摘   要：本文提出了一種低成本、高成功率的無(wú)電纜水平井測(cè)井方法——鉆桿推進(jìn)無(wú)電纜測(cè)井模式。詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸模塊的軟硬件設(shè)計(jì)。

引言

隨著石油勘探開發(fā)水平的提高，水平井、大斜度井、大位移井在油田開發(fā)中已相當(dāng)普遍。與之相配套的測(cè)井技術(shù)也得到了很大發(fā)展。我國(guó)于90年代初相繼研制成功了電纜濕接頭鉆桿推進(jìn)測(cè)井技術(shù)、鉆桿推進(jìn)保護(hù)套式測(cè)井技術(shù)，基本解決了水平井的測(cè)井問題。但此類技術(shù)施工難度大、成本極高，而且測(cè)井成功率較低。

通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以及各種大規(guī)模集成電路性價(jià)比的不斷提高，使得使用大規(guī)模存儲(chǔ)設(shè)備成為可能。因此，我們根據(jù)水平井測(cè)井的特殊要求，提出了一種不采用測(cè)井電纜的水平井測(cè)井方法__鉆桿推進(jìn)無(wú)電纜測(cè)井模式。簡(jiǎn)化了水平井測(cè)井的工藝，降低了成本，經(jīng)過試驗(yàn)證明具有較高的測(cè)井成功率，解決了目前油田開發(fā)急需解決的問題。

無(wú)電纜測(cè)井系統(tǒng)

鉆桿推進(jìn)無(wú)電纜測(cè)井系統(tǒng)由地面和井下兩部分構(gòu)成(見圖1)。

地面部分的主要功能為深度—時(shí)間測(cè)量。它利用原有的測(cè)井地面設(shè)備加裝一鉆桿移動(dòng)深度—時(shí)間測(cè)量裝置，實(shí)時(shí)記錄鉆桿的深度、速度和相對(duì)應(yīng)的時(shí)間，并以文件形式進(jìn)行存儲(chǔ)。

井下部分包括原有的井下儀器以及井下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中，井下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心裝置。其主要功能是以等時(shí)的方式將井下儀器送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行采樣，并將其以文件的形式記錄在大容量存儲(chǔ)體中，從而獲得數(shù)據(jù)與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

系統(tǒng)工作過程如下：

在井場(chǎng)作測(cè)井準(zhǔn)備時(shí)，利用地面系統(tǒng)主計(jì)算機(jī)的串行通信方式，通過臨時(shí)連接電纜與準(zhǔn)備下井的井下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行通信，其通信目的是向井下數(shù)據(jù)采集授時(shí)，使主計(jì)算機(jī)與井下部分時(shí)鐘校準(zhǔn)；設(shè)置預(yù)定采樣深度的井下壓力值，作該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起動(dòng)采集，并設(shè)置井下儀器供電的臨界值；同時(shí)在地面對(duì)井下儀器進(jìn)行刻度，將刻度數(shù)據(jù)通過串行接口輸入主計(jì)算機(jī)。

將數(shù)據(jù)采集模塊和下井儀器與鉆桿相連，推送下井。地面系統(tǒng)記錄深度和時(shí)間的關(guān)系數(shù)據(jù)，當(dāng)下井儀器被推送到預(yù)定的測(cè)井深度時(shí)，數(shù)據(jù)采集模塊中的壓力檢測(cè)電路測(cè)得其數(shù)值和預(yù)定的壓力值相等時(shí)，打開逆變電源向井下測(cè)井儀器供電，此時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊以等時(shí)方式采集測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)并存入閃存中。此過程一直到儀器到達(dá)井底，然后又上提到停止測(cè)井的深度，即閃存中記錄了下放和上提兩個(gè)過程中測(cè)井的相應(yīng)數(shù)據(jù)，此時(shí)關(guān)閉逆變電源。

