CN102263690B - 一种用于随钻测量系统数据上传的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于随钻测量系统数据上传的方法，它是采用增量数据报的方式来压缩数据，进而实现快速高效数据传输，主要通过：①在设备下井之前，对增量数据传输协议涉及的参数进行设置、②发送设备按照预设参数自动工作，发送的增量值＝(本次测量的真实数据-最近一次完全数据)×增量系数和③地面接收设备接收数据三个步骤来实现，用于石油钻井、测井、录井等随钻测量系统中快速、有效地进行数据上传，克服了现有的数据上传方法传输速度慢、标准不统一、无法通用等缺点，并可自由设定协议参数，压缩30％以上的数据长度，提高了数据传输效率。
Description
技术领域：
本发明涉及—种数据上传的方法，特别是在石油钻井、测井、录井等过程随钻测量系统中快速、有效地将数据上传的方法。
背景技术：
从20世纪30年代起至今，已研究和发展了几种不同方式的从井下到地面的信号传输技术，如硬导线方式、电磁波方式、声波方式、钻井液脉冲方式和有线随钻测斜仪(ST)。在测量仪器的硬件设备设计与开发方面已经取得了一定的成果，但是在如何高效地将参数传输到地面却没有与之对应的方法和标准协议，现有的方法和协议具有很强的针对性，只能匹配自己厂家生产的特定仪器。目前，在现场使用最广泛的是基于钻井液脉冲方式的无线数据传输，如图1所示。但是该传输方式具有一个很大的缺点是数据传输速度慢，通常小于10比特／秒。
长期的测量实践表明，在一定的时间或地质条件下，随钻系统测得参数的变化是平缓的，例如倾角、方位、工具面、温度、总磁力场、总重力场、电池电压等，变化率大多在10-1～10-2数量级，而数据本身的数量级大多在101～102，所以这些参数在相邻的两次数据传输中其变化量较少。如果将上传参数数据报分为增量数据报和完全数据报，就可以大大压缩数据报的长度，提高数据传输效率。但至今尚没有采用增量数据传输的方法实现无线随钻测量系统中数据传输的报道。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是提出—种用于随钻测量系统数据上传的方法，主要是采用增量数据报和完全数据报的方式来压缩数据传输量，进而实现快速高效数据传输。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：根据随钻测量参数在一定的时间和地质环境下参数值变化平缓的特点，将上传参数数据报分为增量数据报和完全数据报，从而压缩数据报的长度，提高数据传输效率，按以下三个步骤实现：
1.在钻井设备下井之前，地面工作人员进行系统设置，即在地面对增量数据传输协议涉及的相关参数进行设置，具体包括：自定义数据报名称和数据报编号，数据报编号采用2位的十进制进行编号，编号的范围为0-99；完全数据上传周期；增量数据上传周期，如果数据报中的参数变化很快，则可以将增量数据上传周期设定为0，这样就直接上传完全数据报；如果数据报中的参数变化慢，则可以根据需要进行设定参数增量系数。
2.井下设备发送数据：井下设备将按照地面工作人员在下井前对其配置的参数自动工作，具体流程如下：
(1)传感器采集数据：井下传感器将采集到的参数通过数据总线传输到井下单片机。
(2)接收完该帧所有的参数：如果当前帧所有的相关参数均已经传输到井下单片机中，则单片机开始进行下一步，否则继续返回第(1)步采集数据，接收其他随钻测量参数。
(3)判断是否到达传输完全数据帧的时间：在步骤1中，用户已经设定了完全数据帧上传周期，如果到达了完全数据帧上传周期则转到第(5)步进行完全数据帧的传输，否则执行第(4)步进行增量数据帧的传输。
