CN105156100A - 一种无线数据交互司钻系统及交互方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种无线数据交互司钻系统及交互方法，属于石油、地质勘探等随钻测量技术领域，无线数据交互司钻系统包括：泥浆脉冲压力传感器、泥浆泵、数据解码主机终端、数据通信功能盒及数据显示从机终端；交互方法为：一、井下参数传输到泥浆泵；二、泥浆脉冲压力传感器转换为对应电流信号；三、数据显示从机终端处理得到数据帧；四、数据通信功能盒接收并解帧，传输给数据解码主机终端；五、解出井下具体参数发送至数据通信功能盒；六、进行图形化显示。优点在于：井下参数传输方式为无线传输方式，采用无线通信方式进行信号传输，实现同步双向通信，从而避免了有线电缆走线复杂，便携性差，安全隐患等问题，具有便携、可靠等优点。

Description

一种无线数据交互司钻系统及交互方法

技术领域

本发明涉及石油、地质勘探等随钻测量技术领域，具体是一种无线数据交互司钻系统及交互方法。

背景技术

随钻测量(MeasurementWhileDrilling)简称MWD，是一种先进的测井技术，通过不间断的定向钻进去测量接近钻头孔底的某些信息，并将信息即刻传送到地表的过程。

目前，随钻测量技术广泛应用与大斜度井、多分支井等复杂结构井的勘探开发中，并且向着高可靠性，小尺寸，高准确率，高科技化等方向发展。

在石油，地矿勘探等钻井作业过程中，井场技术人员需要实时了解各项井下参数，包括井斜、方位、工具面等；通常，在随钻测量系统中，这些参数以泥浆脉冲的形式传输到地面的高压立管中，地面上采用压力传感器，检测到与压力变化量对应的电压信号，并进行信号采集，滤波处理，解码等处理，完成参数的识别，最后通过有线电缆的方式传输到控制机房。

但是有线电缆传输方式在施工作业中，有以下缺点和不足：首先是走线复杂，由于井场机械车辆作业较多，有线方式增加了井场布线复杂度，每个井场情况不一，作业前需针对具体作业环境进行电缆线路布置；其次便携性低，近百米的电缆携带不便，同时安装拆卸不易；存在安全隐患，作业工程中电缆容易磨损，出现故障，影响施工。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的不足，提供了一种无线数据交互司钻系统及交互方法。

无线数据交互司钻系统，具体包括：泥浆脉冲压力传感器、泥浆泵、数据解码主机终端、数据通信功能盒及数据显示从机终端。

所述的无线数据交互司钻系统设置在地面上，泥浆泵一端连接泥浆通道，井下脉冲器将井下参数通过泥浆通道以泥浆压力信号的形式传输到泥浆泵处，泥浆泵另一端连接泥浆脉冲压力传感器，通过泥浆脉冲压力传感器将泥浆压力信号转换为对应电流信号；泥浆脉冲压力传感器连接数据显示从机终端；数据显示从机终端将电流信号转换为电压信号，实现数据的数字化并组成数据帧；通过2.4G频段无线链路与数据通信功能盒之间进行双向数据交互；数据通信功能盒接收数据帧并进行解帧，通过USB总线传输给数据解码主机终端，并进行通信。数据解码主机终端解出具体井下参数，通过USB总线传输给数据通信功能盒；经数据通信功能盒转发给数据显示从机终端，进行图形化显示。

数据显示从机终端包括信号采集单元、数据处理单元、第一无线通信单元、第一天线单元、LCD屏及图形驱动单元，各单元之间连接为一整体。其中信号采集单元包括信号调理电路和AD采集电路；