當(dāng)儀器提出井口，在地面，通過臨時(shí)電纜將數(shù)據(jù)采集模塊與主機(jī)串口相連，將閃存中存儲(chǔ)的井下測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)中。主機(jī)將地面系統(tǒng)記錄的深度--時(shí)間數(shù)據(jù)和井下系統(tǒng)記錄的地層參數(shù)—時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到完整的測(cè)井資料(即地層參數(shù)—深度對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù))，此時(shí)完成了整個(gè)測(cè)井過程。

整個(gè)系統(tǒng)中，井下數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和傳輸模塊是關(guān)鍵部分。由于幾千米井下，溫度高、壓力強(qiáng)、濕度大，環(huán)境條件十分惡劣。因此，井下數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和傳輸模塊除了必須選用軍品級(jí)器件外，還必須做熱備份，使用完全相同的兩套電路，同時(shí)獨(dú)立地進(jìn)行測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的采集和記錄。保證測(cè)井的高成功率。      下面給出數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與傳輸模塊的軟硬件設(shè)計(jì)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸模塊設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸模塊的主要功能就是等時(shí)(0.5s)地從井下儀器中采集測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到閃存中，待測(cè)井結(jié)束后，該模塊通過RS-485總線將存儲(chǔ)的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸給主機(jī)，通信速率為300Kbit/s。閃存的存儲(chǔ)容量為10M字節(jié)。另外該模塊還可對(duì)保溫瓶溫度等模擬量進(jìn)行采集。在整個(gè)測(cè)井過程中數(shù)據(jù)能否可靠地存儲(chǔ)與傳輸是整個(gè)測(cè)井成功與否的關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。主要由CPU(8751)、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、FLASH存儲(chǔ)器、時(shí)鐘振蕩器、RS-485接口，A/D轉(zhuǎn)換器、譯碼及控制電路和日歷時(shí)鐘等部分組成。

本系統(tǒng)的主控芯片是MD87C51單片機(jī)，負(fù)責(zé)整個(gè)模塊的協(xié)調(diào)工作，主要任務(wù)包含：與主計(jì)算機(jī)通過RS-485通信、將采集的數(shù)據(jù)記錄在大容量的閃存中，這里使用了XILINX公司的XC3030來(lái)對(duì)地址進(jìn)行譯碼，使得單片機(jī)能夠訪問大容量的閃存。日歷時(shí)鐘電路主要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)的任務(wù)，包含：接收主計(jì)算機(jī)下發(fā)的系統(tǒng)時(shí)間，對(duì)本時(shí)鐘電路進(jìn)行授時(shí)，保證主計(jì)算機(jī)和本電路的時(shí)間同步；通過計(jì)時(shí)器對(duì)時(shí)間進(jìn)行累計(jì)，與主控芯片MD87C51通過串口通信。A/D轉(zhuǎn)換電路主要由AD7824實(shí)現(xiàn)，用以采集系統(tǒng)所需的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)總線傳送給主控模塊MD87C51。

大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)是使用了20片AMD公司生產(chǎn)的閃存芯片AM29F040B(每片容量為512K)。譯碼電路，使用了XILINX公司的可編程門陣列XC3030。通過硬件描述語(yǔ)言對(duì)XC3030進(jìn)行編程配置，產(chǎn)生所需的地址譯碼。由于MD87C51的尋址空間最大為64K，這里采用了鎖存低8位地址的方式來(lái)對(duì)閃存進(jìn)行尋址。單片機(jī)為每片閃存分配了2K的地址空間。單片機(jī)讀寫閃存的時(shí)候，需要先將相應(yīng)地址的低8位鎖存入XC3030，然后再對(duì)相應(yīng)的2K空間進(jìn)行操作。這樣，就可以運(yùn)用普通的51單片機(jī)訪問大容量的存儲(chǔ)器。運(yùn)用這種方式，可以靈活運(yùn)用51單片機(jī)進(jìn)行大地址空間的訪問。