(4)增量数据帧传输：在增量数据帧传输时，首先根据公式
增量传输的值=(本次测量的真实数据-最近一次完全数据)×增量系数
计算出数据增量以及数据增量乘以增量系数后的值，最后将其封装为增量数据帧进行发送。如果地面接收设备正确接收该数据帧，则数据采集设备继续转到第(1)步采集下个参数；否则重新发送该增量数据帧。
(5)完全数据帧传输：井下单片机首先将各个参数封装为完全数据帧，然后发送。如果地面接收设备正确接收该数据帧，则井下单片机中将参数的基准值更新为最新的完全数据帧后，数据采集设备继续转到第(1)步采集下个参数；否则重新发送该完全数据帧。
3.地面接收设备接收数据，具体包括：
(1)接收数据帧：从接收设备，将帧接收并传输至地面接收设备内存。
(2)差错校验：按照与井下发送设备对应的检验方法(例如CRC校验)，对接收到的帧进行校验，如果正确则继续进行步骤3之第(3)步，否则发送否认信息帧到井下，请求重传该数据帧。
(3)判断是否为完全数据帧：根据帧的标志位判断如果是完全数据帧，则转入步骤3之第(5)步，接收完全数据帧；否则转入步骤3之第(4)步接收增量数据帧。
（4)增量数据帧的接收：根据增量系数、参数基准值，按照公式：真实值=最近一次完全数据+增量数据／增量系数分别计算每个参数的真实值，最后将真实值保存到地面接收设备中。
(5)将参数的完全值保存到地面接收设备中，同时更新每个参数的基准值。
上述三个步骤按照顺序1→2→3→2→3→2→3……如此循环往复。
本发明的有益效果是：将上传参数数据报分为增量数据报和完全数据报，就可以大大压缩数据报的长度，并可自由设定完全数据上传周期和增量数据上传周期，使用增量数据传输技术后，可以平均压缩30％以上的字符长度，提高数据传输效率。
附图说明：
图1是钻井液脉冲无线数据传输系统示意图。
图2是依据本发明所提出的用于随钻测量系统数据上传方法的数据报设置界面图。
图3是依据本发明所提出的用于随钻测量系统数据上传方法的井下设备发送数据流程图。
图4是依据本发明所提出的用于随钻测量系统数据上传方法的地面设备接收数据流程图。
图5是增量数据报中参数的长度变化对比图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式来进一步描述本发明。
随着石油天然气工业面临的开发地质条件不断复杂，世界范围内勘探开发的难度增加，对随钻测量尤其是井下信号传输技术提出了数据量大、数据传输率高等方面的要求；但是，如何高效地将参数传输到地面却没有与之对应的方法和标准协议，另外，现有的方法和协议具有很强的针对性，只能匹配自己厂家生产的特定仪器，即缺少通用的标准化的数据传输协议。
本发明根据随钻测量参数在一定的时间和地质环境下参数值变化平缓的特点，将上传参数数据报分为增量数据报和完全数据报，从而压缩数据报的长度，提高数据传输效率。
首先对本发明提出的增量传输技术中涉及的有关概念作如下说明：
①完全数据：指井下仪器所测量到的参数的真实完整的数值。例如，本次井下仪器测量到的方位角为106.1°，则106.1就是一个完全数据。
②增量数据：指参数的增加(或减少)量，是当次测量数值与上次测量数值的差。例如，最近一次向地面传输的完全数据中方位角为105.7°，本次采集的值为106.1°，则增量数据为106.1-105.7=0.4。
③增量系数：是数据报生成(或拆分)时对增量数据扩大或缩小的倍数。目的是为了避免产生类似于0.001这样的小数位带来的数据冗余，以进一步缩短数据的位数。例如，方位角的精度为0.1，增量系数为10，最近一次向地面传输的完全数据为105.7°，本次采集的值为106.1°，其增量为0.4°，因而本次只需传输一位数字4即可，地面接收端再计算出实际值＝105.7+4／10=106.1。这样可以减少参数的冗余，压缩数据报的长度。
