CN103939081A - 录井工程参数数据快速采集系统及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种录井工程参数数据快速采集系统及其处理方法，它对大钩负荷、立压、扭矩、转盘转速进行高速采集、实时数据存储，实时时域频域数据分析，提高了录井数据精度，为实现钻井异常和故障及时准确的预警和安全高效钻井奠定了基础。录井仪采集大钩负荷、立压、扭矩的电流信号和转盘转速的电压脉冲信号，三路4～20mA电流信号送入信号分配器，电压脉冲信号送入光电耦合器；然后分别送入数据采集模块，数据采集模块按照最高200kHz对三路信号进行采样，按照最高10kHz对电压脉冲信号进行采样；数据采集模块对采集的三路信号进行A/D转换，转换后的信号与采集的电压脉冲信号送入上位机；上位机进行数据处理；信号分配器和光电耦合器同时还与直流电源连接。

Description

录井工程参数数据快速采集系统及其处理方法

技术领域

本发明涉及一种录井工程参数数据快速采集系统及其处理方法。

背景技术

数据采集是录井工作所涉及和应用的重要学科领域，通过对录井工程参数的高速采集，分析数据所携带的钻井工程频域和时域方面的信息，达到预防钻井异常的目的。

目前国内工程录井发展受到的重视程度不足，技术单一，数据采集的频率低，没有完整的时域和频域的分析处理技术，录井参数的综合性差。国内自主研制的综合录井仪所包含的工程录井服务判断模型，其理论多基于80年代法国TDC录井仪的判识模型，数据采集速率依然保持在1Hz左右，由此造成大量高频信息丢失，且数据仅在时域记录，缺乏频域佐证，综合分析能力不足，异常信息捕捉不够。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种录井工程参数数据快速采集系统及其处理方法，它通过对大钩负荷、立压、扭矩、转盘转速四个钻井工程参数进行高速采集、实时数据存储，实时时域频域数据分析，提高了录井数据精度，为实现钻井异常和故障及时准确的预警和安全高效钻井奠定了基础。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种录井工程参数数据快速采集系统，

录井仪采集大钩负荷、立压、扭矩各自的电流信号和转盘转速的电压脉冲信号，录井仪将采集的三路4～20mA电流信号送入信号分配器，将采集的电压脉冲信号送入光电耦合器；

信号分配器将三路电流信号转化为三路电压信号与光电耦合器采集的电压脉冲信号分别送入数据采集模块，数据采集模块按照最高200kHz对三路电压信号进行采样，按照最高10kHz对电压脉冲信号进行采样；

数据采集模块对采集的三路电压信号进行A/D转换，转换后的信号与采集的电压脉冲信号送入上位机；

上位机进行数据处理；

信号分配器和光电耦合器同时还与直流电源连接。

所述信号分配器为全隔离双输出信号分配器，串接录井仪电流输出端，在其输出端跨接高精度电阻，将输出的电流信号转换为电压信号送入数据采集模块。

所述光电耦合器并联在录井仪电压脉冲信号输出端；当输入的电压脉冲信号为高电平时，输入端管脚间的发光二级管导通发光，激励输出端管脚之间的光敏原件，使输出端管脚导通，则输出低电平；当输入的电压脉冲信号为低电平时，输入端管脚间的发光二极管不导通，输出端管脚关断，则输出高电平，从而将电压脉冲信号传递到数据采集模块采集端，实现数据的传递和电平的隔离。

所述信号分配器、光电耦合器和直流电源置于防爆电气控制箱内，信号分配器、光电耦合器通过共地屏蔽的多芯电缆将各自采集的信号送入数据采集模块。

一种录井工程参数数据快速采集系统的数据处理方法，它采用多线程方式，对采集的大钩负荷、立压、扭矩的信号分别进行数据采集和读取线程、数据存储线程、数据显示线程和数据时域频域处理线程中；其中，

数据采集和读取线程，上位机采用中断方式读取数据采集模块的A/D转换数据以及脉冲电压的计数信号；

数据存储线程，根据时间参数设定不同的数据存储周期，对采集的数据进行存储和查询；

数据显示线程，利用iplot控件通过读取缓存数据以及读取显示时间参数，按照设定的时间参数显示大钩负荷、立压、扭矩、转盘转速的数据，并实现数据的左右拖动、上下滑动、细节分析、数据标注中的至少一种；

