一種隨鉆測量地面系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種隨鉆測量地面系統(tǒng)，包括以下幾個部分：地面接口箱、PC機、司鉆顯示器、立管壓力傳感器、鉤載傳感器以及深度編碼器；地面接口箱包括主控模塊、深度采集模塊、壓力采集模塊、與PC機通信接口模塊；PC機通過與PC機通信接口模塊、主控模塊與地面接口箱連接，立管壓力傳感器將采集到的信號上傳至壓力采集模塊，鉤載傳感器、深度編碼器與深度采集模塊連接，司鉆顯示器、井下探管與主控模塊連接。本實用新型用于隨鉆測量的地面系統(tǒng)，通過接口箱內主控模塊控制相應的傳感器、深度編碼器、井下探管、司鉆顯示器工作，實現(xiàn)了隨鉆測井中對井下信息的采樣、處理、存儲、顯示等功能，本方案結構模塊化，易于實現(xiàn)，實用性強，穩(wěn)定性高。
【專利說明】一種隨鉆測量地面系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及石油勘探【技術領域】，具體而言，涉及一種隨鉆測量地面系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002] 隨鉆測量就是在鉆井過程中，完成對井底附近相關參數(shù)的連續(xù)自動測量，然后通 過泥漿脈沖將測量信息發(fā)送至地面，通過地面系統(tǒng)對測量信息進行采集、存儲、處理、顯示， 所以地面系統(tǒng)對整個測井過程起非常重要的作用。在國內，隨鉆測量技術還沒有完全成熟， 過去的地面系統(tǒng)已經不能夠滿足現(xiàn)有隨鉆測量的需要。
[0003]因為現(xiàn)有地面系統(tǒng)已經無法滿足隨鉆測量的需要，所以開發(fā)一種應用于隨鉆測量 的地面系統(tǒng)成為了本領域技術人員追求的目標。


【發(fā)明內容】

[0004]為了解決現(xiàn)有技術的地面系統(tǒng)無法滿足隨鉆測量的需要等技術問題，本實用新型 的目的在于提供一種隨鉆測量地面系統(tǒng)。
[0005]為實現(xiàn)以上實用新型目的，本實用新型采用的技術方案如下：
[0006]一種隨鉆測量地面系統(tǒng)，包括以下幾個部分：地面接口箱、PC機、司鉆顯示器、立 管壓力傳感器、鉤載傳感器以及深度編碼器；地面接口箱包括主控模塊、深度采集模塊、壓 力采集模塊、與PC機通信接口模塊；主控模塊、與PC機通信接口模塊之間通過第一 USART 通信，所述主控模塊與壓力采集模塊、深度采集模塊共用一條SPI總線；所述PC機通過所述 與PC機通信接口模塊、所述主控模塊與地面接口箱連接，所述立管壓力傳感器將采集到的 信號上傳至所述壓力采集模塊，所述鉤載傳感器、深度編碼器與所述深度采集模塊連接，所 述司鉆顯示器、井下探管與所述主控模塊連接。
[0007]在較佳的技術方案中，所述主控模塊包括MCU、以太網PHY、第二接口電路和第三 接口電路、第一前端處理電路、電源輸出控制電路、電源電流采樣電路，所述MCU通過與PC 機接口模塊的第一接口電路與PC機連接，所述MCU順序通過以太網PHY、RJ45后與PC機通 信，所述MCU分別通過第二USART和第三USART連接第二接口電路和第三接口電路，并通過 第三接口電路轉發(fā)命令給司鉆顯示器，通過第二接口電路與井下探管通信，所述第一前端 處理電路將井下探管采集的脈沖信號上傳至所述MCU，所述MCU通過電源輸出控制電路為 井下探管供電，所述電源電流采樣電路將提供給井下探管的電流反饋給所述MCU。
[0008]在較佳的技術方案中，所述壓力采集模塊包括第二前端處理電路和雙通道A/D轉 換器，第二前端處理電路將從立管壓力傳感器接收的信號通過A/D轉換器上傳至SPI總線。
[0009]在較佳的技術方案中，所述深度采集模塊包括一單片機和第三前端處理電路，所 述第三前端處理電路將鉤載傳感器和深度編碼器接收的信號上傳至單片機，經單片機處理 后上傳至所述SPI總線。