④完全传输：为了避免增量数据报产生的累积误差，将定时传送完全数据到地面接收设备。如果某个数据报的参数变化很随机、不稳定，或者某个数据报的参数值很重要需要确保准确性，则可以将该数据报的增量发送周期设置为0，这样该数据报就只发送完全数据报而不发送增量数据报。
⑤增量传输：一般在发送一次完全数据后，会连续发送若干次增量数据。特别情况下，当参数发生随机、不稳定变化时，可以连续发差完全数据，而暂不发送增量数据。
增量传输的值=(本次测量的真实数据-最近一次完全数据)×增量系数 (1)
例如：参数A的增量系数为1000，最近一次完全数据为1235.004，本次测量数据为1235.009，所以增量传输的值=(1235.009-1235.004)×1000=4。增量数据4要比完全数据1235.009少了7个字符，转换为二进制后可能就是减少了7*8=56比特，所以大大缩短了在信道中要传输的比特流的长度。
⑥数据接收：对于完全数据，地面接收设备接收后不需要进行特殊处理；对于增量数据接收后根据当前参数的完全数据、本次增量数据和参数的增量系数即可计算出其真实值。
真实值=最近-次完全数据+增量数据／增量系数 (2)
随钻测量进行数据传输的具体实施步骤如下：
1.在钻井设备下井之前，地面工作人员进行系统设置，设置界面如图2所示，具体包括：
(1)自定义数据报名称和数据报编号，数据报编号采用2位的十进制进行编号，编号的范围为0-99。
(2)设定完全数据报上传周期：如果整个数据报中的参数都很长时间变化不大，则该周期可以设定得长一些，否则应该设定得短一些。
(3)设定增量数据上传周期：如果数据报中的参数变化很快，则可以将增量数据上传周期设定为0，这样就直接上传完全数据报；如果数据报中的参数变化慢，则可以根据需要进行设定。
(4)设定参数增量系数：可以设定数据报中所有参数的增量系数。
2.井下设备发送数据，具体流程如图3所示，包括以下过程：
(1)传感器采集数据：井下传感器将采集到的参数通过数据总线传输到井下单片机。
(2)接收完该帧所有的参数：如果当前帧所有的相关参数均已经传输到井下单片机中，则单片机开始进行后续的第(3)步，否则继续返回第(1)步接收其他随钻测量参数。
(3)判断是否到达传输完全数据帧的时间：在步骤1中，用户已经设定了完全数据帧上传周期，如果到达了完全数据帧上传周期则转到后续第(5)步进行完全数据帧的传输，否则转到后续第(4)步进行增量数据帧的传输。
(4)增量数据帧的传输：在增量数据帧的传输时，首先根据公式(1)计算出数据增量以及数据增量乘以增量系数后的值，最后将其封装为增量数据帧进行发送。如果地面接收设备正确接收该数据帧则数据采集设备继续转到第(1)步采集下个参数；否则重新发送该增量数据帧。
(5)完全数据帧的传输：井下单片机首先将各个参数封装为完全数据帧，然后发送。如果地面接收设备正确接收该数据帧则井下单片机中将参数的基准值更新为最新的完全数据帧后，数据采集设备继续转到第(1)步采集下个参数；否则重新发送该完全数据帧。
3.地面设备接收数据，具体流程如图4所示，包括以下过程：
(1)接收数据帧：从接收设备，将帧接收并传输至地面接收设备内存。
(2)差错校验：按照与井下发送设备对应的检验方法(例如CRC校验)，对接收到的帧进行校验，如果正确则继续进行步骤3之第(3)步，否则发送否认信息帧到井下，请求重传该数据帧。
(3)判断是否为完全数据帧：根据帧的标志位判断如果是完全数据帧，则转入步骤3之第(5)步，接收完全数据帧；否则转入步骤3之第(4)步接收增量数据帧。
