深孔智能化钻井参数无线实时传输系统研究

罗光强， 周 策， 李 扬， 陈文俊

(1. 中国地质科学院探矿工艺研究所，四川 成都 611734； 2.中国地质调查局地质灾害防治技术中心,四川 成都 611734)

钻探是地质调查和矿产勘查工作最直接的技术手段[1]。钻探行业与很多其他国民经济行业不同，钻井工程在井底，看不见摸不着[2]，缺少很多数据支撑，很难用完整、准确的数据表达[3]。智能化、自动化、信息化是钻井工程的发展方向[4]。随着国家对重要资源能源的需求不断增加，加上找矿难度的不断加大，钻井深度的不断加深，为减少钻井工程的盲目性[5]，实时准确地完成钻井参数的传输十分重要。目前，设计完善、使用可靠广泛的无线实时传输系统都只应用于国内外石油行业[6]，然而，对于岩心钻探行业来说，研制还处于调试阶段，还未大范围的推广应用，应用也较少[7]，都存在或多或少的问题。因此，在钻井工程中，对钻进参数的实时、安全、准确、高效传输就显得十分重要。拟研究一套由无线发送接收模块、远程网络传输模块、数据库模块、复杂钻进工况识别模块、事故诊断模块等5大模块组成的深孔智能化钻井参数无线实时传输系统，可以实现智能传输、分许存储、三维显示、网络传输等功能，解决复杂、深孔、智能化钻井参数传感器信号无线传输难题。

1 智能化钻井参数无线实时传输系统构成

智能化钻井参数无线传输可以通过多种方式组合实现实时传输，将现场的多路钻井参数通过无线模块、无线电台、网络传输等多种传输方式共同实现，不需要所有人都在钻井平台上，也可以实时了解钻井现场的各个参数，分析现场情况，给出实时建议。

智能化钻井参数无线实时传输系统可以分为下面几种方式：基于工控机的无线传输系统、基于单片机控制的无线传输系统、基于虚拟仪器LabVIEW软件平台的网络无线传输，可以通过这3种无线传输系统来实现近程基地和远程网络的实时监控[8]。智能化钻井参数无线传输系统构成如图1所示。

图1 智能化钻井参数无线传输系统构成Fig.1 Composition of the wireless transmission system for intelligent drilling parameters

2 基于工控机的无线传输系统

基于工控机的无线传输系统是通过虚拟仪器LabVIEW软件平台编程实现的，主要功能是实现20 km范围内的高速无间断的实时传输。可以选用2个E90-DTU(433L37)无线数传电台即可实现其中一个电台发送，另外一个电台接收。其主要功能是：可以20 km范围内之间的连续传输，高增益吸盘天线，传输距离远；高速不间断的实时传输，数据传输能力强；标准的Modbus串口协议，通信方便；可以通过RS485或者RS232串口连接；远距离抗干扰能力强；可以在-40～+85 ℃温度范围内正常传输工作；自动适应波特率，双向选择，收发一体。无线数传电台工作原理如图2所示[9]。

图2 无线数传电台工作原理Fig.2 Working principle of wireless digital radio

野外钻井现场将采集到的传感器数据通过带有高增益天线的无线发送电台传输至20 km范围内的基地，然后基地工控机进行采集、分析、计算、显示、存储，其无线传输流程如图3所示。

图3 基于工控机的无线传输系统原理Fig.3 Principle of the wireless transmission system based on the industrial computer

发送接收端都通过LabVIEW软件平台实现，即是通过LabVIEW软件与无线发送接收电台相连，实现无线传输[10]。操作流程：(1)LabVIEW软件中设置无线发送电台的串口号、波特率、校验位、数据位、停止位等，下一步如果接收到开关按钮的数字信号，就将数据放在一组数据中，传输至无线发送电台中；(2)通过无线接收电台，将20 km范围内的数据传输至电台中，再通过USB串口，读入LabVIEW软中；(3)在工控机端打开“数据接收”开关信号，即可实现现场传感器数据的无线远程传输。另外，还可以实现一个基地采集传输多个野外现场的钻井数据。

3 基于单片机控制的无线传输系统

基于单片机控制的无线传输系统主要是应用CC2530模块，运用51单片机编程来实现无线发送接收功能。将其中一个CC2530模块作为发送模块，与传感器组装构架为一个整体，将另外一个CC2530模块作为接收模块，通过485或者232转换接头即可实现数据实时传输。基于单片机控制的无线传输系统操作灵活[11]，可以不用电缆线，特别适合深孔或条件复杂的钻井现场。

