The Challenge:
隨鉆嵌入式處理單元是隨鉆地面系統的核心，主要負責兩大任務：一、對泥漿脈沖遙傳信號進行實時采集、處理和解碼；二、對鉆井深度進行準確的實時測量。泥漿脈沖遙傳信號和深度信號均參雜著大量的環境干擾，開發能夠有效濾除這些環境干擾，還原原始信號的處理算法是整個處理單元最大的挑戰，具有相當的復雜性。因此，需要一套性能強大、工作穩定可靠、開發簡單快速的實時嵌入式系統作為單元的核心，以減少開發工程師在硬件相關方面的投入，將有限的資源集中在處理算法的開發上。
The Solution:
使用NI LabVIEW及相關模塊結合NI CompactRIO及相關數據采集模塊開發了一套隨鉆嵌入式處理單元，采集鉆井現場安裝的泥漿壓力傳感器、深度編碼盤、死繩傳感器、鉤載傳感器和泵沖傳感器信號，經過處理后得到泥漿脈沖遙傳數據和鉆井深度數據，傳送給上位機進行后處理。
Author(s):
Di'nan Jiang - China Oilfield Services Limited
Songwei Zhang - China Oilfield Services Limited
Huatao Lu - China Oilfield Services Limited
多年來，井下數據傳輸是制約隨鉆測井技術發展的瓶頸，目前比較成熟的數據傳輸方式是泥漿脈沖遙傳。隨鉆地面系統的核心任務之一就是采集泥漿脈沖信號進行實時采集和處理，解碼為原始數據；同時，另一核心任務是需要在鉤載或死繩傳感器的配合下，通過深度編碼盤進行鉆井深度實時測量。使用NI CompactRIO作為隨鉆嵌入式處理單元的核心，利用其強大的處理能力，實時性能，快速開發特性，以及堅固性和可靠性，工程師們可以更專注于泥漿脈沖信號處理、解碼算法以及深度測量算法的開發。目前，隨鉆嵌入式處理單元已經通過地面循環試驗和井下循環試驗兩次上百小時的運行試驗，工作穩定，功能正常，完全達到隨鉆測井地面系統的要求。
開發背景
隨鉆測井技術是油氣田勘探開發的關鍵技術之一，目前為幾家國際性大公司所壟斷。在國內隨鉆測井和相關的定向鉆井服務市場上，國外技術占據主導地位，其中國內的海上市場則完全為國外技術所壟斷。近年來，國內企業購置的國外隨鉆測井裝備估計每年都需花費數億元人民幣，包括伽瑪/電阻率/中子密度/MWD在內的隨鉆測井設備（井下儀器按每種2支配置）售價超過4000萬元，不僅購置和維護成本高昂，而且受到技術和市場的雙重限制，在相當程度上制約著我國油氣資源、特別是海上油氣田的勘探開發，也限制了國內相關企業的發展。隨著我國深水油氣資源勘探開發的展開，這個問題將愈顯嚴重。
自主研發隨鉆項目的成功實施將形成我國自主知識產權的相對完整的隨鉆測井技術和裝備，打破國外技術的壟斷，與進口設備相比將大大降低其生產、維護和使用成本，為我國海上、特別是深水油氣資源的勘探開發，以及我國油田服務企業的發展壯大提供有效的技術支撐。
泥漿正脈沖編碼技術
正脈沖信號是通過瞬時部分阻擋鉆柱內泥漿柱的通行，迫使壓力升高而產生的。因此，當脈沖器提升閥上行部分阻擋泥漿流，壓力上升，當提升閥歸位，鉆柱壓力回到原始狀態，如圖1所示：
圖1 正脈沖信號發生器
泥漿正脈沖編碼是通過調整泥漿脈沖之間的脈沖間隔實現數字編碼的一種編碼方式。脈沖位置編碼的信息或者數據隱含在兩個脈沖的之間的脈沖間隔中，不同脈沖間隔長度代表不同的信息，如圖2所示。
圖2 基于脈沖間隔的正脈沖編碼
Data = (Interval - MIN_TIME) / BIT_TIME
其中，Data為編碼數據，Interval為間隔時長，從上式知道，編碼的數據越大，脈沖間隔就越大，反之亦然。