(4)增量数据帧的接收：根据增量系数、参数基准值，按照公式(2)分别计算每个参数的真实值，最后将真实值保存到地面接收设备中。
(5)将参数的完全值保存到地面接收设备中，同时更新每个参数的基准值。
实施例：增量数据传输技术的效果评价-以井号“高43-平51井”的井为例，选取测深从898.47米到1174.8米的20条数据进行实施，数据如表1所示，其中井斜角和方位角的增量数据报的增量系数为10。
表1实施数据
选取井深从1070.17米到1108.27米连续采集的5条数据，采用增量数据传输后数据报中参数的长度变化如表2所示。
表2增量数据报中参数的长度变化
由表中数据压缩前后的长度比较发现，参数的平均长度压缩为原来的28％，如图5所示，说明增量数据传输技术可以有效地压缩参数长度，提高数据传输效率。
Claims (1)
1.一种用于随钻测量系统数据上传的方法，根据随钻测量参数在时间和地质环境下参数值变化平缓的特点，将上传参数数据报分为增量数据报和完全数据报，从而压缩数据报的长度，提高数据传输效率，其特征在于按以下步骤实现：
(1)在钻井设备下井之前，地面工作人员进行系统设置，即在地面对增量数据传输协议涉及的相关参数进行设置，具体包括：自定义数据报名称和数据报编号，数据报编号采用2位的十进制进行编号，编号的范围为0-99；完全数据帧上传周期；增量数据帧上传周期，如果数据报中的参数变化很快，则将增量数据帧上传周期设定为0，这样就直接上传完全数据报；如果数据报中的参数变化慢，则根据需要进行设定参数增量系数；
(2)井下设备发送数据：井下设备将按照地面工作人员在下井前对其配置的参数自动工作，具体流程如下：
①传感器采集数据：井下传感器将采集到的参数通过数据总线传输到井下单片机；
②接收完当前帧所有的参数：如果当前帧所有的相关参数均已经传输到井下单片机中，则单片机开始进行下一步，否则继续返回第①步采集数据，接收其他随钻测量参数；
③判断是否到达传输完全数据帧的时间：在步骤(1)中，用户已经设定了完全数据帧上传周期，如果到达了完全数据帧上传周期则转到第⑤步进行完全数据帧的传输，否则执行第④步进行增量数据帧的传输；
④增量数据帧传输：在增量数据帧传输时，首先根据公式
增量传输的值=(本次测量的真实数据-最近一次完全数据)×增量系数
计算出数据增量以及数据增量乘以增量系数后的值，最后将其封装为增量数据帧进行发送，如果地面接收设备正确接收该数据帧，则数据采集设备继续转到第①步采集下个参数；否则重新发送该增量数据帧；
⑤完全数据帧传输：井下单片机首先将各个参数封装为完全数据帧，然后发送；如果地面接收设备正确接收该数据帧，则井下单片机中将参数的基准值更新为最新的完全数据帧后，数据采集设备继续转到第①步采集下个参数；否则重新发送该完全数据帧；
(3)地面接收设备接收数据，具体包括：
①接收数据帧：从接收设备，将帧接收并传输至地面接收设备内存；
②差错校验：按照与井下发送设备对应的检验方法，对接收到的帧进行校验，如果正确则继续进行步骤(3)之第③步，否则发送否认信息帧到井下，请求重传该数据帧；
③判断是否为完全数据帧：根据帧的标志位判断如果是完全数据帧，则转入第(3)步之步骤⑤，接收完全数据帧；否则转入步骤(3)之第④步接收增量数据帧；
④增量数据帧的接收：根据增量系数、参数基准值，按照公式：真实值=最近一次完全数据+增量数据／增量系数，分别计算每个参数的真实值，最后将真实值保存到地面接收设备中；
⑤将参数的完全值保存到地面接收设备中，同时更新每个参数的基准值；
上述三个步骤按照顺序(1)→(2)→(3)→(2)→(3)→(2)→(3)……如此循环往复。
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