无线型存储式地面时深系统设计

张雄辉，张 勇，曾晓丰，游 畅，阳成军，陈召军，王邦伟，陈 雄，潘 勇

(中国石油集团测井有限公司西南分公司 重庆 400021)

0 引 言

随着国内页岩气勘探开发技术的成熟，页岩气井逐步进入了大规模开采，并形成了涪陵、长宁-威远和昭通3个国家级页岩气产业化示范区[1]。页岩气测井施工主要使用存储式仪器，因此对该类测井仪器的需求越来越多。

中油测井西南分公司在2013年即研制成功TPML-A型存储式地面系统[2]，该系统采用有线传感器，现场布线复杂，且深度校正需全程人工干预，增加了施工人员的劳动强度。针对此种情况，研制了无线型存储式地面时深系统，该系统采用无线传感器，能够实时完成对钻具位置(大钩高度)、大钩负荷、立管压力和电缆深度的检测，并与地面计算机通讯，为存储式测井系统提供深度信息，以实现与下井仪的深度匹配和数据处理。

1 系统硬件设计

无线型存储式地面时深系统通过绞车传感器感应钻机的滚筒转动，利用滚筒参数、大绳参数参与计算，利用校正系数参与微调，结合大钩负荷传感器的轻、重载状态来判断仪器运动方向，以实现对仪器所处深度的准确跟踪。

当井下仪器、钻杆和钻铤的重量均由大钩承受时，大钩为“重载”；坐卡瓦时，大钩为“轻载”。“重载”时，大钩高度上下移动，井下仪器位置相应上下改变，深度也随着改变。“轻载”时，井下仪器位置不随大钩高度的变化而变化，深度不变。

无线型存储式地面时深系统原理框图如图1所示，该系统包含有线/无线传感器及其接线盒、数据处理单元以及地面处理软件[3]。

图1 系统原理框图

1.1 有线/无线传感器

1)有线传感器

有线传感器兼容TPML-A型存储式地面系统，在存储式测井施工前，需要布线，将绞车、大钩以及立压传感器信号从井台区接入传感器接线盒，经过传感器总线输入到深度采集单元进行采集和处理。

2)无线传感器

无线传感器的主要配置见表1，包括绞车、大钩负荷以及立管压力3种无线传感器,无线传输盒以及主节点。

表1 无线传感器的主要配置

来自3种无线传感器的信号通过无线传输盒后，向外传输无线信号，无线主节点对其进行接收，然后通过串口通信进入深度采集面板的数据处理单元，进行数据解析和存储。

(1)无线传感器及传输盒

无线传感器包含SCW-531无线绞车传感器、SCW-533B无线大钩负荷传感器、SCW-534B无线立管压力传感器，所用无线传感器为特殊设计的低功耗传感器，供电采用可充电的锂电池，供电电压为2.8～4.2 V，使用时分别将3种传感器连接在对应的无线传输盒上，进行信号传送。

(2)无线主节点

无线主节点用于接收无线传输盒发射的信号，在主节点内部设计有定向天线，用于接收无线传感器通过无线传输盒发射的信号。在使用时，确保正面对准传感器所在的方向。

有线/无线传感器信号经过地面时深系统数据处理单元的预处理后，通过网口与上位机进行通信，并通过深度处理软件进行深度的记录、自动校正，并最终形成时深文件。

1.2 数据处理单元

数据处理单元主要包括电源模块、接口板、深度处理电路、串口转接模块、CAN通信采集模块等，其主要功能包括：采集处理绞车传感器和光电编码器等数字信号；采集处理大钩负荷和立压数据等模拟信号；通过网口与上位机通信。

1)电源模块

数据处理单元的电源供电模块使用两组开关电源，其中一个提供+5 V/1 A、+12 V/1 A、+24 V/1 A 3组直流电源，另一个提供+5 V/4 A、+24 V/2 A 2组直流电源，以上两组电源为数据处理单元内部模块和电路提供工作电压。

2)接口板及深度处理电路

接口板的主要作用是对绞车传感器的信号做预处理，进行电平转换，以满足后续电路对电平的需要，其原理框图如图2所示。

图2 接口板及深度处理电路原理框图

接口板的信号流程为：拨动换向开关，使大钩运动方向与计算机大钩高度显示方向一致，两路绞车信号通过换向开关后，由电平转换电路将绞车信号变为符合后续电路要求的电平。

深度处理电路由光电隔离、取沿电路等组成，通过传感器总线接收来自井场的绞车传感器信号，该电路可以兼容钻具输送、连续油管、测井模式多种绞车脉冲信号处理，按照绞车供电类型可兼容5 V和12 V供电绞车传感器，按照信号类型可兼容差分信号、电平信号、接近开关信号(两路4～20 mA电流输出)3种类型，其原理框图如图3所示。

