（微电子学与固体电子学专业论文）数字化钻井参数算法设计及测控功能实现.pdf

i 摘摘 要要 石油钻井参数仪是一种通过监测钻井过程来进行科学分析和科学决策的集成仪 器仪表，本文研究重点是为新型钻井参数仪设计集成化的天车防碰和自动灌浆系统 功能。 本文在钻井多参数仪的研发与设计中，充分利用了钻井参数仪、天车防碰、自 动灌浆之间数据信息相关性，在参数仪中集成了天车防碰和自动灌浆系统功能，避 免了硬件资源的重复投资，减少了软件功能的重复开发，提高了井场的空间利用率， 也压缩了三种系统功能实现的综合成本。 论文首先介绍了 szjiii 型钻井参数仪的系统整体结构和上位机软件系统，结合 天车防碰和自动灌浆的功能特点和所需信息，确定将其的分析决策功能划分为前台 界面显示部分和后台算法处理部分，并将前台部分放到用户图形界面软件模块中实 现，而将后台部分置于数据处理软件模块中实现。同时，作为天车防碰和自动灌浆 的基础，系统将衍生量计算和钻井工况判断也放在数据处理软件模块中实现，并将 衍生量计算、钻井工况判断、天车防碰后台算法处理和自动灌浆后台算法处理封装 为 cdataprocess 类，供相关程序调用。为了响应上位机系统的命令控制，实现天车 防碰和自动灌浆功能，设计了控制硬件模块通过继电器来控制声光报警、刹车控制 和灌浆泵启停。此外，为满足用户需求，系统通过 shell 脚本编程和系统 api 编程， 完成了 linux 和 windows 下系统自启动软件模块和双机冗余软件模块的设计实现。 关键词：集成系统 天车防碰 自动灌浆 钻井参数仪 控制模块 ii abstract drilling parameters instrument as an intergraded instrument is applied for monitoring drilling process and collecting the corresponded parameters which provide powerful evidence for scientific analysis and correct decision-making. my work is focused on design of crownblock anti-collision function and automatic-grouting function for a new type of drilling parameters instrument. meanwhile, based on the responsibility of data of drilling parameters, crownblock anti-collision system and automatic-grouting system are carried out. the main functions are tested. the results illustrated that this parameter has its unique merits such as avoiding the reinvestment of hardware, reduceing the re-development of software, promoting the utilization ratio of space in wellsite, and cutting the multi-cost of the three systems. in this thesis, the whole system structure and the epigynous machine software system are introduced. given the characteristics and necessary data of both crownblock anti-collision function and automatic-grouting function, the analysis and decision-making function is divided into two parts: display part at front interface