数据通信功能盒包括USB通信单元、第二无线通信单元、第二天线单元、信号处理单元，并连接为一整体。

一种无线数据交互司钻系统的交互方法为：

步骤一、井下脉冲器将井下参数以泥浆压力信号形式传输到地面泥浆泵；

步骤二、泥浆脉冲压力传感器将泥浆压力信号转换为对应电流型泥浆压力信号；

步骤三、数据显示从机终端对电流型泥浆压力信号处理后得到数据帧；

具体步骤如下：

步骤301、信号调理电路对电流型泥浆压力信号转换为电压型泥浆压力信号；

步骤302、AD采集电路对电压型泥浆压力信号进行数字化。

具体公式如下：

D＝I*R/5*32767

其中D为数字化结果，I为电流，R为采样电阻。

步骤303、数据处理单元对数字化数据进行自定义格式组帧，得到数据帧；

具体帧格式为：

PID

信号1

CHB

信号2

CHB

PB

其中PID为帧头识别码，CHB为校验位，PB为停止位。

步骤304、数据帧经过第一无线通信单元和第一天线单元发送给数据通信功能盒。

步骤四、数据通信功能盒接收数据帧并通过信号处理单元进行解帧，传输给数据解码主机终端；

首先，数据通信功能盒通过第二无线通信单元和第二天线单元接收数据帧，并通过信号处理单元进行解帧；

具体帧格式为：

PID

信号1

CHB

信号2

CHB

PB

然后，将解帧得到的数字信号，通过USB通信单元打包，经USB总线发送至数据解码主机终端。

步骤五、数据解码主机终端接收数字信号，并解出井下具体参数进行同步时间戳标记和组帧，通过USB总线发送至数据通信功能盒；

具体步骤如下：

步骤501、数据解码主机终端对数字信号完成数据滤波，得到数字化后泥浆压力信号。

步骤502、对滤波后数字化后泥浆压力信号进行解算；

步骤503、应用惯导方法计算井下参数，同步时间参数并组帧，帧格式如下：

PID

井斜

CHB

方位

CHB

工具面

CHB

时间

PB

步骤504、通过USB总线将组帧后数据输送至数据通信功能盒；

步骤六、数据通信功能盒将组帧后数据转发给数据显示从机终端，进行图形化显示。

数据通信功能盒通过USB总线得到组帧后数据，调用第二无线通信单元和第二天线单元，将组帧后数据发送至数据显示从机终端；数据显示从机终端解帧，得到具体井下参数，经过LCD屏及图形驱动单元进行图形显示。

本发明的优点在于：

1)、一种无线数据交互司钻系统，优点在于将司钻室显示需求与控制室监视需求之间的通信无线化，相比有线通信方式，提高了钻井现场的安全性，降低了井场布线成本。

2)、一种无线数据交互司钻的交互方法，井下参数传输方式为无线传输方式，采用2.4G频段无线通信方式进行泥浆脉冲信号的地面传输，实现同步双向通信，从而避免了有线电缆走线复杂，便携性差，安全隐患等问题，具有便携、可靠等优点。

附图说明

图1为本发明一种无线数据交互司钻系统装置使用状态结构示意图；

图2为本发明司钻数据显示从机终端功能的属性示意图；

图3为本发明数据通信功能盒功能的属性示意图；

图4为本发明一种无线数据交互司钻系统的交互方法流程图；

图5为本发明数据显示从机终端得到数据帧的方法流程图；

图6为本发明数据解码主机终端的处理方法流程图；

图7为本发明数据通信功能盒的处理方法流程图。

其中，1-井架，2-数据显示从机终端，3-泥浆脉冲压力传感器，4-泥浆泵，5-数据通信功能盒，6-数据解码主机终端

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

一种无线数据交互司钻系统，是一种随钻测量系统的地面无线数据交互装置；如图1所示，包括井架1、泥浆脉冲压力传感器3、泥浆泵4、数据解码主机终端6、数据通信功能盒5及数据显示从机终端2。

所述的无线数据交互司钻系统设置在地面上，地面泥浆泵4一端连接泥浆通道，井下脉冲器将井下参数通过泥浆通道以脉位调制的形式传输到地面泥浆泵4处，地面泥浆泵4另一端连接泥浆脉冲压力传感器3，通过泥浆脉冲压力传感器3将泥浆压力信号转换为对应电流信号；泥浆脉冲压力传感器3连接数据显示从机终端2；数据显示从机终端2将电流信号转换为电压信号，实现数据的数字化并组成数据帧；通过2.4G频段无线链路与数据通信功能盒5之间进行双向数据交互；数据通信功能盒5接收数据帧并进行解帧，通过USB总线传输给数据解码主机终端6，并进行通信。数据解码主机终端6解出具体井下参数，通过USB总线传输给数据通信功能盒4；经数据通信功能盒4转发给数据显示从机终端2，进行图形化显示。