数据时域频域处理线程，时域处理包括前期滤波，数据缓变检测，数据突变检测，数据阈值检测；频域处理首先应通过快速傅里叶变换将时域信号转换到频域，针对快速傅里叶变换的结果进行分析和处理，针对直流分量和高频分量进行监测以提取信号频域特征，如果直流部分出现较大差异则认为出现了突变现象，如果某高频段超过了设定阈值则认为出现了高频信号，如果某低频段超过了设定阈值则认为出现了缓变信号，根据具体信号与实际工况和故障的对应在后续的工作中进行处理。

所述数据采集和读取线程中，数据采集模块初始化后，进行数据采集，分别将采集的模拟信号进行A/D转换后存入存储器内的至少一个指定区域同时将电压脉冲信号进行计数后存入计数器，待某一指定区域存满后，产生中断信号，停止向该区域的存储；然后给该区域内的每一条数据附上接收时间点，按照设定的数据格式与计数器内的计数一并存入缓存；之后清空该区域后继续进行数据存储，等待下一中断的产生。

所述数据存储线程中，数据入库存储操作首先在初始化后启动数据读取流程，此时检查缓存中是否有数据，如果有数据则进行读取，根据时间参数的不同设定不同的数据存储周期；当读取的数据个数满足时间参数时，则将此数据放入数据入库链表进行数据存储；之后继续读取缓存数据，当缓存中无数据时则进行等待。

所述数据存储线程中，查询是根据时间对历史数据进行查询，并且能够将历史数据导出为Excel或者绘制历史曲线。

所述时域处理中的滤波过程为根据不同工作条件下的数据采集，选择不同的滤波器，消除变异常数据，以免有用数据被滤掉；

数据缓变检测根据所设定的缓变时间检测时长，对滤波后的数据进行比对；如果超过缓变阈值则认为在一定时间内出现了数据缓变现象，则在主界面通知用户，实现数据的缓变检测；

数据突变检测针对滤波后的数据进行检测，若数毫秒内的数据之差超过了突变阈值，则认为出现了突变现象，同样在主界面提示用户，某项参数可能出现了突变，请用户注意观察数据；

数据阈值检测针对滤波后的每一个数据进行，如果某个数据出现了高出或低于设定阈值的情况，则提示用户出现了阈值报警。

所述频域处理中，在时域数据中进行二次数据抽取后进行快速傅里叶变换；二次抽取是指按照时间顺序，每间隔一定数量的数据，即抽取一个数据，直至取64或128或256或512或1024个数据后进行快速傅里叶变换，将数据从时域转换到频域。

本发明的有益效果是：建立了针对大钩负荷、立压、扭矩、转盘转速四个工程录井参数的高速数据采集、实时数据处理、高速数据存储的系统。重点解决了以下技术问题：首先，传感器输出问题，即选择的参数测量传感器输出的灵敏度能够满足数据采集的要求，并根据传感器输出类型设计出不同的数据采集方案；其次，根据录井工程参数分析所需频率确定了数据采集频率；再次，根据所采集数据开发出时域和频域处理程序，通过实际现场应用验证了处理程序的有效性、实用性；最后，解决了工程录井数据的通用数据库高速存储问题。本发明为录井四参数快速数据采集和瞬态信息提取、时频域信号分析和特征捕捉、为钻井故障和异常工况及时预报奠定了基础。

附图说明

图1为本发明硬件系统图；

图2为数据采集和读取流程图；

图3为数据存储流程图；

图4为数据查询流程图；

图5为数据显示流程图；

图6为电流分配器功能框图；

图7为信号分配器的连接图；

图8为光电耦合器的接线方式；

图9为信号频域表示界面；

图10实验室测试方法图；

图11a录井四参数快速数据采集系统起下钻精确描述图；

图11bSL-ADVANTAGE综合录井仪中起下钻描述；

图12a录井四参数快速数据采集系统瞬间信号捕捉图；

图12bSL-ADVANTAGE综合录井仪中记录的数据图；

图13aSL-ADVANTAGE综合录井仪中记录的数据图；

图13bSL-ADVANTAGE综合录井仪中记录的数据图；

其中，图11a中，a为上提钻具段，b为座卡段，c为卸扣段，d为松刹把段，e为合离合器段，f为放立柱段，g为刹车段，h为下方大钩(自由落体)段，i为下方大钩(点刹车)段，j为解卡段；

