导向钻井下行通讯地面监控系统设计.pdf

2 0 1 3年 7月 第 2 8卷第4期 西安石油大学学报 自然科学版 J o u rna l o f X i a n S h i y o u U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n J u 1 ．2 0 1 3 Vo 1 ． 28 No． 4 文章编号 1 6 7 3 -06 4 X 2 0 1 3 0 4 - 0 0 7 3 -05 导 向钻 井下行通讯地面 监控 系统设计 霍爱清 ， 戴 晨 1 ． 西安石油大学 陕西省钻机控制技术重点实验室， 陕西 西安 7 1 0 0 6 5 ； 2 ． 西北有色金属研究院 宝德粉末冶金有限责任公司， 陕西 西安 7 1 0 0 1 6 摘要 针对 变钻井液排量进行导向钻井下行通信设计 了地 面监控 系统 给 出了下行通讯指令传输 系 统的组成及原理 ， 并利用 MA T L A B的图形 用户界面 G U I 设计 了地 面监控 系统的主界面、 信息回 放和指令下传等界面， 实现 了井下采集的数据回放、 曲线绘制． 根 据变钻井液排量指令特 点及编码 方式， 实现了对下传指令的选择， 并直观显示出选中的指令编码形式， 完成对串行口通信参数的设 置 ， 实现 下传 指 令 的发 送 ． 关键词 导向钻井； 下行通讯 ； 变钻井液排量 ； 地面监控 系统； 界面设计 中图分类号 T E 9 2 8 文献标识码 A 在旋转导向钻井作业过程中， 井下导向工具根 据地面控制系统发送的控制指令控制轨迹按预定 的 设计轨迹逼近靶点 区 1 j ． 地 面监控系统是旋转导 向钻井系统的控制 中心 ， 在钻井过程 中， 地面监控系 统根据接收到的井下数据 ， 实时调整控制指令 ， 经下 行通道 ， 下传发送给井下导向工具 ， 与井下旋转导 向 钻井工具系统相互联系， 实现控制指令的传送， 指导 井下工具按照设计 的轨迹钻井 ， 实现不同功能要求 的操作． 1 下行通讯指令传输系统组成 下行通讯指令传输系统是旋转导向自动控制的 关键技术 ， 它直接关系到整个控制系统 的成败． 下行 通讯传输系统主要包括地面监控 系统 、 地 面指令发 送控制系统 、 钻井液传输通道及 井下接 收装置及指 令解码系统， 下行通讯传输系统组成原理框图如 图 1 所示． 地面监控 系统 以监测井下发送 的数据和 实现地面向井下发送控制指令为 主要 目标 ， 是旋转 导向钻井 系统下行通讯的关键环节 ， 因此 ， 设计一个 性能可靠 的地面监控操作系统就显得十分重要． 池 图 1 导向钻井下行通讯指令传输系统原理示意图 Fi g ． 1 Pr i nc i ple d i a g r a m o f s t e e r i ng dr i l l i ng do wn wa r d c o mm u n i c ati o n c o mma nd t r a n s mi s s i o n s y s t e m 本文所讨论的旋转导向钻井下行信号传输 剖 是通过变钻井液排量的方法实现指令下传， 利用井 下涡轮 电机在线检测泥浆排量变化 ， 并通过 与之相 连接的接收解码装置的硬软件完成钻井下传信号的 处理、 识别和解释任务， 其下传指令编码如 图2 所 示． 在不同指令编码发送时需要考虑针对不 同的脉 宽形成的指令进行发送 ， 这是地面监控系统设计时 的难点所在． 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 1 - 1 0 基金项 目国家自然基金项 目 编号6 1 1 7 4 1 9 1 ； 陕西省工业攻关计划项目 编号 2 0 1 0 K 0 7 - 0 9， 2 0 1 3 K 0 7 1 6 作者简介 霍爱清 1 9 6 6 一 ， 女， 副教授 ， 博士， 主要从事智能导向钻井下行通讯研究． E m a i l a q h u o x s y u ． e d u ． c a 一 7 6一 西安石油大学学报 自 然科学版 钻井信息， 将在这4 4条指令中进行选择和发送 位 低 边1 8 0 。 图8 4 4个导向点效果图 F i g ． 8 Re nd e n g o f 4 4 g u i d i n g p o i n t s 3 ． 3 ． 2 编码选择及显 示区 编码选择及显示 区包 含 1 个下拉菜单 P o p - u p me n u ， 1个文本框 E d i t t e x t ， 1 个轴位框 A x e s ， 分别用于选择编码的指令 号 、 显示编码对应的信息和显示每位编码脉宽 的长 度等信息． 在下传指令界面的编码选择及显示区上， 点击第一行的“ 编码” 下拉菜单， 选中需要的编码 号． 在第二行编码信息中将会显示编码的具体内容， 并在图形窗口会出现该编码的三降三升指令形式， 如图 3所示 选中编码 1 0 ． 对下拉 菜单 控件 p o p l ， 通 过 N U M g e t h a n d i e s ． p o p l ， V a l u e 指令获得选择的指令编码号 如 选择指令编码 1 0 ， 并依据N U M变量进入分支判断 程序． 语句 s e t h a n d l e s ． e d i t 2 ， s t r i n g ， n u m 2 s t r 工具 面角[ 1 8 0 。 ] 导向力[ 3 3 ％] 5位编码[ 1 1 3 3 1 ] 实 现界面第二行的静态文本框上的显示． 