無電纜測井中大批量數據存儲與傳輸模塊的實現

2004年6月A版

摘  要：本文提出了一種低成本、高成功率的無電纜水平井測井方法——鉆桿推進無電纜測井模式。詳細介紹了數據存儲和傳輸模塊的軟硬件設計。

關鍵詞：大批量數據存儲；數據傳輸；水平井；無電纜

引言

　　隨著石油勘探開發水平的提高，水平井、大斜度井、大位移井在油田開發中已相當普遍。與之相配套的測井技術也得到了很大發展。我國于90年代初相繼研制成功了電纜濕接頭鉆桿推進測井技術、鉆桿推進保護套式測井技術，基本解決了水平井的測井問題。但此類技術施工難度大、成本極高，而且測井成功率較低。

　　通信技術與計算機技術的飛速發展，以及各種大規模集成電路性價比的不斷提高，使得使用大規模存儲設備成為可能。因此，我們根據水平井測井的特殊要求，提出了一種不采用測井電纜的水平井測井方法__鉆桿推進無電纜測井模式。簡化了水平井測井的工藝，降低了成本，經過試驗證明具有較高的測井成功率，解決了目前油田開發急需解決的問題。

無電纜測井系統

　　鉆桿推進無電纜測井系統由地面和井下兩部分構成(見圖1)。

　　地面部分的主要功能為深度—時間測量。它利用原有的測井地面設備加裝一鉆桿移動深度—時間測量裝置，實時記錄鉆桿的深度、速度和相對應的時間，并以文件形式進行存儲。

　　井下部分包括原有的井下儀器以及井下數據采集系統。其中，井下數據采集系統是整個系統的核心裝置。其主要功能是以等時的方式將井下儀器送來的信號進行采樣，并將其以文件的形式記錄在大容量存儲體中，從而獲得數據與時間的對應關系。

系統工作過程如下：

　　在井場作測井準備時，利用地面系統主計算機的串行通信方式，通過臨時連接電纜與準備下井的井下數據采集系統進行通信，其通信目的是向井下數據采集授時，使主計算機與井下部分時鐘校準；設置預定采樣深度的井下壓力值，作該數據采集系統起動采集，并設置井下儀器供電的臨界值；同時在地面對井下儀器進行刻度，將刻度數據通過串行接口輸入主計算機。

　　將數據采集模塊和下井儀器與鉆桿相連，推送下井。地面系統記錄深度和時間的關系數據，當下井儀器被推送到預定的測井深度時，數據采集模塊中的壓力檢測電路測得其數值和預定的壓力值相等時，打開逆變電源向井下測井儀器供電，此時數據采集模塊以等時方式采集測井數據并存入閃存中。此過程一直到儀器到達井底，然后又上提到停止測井的深度，即閃存中記錄了下放和上提兩個過程中測井的相應數據，此時關閉逆變電源。

　　當儀器提出井口，在地面，通過臨時電纜將數據采集模塊與主機串口相連，將閃存中存儲的井下測井數據傳輸到主機中。主機將地面系統記錄的深度--時間數據和井下系統記錄的地層參數—時間數據進行處理，得到完整的測井資料(即地層參數—深度對應關系數據)，此時完成了整個測井過程。

　　整個系統中，井下數據采集、存儲和傳輸模塊是關鍵部分。由于幾千米井下，溫度高、壓力強、濕度大，環境條件十分惡劣。因此，井下數據采集、存儲和傳輸模塊除了必須選用軍品級器件外，還必須做熱備份，使用完全相同的兩套電路，同時獨立地進行測井數據的采集和記錄。保證測井的高成功率。      下面給出數據采集、存儲與傳輸模塊的軟硬件設計。

數據存儲與傳輸模塊設計

硬件設計

　　數據存儲與傳輸模塊的主要功能就是等時(0.5s)地從井下儀器中采集測井數據，并將數據存儲到閃存中，待測井結束后，該模塊通過RS-485總線將存儲的測井數據傳輸給主機，通信速率為300Kbit/s。閃存的存儲容量為10M字節。另外該模塊還可對保溫瓶溫度等模擬量進行采集。在整個測井過程中數據能否可靠地存儲與傳輸是整個測井成功與否的關鍵，其結構框圖如圖2所示。主要由CPU(8751)、程序存儲器、數據存儲器、FLASH存儲器、時鐘振蕩器、RS-485接口，A/D轉換器、譯碼及控制電路和日歷時鐘等部分組成。