图11b中，k为起钻状态下的悬重曲线；

图12a中，l为瞬间转盘转速信号；

图12b中，m为未捕捉到转盘转速信号段；

图13a中，n为起钻过程大钩超拉段；

图13b中，o为未捕捉到大钩超拉信号段。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

本发明针对大钩负荷、立压、扭矩、转盘转速四参数进行高速采集，其中大钩负荷、立压、扭矩信号在现役录井仪中一般采用变送器采集，变送器供电电压为24V，输出为4～20mA的电流信号。转盘转速信号通过接近开关进行数字脉冲计数，其正常工作的电源电压为24V，输出为数字脉冲信号。

现役录井仪针对大钩负荷、立压、扭矩等信号采用输出为4～20mA电流信号的变送器采集，其灵敏度较高，可以准确反映钻井参数的实时变化情况，本发明的高速数据采集可以现役录井仪中的传感器作为模拟输入的数据源。现役录井仪中的转盘转速信号采用数字脉冲计数采集，由于转盘转速信号是数字脉冲累计计数，且正常钻进时最高转速不超过200转/min。现役录井仪中的接近开关灵敏度满足本发明中的脉冲计数精度要求，故可采用现役录井仪中的接近开关的输出作为数字输入的数据源。

采用现役录井仪的传感器信号输出作为数据源可以避免重新架设数据采集传感器所造成的干扰以及安全问题，能够减少钻台中安装的传感器的数目和布线的复杂度。使用现役录井仪中的传感器信号，需要注意保证原信号的准确性和安全性。

本发明中现场传感器信号的连接采用电压并采和电流分流的方式进行。针对大钩负荷、立压、扭矩三个模拟信号的采集采用电流分配器复制原始电流信号；针对转盘转速的电压脉冲信号，采用电压并联采样方式进行数据采集。

为不影响录井仪的正常工作，本发明采用电流分配器实现4～20mA电流信号的采集。本发明中的电流分配器采用WS15242B全隔离双输出信号分配器，可以将输入信号变换为二路相互隔离的信号，并且输入、输出1、输出2、电源四者为相互隔离，具有低功耗、低热量、低温漂、安装方便的特点。WS15242B输入阻抗为100Ω，工作范围在-20℃～55℃，隔离阻抗>100MΩ，完全满足电流分配及隔离的需求，在正常使用的过程中不会影响到录井仪的正常工作。WS15242B的功能框图如图6所示。

由于WS15242B为四端隔离的信号分配器且输入阻抗为100Ω，将其串联到录井仪采集电路中相当于串接一个100Ω的电阻。变送器带负载的能力较强，串接100Ω的负载对原始电路不会产生影响，故直接将WS15242B串接到原始采集电路中，不会影响录井仪的正常工作。本系统的数据采集仅需要在5、6端或者7、8端进行电流信号检测即可，相对于其它接线方式，此方法具有接线简便，稳定性高的特点。由于信号分配器WS15242B为4～20mA电流输出，并不能直接对其进行数据采集，在此我们使用了250Ω高精度电阻，将4～20mA电流信号转换为1～5V的电压信号，后续针对电压值进行A/D转化即可完成模拟信号的采集。信号分配器的连接如图7所示。

转盘转速为电压脉冲计数信号，通过24V电压供电，录井仪接收到的为高低电平脉冲信号。为采集到此脉冲信号，本发明采用并联电压采样的方式实现转盘转速数据的采集。为防止数据端和采集端电压不匹配问题的出现，本发明采用PC817光电耦合器来实现数据的传递和电平的隔离。