and calculation part at back-door interface. the former one is actualized in gui(graphical user interface) software module, and the later one is done in data processing software module. meanwhile, derivative parameters calculation and drilling condition judgement, the foundation of crownblock anti-collision disposal and automatic-grouting realization, is also done in the data processing software module, and derivative parameters calculation, drilling condition judgement, crownblock anti-collision algorithm processing and automatic-grouting algorithm processing is sealed in the class of cdataprocess, ready to be called by other program. in order to implement the command of epigynous machine system and actualize the function of crownblock anti-collision and automatic-grouting, the development of hardware control module is achieved, which takes use of relay to actualize sound void setoff()/将关闭继电器封装为函数，通过函数调用隐蔽底层细节，实现关 闭继电器功能 ctrlmod_l; 4.2.2 can 总线功能实现总线功能实现 （1）初始化过程 sja1000 的初始化过程只有在复位模式下才可以进行，其初始化工作主要包括： 工作方式的设置、接收滤波方式的设置、接收屏蔽寄存器（amr）和接收代码寄存 器（acr）的设置、波特率参数设置和中断允许寄存器的设置等。sja1000 在完成 相关初始化设置以后，就可以回到工作状态，进行正常的通信处理了47。 can 初始化程序的流程图如图 4-4 所示。 系统启动初始化 开始 是否成功进入复位模式 关闭can控制器中断源 设置总线波特率 设置中断寄存器 设置总线寄存器 设置验收代码寄存器 设置屏蔽代码寄存器 是否成功进入工作模式 开放can控制器中断源 完成初始化 是 否 是 否 图 4-4 can 初始化流程图 （2）发送过程 报文发送程序负责各节点报文的发送。在发送报文前，要判断相应的寄存器， 如果满足发送条件， 就将待发送的数据按照特定格式组织成一帧报文， 送入 sja1000 的发送缓冲区，然后运行发送指令48。 报文发送程序的流程图如图 4-5 所示。 64 读状态寄存器 是否在接收 退出发送启动发送 结束发送过程 上次发送是否完成 清空缓冲区 发送缓冲区是否锁定 组织29位标识符 组织8字节数据帧 写发送缓冲区 开始发送过程 否 是 否 是 是否 图 4-5 can 发送程序流程图 （3）接收过程 报文接收程序负责节点报文的接收及其他相关情况的处理。接收程序在处理报 文接收过程中，同时要对总线关闭、错误报警、接收溢出等情况进行相应处理。报 文的接收采用的是查询方式。 报文接收程序的流程图如图 4-6 所示。 读状态寄存器 开始读取过程 总线是否关闭 清除中断位， 进入复位模式 接收缓冲区 数据是否溢出 接收缓冲区 是否有数据 清除溢出数据 释放接收缓冲区 退出接收 读取can帧 读取数据信息 释放接收缓冲区 释放仲裁丢失 捕捉寄存器 释放错误捕捉寄存器 结束读取过程 是 否 是 否 否 是 图 4-6 can 接收程序流程图 65 4.3 传感器模块应用功能实现传感器模块应用功能实现 4.3.1 工程量运算工程量运算 工程量是指司钻测控所需要的各种技术参考工程值，他表征了井场各部分所处 的运行状态，具有各自独特的物理意义。