圖1  鉆桿推進(jìn)無(wú)電纜測(cè)井系統(tǒng)的構(gòu)成

圖2  數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸模塊框圖

圖3 主控單片機(jī)軟件流程

日歷時(shí)鐘電路在整個(gè)無(wú)電纜測(cè)井系統(tǒng)中占有重要的地位，其定時(shí)精度直接影響到測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。采用MD87C51單片機(jī)作為日歷時(shí)鐘電路的控制處理器，通過定時(shí)器中斷進(jìn)行時(shí)間累加，同時(shí)通過串行口與主控單片機(jī)通信。

軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為兩部分，主控單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)和日歷時(shí)鐘電路中單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)。                                                                                       

主控單片機(jī)程序包括一個(gè)主程序和兩個(gè)中斷服務(wù)子程序。中斷服務(wù)程序包含T0中斷服務(wù)子程序和串口中斷服務(wù)子程序，其中，T0中斷服務(wù)予程序只是設(shè)定一個(gè)中斷標(biāo)志，不做任何其他工作；串口中斷服務(wù)予程序的主要工作是接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。主程序控制整個(gè)模塊的工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸模塊存在兩種工作狀態(tài)，即地面通信狀態(tài)和井下測(cè)井狀態(tài)，其中，地面通信狀態(tài)就是在地面與主機(jī)相接，和主機(jī)之間進(jìn)行通信，包括初始化(擦除閃存等)、刻度以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋欢M(jìn)入井下測(cè)井狀態(tài)后，主要工作是每隔0.5s收集一次井下儀器的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，并將它寫入閃存中。主程序框圖如圖3所示。

上電復(fù)位后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化工作，隨后查詢主計(jì)算機(jī)是否發(fā)送命令，判斷命令類型，根據(jù)相應(yīng)的初始化命令、刻度命令、數(shù)據(jù)傳輸命令或者壓力到達(dá)臨界值命令，進(jìn)行設(shè)置時(shí)間、 送刻度數(shù)據(jù)、傳輸測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)或者進(jìn)入測(cè)井狀態(tài)等操作。

日歷時(shí)鐘的軟件包含一個(gè)主程序和兩個(gè)中斷服務(wù)子程序(T０和串行通信)，T0中斷服務(wù)程序主要是設(shè)置一個(gè)標(biāo)志，主程序根據(jù)此標(biāo)志進(jìn)行時(shí)間累加，串行通信中斷服務(wù)子程序主要任務(wù)是接收主控單片機(jī)的命令，并向主控單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。上電后，先進(jìn)行初始化，初始化后檢查是否有T0中斷，如果有，則進(jìn)行時(shí)間累加，否則直接檢測(cè)是否有M301命令，若有，處理命令，否則繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè)，命令主要包括初始化命令和傳輸時(shí)間值命令。

結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)的關(guān)鍵在于地面系統(tǒng)和井下儀器在時(shí)間上能夠同步，這樣就大大提高效率和方便性，實(shí)現(xiàn)了無(wú)電纜水平井測(cè)井，解決了水平井測(cè)井成本高的問題。

本系統(tǒng)使用了較少的硬件電路，較少的連線，充分使用了可編程邏輯器件和單片機(jī)的內(nèi)部資源，達(dá)到了系統(tǒng)所需的功能和要求，提高了電路的可靠性和工作效率，成本和可維修性都大大高于分立邏輯器件設(shè)計(jì)模式。

在系統(tǒng)可靠性測(cè)試中，誤差率在10-9以下。由于井下條件惡劣，因此井下儀器的器件需要選擇高溫器件。在實(shí)地測(cè)了多口水平井，取得理想結(jié)果。

目前，本系統(tǒng)已在勝利油田測(cè)井公司批量生產(chǎn)，在實(shí)際的油田測(cè)井中，工作穩(wěn)定可靠，得到了用戶單位的好評(píng)。