如图8所示，电压脉冲信号为接近开关采集到的转盘转速信号，此信号由PC817和录井仪电路并联采集，由于接近开关带负载能力较强，并联电压采样不会对录井仪采集电路造成影响。由于PC817可以承担最高50mA的导通电流，故将电压脉冲信号经3KΩ电阻分压限流后接入PC817，在PC817内部由发光二极管激励光敏原件，在3和4端产生相应的电路通断信号。输出端采用24V电压供电，串接3.6KΩ的限流电阻。当输入的电压脉冲信号为高电平时，1和2脚间的发光二级管导通发光，激励3和4脚之间的光敏原件，使3和4脚导通，则输出低电平；当输入的电压脉冲信号为低电平时，1和2脚间的发光二极管不导通，3和4脚关断，则输出高电平。通过PC817将电压脉冲信号传递到数据采集端，并且将二者电平严格隔离，防止电击穿事故。

本发明采用USB-4716快速数据采集模块完成数据的快速采集。USB-4716是一款具有16位分辨率，200KS/s采样速率的多功能数据快速采集模块。其具有16个模拟输入通道，2个模拟输出通道和16个数字输入/输出通道，适用于单极和双极输入，脉冲输出。具有体积小、易安装性的优点。USB-4716采用了研华自动化独特设计的可锁紧式USB接口，保证了USB装置与上位机系统的通信，同时防止USB采集模块中的电路被意外移动。USB-4716采用USB电源供电模式，不需要额外的电源电路。数据采集电路的供电系统采用交直流稳压电源提供24V的直流电压，分别给信号分配器WS15242B、光电耦合器PC817进行供电。USB-4716模块采用计算机的USB接口进行供电和数据传输。

如图1所述，数据采集模块、信号分配器、光耦隔离电路、24V电源等设备安装在防爆电气控制箱中。该防爆电气控制箱由胜利地质录井公司生产，防护等级为IP66，在接线过程中严格按照电气规程进行。

防爆电气控制箱安装在钻井架上，与录井集线箱相邻。模拟传感器输出信号线经防爆电气控制箱串联信号分配器后进入录井集线箱，实现模拟数据的采集；脉冲电压信号通过电压并联采样的方式采集到防爆电气控制箱中，实现脉冲电压数据的采集。防爆电气控制箱通过多芯电缆与录井仪器房中的USB-4716连接，USB-4716通过USB与上位机连接。数据采集模块由USB-4716与相应的接口电路组成，在应用中将其封装在一个数据采集盒中。多芯电缆连接防爆电气控制箱和数据采集模块，将三路模拟信号和一路数字脉冲信号由防爆电气控制箱传递到数据采集模块。其中多芯线缆采用共地屏蔽线缆，防止井场中的各类设备对信号的干扰。数据采集模块采用密封锁紧设计，可防尘防水，以避免线缆的移动造成信号线脱落导致短路或丢失信号现象的产生。

在系统的工作过程中，只需要在上位机中将USB-4716进行配置，即可完成最高200KS/s的模拟信号采集和脉冲信号采集。至此，数据快速采集系统的硬件系统已完成，设计指标满足数据快速采集的要求。

本发明的工作过程分为四个线程：数据采集和读取线程、数据存储线程、数据显示线程和数据时域频域处理线程。

①数据采集和读取线程

数据采集和读取主要针对USB-4716内部进行。USB-4716可以采用多种方式进行数据传输，效率较高的为DMA(Direct Memory Access，直接内存存取)方式和中断方式。由于本发明中数据采集速率较高，直接内存读取有可能产生读取时内存复写问题，为避免此类问题造成的数据不准确，本发明中采用中断方式读取USB-4716所采集数据。

数据采集和读取线程在四个线程中首先被启用。需要对设备和上位机进行初始化，设定USB-4716的数据采集端口、数据采集频率、中断传输数量和工程数值转换等参数，之后启动USB-4716的数据采集，分别将采集的模拟信号进行A/D转换后存入存储器内的一个指定区域(也可是多个，轮流工作)同时将电压脉冲信号进行计数后存入计数器，待该指定区域存满后，产生中断信号，停止向该区域的存储；然后给该区域内的每一条数据附上接收时间点，按照设定的数据格式与计数器内的计数一并存入缓存；之后清空该区域后继续进行数据存储，等待下一中断的产生。