在司钻过程中，由传感器直接获取的称为 原始量，它表示的是传感器读到的具体信号值，它只是井场工程参数的运算基础， 需要通过特定的运算转变为具有明确物理意义和单位的工程量。 在系统设计中，由于每种需上传采集数据的传感器模块类型都有其各自对应的 运算公式，且对每一数据帧都要根据原始量获得对应的工程量，所以如果将其都放 在上位机由上位机综合处理，则会因传感器模块数量众多给上位机造成很大的运算 压力。所以考虑其本身运输量和在单片机中进行计算的可行性，将工程量的运算放 在底层传感器模块进行，这样将计算工作量均摊到各传感器模块分散了运算压力。 这样做还有另外一个好处，因为工程量运算需用到 ab 系数参数，而为确保各底层 模块功能完整性，ab 系数参数都存于底层模块的 flash 中。如果工程量在底层模 块中进行则可直接将 flash 中的系数参数读入内存，供运算循环使用，若将其放在 上位机，还需在上位机开辟专门区域存储这些系数参数，既浪费空间，也造成三台 上位机同步修改困难。 三种传感器模块各自运算方法不同，但都将运算过程封装为了 caculatexy 函 数。其不同的运算过程如下： （1）电流型模块 通过 max187 函数将电流型传感器经由 max187 数模转换器输出的串行数据经 过串并转换整合成 long 型（长整型） ，并作为原始量返回。然后根据保存在 flash 中的 ab 系数参数（包括 1 阶参数和 0 阶参数） ，计算出工程量值，存于全局变量供 发送 can 帧之用。 （2）开关量型模块 通过 swsp 函数与 fpga 进行通讯， 获取相邻开关泵间隔时间及累计泵冲数两个 原始量。通过对开关泵时间取倒数乘适当系数可以获得其频率值,即泵冲速原始量， 并连同累计泵冲数与保存在 flash 中的 a 系数参数（1 阶参数）相乘，获取泵冲速 工程量和累计泵冲数的工程量，也存于全局变量中供发送 can 帧之用。 （3）ab 相型模块 66 通过 absp 函数与 fpga 通讯， 获取游车高度原始量， 即旋转编码器的实际数值。 然后在 ab 相型模块 flash 中保存的 15 组系数中，根据原始量当前值所处的运算 区间，选择一组合适的 ab 系数（包括 1 阶参数和 0 阶参数）进行运算，得到游车 高度工程量，也存于全局变量中供发送 can 帧之用。 4.3.2 命令处理命令处理 在本系统中，为覆盖用户的操控需求，设计了多种命令帧用以实现用户的各种 设置和控制功能，并以每个 can 帧第 3 个字节表示该帧的 command id，即命令标 识符。命令按作用对象分，大体可分为两类：由底层传感器模块执行的命令和由上 位机软件系统执行的命令。但考虑到上位机有三台，且需兼顾双机热冗余功能，所 以无论作用于上位机还是底层模块的命令都规定需下发到底层模块，再将反馈帧经 由 can 总线和以太网以广播方式发送各上位机，使得三台上位机能同步执行，且主 控机崩溃时不致影响整个命令执行流程。 各命令帧 command id、意义和定义宏名如表 4-1 所示。 表 4-1 命令 id 约定表 command id 16 进制 意义 宏 1 0 x01 下载参数完毕 cmd_download_ab 16 0 x10 报警/开关模块开cmd_key_on 17 0 x11 报警/开关模块关cmd_key_off 19 0 x13 正常发送数据 cmd_senddata_on 20 0 x14 读取 flash 信息 cmd_readflash 21 0 x15 上传参数完毕 cmd_upload_ab 37 0 x25 修改 canid cmd_modifycanid 38 0 x26 设置游车高度 cmd_ hook 39 0 x27 累计泵冲数清零cmd_clear_allstroke 40 0 x28 参数更新 cmd_setparameters 41 0 x29 钻头位置设初值cmd_bit_location 42 0 x2a 井深设初值 cmd_d_depth 43 0 x2b 单根数设初值 cmd_number_singlepole 44 0 x2c 错误处理 cmd_error 45 0 x2d 池溢漏清零 cmd_standard_alltankvolume 46 0 x2f 钻压清零 cmd_most_hook_load 100 0 x64 上/下载参数 cmd_blockdata 67 按作用对象分别对需底层模块响应的命令进行设计，并以宏定义加以区分： 1）所有底层模块 修改 canid 命令（cmd_modifycanid） ：该命令帧携带新、旧 canid 值， 用于通过上位机界面灵活修改底层模块 canid。 