基于CompactRIO的随钻嵌入式处理单元

The Challenge:
随钻嵌入式处理单元是随钻地面系统的核心，主要负责两大任务：一、对泥浆脉冲遥传信号进行实时采集、处理和解码；二、对钻井深度进行准确的实时测量。泥浆脉冲遥传信号和深度信号均参杂着大量的环境干扰，开发能够有效滤除这些环境干扰，还原原始信号的处理算法是整个处理单元最大的挑战，具有相当的复杂性。因此，需要一套性能强大、工作稳定可靠、开发简单快速的实时嵌入式系统作为单元的核心，以减少开发工程师在硬件相关方面的投入，将有限的资源集中在处理算法的开发上。
　
The Solution:
使用NI LabVIEW及相关模块结合NI CompactRIO及相关数据采集模块开发了一套随钻嵌入式处理单元，采集钻井现场安装的泥浆压力传感器、深度编码盘、死绳传感器、钩载传感器和泵冲传感器信号，经过处理后得到泥浆脉冲遥传数据和钻井深度数据，传送给上位机进行后处理。
　
Author(s):
Di＇nan Jiang - China Oilfield Services Limited
Songwei Zhang - China Oilfield Services Limited
Huatao Lu - China Oilfield Services Limited
　

多年来，井下数据传输是制约随钻测井技术发展的瓶颈，目前比较成熟的数据传输方式是泥浆脉冲遥传。随钻地面系统的核心任务之一就是采集泥浆脉冲信号进行实时采集和处理，解码为原始数据；同时，另一核心任务是需要在钩载或死绳传感器的配合下，通过深度编码盘进行钻井深度实时测量。使用NI CompactRIO作为随钻嵌入式处理单元的核心，利用其强大的处理能力，实时性能，快速开发特性，以及坚固性和可靠性，工程师们可以更专注于泥浆脉冲信号处理、解码算法以及深度测量算法的开发。目前，随钻嵌入式处理单元已经通过地面循环试验和井下循环试验两次上百小时的运行试验，工作稳定，功能正常，完全达到随钻测井地面系统的要求。
　
开发背景
随钻测井技术是油气田勘探开发的关键技术之一，目前为几家国际性大公司所垄断。在国内随钻测井和相关的定向钻井服务市场上，国外技术占据主导地位，其中国内的海上市场则完全为国外技术所垄断。近年来，国内企业购置的国外随钻测井装备估计每年都需花费数亿元人民币，包括伽玛/电阻率/中子密度/MWD在内的随钻测井设备（井下仪器按每种2支配置）售价超过4000万元，不仅购置和维护成本高昂，而且受到技术和市场的双重限制，在相当程度上制约着我国油气资源、特别是海上油气田的勘探开发，也限制了国内相关企业的发展。随着我国深水油气资源勘探开发的展开，这个问题将愈显严重。

自主研发随钻项目的成功实施将形成我国自主知识产权的相对完整的随钻测井技术和装备，打破国外技术的垄断，与进口设备相比将大大降低其生产、维护和使用成本，为我国海上、特别是深水油气资源的勘探开发，以及我国油田服务企业的发展壮大提供有效的技术支撑。
　
泥浆正脉冲编码技术
正脉冲信号是通过瞬时部分阻挡钻柱内泥浆柱的通行，迫使压力升高而产生的。因此，当脉冲器提升阀上行部分阻挡泥浆流，压力上升，当提升阀归位，钻柱压力回到原始状态，如图1所示：

图1 正脉冲信号发生器

泥浆正脉冲编码是通过调整泥浆脉冲之间的脉冲间隔实现数字编码的一种编码方式。脉冲位置编码的信息或者数据隐含在两个脉冲的之间的脉冲间隔中，不同脉冲间隔长度代表不同的信息，如图2所示。