②数据存储线程

数据快速采集系统上位机的数据存储采用SQL Server2005数据库，采用Delphi7开发环境中的ADO链接数据库。

在Delphi7的Object Pascal语言环境下，通过内嵌SQL语句的形式完成数据的入库、查询、排序等操作。数据入库存储操作首先在初始化后启动数据读取流程，此时检查缓存中是否有数据，如果有数据则进行读取，根据时间参数的不同设定不同的数据存储周期。当读取的数据个数满足时间参数时，则将此数据放入数据入库链表进行数据存储。之后继续读取缓存数据，当缓存中无数据时则进行等待。数据存储流程如图3所示。

当数据存储至数据库后，为了跟踪历史数据，特设定了历史数据查询功能，可以根据时间对历史数据进行查询，并且能够将历史数据导出为Excel或者绘制历史曲线。历史数据查询界面如图4所示。

根据数据存储格式和数据存储频率计算，每秒钟存储100条数据的情况下，可以连续存储10年以上的数据。

③数据显示线程

图形化界面显示通过iplot控件完成，设计显示最长一个月的历史数据，支持放大、缩小、回放、数据标注等功能。由于本项目中数据采集速率非常快，每个数据都在界面上显示是不现实的，所以需要用数据显示流程来控制数据显示的数量。数据显示流程如图5所示。

大钩负荷、立压、扭矩、转盘转速的数据，并且可以实现左右拖动、上下滑动、细节分析、数据标注等功能。

④数据时域频域处理线程

时域处理包括前期滤波，数据缓变检测，数据突变检测，数据阈值检测等功能。频域处理首先应通过快速傅里叶变换将时域信号转换到频域，由于快速傅里叶变换计算量巨大，需要在时域数据中进行二次数据抽取后进行快速傅里叶变换。针对快速傅里叶变换的结果进行分析和处理，针对直流分量和高频分量进行监测以提取信号频域特征。

由于数据采集的速率非常快，有可能产生毛刺等现象。为了防止高速数据采集时异常数据对判别结果的影响，对数据流处理之前需要对其进行滤波处理，消除掉毛刺突变等异常数据。根据不同工作条件下的数据采集，选择不同的滤波器，以免有用数据被滤掉。

数据阈值检测针对滤波后的每一个数据进行，如果某个数据出现了高出或低于设定阈值的情况，则在主界面提示用户出现了阈值报警。

数据缓变检测根据所设定的缓变时间检测时长，对滤波后的数据进行比对。如果超过缓变阈值则认为在一定时间内出现了数据缓变现象，则在主界面通知用户，实现数据的缓变检测。

数据突变检测针对滤波后的数据进行检测，若数毫秒内的数据之差超过了突变阈值，则认为出现了突变现象，同样在主界面提示用户，某项参数可能出现了突变，请用户注意观察数据。

数据的时域检测仅仅针对时域数据的阈值、缓变时间等对数据进行检测和约束，对于信号变化的快慢、所含频率成分的大小等信息则无能为力。为此我们添加了频域处理模块对数据的频域信息进行检测，本项目中使用的频域检测方法为FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换)。

由于快速数据采集所得的数据较多，若都进行FFT则运算量太大，计算机处理速度无法实现所有数据的FFT处理，所以要进行二次抽取，如果设定为每100个数据点抽取一个数据那就是按照时间顺序每隔100个数据取一个点，直至取128/256/512/1024个数据进行快速傅里叶变换，将数据从时域转换到频域。本项目中设定的二次抽取结果可实现每秒64、128、256、512、1024个点的快速傅里叶变换。

根据快速傅里叶变换的结果对数据进行分析，如果直流部分出现较大差异则认为出现了突变现象。如果某高频段超过了设定阈值则认为出现了高频信号，如果某低频段超过了设定阈值则认为出现了缓变信号，具体信号与实际工况和故障的对应在后续的工作中将通过实验和故障信号分析的方式来解决。

图9所示为信号的频域表示界面，信号的频域表示可以从能量的角度来反映信号的特征及其变化情况。

本发明可以实现200KHz的数据处理速度，保证硬件系统所采集到的数据能够实时准确的传输至上位机中，并进行时域频域的分析处理和操作。

为验证本发明的方法，首先进行了实验室测试。采用函数信号发生器模拟信号源进行数据采集。通过正弦波、方波、三角波、锯齿波和任意波形来模拟现场钻井数据的模拟输入，通过方波来产生脉冲信号。通过不同频率信号来模拟录井工程参数的缓变、突变、异常、超阈值等现象，进而检测软件处理程序的有效性和可靠性。实验室测试的方式如图10所示。