[0010] 在較佳的技術方案中，所述壓力傳感器和所述鉤載傳感器信號輸出的電流大小為 4-20mA〇
[0011] 在較佳的技術方案中，所述地面接口箱與司鉆顯示器、壓力傳感器、鉤載傳感器、 深度編碼器的連接通過電纜轉接盒進行了轉接。
[0012] 在較佳的技術方案中，所述PC機和所述地面接口箱供電電源為220V市電。
[0013] 在較佳的技術方案中，所述PC機和所述地面接口箱供電電源采用UPS電源，功率 為200瓦。
[0014] 本實用新型用于隨鉆測量的地面系統(tǒng)，通過接口箱內主控模塊控制相應的傳感 器、深度編碼器、井下探管、司鉆顯示器工作，實現(xiàn)了隨鉆測井中對井下信息的采樣、處理、 存儲、顯示等功能，本方案結構模塊化，易于實現(xiàn)，實用性強、穩(wěn)定性高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 如圖1為本實用新型的一種隨鉆測量地面系統(tǒng)的結構框圖。

【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖對本實用新型的實施方式進行詳細說明。
[0017] 如圖1所示，本實用新型的一種隨鉆測量地面系統(tǒng)包括以下幾個部分：地面接口 箱、PC機、司鉆顯示器、立管壓力傳感器、鉤載傳感器以及深度編碼器。地面接口箱包括主 控模塊、深度采集模塊、壓力采集模塊、與PC機通信接口模塊；主控模塊、與PC機通信接口 模塊之間通過第一 USART通信，所述主控模塊與壓力采集模塊、深度采集模塊共用一條SPI 總線；所述PC機通過所述與PC機通信接口模塊、所述主控模塊與地面接口箱連接，所述立 管壓力傳感器將采集到的信號上傳至所述壓力采集模塊，所述鉤載傳感器、深度編碼器與 所述深度采集模塊連接，所述司鉆顯示器、井下探管與所述主控模塊連接。
[0018] 地面接口箱負責將各傳感器信號進行調理和處理、存儲、轉發(fā)，轉發(fā)命令給司鉆顯 示器，并與井下儀器通信，轉發(fā)相關命令給井下儀器，獲取井下儀器的通訊數(shù)據轉發(fā)給PC 機的地面處理軟件。具體來講，地面接口箱的主要功能包括：
[0019] a.采集壓力傳感器、鉤載傳感器、深度編碼器數(shù)據，處理數(shù)據、將相關數(shù)據封裝好 后上傳給PC機；
[0020] b.轉發(fā)PC機發(fā)給司鉆顯示器的相關命令（工具面、井斜、方位、井深、壓力、日期、 時間、對話框消息等）；
[0021] c.與井下探管直連接時，轉發(fā)PC機發(fā)給井下探管的相關命令以及轉發(fā)井下探管 上傳給PC機的相關數(shù)據（探管測試、探管配置、探管數(shù)據下載、探管電流等）。
[0022] 地面接口箱按功能可分為：主控模塊、壓力采集模塊、深度采集模塊、與PC機通信 接口模塊等。其中，主控模塊、壓力模塊、深度采集模塊為三大主要模塊。與PC機通信接口 模塊主要是在PC機與接口箱通過USB 口或RS232串口連接時實現(xiàn)信號的轉換。
[0023] 主控模塊包括MCU、以太網PHY、第二接口電路和第三接口電路、第一前端處理電 路、電源輸出控制電路、電源電流采樣電路。所述MCU通過與PC機接口模塊的第一接口電 路與PC機連接，所述MCU順序通過以太網PHY、RJ45后與PC機通信，所述MCU分別通過第 二USART和第三USART連接第二接口電路和第三接口電路，并通過第三接口電路轉發(fā)命令 給司鉆顯示器，通過第二接口電路與井下探管通信，所述第一前端處理電路將井下探管采 集的脈沖信號上傳至所述MCU，所述MCU通過電源輸出控制電路為井下探管供電，所述電源 電流采樣電路將提供給井下探管的電流反饋給所述MCU。
