 4 ) 模块化结构，利于更换和维护 方案1 的缺点： 1 ) 设计复杂、设计周划氏。 2 ) 通讯速度慢。 3 ) 中间环节多，维修不方便。 方案2 】 方案2 的设计思想是采用集中检测方法。把所有检测信号集中于一个接口箱 内，接口箱只进行信号凋理，所有的a i d 转换及脉冲计数，1 】p c i s a 总线的a j d 卡、i o 计数卡来完成。基本原理框图如下图2 所示： 录 井 参 数 上 伉 计 算 机 幽2 录井仪数据采集模式方案2 框图 接口箱内也分为三个模块，悬重及气测等模拟量产生4 - 2 0 m a 电流信号， 通过模拟量信号调理模块将电流信号转换为1 - 5 v 的电压信号，然后送到上位 机的a i d 卡内转换为数字信号，通过p c i s a 总线直接进行处理。绞车信号通 过信号整形和倍频鉴相送到i i o 计数卡的两个计数器内进行减法处理转换成实 际脉冲位移。泵冲等脉冲信号则只进行信号整形后送到i o 计数卡然后定时测 速。上位机进行采集控制和信息处理。 方案2 的优点： 1 ) 硬件设计工作量少、设计周灿短。 2 ) 采集系统的j k 粹性和扩n 廷性好，符f ，i ：充足。 3 ) 维修方便，维修成本低。 4 ) 提高了数据采集的速度。 方案2 的缺点 1 ) 系统内部资源可能占用多 2 ) 气测与其它模拟量同时进机有二| 二扰。 通过对两种方案的比较，考虑到性能价格比取i 设计周期，方案二是可取的。 2 、气体检测系统设计方案 方案1 本着减少辅助配件减少体积的原则，针刈，i ：发j f ：的录井要求，采用热导检 测原理测量全烃含量，进行气测录井。为了简化辅助设备使仪器小型化，采用空 7c 作为拽。c ，采川讯化销作为热做仆。系统绌构川3 所求 图3 热导检测系统结构图 通过电动脱气破碎泥浆而溢出的烃类气体经过稳压后与载气流过热导池池 槽，池槽内有由四个配对的热敏元件组成的惠斯登电桥，桥路两臂严格地封装在 一个具有良好隔热措施的盒届等温体中，以确保其一致的工作环境，参比臂始终 只流过载气( 空气) ，当测量臂也流过载气( 空气) 时，惠斯登电桥处于平衡状态， 输出信号为稳定的基线值，当测量臂流过载气和样品气时，从测量臂带走的热 量发生变化，从而改变了测量臂的电阻值，使惠斯登电桥的平衡状念发生变化， 产生一相应的输出信号。输出信号经过信号切抉放大处理后输出 0 5 v 的电压信号。传统的热导检测采用铼钨丝作为热敏元件，如果用空气做 载气容易造成氧化物附着在钨丝上造成测量的误差，所以一般采用氢气或氦 气做载气，考虑到开发井的情况，采用进口的氧化锆做热敏元件可以实现空气做 载气，简化气测仪的辅助设备，可以实现气测仪的小型化。为了解决检测气体量 程大的问题，采用程控放大器进行量程自动接换。 方案优点 1 ) 电路简化，体积小。 2 ) 辅助设备少，没有常规的h ：发生器。 3 ) 检测范围宽，可检测非烃。0 体。 方案缺点： 1 ) 杂散气体的难消除。在实际录井中，脱气器脱出的气体不仅有烃类气体， 还有氢气、二氧化碳、氮气及水热气等杂敞气体，这些气体会给检测带 来很火的二厂扰，只有进行催化吸附或化学吸附，将这些杂敞气体消除掉， 检测到的信号才魁烃类气休的热导l 响应。 2 ) 检测精度低。 3 ) 对环境要求高，要求恒温。 方案2 采用氢火焰离子化检测器配以h 2 发生器和空气压缩机的一体化的气体检测 仪。结构原理框图如图4 所示： 图4 氢焰离子检测系统结构幽 气测仪采用h 。发生器氢气作载气，用空气压缩机产生的空气作助然气体。 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 的捡测原理是载气、样- 口l 气进入检测器的离子室，通过燃 烧产生i 乜离，在埘 j 5 l n u 衄流1 n 压的i u 场作j | j f ，把生定运动形成微j ； j 的离予流， 经微电流放大器放大后产生相应的l 乜压。为了解决检测气体量狂大的问题，采用 程控放大器进行量程自动接换 方案优点： 1 ) 检测灵敏度高，可小到0 0 0 3 ( 3 0 p p m ) 。 