实验室测试针对不同的测试对象设计相应的实验。首先是判定数据采集精度，根据不同采集频率进行精度的判别。实验采用函数信号发生器产生不同频率的方波，通过设定不同的采集频率，对比理论高电平点和采集到的高电平点来测试本系统的数据采集精度。实验结果如表1所示。

表1数据快速采集系统采集精度测试(一)

由表1可以看出，在采集频率较低时，均可以非常准确的采集到方波信号，在采集频率较高时，采集到的方波信号会出现稍许误差。但在采集频率为200KHz的情况下误差仍控制在0.005％以内，则此类误差可以忽略，证明本系统的采集精度满足实际需求。根据奈奎斯特采样定律，表1中由低频采样速率采集高频信号的结果没有代表性，故未作测试，结果以“×”表示。

为进一步验证数据采集的精度，采用本系统对直流信号进行模拟，在不同采集频率的情况下对数据进行采集，对比实际数值与采集后换算数值的1秒内均值和每100个数据的方差。实验结果如表2所示。

表2数据快速采集系统采集精度测试(二)

由表2可以看出，通过不同频率对1V-5V之间的直流信号进行采样，均值误差控制在2％以内，每100个数据的方差控制在0.09以内，可以认为本系统的在各个采样频率下均具有较高的采样精度，可以满足设计要求。

为对缓变检测进行测试，在信号为正弦波，频率为1Hz、10Hz、20Hz、50Hz时，通过不同采集频率采集1秒钟的数据，判别缓慢上升事件产生的次数，由此来判别缓变检测的有效性。实验结果如表3所示。

表3数据快速采集系统缓变检测测试

由表3可以看出，数据快速采集系统在不同采集频率下将缓慢上升事件全部捕捉到，验证了本系统对缓变检测的有效性和准确性。

为对突变检测进行测试，在信号为锯齿波，频率为1Hz、10Hz、100Hz、1KHz时，通过不同采集频率采集1秒钟的数据，判别突变事件产生的次数，由此来判别缓变检测的有效性。实验结果如表4所示。

表4数据快速采集系统突变检测测试

由表4可以看出，数据快速采集系统在不同采集频率下将突变事件全部捕捉到，验证了本系统对突变检测的有效性和准确性。

转盘转速信号为脉冲信号，采用USB-4716的频率计进行测量，其数据读取频率一般不高。为测量频率计精度，本发明采用函数信号发生器产生脉冲信号，通过5次试验测量，测量结果如表5所示。

表5脉冲信号采样精度测试

由表5可以看出，脉冲信号采样精度在99.98％以上，具有高可靠性。但在10KHz信号频率的时候，测量值仅能达到最高9999Hz，且在20KHz时无法正常读取数据，表明此频率计最高能测量9999Hz的频率。转盘转速的数据正常钻进时最高转速仅为每分钟数百转，故此频率计可以满足转盘转速测量的需要。

由以上测试可以看出，本系统在各种采样频率下均可以实时准确的采集到模拟电压信号，并且频率计采集脉冲信号具有较高的精度。在渐变和突变检测中，所有的事件均可以正常捕捉到，验证了检测方法的有效性。

现场测试在正在进行作业的钻井现场进行，通过实地应用确定防爆箱的安装位置，数据采集模块以及计算机的安装方式。并且根据现场复杂情况，确定数据传输方式，根据需求进行了抗干扰处理。在硬件电路测试正常的情况下，进行现场数据的采集和处理，并根据现场数据的实际情况对软件进行调整和完善。针对不同工况下的数据进行分析和判断，并与现场录井仪所采集到的数据进行对比，完善了录井工程数据采集和处理的软件模块。根据钻井现场的实际情况，选择三口井进行了试验，以保证试验对象和采集样本的多样性。

现场测试选择了盐斜166、ZG21-9、莱斜88三口井进行了试验。

盐斜166为一口评价井，其集线器安装在录井仪器房内，故防爆电气控制箱安装较为方便，直接安装到录井仪器房中。

ZG21-9为一口开发评价井，录井仪中传感器信号汇集到安装在钻台上的集线箱中，故本系统中的防爆电气控制箱安装在钻台上的集线箱的旁边，通过多芯电缆将信号从钻台输送到录井仪器房中。