数据显示从机终端2采用ARM微处理器搭载LINUX操作系统，如图2所示，包括信号采集单元，第一无线通信单元，第一天线单元，数据处理单元，图形驱动单元以及LCD屏；各单元之间连接结构上为一整体。

信号采集单元包括信号调理电路和AD采集电路，功能是完成整个数据显示从机终端2各个单元模块的协调控制，最终实现数据采集，无线通信和图形显示等功能。

信号调理电路采用AD7656YSTZ芯片及外围电子电容组成，将泥浆脉冲压力传感器3输出的电流型信号转换为AD数字转换芯片转换范围内的电压型信号；AD采集电路采用AD7656YSTZ芯片完成电压型泥浆压力信号的数字化；

数据处理单元以STM32F103ZET6芯片为主控制器，对信号采集单元采集到的数字化泥浆压力信号进行组帧；

第一无线通信单元包括无线通信电路，采用NRF24L01P芯片；第一无线通信单元及第一天线单元将数字化组帧后的泥浆压力信号发送至数据通信功能盒5；

图形驱动单元是指图形驱动电路，主要采用THC63LVDM63A芯片；LCD屏采用12.1’LCD液晶屏幕；图形驱动电路及LCD屏完成图像信息的可视化显示；

数据显示从机终端2与数据通信功能盒5之间通过2.4G频段无线链路进行双向数据交互。

数据通信功能盒5，如图3所示，包括第二无线通信单元、第二天线单元、信号处理单元,其功能为对第二天线和第二无线单元接收到的数据进行解帧和USB通信单元。

第二无线通信单元与第一无线通信单元相互通信；第二天线单元与第一天线单元相互通信，第二无线通信单元与第二天线单元接收到数据显示从机终端2发送的数字化组帧后的泥浆压力信号；

信号处理单元采用微控制器，完成数据通信功能盒5各个单元的协调控制，最终实现无线通信，数据交互等功能；

USB通信单元采用USB总线，将数据显示从机终端2发送的数字化组帧后的泥浆压力信号传输至数据解码主机终端6；

数据通信功能盒5和数据解码主机终端6之间通过USB总线连接并进行通信。

数据解码主机终端6包括笔记本电脑，司钻软件、USB总线及解码软件。数据解码主机终端6的USB总线与数据通信功能盒5的USB总线相连，通过USB总线接收到数据通信功能盒5传输上的数字化组帧后的泥浆压力信号，后经过软件滤波及解码，解得井下参数并完成时间同步戳标记，后通过USB总线发送至数据通信功能盒5。

数据通信功能盒5接收数据解码主机终端6解得的带有时间同步戳的井下参数，并通过第二无线通信单元及第二天线将井下参数发送至数据显示从机终端2，数据显示从机终端2接收井下参数，经图形驱动单元显示到LCD屏幕上。

一种无线数据交互司钻系统的交互方法，如图4所示，具体步骤如下：

步骤一、井下脉冲器将井下参数通过泥浆通道以脉位调制的形式传输到地面泥浆泵处；

井下参数包括井斜参数，方位参数和工具面参数。

步骤二、泥浆脉冲压力传感器将泥浆压力信号转换为对应电流型泥浆压力信号；

步骤三、数据显示从机终端对电流型泥浆压力信号处理后得到数据帧；

数据显示从机终端2的信号采集单元将泥浆压力信号转换为电压信号并将电压信号数字化，数据处理单元对数字化后的信号进行组帧，第一无线通信单元及第一天线单元将数字化组帧后的泥浆压力信号发送至数据通信功能盒5处。