当收到此命令时， 修改存于 flash 中的 canid，并以此 canid 重新初始化该模块 can 总线接口的接收滤波器。如果 命令执行成功将该命令帧原样返回；如果不成功发送错误处理帧。修改 canid 命令 的处理过程被封装为 cmdchcanid 函数。 2）所有非控制型底层模块 （1） 上/下载参数命令 （cmd_blockdata） ： 该命令携带上/下载的参数信息。 为了兼容不同类型底层模块上传和下载参数时帧数的不同，特定在上位机和下位机 分别设定了接收缓存区用于接收上传和下载的单帧或多帧数据，其规模按上、下载 最大帧数设定。这条命令必须与上载参数完毕和下载参数完毕配合使用，由它们来 表示接收完毕。在底层模块中根据下载参数命令填写接收缓冲区的过程被封装为 input_blockdata 函 数 ； 而 上 传 参 数 时 正 常 数 据 信 息 command id 也 由 cmd_blockdata 标定。 （2）下载参数完毕命令（cmd_download_ab） ：该命令携带下载的参数个 数信息，与上/下载参数命令配合使用。当底层模块接收到下载参数完毕命令时，检 测下载参数是否全部接收到，若全部接收完毕则将接收缓冲区中指定个数的参数保 存于 flash 中，并原样返回该帧，否则发送错误处理帧。该处理过程被封装为 cmddownloadabx 函数。 （3）上传参数完毕命令（cmd_upload_ab） ：该命令携带上传参数个数信 息，与上/下载参数命令配合使用。根据传感器类型不同，上传参数个数也不同：电 流型需两个参数；开关量型需一个参数；而 ab 相型则需 45 个参数。首先将 flash 中对应个数的参数拷贝到内存中的数组，然后依次以上/下载参数命令帧携带参数上 传上位机，待所以参数上传完毕，发送上传参数完毕命令帧并告知上位机刚才上传 参数的个数，由上位机进行汇总和处理。该过程被封装为 cmdupabx 函数。 3）ab 相型模块 设置游车高度命令（cmd_ hook） ：该命令携带待修改的游车高度目标工程量 值。当收到该命令时，通过目标工程量判断其在 ab 相分段运算中所处的运算区段， 利用该区段的 ab 参数值反推出原始量，然后下载到 fpga 刷新其原始量值。 68 download_inivalue 函数完成对 fpga 的原始值下载。处理完后将该命令原样返回上 位机。以上全过程被封装为 setinivalue 函数。 4）开关量型模块 累计泵冲数清零（cmd_clear_allstroke） ：与游车高度命令类似，该命 令携带待修改的累计泵冲数目标工程量值，由于是清零所以为 0。收到该命令时，进 行工程量运算的反运算得到原始量，此刻为 0，然后通过 download_inivalue 函数下 载到 fpga 中。处理完后将该命令原样返回上位机。以上全过程也被封装为 setinivalue 函数。通过宏定义将开关量型和 ab 相型的 setinivalue 函数的实现区分 开来。 5）控制型模块 （1）报警/开关模块开命令（cmd_key_on） ：该命令不携带有效数据信息， 它指示控制模块驱动继电器开，从而实现报警或刹车开启功能。对继电器的启动过 程被封装为 seton 函数。完成后原样返回该帧。 （2） 报警/开关模块关命令 （cmd_key_off） ： 该命令也不携带有效数据信息， 它指示控制模块驱动继电器关，从而实现报警或刹车关闭功能。对继电器的关闭过 程被封装为 setoff 函数。完成后原样返回该帧。 6）上位机 （1） 参数更新命令 （cmd_setparameters） ： 用于指示上位机将 parameter.ini 文件中涉及到的参数全部更新一遍，主要是一些门限阈值。底层模块收到此命令后 立刻原样返回此帧供上位机处理。 （2）钻头位置设初值（cmd_bit_location） ：用于指示上位机设置钻头位 置为目标值。底层模块收到此命令后立刻原样返回此帧供上位机处理。 （3）井深设初值（cmd_d_depth） ：用于指示上位机设置井深为目标值。底 层模块收到此命令后立刻原样返回此帧供上位机处理。 （4）单根数设初值（cmd_number_singlepole） ：用于指示上位机设置单 根数为目标值。底层模块收到此命令后立刻原样返回此帧供上位机处理。 （5）池溢漏清零（cmd_standard_all_tank_volume） ：用于指示上位 机将总罐体积值赋给标准总罐体积，而池溢漏为两者之差，以此清零池溢漏。底层 模块收到此命令后立刻原样返回此帧供上位机处理。 （6）钻压清零（cmd_most_hook_load） ：于指示上位机将悬重值赋给最 69 大悬重值，而钻压为两者之差，以此清零钻压。底层模块收到此命令后立刻原样返 回此帧供上位机处理。 4.4 本章小结本章小结 从软硬件两个方面描述控制模块的设计与实现。硬件方面包括硬件结构、芯片 选型和 pcb 设计；软件方面则主要为主控程序和 can 总线驱动程序。此外，对其 他模块应用功能，包括工程量计算和命令处理进行简要说明。 70 5 总结与展望总结与展望 szj-iii 型钻参数仪，是在原有的 i 型和 ii 型基础上，通过融合最新的 it 和通信 技术，建立的一套完善的井场数字化信息平台，为信息流提供全方位集成化服务。 本文在已有的系统框架下，针对数字化井场这一具体应用领域的数据处理需求 及业务流程规则，围绕天车防碰和自动灌浆这两个核心测控功能，完成了一系列数 据处理及控制功能的算法设计和代码实现，并完成了底层控制模块的软硬件设计。 此外，根据用户需求，对系统结构和应用功能进行了新增、改进和完善。 现对分别从上位机部分和底层模块部分对本文的研究内容和成果做出如下总 结： 在上位机部分，主要完成了 3 台上位机数据处理及应用软件层的代码设计和实 现，并围绕新功能对用户界面层软件进行了新增和改进。主要包括： （1）完成了近 30 种衍生量的算法设计和实现，并对井场 7 种工作状况进行实 时判断更新，完成相关程序编写。 （2）通过对传感器数据、衍生量和工况进行分析和处理，完成了天车防碰和自 动灌浆的后台控制程序算法设计和代码实现，并通过一个新规划的共享内存区域与 界面进行交互。 （3）在已有的人机界面上，开辟专门的天车防碰和自动灌浆界面区域，显示相 关的数据和图示信息，方便用户分析判断；并向用户提供相关参数设置界面，用以 完成自动控制功能；同时，为用户提供手动、自动两种方式，方便用户进行天车和 灌浆泵的控制。 （4）通过 shell 脚本和系统 api 编程，完成了 linux 和 windows 下系统自启动 模块和双机热冗余功能模块的设计实现。 （5）为适应用户的需求变更和系统的升级扩展，将原有的面向过程 c 语言模块 用面向对象 c+语言进行了重新实现，提高了代码的可重用性、可配置性和可扩展 性，实现功能模块的低耦合和高内聚。 在底层模块部分： （1）完成底层控制模块的硬件电路搭建和单片机 c 程序设计，接收参数 pc 命 令控制，通过继电器控制刹车、泥浆泵和声光报警。 71 （2）完成了电流型、开关量型和 ab 相型传感器模块应用软件层程序编写，实 现数据处理和命令控制。 本项目已于年初完成了全部软硬件设计与实现，其系统功能在 4 月份也已通过 用户的室内验收，根据验收结果，达到了当初的项目设计目标和工程预期。在项目 的研发过程中，本人积累了一定的软、硬件设计经验，也对很多设计新思想做出了 有益的尝试，项目的设计完成的可重用软件模块、硬件结构和设计方法学在后续项 目延伸和其它项目中将继续发挥作用。 对于系统的核心主控机参数 pc，我们采用了中科院计算所研制的基于龙芯 loongson2e cpu 的福珑计算机， 这是我国自主研制的 cpu 芯片计算机在工业领域应用 的首度尝试。相信随着国产 cpu 性能的不断提高，推广力度的不断加大，其应用领域 将会越来越广，在社会生产生活中将发挥越来越重要的作用。新型多参数仪经过长时 间不间断运行测试，系统运行高效正常，也验证了该系统方案的有效性和可靠性。 