莱斜88为一口预探井，录井仪的集线箱安装在钻台下，本系统的防爆电气控制箱同样固定在钻台下的集线箱旁边，通过多芯电缆向录井仪器房中的采集模块输送信号。

在现场测试的过程中，为了避免井场设备的各种干扰，需要采用屏蔽线缆远距离传输信号，并且将屏蔽线缆与设备共地。经过在现场的长时间测试，系统可以稳定运行，且能够完成数据采集、传输、数据库存储和时域频域分析处理的工作。在测试的过程中，经过不断的测试和修正，将系统不断改进和完善。在与现役录井仪对比的过程中可以发现，现役录井仪中很多无法记录的内容在本系统中可以详细的记录下来，并且能够精确描述钻井过程中的各种工况。

对比图11a和图11b可以发现，本系统对起下钻过程中的上提钻具、座卡、卸扣、松刹把、合离合器、放立柱、刹车、下放大钩、解卡等工序进行了详细的记录，能够准确反映出钻井过程的参数的变化情况。而现役SL-ADVANTAGE综合录井仪中并未记录到这一现象，在相同时间记录的大钩负荷的变化曲线仅为一尖峰。

对比图12a和图12b可以发现，本系统在5月18日凌晨2点7分左右记录到起下钻过程中的一个瞬间转盘转速信号。反观现役SL-ADVANTAGE综合录井仪中并未记录到这一信号。

对比图13a和图13b可以发现，本系统在5月17日19点35分左右记录到起钻过程中大钩超拉现象，并对此现象的超拉次数和强度进行了详细的记录。反观现役SL-ADVANTAGE综合录井仪中虽然记录到了异常，但由于采集频率过低，将这一现象平滑成了一个上升曲线，并未能详细记录这一过程，并且在数据回放的过程中也无法判断此过程。

由现场实验可以看出，本系统由于进行了工程录井四参数的高速采集，能够准确记录钻井过程中各个参数的变化情况，清楚的反映各工况的详细工序，并能够准确记录钻井中出现的异常。现役录井仪由于采集速率过低，往往无法记录一些特殊工况和异常，并且由于数据精度较低，即使记录到也无法进行有效的分析和预警。

综上所述，由于传感器的电流输出对所测信号的变化十分敏感，响应速度非常快，故采用现役传感器进行高速A/D转换能够达到快速数据采集的目的；Delphi开发环境具有良好的稳定性和强大的功能，能够实时分析和处理所采集的数据，并且能将所需数据实时准确地存入数据库；SQL Server2005数据库由于其大容量、通用性和自带存储过程等特点，完全满足本项目的存储要求。实验室测试结果表明，本发明所采取的技术方案切实可行。

Claims (10)

1.一种录井工程参数数据快速采集系统，其特征是，

录井仪采集大钩负荷、立压、扭矩各自的电流信号和转盘转速的电压脉冲信号，录井仪将采集的三路4～20mA电流信号送入信号分配器，将采集的电压脉冲信号送入光电耦合器；

信号分配器将三路电流信号转化为三路电压信号与光电耦合器采集的电压脉冲信号分别送入数据采集模块，数据采集模块按照最高200kHz对三路电压信号进行采样，按照最高10kHz对电压脉冲信号进行采样；

数据采集模块对采集的三路电压信号进行A/D转换，转换后的信号与采集的电压脉冲信号送入上位机；

上位机进行数据处理；

信号分配器和光电耦合器同时还与直流电源连接。

2.如权利要求1所述的录井工程参数数据快速采集系统，其特征是，所述信号分配器为全隔离双输出信号分配器，串接录井仪电流输出端，在其输出端跨接高精度电阻，将输出的电流信号转换为电压信号送入数据采集模块。

3.如权利要求1所述的录井工程参数数据快速采集系统，其特征是，所述光电耦合器并联在录井仪电压脉冲信号输出端；当输入的电压脉冲信号为高电平时，输入端管脚间的发光二级管导通发光，激励输出端管脚之间的光敏原件，使输出端管脚导通，则输出低电平；当输入的电压脉冲信号为低电平时，输入端管脚间的发光二极管不导通，输出端管脚关断，则输出高电平，从而将电压脉冲信号传递到数据采集模块采集端，实现数据的传递和电平的隔离。