如图5所示，具体步骤如下：

步骤301、信号调理电路通过采样电阻将电流型信号转换为电压型信号；

步骤302、AD采集电路使用16bit高精度数字转换芯片，实现电压型信号的数字化采集。具体公式如下：

D＝I*R/5*32767

其中D为数字化结果，I为电流，R为采样电阻。

步骤303、数据处理单元对采集到的泥浆压力的数字化数据进行自定义格式组帧，具体帧格式为：

PID

信号1

CHB

信号2

CHB

PB

其中PID为帧头识别码，CHB为校验位，PB为停止位。

步骤304、数据帧经过第一无线通信单元和第一天线单元发送给数据通信功能盒。

数据显示从机终端2与数据通信功能盒5中的无线通信单元均采用2.4G频段，完成可靠通信功能；具体以NRF24L01P无线通信集成芯片为核心。

步骤四、数据通信功能盒接收数据并进行解帧，传输给数据解码主机终端；

数据通信功能盒5通过第二无线通信单元及第二天线单元接收到数字化组帧后的泥浆压力信号，后进行解帧并校验无误，通过USB总线将数据传送至数据解码主机终端6；

首先，数据通信功能盒5数字化组帧后的泥浆压力信号，完成高频解调，并按照预先制定的帧格式通过信号处理单元进行解帧，解帧格式与步骤303相同；

然后，将解帧得到的数字信号，进行USB通信打包，具体是将解帧后得到的数据缓冲至64个为一包，然后通过USB总线发送至数据解码主机终端6，数据解码主机终端6有自研发的软件配合使用。

步骤五、数据解码主机终端接收数字信号，并解出井下具体参数进行同步时间戳标记和组帧，通过USB总线返回至数据通信功能盒；

数据解码主机终端6上位机软件读取到数字化后的泥浆压力数据后进行软件滤波及解码处理，后将井斜，方位，工具面，开关泵状态等参数进行罗盘图形化显示，同时将解得的具体参数进行同步时间戳标记和组帧，通过USB总线发送至数据通信功能盒5。

如图6所示，具体步骤如下：

步骤501、数据解码主机终端首先完成数据滤波，得到数字化后泥浆压力信号。

数据滤波采用方法为相关滤波或低通滤波等。

步骤502、对滤波后数据进行解算，解算方法有mary码解码，PPM解码等；

步骤503、应用常规惯导方法进行井斜参数，方位参数及工具面参数的计算，同步时间参数并组帧，帧格式如下：

PID

井斜

CHB

方位

CHB

工具面

CHB

时间

PB

其中PID为帧头识别码，CHB为校验位，PB为停止位。

步骤504、通过USB总线将组帧后数据输送至数据通信功能盒；

步骤六、数据通信功能盒将数据解码主机终端解算得到的井下参数转发给数据显示从机终端，进行图形化显示。

数据通信功能盒5经第二无线通信单元及第二天线单元发送至数据显示从机终端2处，数据显示从机终端2对接收的通信包进行解帧，完成参数的图形化显示。

如图7所示，具体步骤如下：

步骤601、数据通信功能盒将总线模式设定成无线模式；

步骤602、第二无线通信单元及第二天线单元将组帧后的井下参数发送至数据显示从机终端；

步骤603、数据显示从机终端按照步骤503所述的帧格式解帧，得到各个物理参数；

步骤604、数据显示从机终端搭载linux操作系统，并运行自主研发的软件对物理参数进行图形显示。

一种无线数据交互司钻系统，数据解码主机终端、数据通信功能盒和司钻数据显示从机终端，采用无线链路方式进行双向数据交互，数据通信功能盒与数据解码主机终端之间通过USB总线连接，采用无线链路技术实现数据通信，便携移动性好，安全可靠性高，可视化程度高，有助于提高司钻工程的作业效率。

Claims (7)