无线传输系统的硬件组成有2件CC2530模块、2件STC12C5A602S单时钟周期单片机、2件最小模块单片机、2个大晶振及数据线若干。

基于单片机控制的无线传输系统实施流程：(1)单片机模块设置，将EA接高电阻20000 Ω，与高电平接通；替换2个22.1184 Hz晶振；接线串联，将单片机模块分别与CC2530模块相连，通电后各自的指示灯亮[12]；(2)单片机软件编程，在keil软件中用C++编程，实现数据的采集存储；(3)单片机软件下载植入，单片机与PC机相连通信，在keil软件中编译、连接、重新建立，通过STC-ISP软件，将单片机的采集存储软件下载植入到STC12C5A602S单片机模块中。需要说明的是单片机模块是TTL接头，采用TTL转232的转换接头来连接单片机，TTL模块需要单独供电，中间2个接口分别与不带盆的输入输出端口连接[13]；(4)无线发送接收模块CC2530设置，设置《2530组网透传简易版》，将2个模块的波特率都设置为19200，一个模块用EP下载，另外一个CC2530用PE下载，就可实现2个模块的发送、接收；(5)再用单时钟的单片机模块与CC2530模块通信联调，将其中一个CC2530模块作为发送模块，与传感器组装构架为一个整体，将另外一个CC2530模块作为接收模块，通过485或者232转换接头与PC机相连，即可实现二者之间的通信[14]；(6)无线传输通信，利用串口调试助手或者其他专用软件即可完成无线传输通信。

4 基于虚拟仪器LabVIEW软件平台的无线网络传输

无线网络传输可以通过无线卫星通信、GPRS/CDMA、无线光纤网络等进行传输，其中，无线光纤网络借助虚拟仪器软件平台是最便捷、最快速、最具性价比的方式[15]。借助虚拟仪器LabVIEW软件平台可以快速高效的完成测试、控制，同时利用LabVIEW软件平台的网络传输模块插件，即可实现基于虚拟仪器LabVIEW软件平台的无线网络传输功能[16]。

LabVIEW软件平台网络无线传输流程：(1)前期准备，在有光纤网络的野外现场基地，借助虚拟仪器LabVIEW软件平台，同时安装好网络传输模块插件[17]；(2)网络设置，在软件平台中设置好“Web发布工具”，输入VI名称(传输软件的名称)及页眉页脚等相关参数；选择“显示器”的查看模式，同时“启动Web服务器”按钮；然后将网页保存在本地的磁盘中，再生成软件的HTML(超文本链接标示语言)链接；(3)网络无线传输的实现，野外现场基地打开可行性文件或安装软件，运行Web服务器，在客户端按照规定输入相应的网站，可以查看，同时也可以控制修改软件界面，就可以实现网络无线传输[18]，无线网络传输的流程如图4所示。

图4 网络远程无线传输的流程Fig.4 Network remote wireless transmission process

5 科学钻探现场应用研究

深孔智能化钻井参数无线实时传输系统多次应用于不同的科学钻探钻井现场，并且应用在不同类型的钻探设备中，经过反复试验，无线实时传输系统均能实时传输、准确显示，满足科学钻探现场需求，提高钻进效率、保障钻进安全，得到现场的好评。本系统应用于山东莱州4000 m科学钻探、甘肃金川JCSD-1钻孔科学钻探、安徽铜陵3000 m科学钻探等钻井现场，均取得了良好的应用效果。经过多次室内调试及现场应用试验，解决了传输过程中的bug问题，也使系统逐步完善。甘肃金川JCSD-1钻孔科学钻探现场钻井参数无线实时网络传输软件界面如图5所示。

图5钻井参数无线实时网络传输
Fig.5Wireless real-time network transmission of drilling parameters

通过无线实时传输，在网页中输入固定的网址，即可访问钻井现场实时数据，了解现场钻进工况，还可以不同地方专家同时会诊，提出建议意见，优化钻进参数，调整钻井工艺。现场应用效果达到设计目的，可以满足不同科学钻探现场的需求。

6 总结

(1)智能化钻井参数无线实时传输系统主要由基于工控机的无线传输系统、基于单片机控制的无线传输系统、基于虚拟仪器LabVIEW软件平台的网络无线传输组成。

(2)采用模块化编程，主要由无线发送接收模块、远程网络传输模块、数据库模块、复杂钻进工况识别模块、事故诊断模块等5大模块组成。

(3)通过山东莱州4000 m科学钻探、甘肃金川JCSD-1钻孔科学钻探、安徽铜陵3000 m科学钻探及多次应用测试实验，证明深孔智能化钻井参数无线实时传输系统满足科学钻探野外现场数据传输要求，实时便捷，现场适用性强，可以广泛应用于复杂、深孔、智能化钻井现场，满足深部资源探矿工程的需要，支持国家重要能源资源勘探工程。