4.如权利要求1或2或3所述的录井工程参数数据快速采集系统，其特征是，所述信号分配器、光电耦合器和直流电源置于防爆电气控制箱内，信号分配器、光电耦合器通过共地屏蔽的多芯电缆将各自采集的信号送入数据采集模块。

5.一种权利要求1所述录井工程参数数据快速采集系统的数据处理方法，其特征是，它采用多线程方式，对采集的大钩负荷、立压、扭矩的信号分别进行数据采集和读取线程、数据存储线程、数据显示线程和数据时域频域处理线程中；其中，

数据采集和读取线程，上位机采用中断方式读取数据采集模块的A/D转换数据以及脉冲电压的计数信号；

数据存储线程，根据时间参数设定不同的数据存储周期，对采集的数据进行存储和查询；

数据显示线程，利用iplot控件通过读取缓存数据以及读取显示时间参数，按照设定的时间参数显示大钩负荷、立压、扭矩、转盘转速的数据，并实现数据的左右拖动、上下滑动、细节分析、数据标注中的至少一种；

数据时域频域处理线程，时域处理包括前期滤波，数据缓变检测，数据突变检测，数据阈值检测；频域处理首先应通过快速傅里叶变换将时域信号转换到频域，针对快速傅里叶变换的结果进行分析和处理，针对直流分量和高频分量进行监测以提取信号频域特征，如果直流部分出现较大差异则认为出现了突变现象，如果某高频段超过了设定阈值则认为出现了高频信号，如果某低频段超过了设定阈值则认为出现了缓变信号，根据具体信号与实际工况和故障的对应在后续的工作中进行处理。

6.如权利要求5所述的录井工程参数数据快速采集系统的方法，其特征是，所述数据采集和读取线程中，数据采集模块初始化后，进行数据采集，分别将采集的模拟信号进行A/D转换后存入存储器内的至少一个指定区域同时将电压脉冲信号进行计数后存入计数器，待某一指定区域存满后，产生中断信号，停止向该区域的存储；然后给该区域内的每一条数据附上接收时间点，按照设定的数据格式与计数器内的计数一并存入缓存；之后清空该区域后继续进行数据存储，等待下一中断的产生。

7.如权利要求5所述的录井工程参数数据快速采集系统的数据处理方法，其特征是，所述数据存储线程中，数据入库存储操作首先在初始化后启动数据读取流程，此时检查缓存中是否有数据，如果有数据则进行读取，根据时间参数的不同设定不同的数据存储周期；当读取的数据个数满足时间参数时，则将此数据放入数据入库链表进行数据存储；之后继续读取缓存数据，当缓存中无数据时则进行等待。

8.如权利要求5所述的录井工程参数数据快速采集系统的数据处理方法，其特征是，所述数据存储线程中，查询是根据时间对历史数据进行查询，并且能够将历史数据导出为Excel或者绘制历史曲线。

9.如权利要求5所述的录井工程参数数据快速采集系统的数据处理方法，其特征是，所述时域处理中的滤波过程为根据不同工作条件下的数据采集，选择不同的滤波器，消除变异常数据，以免有用数据被滤掉；

数据缓变检测根据所设定的缓变时间检测时长，对滤波后的数据进行比对；如果超过缓变阈值则认为在一定时间内出现了数据缓变现象，则在主界面通知用户，实现数据的缓变检测；

数据突变检测针对滤波后的数据进行检测，若数毫秒内的数据之差超过了突变阈值，则认为出现了突变现象，同样在主界面提示用户，某项参数可能出现了突变，请用户注意观察数据；

数据阈值检测针对滤波后的每一个数据进行，如果某个数据出现了高出或低于设定阈值的情况，则提示用户出现了阈值报警。

10.如权利要求5所述的录井工程参数数据快速采集系统的数据处理方法，其特征是，所述频域处理中，在时域数据中进行二次数据抽取后进行快速傅里叶变换；二次抽取是指按照时间顺序，每间隔一定数量的数据，即抽取一个数据，直至取64或128或256或512或1024个数据后进行快速傅里叶变换，将数据从时域转换到频域。