图3 深度处理电路原理框图

如图3所示，1通道处理差分信号，2通道和3通道处理接近开关信号。1通道为差分信号处理通道，通过差分处理电路和光电隔离电路抑制共模干扰和环境噪声。2、3通道将接近开关信号处理成带有相位差的电平脉冲，再通过比较器和光电隔离电路来增强信号输出能力，屏蔽干扰。处理后的各路绞车信号通过CPLD处理电路实现信号整形和数字信号转换输出。同时深度接口电路还具有电源和信号指示功能：输入供电电压正常，电源指示LED常亮；输入绞车信号正常，则相应的LED交替闪烁。

3)串口转接模块

串口转接模块采用USB232GH2模块，实现USB和RS232/RS485之间的通信转换，供无线传感器和井下仪通信使用。

4)CAN通信采集模块

CAN通信采集模块功能主要包括两部分: 一是将CAN总线转换为网络，与上位机进行通信；二是进行模拟量信号采集，将大钩负荷和立管压力传感器输出的4～20 mA信号转换为后级A/D变换所需的1～5 V电压信号，并送入单片机进行处理。

2 系统软件设计

无线型存储式地面时深系统的软件主要包括深度数据跟踪存储和测后时深数据编辑(自动校深)。

采用锤击法对转向架进行模态测试试验。首先将在转向架上需要安装压电加速度计的点进行标记和处理，骨架模型上的每个点即为测点。转向架骨架模型如图5所示。图5中,X方向与轨道纵向一致，Y方向与轨道横向一致，Z方向为垂直方向。

2.1 深度数据自动跟踪

深度自动跟踪软件系统结构图如图4所示，可以选择有线模式或无线模式。

图4 深度跟踪软件系统结构图

将绞车传感器安装到滚筒上，利用滚筒转动带动绞车传感器转动，绞车传感器转动产生脉冲计数，通过安装的大钩负荷和缆车大钩的高度来精确判定有效的脉冲计数，再通过深度模型计算出行程[4]。软件在接收到脉冲计数信息后，按照传动模型进行计算得到当前井下仪器深度，从而实现存储式测井模式下的深度跟踪功能[5]。深度跟踪存储过程如图5所示。

图5 时深数据深度跟踪存储过程

深度跟踪软件的实现流程如图6所示。

图6 深度跟踪软件实现流程图

程序启动后，检测深度系统是否连接成功，连接成功则初始化NowP=0(当前钻柱末端位置)，LastP=0(上次钻柱末端位置)。如果通讯正常且正在作业，则读出串口数据NowP，并计算NowP-LastP，如果等于0，则表示钻柱处于静止状态，重新读取串口数据；如果不等于0，则表示钻柱在运动(上提或下放)，此时存储时深数据。如果没有停止作业，则继续返回读取串口数据NowP，如果停止作业，则程序结束。

2.2 测后时深数据编辑(自动校深)

时深数据编辑功能包括：递增(减)检查、数据批量插入和批量删除。编辑完成后，根据钻柱时深表，对时深数据进行分段平差。分段平差完成后即完成了自动校深。其具体步骤如下：

1)获取每柱钻柱运行的时间区间,即开始时间、结束时间以及操作时间窗口总数；

2)读取全记录文件中的大钩高度数据，获取每柱钻柱运行开始时与结束时的大钩高度，得到了当前钻柱的测长；

3)将每柱钻柱测长值与钻具表按顺序进行比较，获取当前钻柱的上修钻位(钻柱开始运行时仪器实际位置)以及实长值；

5)将得到的每个仪器位置进行分段平差，生成连续单调的时深数据文件。

3 现场应用情况

无线型存储式地面时深系统设计调试完成后，即进入现场使用，其现场测井资料对比图如图7所示。

图7中，蓝色曲线为采用无线存储深度系统时深文件匹配出来的存储式能谱测井曲线，其余为采用原地面时深系统TPML-A的时深文件匹配出来的能谱曲线。

由图7可知，无线时深系统记录的时深文件，与下井仪器的时间-数据文件匹配后，处理得到的测井资料与利用原时深文件处理所得到的测井资料相当。可见，无线时深系统采集的时深文件能够满足现场使用。

图7 宁XX井测井资料对比图

目前该系统已在长宁-威远页岩气区块进行了70余井次的施工，各模块功能正常，能够准确采集到大钩高度、大钩负荷、立管压力等参数，并通过软件计算出仪器所处位置，形成时间-深度数据文件。该文件与井下仪器采集的数据匹配后，得到测井数据资料，完成测井施工。

4 结 论

无线型存储式地面时深系统采用无线传感器发射和接收电路、数字信号处理电路进行数据采集处理，通过测井深度自动跟踪算法、自动校深算法处理后，可生成存储式仪器的测井时间-深度数据信息。

1)该系统采集的时深文件能够满足存储式测井施工的现场使用，极大地减轻了小队人员的劳动强度；

2)对于录井时深文件转换为测井时深文件的功能，还有待开发和完善；

3)系统里面可增加利用CCL磁定位接箍来进行的深度校正软件，使得记录的深度文件更加精确。