[0024] 本實施例中，主控模塊通過型號為STM32F107VC的MCU實現(xiàn)與PC機的通信控制、 與井下探管的通信控制、與司鉆顯示器的通信控制、與壓力采集模塊的通信控制、與深度采 集模塊的通信控制、脈沖器及井下探管供電電源的輸出控制、電源電流的AD采樣、井下探 管模擬脈沖器輸出波形信號XCL的AD采樣。為了兼顧實用性及穩(wěn)定性，結合目前的技術發(fā) 展現(xiàn)狀，MCU與PC機的通信實行可選擇的雙端口 ：第一 USART和以太網接口。其中，第一 USART又被分成了兩個RS232串口和兩個USB接口，這部分功能由"與PC機通信接口模塊" 來實現(xiàn)。與井下探管的通信控制通過第二USART來實現(xiàn)。第二USART經過第二接口電路處 理，轉化為一根TSB總線。本實施例采用的通信方式為半雙工通信，命令發(fā)送幀和響應幀交 替在總線上傳輸。井下探管包括多種設備，目前已定義的有MWD電子探管、伽馬探管、電阻 率探管等。因此，TSB通信總線必須能夠進行多地址通信。與司鉆顯示器的通信控制通過 第三USART來實現(xiàn)。與壓力采集模塊的通信控制、與深度采集模塊的通信控制通過SPI總 線及地址線來實現(xiàn)。MCU通過選擇對應的地址線可分別與壓力模塊和深度模塊進行通信， 可分別對其進行配置、下發(fā)命令、獲取數(shù)據等。MCU還可控制脈沖器及井下探管供電電源的 輸出，電源輸出時采集電流的AD值。井下探管模擬脈沖器輸出波形信號XCL時，進行AD采 樣。
[0025] 壓力采集模塊包括第二前端處理電路和雙通道A/D轉換器，第二前端處理電路將 從立管壓力傳感器接收的信號通過A/D轉換器上傳至SPI總線。其中，立管壓力數(shù)據是現(xiàn) 場工作的主要依據，是井下與井上進行通信的載體。本實施例中，壓力采集模塊采用24位 雙通道AD轉換芯片CS5532。CS5532通信接口為SPI接口，主控MCU對其配置后，CS5532 可選擇某通道進行連續(xù)AD轉換。實際工作時，只有一路壓力AD采集，兩路通道互為備用。 CS5532獨自外接轉換時鐘，其頻率為4. 9152MHz的有源晶振，可以獨立進行AD轉換，主控 MCU可隨時向其獲取最新的AD轉換數(shù)據，舍棄數(shù)據的低8位，取高16位。
[0026] 深度采集模塊包括一單片機和第三前端處理電路，所述第三前端處理電路將鉤載 傳感器和深度編碼器接收的信號上傳至單片機，經單片機處理后上傳至所述SPI總線。，其 工作是鉤載的AD采集、深度編碼器計數(shù)值的采集、鉆具坐卡、解卡狀態(tài)的判斷以及斷電時 保存深度編碼器的計數(shù)值。深度采集模塊采用C8051F500單片機進行控制，單片機通過SPI 接口與主控模塊的MCU進行通信。
[0027] 本實用新型所使用的前端處理電路、接口電路都是現(xiàn)有技術，為本領域技術人員 的常規(guī)技術選擇。
[0028] PC機預裝地面軟件及相關驅動。PC機地面軟件系統(tǒng)負責管理其它設備，下發(fā)命 令、接收處理數(shù)據、顯示相關信息，是人機對話及命令發(fā)布的中心系統(tǒng)。PC機和接口箱供電 電源為?220V市電。接口箱將電源轉換為相應的電源，通過相關電纜輸出給井下設備（直 連接時）、司鉆顯示器、壓力傳感器、鉤載傳感器、深度編碼器等。PC機與接口箱之間可以通 過串口線、USB線或網線進行連接。
[0029] 司鉆顯示器用來顯示井深、井斜、方位、工具面、立管壓力、日期、時間、開泵時間、 關泵時間、命令信息等相關內容。
[0030] 接口箱與其它戶外設備的連接通過電纜轉接盒進行了轉接。戶外設備包括司鉆顯 示器、壓力傳感器、鉤載傳感器和深度編碼器等，接口箱引出的連接電纜按功能分成了主電 纜和深度電纜。主電纜通過電纜轉接盒分成了壓力電纜和司顯電纜；深度電纜通過電纜轉 接盒分成了鉤載電纜和編碼器電纜。根據現(xiàn)場工作情況和要求，所有戶外設備均要求具有 防水功能，電纜接頭采用防水航插。
[0031] 司鉆顯示器顯示工具面、井斜、方位、井深、壓力、日期、時間、開關泵指令、開關泵 時間等相關信息。