2 ) 对使用环境要求不高，不怕颠震。 3 ) 刻度线性范围广。线性范围可达到5 x1 0 “5 1 0 i 。 4 ) 死体积小，i 喇应速度快。 5 ) 稳定性好。 方案缺点： i ) 电路气路比较复杂。i 乜路 ： | 5 分需要极化l u 压和微电流放大器，气跚需要 i 。 发生器和空气压缩机。 2 ) 只对烃类有响应，列非烃没有反映。 由于气体检测精度是开发井录井仪的关键，同时凡发生器新技术出现使其小 型化的成为可能，所以采用方案2 是可取的。 3 、软件系统设计平台选择 方案1 】 系统操作支持平台采用微软的w i n 9 8 。软件平台为了缩短丌发录井仪的研制 周期，提高系统的整体可靠性，采用美国著名的h a t e l l u t i o n 软件公司的f i x 软件。 在此基础上，将自行开发的硬件系统的数据采集软件功能模块通过d d e 与f i x 进行接口。 f i x 是目前国际上最知名最成熟的工业监控组念软件。它的实时多任务内核 可运行在w i n d o w s 或w i n d o w sn t 平台，它独立于任何硬件系统，其实时数据采 集和开放式数据管理系统等主要功能，已使其成为当今工业自动化领域首选的实 时监控软件平台。 方案优点： 1 ) 丌发剧期短。 2 ) 开发手段容易掌握。 3 ) 提供的控件多，不需要大量编程，易于实现。 方案缺点： 1 ) 灵活性不够。 2 ) 计算功能不强。 3 ) 开发成本高。 f 方案2 1 系统操作支持平台同样采用微软的w i n d o w s 9 8 。作为系统软件丌发平台采用 高级语言v i s u a lb a s i c ( v b ) 编襁。v i s u a l b a s i c 语裔魁是微软公司在1 9 9 1 年推出的一种了1 ：发w i n d o w s 应用程序的功能强大的工具，在功能上完全可以 与c 程序员使用的专业w o n d o w s 丌发工只s d k 棚媲美。它采f i l j 快速应用程 序开发法( p a d ) 的设计思想，具有事件驱动的编程机制和面向对象( o o p ) 的特征，彻底打破了传统的程序设计的面向过程、采用顺序过程驱动的方法，能 够充分利用w i n d o w s 的消息循环和处理机制，通过使用动态数据交换( d d e ) 、 对象连接与嵌入( o l e ) 等技术实现在w i n d o w s 环境下各个应用肛! 序之间的 信息交换，并可以使用w i n d o w s 的内部应用程序接口( a p l ) 函数和第三方软 件商开发的控件( a c t i v ex )，用j 二t 甚至可以j | jc c + + 来自制控件，可见 v i s u a l b a s i c 的可扩充性是很强的。出于它的新颖高效的可视化特征，将 w i n d o w s 编程的复杂性巧妙的封装成控制元件，在未牺牲w i n d o w s 的优良 性能和丰南多采的图形界而赫i i j l 一卜提供的编程的简易弛，l ：发的界丽简洁美 小，, | jj l d 文件执行逃发抛- 吖分之二i 卜儿人懈度捉l 协应川刷序j i ：发效率，尤3 e 应该指出的足，v i s u a l b a s i c 谮。，i 提供了j 1 ：放式数抓阼迮接技术( o d b c ) ，可通 过数据库控制元件直接访问的方式或建立连接的方式使用并操作诸如a c c e s s ， d b a s e 、f o x p r o 等外部数据库。另外v i s u a l b a s i c 的专业化的控件资源丰富。 v i s u a l b a s i c 配合专业化的工控控件，可实现快速、美观、全面专业化的设计。 方案优点： 1 ) 功能组合灵活，扩展性好。 2 ) 计算、逻辑判断功能强。 3 ) 开发成本低。 4 ) 控件资源丰富。 方案缺点： 1 ) 开发工作量大，开发周期长。 2 ) 界面相对单调。 