　　本系統的主控芯片是MD87C51單片機，負責整個模塊的協調工作，主要任務包含：與主計算機通過RS-485通信、將采集的數據記錄在大容量的閃存中，這里使用了XILINX公司的XC3030來對地址進行譯碼，使得單片機能夠訪問大容量的閃存。日歷時鐘電路主要實現準確計時的任務，包含：接收主計算機下發的系統時間，對本時鐘電路進行授時，保證主計算機和本電路的時間同步；通過計時器對時間進行累計，與主控芯片MD87C51通過串口通信。A/D轉換電路主要由AD7824實現，用以采集系統所需的相關數據，通過單片機總線傳送給主控模塊MD87C51。

　　大容量數據存儲的實現是使用了20片AMD公司生產的閃存芯片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。通過硬件描述語言對XC3030進行編程配置，產生所需的地址譯碼。由于MD87C51的尋址空間最大為64K，這里采用了鎖存低8位地址的方式來對閃存進行尋址。單片機為每片閃存分配了2K的地址空間。單片機讀寫閃存的時候，需要先將相應地址的低8位鎖存入XC3030，然后再對相應的2K空間進行操作。這樣，就可以運用普通的51單片機訪問大容量的存儲器。運用這種方式，可以靈活運用51單片機進行大地址空間的訪問。

　　日歷時鐘電路在整個無電纜測井系統中占有重要的地位，其定時精度直接影響到測井數據與時間的對應關系。采用MD87C51單片機作為日歷時鐘電路的控制處理器，通過定時器中斷進行時間累加，同時通過串行口與主控單片機通信。

軟件設計

　　軟件設計分為兩部分，主控單片機的程序設計和日歷時鐘電路中單片機的程序設計。                                                                                       
　　主控單片機程序包括一個主程序和兩個中斷服務子程序。中斷服務程序包含T0中斷服務子程序和串口中斷服務子程序，其中，T0中斷服務予程序只是設定一個中斷標志，不做任何其他工作；串口中斷服務予程序的主要工作是接收和發送數據。主程序控制整個模塊的工作狀態，數據存儲與傳輸模塊存在兩種工作狀態，即地面通信狀態和井下測井狀態，其中，地面通信狀態就是在地面與主機相接，和主機之間進行通信，包括初始化(擦除閃存等)、刻度以及數據傳輸等；而進入井下測井狀態后，主要工作是每隔0.5s收集一次井下儀器的測井數據，并將它寫入閃存中。主程序框圖如圖3所示。

　　上電復位后，首先進行系統的初始化工作，隨后查詢主計算機是否發送命令，判斷命令類型，根據相應的初始化命令、刻度命令、數據傳輸命令或者壓力到達臨界值命令，進行設置時間、 送刻度數據、傳輸測井數據或者進入測井狀態等操作。

　　日歷時鐘的軟件包含一個主程序和兩個中斷服務子程序(T０和串行通信)，T0中斷服務程序主要是設置一個標志，主程序根據此標志進行時間累加，串行通信中斷服務子程序主要任務是接收主控單片機的命令，并向主控單片機發送數據。上電后，先進行初始化，初始化后檢查是否有T0中斷，如果有，則進行時間累加，否則直接檢測是否有M301命令，若有，處理命令，否則繼續進行檢測，命令主要包括初始化命令和傳輸時間值命令。

結語

　　本系統的關鍵在于地面系統和井下儀器在時間上能夠同步，這樣就大大提高效率和方便性，實現了無電纜水平井測井，解決了水平井測井成本高的問題。

　　本系統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的內部資源，達到了系統所需的功能和要求，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計模式。

　　在系統可靠性測試中，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。在實地測了多口水平井，取得理想結果。

　　目前，本系統已在勝利油田測井公司批量生產，在實際的油田測井中，工作穩定可靠，得到了用戶單位的好評。■