對于一個實際的遙測物理系統中，需要定義些參數，最小間隔時長（MIN_TIME）是指在數據編碼中一個用于編碼對應數值0的時間長度，如果一個間隔等于最小間隔時長，則這個間隔編碼數據信息為0。由于噪音的存在，在井底下產生的壓力信號不同于在地面上的壓力信號，這里定義比特寬度(BIT_WIDTH)來校正傳送的值，只要一個間隔的脈沖落在BW窗口內，認為無論偏移多少為一個有效的脈沖，實際脈沖位置與比特寬度內的理論脈沖位置值一致。
系統構成
隨鉆嵌入式處理單元（以下簡稱EPU）同時承擔多項采集測量處理任務和系統通訊任務，是整個隨鉆地面系統的核心中樞。現場的深度、泥漿壓力、鉤載、死繩和泵沖傳感器信號進入進入EPU，經過安全隔離柵隔離、信號調理板調理之后，送入cRIO的數據采集卡，由FPGA對數據進行采集，得到的數據經過CPU處理后，通過LAN傳送給上位機。同時，上位機通過cRIO的中轉，通過RS485總線與司鉆顯示器和DBC中控進行通訊，驅動Bypass電磁閥，進行指令下傳。系統架構如圖3所示。
圖3 隨鉆地面系統框架
泥漿脈沖信號濾波解碼
在井場現場，泥漿脈沖信號是通過安裝在立管上的壓力傳感器采集獲得的。
在現場條件下，從井下發出的泥漿脈沖信號傳遞到地面時，混雜了非常強的背景噪聲，其來源主要有泥漿泵活塞周期往復運動產生的泥漿泵噪聲、鉆頭粘卡后突然釋鉆柱產生大弧度擺動產生的鉆柱扭矩噪聲和鉆柱鉆進中的震動產生的鉆頭噪聲。
在EPU中，采集獲得的泥漿脈沖波形數據經過FIR初級濾波、自適應濾波、小波分析、互相關處理等一系列濾波處理，獲得較為干凈的脈沖信號波形。之后，通過準確判定脈沖位置，計算相鄰脈沖的時間間隔，從而計算的到相應的通訊數據。
深度測量
鉆井深度的測量，是通過測量鉆機大鉤上提下放運動過程進行累加，從而間接獲得的。除了需要準確實時的測量大鉤位置外，還需要準確判斷鉆具是否掛在大鉤上，跟隨大鉤一起上提下放。
判斷鉆具是否掛在大鉤上，先測量大鉤的載荷，與設定的閾值進行比較，高于閾值認為是掛在大鉤上，反之認為沒有掛在大鉤上，處于座卡狀態。但在鉆井過程中，會有各種震動產生，使測量得到的載荷也隨之劇烈波動。當鉆井深度較淺，鉆具重量較輕時，閾值非常接近大鉤空鉤載荷，劇烈的波動很容易越過閾值造成誤判。
為了消除震動的影響，需要對測量測到的鉤載進行濾波。而濾波算法要求一方面有效濾除波動，另一方面具有很低的延遲，這兩方面是一對矛盾關系。在綜合了FIR、IIR、平均值濾波、中值濾波等算法的特點后，使用FPGA模塊的相關濾波模塊設計了一套有效的濾波算法，能夠進行準確的深度測量。
試驗情況
在已經進行的地面循環試驗、井下循環試驗和實鉆試驗中，隨鉆嵌入式處理單元累計工作幾百小時，成功驗證了其可靠性和實時性。達到的性能指標主要有：
1、傳輸率：達到了3.0bps，為目前國內的同類技術的最高水平；
2、誤碼率：在試驗過程中，解碼的誤碼率在1%以下；
3、可靠性：在試驗工作過程中，隨鉆嵌入式處理單元工作穩定，算法運行正常，沒有出現系統崩潰的現象。
總結
經過試驗驗證，基于CompactRIO開發的隨鉆嵌入式處理單元已經初步達到了實用化的水平。
在整個處理單元開發過程中，快捷方便的LabVIEW圖形化編程工具極大的解放了開發人員的精力，可以更專注于泥漿脈沖波形濾波解碼算法和深度測量算法的開發。同時，CompactRIO堅固的結構和極高的可靠性也給人留下了深刻的印象。
Next Steps
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