通过前期作了的一些实验，虽然采用f i x 可以完成： 作，但对开发井综合 录井仪中的井深和迟到井深的计算上，还有不足，考虑到工业控件的成熟可以弥 补一些v i s u a l b a s i c 的缺陷，所以采用方案2 足可取的。 4 第三章开发井综合录井仪物理实现 第一节总体结构 开发井综合录井仪系统主要由传感器、气测仪、接口箱矛盼r 算机及其外围设 备组成。图3 为硬件总体框图： 幽5硬件总体框幽 现场传感器包括：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。 接口箱包括：2 u 机箱、电源板、绞车及脉p 极、模拟信号调理扳。 计算机包括：研华工控机p “3 0 0 。a d p ”尜p c 一6 5 3 5 a 、计数卡中臻? c - 6 5 0 1 d w o 。 气测仪包括：氢气发生器单元、空气压缩机单元、全烃检测单元。 第二节数据采集系统设计与实现 一、传感器选型 传感器的作用主要是把现场的录井参数转化为电摄，并埘其进行初步处理，其 特性直接关系到数据采集的质量。录井传感器的工作环境比较恶劣，同时要求防 爆，所以对传感器的特性选择要求比较严丰 。j 外1 1 7 约传输线线路羽l 去除线 路干扰的目的，所有的模拟信号传感器都采用4 2 0 m a 的电流型传感器。开发 r 求外仪的1 0 感擀览农知& i 所爪 名称类，弘址“柑j 输 i i u ( v ) 绞车光电式编码器4 8 个圈 两踏9 0 方波 泵冲接近开关 s n ：1 5 m m i f s 5 v - 8 v5 8 转卅4 地i u 心j 近”欠 卜| 1 ：1 5 , l m ,。i1 i ：s5 vh vh _一 惭世i u 捍，i e 2 51 0 k i i ；t。0 ，i2 0 n i a2 1 立管爪力扩敞硅 0 4 m 1 1 f l0 5 4 - - 2 0 m 2 i 悬重扩散硅0 5 m p a0 5 4 2 0 m a2 4 二、接口箱设训 表l 开发井综台录j m 女传感器特性表 接口箱主要完成信号调理、传感器供电的功能。包括绞车信号调理模块、 脉冲信号调理模块、模拟量信号调理模块等。 1 、绞车调理模块设计 绞车调理模块主要完成传感器供电、信号整形、信号倍频、信号鉴相等功能。 1 ) 绞车信号分析 绞车传感器山罩壳，带齿铁片，两个光i u 丌火却【成，铁ij ：带订1 2 个齿， 铁片随着绞车滚筒转动。两个光电开关随着铁片的插入和离去，而送出相差9 0 。的信号。其绞车传感器信号波形图4 如示： a 相 n 厂 厂 广 b i i 厂 厂 厂 厂 蚓6 绞1 i 信j l lj 2 ) 硬件设计： 绞车传感器转动一圈输出1 2 个相位差9 0 度的a b 两 n i x i e 冲信号。两路信 号经过光耦电路进行尖峰滤除和电平转换，然后再经过施密特反向整形并驱动 l e d 指示灯。经过整形后的信号进入c d 4 5 3 8 单稳f i ：! i 路，调整输出脉冲宽度1 0 p s ， 调整后的信号通过可编程逻辑器4 1 ：g a l 2 0 v 8 ，完成组合4 倍频及信号鉴相，输 出c p + 及c p 两路信弓。只体i _ l 路见附录。下图为绞1 椎i 口处耻j = | 引矧： a 相脉冲 + b 牛几脉冲 图7绞车信号处理框图 绞车脉冲信号变换鉴稍i i b j 。序圈_ f f | f 下图： 幽8绞下 i 号处理框图 当a 相信号超前b 相信号9 0 。时，转动一圈c p + 输出4 8 个脉冲，c p 为o 。 当b 相信号超前a 相信号9 0 。时，转动一圈c p + 输m 为0 ，c p 一输出4 8 个脉冲。 送出的脉州一信号送n i , - i + 数一1 - q ：x , fr t , q 路信号进行减法运算，削断大钧位移方向及进 行脉冲计数。 2 、泵冲、转盘转速模块设计 冒茎 冈 泵冲与转盘转迷调理 h 路基小相川。土婴完成4 譬感器供i 【i 、“7 - 号牝形等功 能。