图2 基于脉冲间隔的正脉冲编码

Data = (Interval - MIN_TIME) / BIT_TIME
其中，Data为编码数据，Interval为间隔时长，从上式知道，编码的数据越大，脉冲间隔就越大，反之亦然。
　
对于一个实际的遥测物理系统中，需要定义些参数，最小间隔时长（MIN_TIME）是指在数据编码中一个用于编码对应数值0的时间长度，如果一个间隔等于最小间隔时长，则这个间隔编码数据信息为0。由于噪音的存在，在井底下产生的压力信号不同于在地面上的压力信号，这里定义比特宽度(BIT_WIDTH)来校正传送的值，只要一个间隔的脉冲落在BW窗口内，认为无论偏移多少为一个有效的脉冲，实际脉冲位置与比特宽度内的理论脉冲位置值一致。
　
系统构成
随钻嵌入式处理单元（以下简称EPU）同时承担多项采集测量处理任务和系统通讯任务，是整个随钻地面系统的核心中枢。现场的深度、泥浆压力、钩载、死绳和泵冲传感器信号进入进入EPU，经过安全隔离栅隔离、信号调理板调理之后，送入cRIO的数据采集卡，由FPGA对数据进行采集，得到的数据经过CPU处理后，通过LAN传送给上位机。同时，上位机通过cRIO的中转，通过RS485总线与司钻显示器和DBC中控进行通讯，驱动Bypass电磁阀，进行指令下传。系统架构如图3所示。

图3 随钻地面系统框架

泥浆脉冲信号滤波解码
在井场现场，泥浆脉冲信号是通过安装在立管上的压力传感器采集获得的。
　
在现场条件下，从井下发出的泥浆脉冲信号传递到地面时，混杂了非常强的背景噪声，其来源主要有泥浆泵活塞周期往复运动产生的泥浆泵噪声、钻头粘卡后突然释钻柱产生大弧度摆动产生的钻柱扭矩噪声和钻柱钻进中的震动产生的钻头噪声。
　
在EPU中，采集获得的泥浆脉冲波形数据经过FIR初级滤波、自适应滤波、小波分析、互相关处理等一系列滤波处理，获得较为干净的脉冲信号波形。之后，通过准确判定脉冲位置，计算相邻脉冲的时间间隔，从而计算的到相应的通讯数据。
　
深度测量
钻井深度的测量，是通过测量钻机大钩上提下放运动过程进行累加，从而间接获得的。除了需要准确实时的测量大钩位置外，还需要准确判断钻具是否挂在大钩上，跟随大钩一起上提下放。
　
判断钻具是否挂在大钩上，先测量大钩的载荷，与设定的阈值进行比较，高于阈值认为是挂在大钩上，反之认为没有挂在大钩上，处于座卡状态。但在钻井过程中，会有各种震动产生，使测量得到的载荷也随之剧烈波动。当钻井深度较浅，钻具重量较轻时，阈值非常接近大钩空钩载荷，剧烈的波动很容易越过阈值造成误判。
　
为了消除震动的影响，需要对测量测到的钩载进行滤波。而滤波算法要求一方面有效滤除波动，另一方面具有很低的延迟，这两方面是一对矛盾关系。在综合了FIR、IIR、平均值滤波、中值滤波等算法的特点后，使用FPGA模块的相关滤波模块设计了一套有效的滤波算法，能够进行准确的深度测量。
　
试验情况
在已经进行的地面循环试验、井下循环试验和实钻试验中，随钻嵌入式处理单元累计工作几百小时，成功验证了其可靠性和实时性。达到的性能指标主要有：
　
1、传输率：达到了3.0bps，为目前国内的同类技术的最高水平；
　
2、误码率：在试验过程中，解码的误码率在1%以下；
　
3、可靠性：在试验工作过程中，随钻嵌入式处理单元工作稳定，算法运行正常，没有出现系统崩溃的现象。
　
总结
经过试验验证，基于CompactRIO开发的随钻嵌入式处理单元已经初步达到了实用化的水平。
　
在整个处理单元开发过程中，快捷方便的LabVIEW图形化编程工具极大的解放了开发人员的精力，可以更专注于泥浆脉冲波形滤波解码算法和深度测量算法的开发。同时，CompactRIO坚固的结构和极高的可靠性也给人留下了深刻的印象。