1.一种无线数据交互司钻系统，其特征在于，包括：泥浆脉冲压力传感器、泥浆泵、数据解码主机终端、数据通信功能盒及数据显示从机终端；

所述的无线数据交互司钻系统设置在地面上，泥浆泵一端连接泥浆通道，井下脉冲器将井下参数通过泥浆通道以泥浆压力信号的形式传输到泥浆泵处，泥浆泵另一端连接泥浆脉冲压力传感器，通过泥浆脉冲压力传感器将泥浆压力信号转换为对应电流信号；泥浆脉冲压力传感器连接数据显示从机终端；数据显示从机终端将电流信号转换为电压信号，实现数据的数字化并组成数据帧；通过无线链路与数据通信功能盒之间进行双向数据交互；数据通信功能盒接收数据帧并进行解帧，通过USB总线传输给数据解码主机终端，并进行通信；数据解码主机终端解出具体井下参数，通过USB总线传输给数据通信功能盒；经数据通信功能盒转发给数据显示从机终端，进行图形化显示。

2.如权利要求1所述的一种无线数据交互司钻系统，其特征在于，所述的数据显示从机终端包括信号采集单元、数据处理单元、第一无线通信单元、第一天线单元、LCD屏及图形驱动单元，各单元之间连接为一整体；其中信号采集单元包括信号调理电路和AD采集电路。

3.如权利要求1所述的一种无线数据交互司钻系统，其特征在于，所述的数据通信功能盒包括USB通信单元、第二无线通信单元、第二天线单元、信号处理单元，并连接为一整体；

信号处理单元完成数据通信功能盒各个单元的协调控制，最终实现无线通信，数据交互的功能；

USB通信单元将数据显示从机终端发送的数字化组帧后的泥浆压力信号传输至数据解码主机终端。

4.应用权利要求1所述的无线数据交互司钻系统的交互方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、井下脉冲器将井下参数以泥浆压力信号形式传输到地面泥浆泵；

步骤二、泥浆脉冲压力传感器将泥浆压力信号转换为对应电流型泥浆压力信号；

步骤三、数据显示从机终端对电流型泥浆压力信号处理后得到数据帧；

步骤四、数据通信功能盒接收数据帧并通过信号处理单元进行解帧，传输给数据解码主机终端；

步骤五、数据解码主机终端接收数字信号，并解出井下具体参数进行同步时间戳标记和组帧，通过USB总线发送至数据通信功能盒；

步骤六、数据通信功能盒将组帧后数据转发给数据显示从机终端，进行图形化显示。

5.如权利要求4所述的应用无线数据交互司钻系统的交互方法，其特征在于，所述的步骤三具体步骤包括：

步骤301、信号调理电路对电流型泥浆压力信号转换为电压型泥浆压力信号；

步骤302、AD采集电路对电压型泥浆压力信号进行数字化；

具体公式如下：

D＝I*R/5*32767

其中，D为数字化结果，I为电流，R为采样电阻；

步骤303、数据处理单元对数字化数据进行自定义格式组帧，得到数据帧；

具体帧格式为：

PID 信号1 CHB 信号2 CHB PB

其中，PID为帧头识别码，CHB为校验位，PB为停止位；

步骤304、数据帧经过第一无线通信单元和第一天线单元发送给数据通信功能盒。

6.如权利要求4所述的应用无线数据交互司钻系统的交互方法，其特征在于，所述的步骤五具体步骤包括：

步骤501、数据解码主机终端对数字信号完成数据滤波，得到数字化后泥浆压力信号；

步骤502、对滤波后数字化后泥浆压力信号进行解算；

步骤503、应用惯导方法计算井下参数，同步时间参数并组帧，帧格式如下：

PID 井斜 CHB 方位 CHB 工具面 CHB 时间 PB

步骤504、通过USB总线将组帧后数据输送至数据通信功能盒。

7.如权利要求4所述的应用无线数据交互司钻系统的交互方法，其特征在于，所述的步骤六具体步骤包括：

步骤601、数据通信功能盒将总线模式设定成无线模式；

步骤602、第二无线通信单元及第二天线单元将组帧后的井下参数发送至数据显示从机终端；

步骤603、数据显示从机终端按照步骤503所述的帧格式解帧，得到各个物理参数；

步骤604、数据显示从机终端搭载linux操作系统，并运行自主研发的软件对物理参数进行图形显示。