[0032] 壓力傳感器、鉤載傳感器、深度編碼器等地面?zhèn)鞲衅鞣謩e測量立管泥漿壓力、游車 載重、游車高度等。根據現(xiàn)場的工作情況，選用4_20mA信號輸出的壓力傳感器和鉤載傳感 器。鉤載傳感器采用測量死繩張力的傳感器來測量鉤載。此方式安裝拆卸方便，能正確判 斷出鉆具坐卡、解卡的狀態(tài)，滿足功能需求。深度編碼器采用相位相差90度的兩路脈沖信 號輸出的增量式光電編碼器，通過編碼器的脈沖計數(shù)來判斷游車高度。
[0033] 為了讓地面系統(tǒng)可靠工作，排出經常供電的不穩(wěn)定和干擾，本實用新型采用UPS 電源，功率為200瓦。
[0034] 該地面系統(tǒng)各個部分的技術指標如下：
[0035] a.壓力傳感器技術指標
[0038] b.鉤載傳感器技術指標

【權利要求】
1. 一種隨鉆測量地面系統(tǒng)，其特征在于：包括以下幾個部分：地面接口箱、PC機、司鉆 顯示器、立管壓力傳感器、鉤載傳感器以及深度編碼器；地面接口箱包括主控模塊、深度采 集模塊、壓力采集模塊、與PC機通信接口模塊；主控模塊、與PC機通信接口模塊之間通過第 一 USART通信，所述主控模塊與壓力采集模塊、深度采集模塊共用一條SPI總線；所述PC機 通過所述與PC機通信接口模塊、所述主控模塊與地面接口箱連接，所述立管壓力傳感器將 采集到的信號上傳至所述壓力采集模塊，所述鉤載傳感器、深度編碼器與所述深度采集模 塊連接，所述司鉆顯示器、井下探管與所述主控模塊連接。
2. 如權利要求1所述的一種隨鉆測量地面系統(tǒng)，其特征在于：所述主控模塊包括MCU、 以太網PHY、第二接口電路和第三接口電路、第一前端處理電路、電源輸出控制電路、電源電 流采樣電路；所述MCU通過與PC機接口模塊的第一接口電路與PC機連接，所述MCU順序通 過以太網PHY、RJ45后與PC機通信，所述M⑶分別通過第二USART和第三USART連接第二 接口電路和第三接口電路，并通過第三接口電路轉發(fā)命令給司鉆顯示器，通過第二接口電 路與井下探管通信，所述第一前端處理電路將井下探管采集的脈沖信號上傳至所述MCU，所 述MCU通過電源輸出控制電路為井下探管供電，所述電源電流采樣電路將提供給井下探管 的電流反饋給所述MCU。
3. 如權利要求2所述的一種隨鉆測量地面系統(tǒng)，其特征在于：所述壓力采集模塊包括 第二前端處理電路和雙通道A/D轉換器，第二前端處理電路將從立管壓力傳感器接收的信 號通過A/D轉換器上傳至SPI總線。
4. 如權利要求3所述的一種隨鉆測量地面系統(tǒng)，其特征在于：所述深度采集模塊包括 一單片機和第三前端處理電路，所述第三前端處理電路將鉤載傳感器和深度編碼器接收的 信號上傳至單片機，經單片機處理后上傳至所述SPI總線。
5. 如權利要求4所述的一種隨鉆測量地面系統(tǒng)，其特征在于：所述壓力傳感器和所述 鉤載傳感器信號輸出的電流大小為4-20mA。
6. 如權利要求1-5中任一項所述的一種隨鉆測量地面系統(tǒng)，其特征在于：所述地面接 口箱與司鉆顯示器、壓力傳感器、鉤載傳感器、深度編碼器的連接通過電纜轉接盒進行了轉 接。
7. 如權利要求1-5中任一項所述的一種隨鉆測量地面系統(tǒng)，其特征在于：所述PC機和 所述地面接口箱供電電源為220V市電。
8. 如權利要求1-5中任一項所述的一種隨鉆測量地面系統(tǒng)，其特征在于：所述PC機和 所述地面接口箱供電電源采用UPS電源，功率為200瓦。
【文檔編號】E21B47/12GK204126628SQ201420529723
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月15日 優(yōu)先權日:2014年9月15日
【發(fā)明者】何明, 李英波, 劉金柱 申請人:北京環(huán)鼎科技有限責任公司