钻柱内孔电磁波监测系统及软件设计

韩 旭 江 波2 陈向东3 夏文鹤

(1.西南石油大学电气信息学院 四川 成都 610500)(2.中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院 四川 成都 610000) (3.西南交通大学信息科学与技术学院 四川 成都 611756)

一、引言

针对目前井下数据传输效率低，可靠性差的难题，将钻柱作为电磁波信号通道，研制出高效可靠的信号传输系统，满足气体钻井井下安全监测和数据传输的需要。为了满足整个系统流程的需要，完成电磁波实时监测研究工作，故研制配套的地面监控软件，实现电磁波数据采集、分析观察等工作。

二、监控系统总体设计

通过电磁波传输测试结果可以观察到，通过点对点直接传输，尚无法实现从近钻到地面3000m的传输距离。通常借助信号中继的方式来实现传输距离的增大和提升。也就是说整个井下网络中继器的布置，需要按照钻柱结构组成直线状分布，从而形成一个直线分布的链式网络。传输过程中，当上一级中继所发射的电磁波信号功率在钻杆内的衰减程度与接收灵敏度相接近时，就需要有一级新的中继器加入进来，这样就可以不断的延长信号的传输距离，最终将信号传输至地面。

下图1是为井下电磁波信号中继传输的设计方案，图中1-10总计10个标号，表示电磁波通讯单元，该传输系统的传输过程如下：信号发射模块(1、2)位于钻头处，对井下的实时参数信息进行采集，并向地面方向进行逐级发送，依次通过低序号到高序号的电磁波通讯单元。在这个链式中继网络中，最终实现井底电磁波信号的传出，并被信号接收模块(9、10)进行接收。再通过设计相关地面信号接收方案将电磁波信号引出到钻柱外部地面空间的信号接收器。随后在地面对电磁波信号进行接收后向终端显示器进行发送，以此来实现测量信息从井底向地面传输的过程。为提高传输效率，各中继模块应采用透明接力传输。

图1 监控系统硬件

三、监控系统软件模块结构

气体钻井电磁波监测软件按功能总共分为4个部分，分别是：参数设置模块、数据采集模块、数据处理模块、系统管理模块。参数设置模块是设置中继模块参数状态，数据采集模块和数据处理模块是实现电磁波数据采集，并对数据进行处理计算，得到监测物理量的具体数值，最后存入数据库内，并显示各物理量的数值，同时采集中继器工作状态数据。系统管理模块主要解析中继器、采集器的工作状态数据，对中继器、射频模块工作状态进行判断预警。其框图如图2所示

图2 系统功能框架图

(一)数据采集

数据采集的主要功能是实现对射频模块数据的提取、处理、显示分析和存储，如图3所示，软件重点是实现与下位机通信和数据处理。

图3 数据读取结构图

(二)数据处理

根据监控系统硬件的设计，上位机数据处理主要包含中继器数据处理、射频模块数据处理和数据保存三部分。

1.中继器数据处理

中继器除了依次传输射频模块的数据外，还对中继器工作状态进行了处理，当中继器模块正常工作时,在界面中显示为绿色；如果超过10分钟未收到或上传数据中继器模块会变为黄色；若长时间未收到、上传数据或出现电量不足温度过高等情况，中继器模块会变为红色，表示此时该中继器出现故障。

图4 中继器数据处理流程图

2.射频模块数据处理

射频模块监控界面功能主要为“功率查询”，对射频模块的数据进行显示和监控。

图5 射频模块数据处理流程图

左侧数据栏实时显示测量到的天线相关数据，有组网状态、天线功率、参数查询。可手动点击相应界面进行查询显示。

3.数据保存

提取数据之后，判断数据读取中是否存在中继器故障情况，如是则删除掉后面的数据再存入数据库，若不是，则可将现有数据按其编号轮次存入在数据库中，供以后查询。保存数据之后，就可以查看历史数据，导出文本文档保存，相关流程图如6、7图所示。

图6 保存数据功能流程图

图7 数据查询、图表显示、导出功能流程图

四、软件界面设计

根据上述软件模块程序流程和架构，根据现场试验实际需要，将气体钻井试验过程中各参数实时显示窗口界面并以数值形式记录在文件中，为气体钻井电磁波随钻测量技术实时监控和试验后分析研究提供了便利。如图8所示，上位机界面主要分为左、右两个窗口。左侧窗口中，在取数参数一栏手动选择功率查询即可通过下方的取数结果查看收、发端电磁波功率大小；右侧窗口主要用来判断数据包接收情况。

图8 软件界面图

五、结论

现场应用表明，该气体钻井电磁波监测系统地面监控软件符合实际试验需求。功能较为完善，能够完成对电磁波传输相关数据的实时传输及监控。