绘 图区的操作 通过 以下程序实现 以编码 l O 为例 X0 0．1 1 0； Y x 0 0 ． 8木 x1 X 2 0 ． 8 x 3 x7 0 ． 8Ic x8 x 9 ； a x e s h a n d l e s ． a x e s 1 ； p l o t x ， Y ， b t e x t [ 2 ． 7 ； 5 ； 6 ． 6] ， [ 1 ； 1 ； 1 ] ，{ ＼ l e fi a r r o w ； 4 T ； ＼ r i g h t a r r o w } ， F o n t S i z e ， 1 8 ， C o l o r ， r e d ； t i t l e 三降三升五位编码 x l a b e l ＼ i t 时间 T 3 0 s ， F o n t S i z e ， 1 5 y l a b e l 排量 L ， F o n t S i z e ， 1 5 s e t g c a ， X L i m ， [ 0 1 0 ] ， Y L i m ， [ 0 ． 5 1 ． 5 ] ； s e t h a n d l e s ． e d i t 2， s t r i n g ， n u m 2 s t r 工 具面角 [ 2 7 0 ] 导向力[ 1 0 0 3 5位编码[ 1 1 4 1 1 ] ； 3 ． 3 ． 3 通信设置通信设置区可 以完成对 串 口的 选择、 波特率、 校验位等的设置． M a t l a b 提供了对串口进行打开、 关闭以及串口 参数设置等操作的一系列函数 s ． 利用这些函数可 以选择串口号、 设置串口通信参数 波特率、 数据 位、 停止位、 校验位等 、 进行中断控制、 流控制． 主要用到的串口函数包括以下几个 1 创建串口对象 o b js e ri a l p o r t 参数 p o rt为完 整 的 串 口名称 ， 如 c o ral 、 c o rn 2 等． 2 打开／ 关闭串口 f o p e n o b j ／f c l o s e o b j 3 设置／ 修改串口通信参数 p r o p ss e t o b j ， P r o p e rt y N a me ， P r o p e rt y V a l u e ， ⋯ o b j 即为使用创建 串 口对象 函数的返 回值； P r o p e r t y N a m e 为串口通信参数， 如 b a u d r a t e ， s t a rt b i t s 等． 4 对串 口读写数据 A f _r e a d o b j ， s i z e ／f w r i t e o b j ， A A为读入的数据， 以数组的形式存储， 存储数据 形式为字节； o b j 即为使用创建串口对象函数的返回 值； s i z e 指定一次读操作读人字节的个数． 3 ． 3 ． 4编码发送 区及 编码接 收 区 编码发送区及 编码接收区位于下传指令界面的右下方， 由多个按 钮 P u s h B u t t o n 、 下拉菜单 P o p u p m e n u 等构成， 用于实现编码的发送和指令接收等操作． 利用内置于 M a t l a b的串 口通信 A P I 实现 串 口 数据发送与接收功能． 4 结束语 1 利用 M A T L A B的图形用户界面 G U I 提供 的基本用户界面元素 ， 完成了导 向钻井下行通讯地 面监控系统的主界面、 信息回放和指令下传等界面 的设计， 设计的界面直观简洁、 布局合理、 易于操作， 能够满足导向钻井下行通信地面监控的需要． 2 信息回放界面能够采集井下存储信息， 实 霍爱清等 导向钻井下行通讯地面监控系统设计 一7 7 一 现对数据 的回放及相应曲线的绘制． 3 指令下传界面根据变钻井液排量指令特点 及编码方式， 可以对下传指令进行相应的选择， 并直 观显示出选中的指令编码的脉宽形式． 4 通过对串行口通信参数的设置 ， 实现了下 传指令的发送． 参 考 文 献 [ 1 ] 李琪 ， 彭元超， 张绍槐， 等． 旋转导 向钻井信号井下传 送技术研究[ J ] ． 石油学报， 2 0 0 7 ， 2 8 4 1 0 8 1 1 1 ． L I Q i ， P E N G Y u a n - c h a o ， Z H A N G S h a o - h u a i ， e t a 1 ． S t u d y o n s i g n a l t r a n s mi s s i o n t e c h n i q u e i n r o t a r y s t e e rin g d r i l l i n g [ J ] ． A c t a P e t r o l e i S i n i c a ， 2 0 0 7 ， 2 8 4 1 0 8 - 1 1 1 ． [ 2 ] H U O A i q i n g ， H E Y u y a o ， WA N G Y u e l o n g ， e t a1 ． K e y T e c h n o l o g y Re s e a r c h o f D o wn w a r d C o mmu n i c a t i o n Re c e i v i n g S y s t e m i n R o t a r y S t e e r a b l e D r i l l i n g [ C] ． 