随着江汉油田钻井参数仪 i 型、ii 型和 iii 型的相继推出，也预示着钻井参数仪 市场竞争的日益激烈，这也使得寻求系统性能的提高、系统功能的丰富和系统结构 的创新成为一种必然趋势。szjiii 型钻井多参数仪的研发，充分利用了钻井参数仪、 天车防碰、自动灌浆各设备间数据信息相关性，开国内钻井业之先河，在参数仪中 集成天车防碰和自动灌浆系统功能，降低了部分硬件资源的重复投资，避免了部分 软件功能的重复开发，提高了井场的空间利用率，也压缩了三种系统功能实现的综 合成本，在系统功能拓展、体系结构创新和综合产品市场重定位上做出了有益的尝 试，提高了产品的市场竞争力。如何另辟蹊径、突破创新，将企业从同质竞争的市 场“红海”引向“蓝海” ，是摆在每个钻井设备企业面前的问题，也是它们探索的目 标和努力的方向。 72 致致 谢谢 本论文是在导师王耘波副教授和高俊雄讲师的共同指导下完成的，在项目持续 的一年多时间里，从项目的洽谈、可行性方案论证、系统整体设计到分模块的设计、 实现和测试，再到最后的修改完善、系统联调和室内验收，都倾注了两位老师大量 心血和汗水。在分析与设计上，老师深厚的理论功底、前瞻性的视野、清晰的归纳 与推演思路、完整的大局观和对细节的关注与敏感为项目的后期实施打下了坚实的 基础，也使得我们在分析问题的思路方法上和对新技术的认知理解上受益匪浅；在 项目研发过程中，老师身先士卒、躬亲示范，不仅为项目的顺利实施提供了保障， 也以实际行动展现了科学工作者应有的态度与品质，深深的感染和鞭策着我们。在 此，由衷感谢两位老师对我的关怀、栽培、勉励和启迪，让我在科学研究与工程开 发上建立了最初的自信，并能以坚定的意志和饱满的热情面对未来的工作与生活， 请允许我向两位老师表达最诚挚的敬意！ 感谢于军教授、刘刚教授、周文利副教授在平时的学习、工作和生活中对我的 耐心指导、热情帮助和大力支持。也感谢周金芳女士在实验室日常管理中辛勤工作、 孜孜不倦，给予我润物细无声的帮助，为我们安心学习和工作提供了有力保障。 感谢邹雪城教授、徐静平教授、余岳辉教授、刘三清教授、雷鑑铭副教授在课 堂上给我的教导和启示，深化了我的理论知识也拓展了我的视野，让我在科研工作 和未来发展中大受裨益。 感谢项目组的李涛硕士、尚世博硕士，没有大家的紧密团结和精诚合作，项目 不可能圆满完成；感谢洪俊杰师兄、叶彦斌师兄、覃永平师兄、朱俊锋师兄、杨宁 华师兄在项目工作中对我的言传身教，没有他们前期的扎实工作，项目不可能顺利 推进；感谢王根平师妹、黄纯静师妹、杨山师弟、邓贞宙师弟给实验室带来清新的 气息、快乐的欢笑、积极的氛围和给予我的默默支持，大家友谊常在！ 感谢项目合作方的周家磊工程师、戴辉工程师，是大家的团结协助、紧密配合 保证了项目的顺利实施。 感谢电子系的王伟、陈强、彭刚、李高、童雁群、徐丹丹、胡自洁、刘中阳等 同学，大家学习生活上相互帮助，共同度过了两年美好的时光。 感谢华中科技大学的培养，感谢电子科学与技术系办公室的老师们对我学习生 73 活上的关心、帮助与支持。 最后，深深感谢我的亲友和家人，他们对我无私的爱、悉心的培养、淳淳的教诲、 毫无保留的奉献是我心灵最坚实的堡垒，也是我前进最大的动力。无以为报，我向 他们深深鞠躬！ 74 参考文献参考文献 1 杨传书. 数字化石油钻井系统框架研究. 数字化工, 2004(12): 39-42 2 张旭梅, 刘飞, 郭静, 曾庆龙. 一种新的油气田钻井参数监测方法和系统. 石油 学报, 2001, 22(6): 73-76 3 吕维民. 钻井仪表的现状及发展方向. 石油仪器, 1996, 10(1): 9-13 4 尹雪霏, 马永刚, 赵小奎. 天车防碰系统浅析. 石油矿产机械, 2006, 35(增刊): 84-85 5 王志安, 李丙信, 田立杰. 钻井和修井天车防碰控制系统的研制. 工业安全与环 保, 2002, 28(7): 36-37 6 陈滨. 新型自动灌浆装置. 钻采工艺, 2002, 25(1): 80-86 7 g. heisig, j. sancho, j.d. macpherson. downhole diagnosis of drilling dynamics data provides new level drilling process jpt, 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