其单路信号调理如下图7 所示： 型竺丙赢订斗陌瓦丽冲阿研 | 光i u 梢合r 叫性形址措“i 驱，曲r l 汁数勰l j 剖9啦蹄脉 信0 渊州 j i j 划 3 、模拟信号模块设计 模拟信号凋理一般需要i i _ l 平转换、滤波、隔离等。i i 门二柏j 选扦a d 转换板， 考虑了量程和隔离等功能，所以模拟信号的渊耻只需要i i a ： 1 4 , ；1 4 换。模拟信号调理 模块利用精密采样f 乜阻来完成4 - 2 0 m a 电流信号到电压信号的转换。采样电阻采 用2 5 0 q 精密电阻，温度系数i o p p m 。4 - 2 0 m a 信号相应转换为卜5 v 。另外考虑到 过压保护，在采样电阻上并联了稳压二级管，稳压值为6 v 。 三、工控机配簧 i 、主机配置 由于小型化设计，主机的尺寸在保证功能完成的情况下，要求越小越好。 由于需要插入a i d 卡、i o 卡并要有冗余，所以至少需要4 个i s a 插槽。工控机 速度要求要快，特性要好，并且可以在恶劣条件下持续工作。通过特性分析和市 场调研，开发井综合录井仪选用了研华工控机最为主机。机箱采用的是研华 i p c 6 8 0 6 型机衍。这利机聋甫专为f i i f j , l 狭4 , f l , j 需耍而设计。m 要特悱订： 配有 s a 无源底版，支持6 块仝k 卡 前面板留有一个磁盘驱动器空间和一个3 5 ”磁盘驱动器空间 2 0 0 w 电源f j l 乜 尺寸( w * h * d ) 1 6 6 * 1 7 0 3 9 3 m m 2 、数据a d 转换卡p c 一6 3 2 5 a d 转换是综合录井仪的数掘采集部分的核心部件，山于市面上基于i s a 总 线的a d 非常成熟，而且考虑到开发周期，通过功能比较及性能价格对比，选 用了中泰的p c 一6 3 2 5 a 模入接i - - i 卡。此卡适用1 ：儿仃 s a 总线n 。， 具有很好的兼容性，c p u 从日l i l f j 泛使用的6 4 位处明! 器直到早期的1 6 位处理器 均可适用，操作系统可选川经兆的m s d o s ，诲流 j ：的w i n d o w s 系列，廊稳定 性的u n i x 等多种操作系统以及专业数据采集分析系统l a b v l e w 等软件环境。在 硬件的安数上也非常简j h 使用州只需将按r | 卜插入机内任何一个i s a 总线插栖 中，信号电缆从机箱外部直接接入。 p c - 6 3 2 5 a 光电隔离模入接口卡适用于符合p c i s a 总线标准的i b m p c x t 2 8 6 3 8 6 4 8 6 系列原装机及其兼容机。此卡采用三总线光电隔离技术， 使被测量信号系统同计算机之间完全电气隔离。适用于恶劣环境的工业现场数据 采集。 p c - 6 3 2 5 a 光电隔离模入接口卡具有较高的输入阻抗承l 共模抑制比，同时， 此卡自带d c d c 隔离电源模块，无需用户外接i b 源。 p c 一6 3 2 5 a 光电隔离模入接口卡具有安装使用方便、程j 事编制简单、抗干扰 能力强的特点，用户可根据使用需要选择不同的输入方式和数据码。 输入通道数：单端3 2 路$ 双端1 6 路；( 标 为出厂标准状态，下同) 输入信号范围：o v l o v * ；5 v ：l o v 最火允y i ：输入l u 矩：1 5 v 输入i 址【如t ：l o m q a d 转换分辨率：1 6 位 a d 芯片转换时间：，1 0us 系统最高采集速率：6 6 k h z s 四、数据脉冲i o 计数卡p c 一6 5 0 1 d 数据脉冲i 0 计数卡主要完成绞车两路信号的计数、两路泵冲、两路转盘转 速的计数和输出数字气测仪程控放大电路控制信号。这里选用中泰的p c 一6 5 0 1 1 5 通道1 6 位光电隔离记数卡 p c 一6 5 0 1 d 光隔离脉冲计数定时接口卡适目于符合i ) c 总线和i s a 总线标准的 i b m p c x t 2 8 6 3 8 6 4 8 6 系列原装机及其目k 容帆。l 一泛应川于工业过程 控制系统