2 0 1 0 t h e 2 n d I n t e rna t i o n al Co n f e r e n c e o n Co mp u t e r E n g i n e e rin g a n d T e c h n o l o gy I C C E T 2 0 1 0 ． C h e n g d u ， C h i n a ， 2 0 1 0 41 3- 41 6． [ 3 ] 汤楠， 霍爱清， 汪跃龙 ， 等． 旋转导向钻井系统下行通 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] i i i ⋯ 。 “ i i i i i , , q O I ⋯ 。 ’ 。 ⋯⋯ ” 0 1 1 1 J ‘ “ I ⋯。 。 ii , , d l I I I ’ ‘ I i q 。 ⋯t ⋯I I “ I I I I l -。 l ⋯“ I I I I l- 。 ’ i l l 上接 第 7 2页 [ 2 ] C i p o l l a C L ， L o l o n E P， Ma y e r h o f e r M J ． R e s e r v o i r Mo d e l - i n g a n d P r o d u c t i o n E v a l u a t i o n i n S h ale g a s Re s e r v o i r s 『 C] ． I f r r C 1 3 1 8 5， 2 0 0 9 ． [ 3 ] C i p o l l a C L ， Wa r p i n s k i N R， L o l o n E P ， e t a 1 ． T h e R e l a t i o n s h i p B e t w e e n F r a c t u r e C o mp l e x i t y ， Re s e rvo i r P r o p e r - t i e s ， a n d F r a c t u r e t r e a t m e n t D e s i g n[ C] ． S P E 1 1 5 7 6 9 ， 2 0 1 0 ． [ 4 ] C i p o l l a C L ， L o l o n E P ， M a y e r h o f e r M J ， e t a1． The E f f e c t o f P r o p p ant Di s t ri b u t i o n a n d Un - -p r o p p e d F r a c t u r e C o n - d u c t i v i t y o n W e l l P e rf o r ma n c e i n Un c o n v e n t i o n al Ga s R e s e rvo i r s[ C] ． S P E 1 1 9 3 6 8 ， 2 0 0 9 ． [ 5 ] H a r p e r T R， H a g a n J T， Ma r t i n s J P ． F r a c t u ri n g Wi t h o u t P r o p p a n t [ C ] ． S P E 1 3 8 5 8 ， 1 9 8 5 ． [ 6 ] Ma y e r h o f e r M J ， R i c h a r d s o n M F ， Wal k e r R N， e t a 1 ． P r o p p a n t s We D o n t N e e d N o P r o p p a n t s[ C] ． S P E 3 8 6 1 1 ， 1 9 9 7 ． [ 7 ] F r e d d C N， Mc C o n n e l l S B， B o n e y C L ， e t a 1 ． E x p e r i m e n t a l S t u d y o f F r a c t u r e C o n d u c t i v i t y f o r W a t e r f r a c t u rin g a n d C o n v e n t i o n al F r a c t u ri n g A p p l i c a t i o n s[ C] ． S P E 7 4 1 3 8 ， 2 01 0． [ 8 ] S ar a h K a s s i s ， C a r l H． F r a c t u r e P e r m e a b i l i t y o f G a s S h a l e E f f e c t s o f Ro u g h n e s s ， F r a c t u r e O f f s e t ， P r o p p a n t ， a n d Ef - 讯接收功能的开发 [ J ] ． 石油学报， 2 0 1 0 ， 3 1 1 1 5 7 - 1 6 0． T ANG N a n， HUO Ai q i n g ， WANG Y u e l o n g， e t a1． De v e l o p me n t o f d o wn wa r d c o mmu n i c a t i o n r e c e i v i n g f u n c t i o n i n rot a r y s t e e r a b l e d ril l i n g s y s t e mAc t a P e t r o e i S i n i c a ， 2 0 1 0， 3 1 1 1 5 7 - 1 6 0 ． 陈壶光， 毛涛涛， 王正林． 精通 Ma t l a b G U I 设计[ M] ． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 8 ． Mo r i a r t y Ke i t h ． R o t a r y d o wn l i n k s y s t e m UK P a t e n t Ap p l i c a t i o n ， 2 4 1 2 1 2 8 [ P ] ． 2 0 0 5 - 0 9 - 2 1 ． T r e v i r an u s ． Me t h o d a n d a p p a r a t u s for d o wn l i n k c o mmu n i c a t i o n U n i t e d S t a t e s ， 2 0 0 6 2 2 5 9 2 0 [ P ] ． 2 0 0 6 - 1 0 - 1 2 ． He r r man n ． Co mmu n i c a t i o n wi t h a d o w n h o l e t o o l Un i t e d S t a t e s P a t e n t ， 6 5 5 0 5 3 8 [ P ] ． 2 0 0 3 4 I 2 2 ． 王战军， 沈明． 基于 Ma t l a b G U I 的串口通信编程实现 [ J ] ． 现代电子技术， 2 0 1 0 ， 3 2 0 9 3 8 4 4 ． WA N G Z h a n - j u n ． S H E N Mi n ． S e ri al c o m mu n i c a t i o n p r o ． g r a m d e v e l o p m e n t b a s e d o n M a t l a b G U I [ J ] ． M o d e m E l e c t r o n i c s T e c h n i q u e ， 2 0 1 0 ， 3 2 0 9 3 8 _ 4 4 ． 责任编辑 张新宝 。” ⋯ ． ．⋯ 。 ’ ’ ⋯ ’ ’ 1 ． ‘ ⋯⋯ t 。 f e e t i v e S t r e s s[ C ] ． S P E 1 3 1 3 7 6 ， 2 0 1 0 ． [ 9 ] M u t h u k u m a r a p p a n R a m u r t h y ， R o b e r t D B a r r e e ， D o n a l d P Ku n d e r t ， e t a 1 ． S u rfa c e Ar e a v s C o n d u c t i v i t y T y p e F r a c t u r e T r e a t m e n t s i n S h al e R e s e rvo i rs f C] ． S P E 1 4 0 1 6 9， 2 0 1 1 ． [ 1 0 ]李世愚， 和泰名 ， 尹祥础， 等． 岩石断裂力学导论 [ M] ． 合肥 中国科学技术大学出版社 ， 2 0 1 0 5 0 ． 5 1 ． L I S h i - y u， HE T a i mi n g， YI N Xi a n g c h u， e t a 1 ． I n t r o d u c t i o n o f R o c k F r a c t u r e Me c h a n i c s『 M] ． H e f e i P r e s s o f U ． n i v e rsi t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy o f C h i n a， 2 0 1 0 5 0 - 51． [ 1 1 ]王金安 ， 谢和平 ， K w a s n i e w s k i M A ． 应用激光技术和分 形理论测量和描述岩石断裂表面粗糙度 [ J ] ． 岩石力学 与工程学报 ， 1 9 9 7， 1 6 4 3 5 4 - 3 6 1 ． WANG J i n - a n， XI E He p i n g， K wa s n i e ws k i M． A． A p p l i c a - t i o n o f l a s e r t e c h n i q u e a n d f r a c t al t h e o r y t o t h e me a s u r e me n t a n d c h a r a c t e riz a t i o n o n r o u g h h e s s o f r o c k f r a c t u r e S u rf a c e s『 J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Ro c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 7 ， 1 6 4 3 5 4 3 6 1 ． [ 1 2 ]E n g l a n d K W， P o e B D， C o n g e r J G ． C o m p r e h e n s i v e E v al - u a t i o n o f F r a c t u r e d g a s W e l l s U t i l i z i n g P r o d u c t i o n Da t a [ C] ． S P E 6 0 2 8 5 ， 2 0 0 0 ． 责任编辑 贺元旦