基于远程数字通信的高精度井温—井深测量仪的研究
摘要
本课题针对国内现有同类仪器测量精度低,国外同类产品虽然精度高,但价格昂贵等实际问题,研制了基于远程数字通信的高精度井温-井深测量仪,解决了传统测量中深度坐标偏差较大的问题。主要研究工作可概述如下:
1.对比研究了国内外现有测井仪的深度坐标测量方案,提出用光电编码器测量加套管接箍磁定位的方法来精确测量井深,使校正后的深度坐标误差20厘米以内。完成了油井温度-深度测量仪的硬件电路开发和软件编程,并成功的在大庆油田完成现场测量,通过设备验收。
2.提出了两线制数据通信工作方案。井下探测器的供电,被测温度和深度信号的传送都通过一根铠装电缆完成。两路信号通过两线制数据通信方法传送到井上,同原来的多芯电缆相比,大大降低了仪器成本。
3.另外本系统可实现仪器模块的随机组合,根据现场需求,可连接多种测量仪,如测温、测深、测压、介质分析等。既降低了经济成本,又提高了系统的灵活性。
4.对整个系统而言,采取了Modbus协议进行通信控制。
5.在本系统中,不仅在系统的硬件和软件上采取了一系列滤波方法来滤除信号传输过程中的干扰噪声,同时,还对模糊聚类的追踪法进行了改进,并使用改进的追踪法来滤除井下仪器下放过程中产生碰撞噪声,达到了对套管接箍信号进行判定的目的,从而提高了仪器测量的精度和可靠性。
In the oil extraction, the engineer of oil want to know the exactitude curve of temperature—deepness in the oil well, hereby, they can analyze the trend of the oil well and forecast trend of production under diversified exploitation mode; the engineer of oil extraction also want to know the exactitude curve of temperature—deepness in the oil well, so they can exploit the oil in the prime trends condition. Thus, the metrical instrument of oil temperature and deepness is an absolutely necessarily instrument during the collection of rock oil.
At the present time, the metrical instrument of oil temperature and deepness can divide to four kinds: mechanical metrical instrument, photoelectric metrical instrument, CCD metrical instrument, beamy metrical instrument .After analyze, we can found that metrical instrument of oil temperature of present phase subsist these problems:
1 The ratio of capability and price is not high
2 The currency of the metrical instrument of oil temperature and deepness is not well.
3 The problem of data transmission.
In order to solve these problems, I manufacture a new metrical instrument of oil temperature and deepness, which is based on remote digital communication with High Accuracy. In the following, I would like to give the design project of the metrical instrument:
The system is divvied to several parts as followed: The unit of the sensor of deepness、Temperature sensors modules、The module of signal acquisition and transmission、The module of signal recognition and extraction.
1. The unit of the sensor of deepness
In order to solve the problem of the low measure precision of conventional metrical instrument of oil temperature and deepness, my laboratory designed a Casing Connector Logger. In this system, the unit of the sensor of deepness is made up of CCL and photoelectric part. The CCL can exactitude confirms the position of connector, and the distance of two connectors can measure by photoelectric part. The distance of two connectors is about 10m, so the elongate error can be ignored. Based on the measure in the locale, the method can achieve the require of design.
2. Temperature sensors modules
Platinum Resistance such as Pt1000,whose temperature coefficient of resistance has little dispersion,its features as followed:High accuracy、Linearity is good、Relatively high sensitivity. So in this research I used Pt1000 which has excellent performance as temperature sensors,it can meet the request in the system.
3. The module of signal acquisition and transmission
I used AD7793 with 24-bit to acquisition the signal of deepness and temperature,the signal is treated by the SCM P87LPC769,and in the module of depth measurement , we used the mode of double-SCM. About the communications,my laboratory designed the digital communication methods for remote by armored cable,and its armoring as ground,the armored cable not only for power supply but also for communication. So it can save the conduit for digital communication,and compared with Multi-core cable in the same diameter,it can also save cost.
4. The module of signal recognition and extraction
The worker above ground equipment resaves the signals of deepness and temperature by MAX232,Owing to equipment and wells in the ongoing process of decentralization wall collisions, it produces a lot of interference signals. It designs a filter circuit in hardware and uses a digital composite filter algorithm in software, but these two methods can not filter out the noise caused by collisions after the actual measurements. To solve this problem, I also used the methods of Fuzzy Cluster Analysis to eliminate the interference signals,and so can receive the Exact signals. And at the field experiment,the system can meet the request completely.
1.对比研究了国内外现有测井仪的深度坐标测量方案,提出用光电编码器测量加套管接箍磁定位的方法来精确测量井深,使校正后的深度坐标误差20厘米以内。完成了油井温度-深度测量仪的硬件电路开发和软件编程,并成功的在大庆油田完成现场测量,通过设备验收。
2.提出了两线制数据通信工作方案。井下探测器的供电,被测温度和深度信号的传送都通过一根铠装电缆完成。两路信号通过两线制数据通信方法传送到井上,同原来的多芯电缆相比,大大降低了仪器成本。
3.另外本系统可实现仪器模块的随机组合,根据现场需求,可连接多种测量仪,如测温、测深、测压、介质分析等。既降低了经济成本,又提高了系统的灵活性。
4.对整个系统而言,采取了Modbus协议进行通信控制。
5.在本系统中,不仅在系统的硬件和软件上采取了一系列滤波方法来滤除信号传输过程中的干扰噪声,同时,还对模糊聚类的追踪法进行了改进,并使用改进的追踪法来滤除井下仪器下放过程中产生碰撞噪声,达到了对套管接箍信号进行判定的目的,从而提高了仪器测量的精度和可靠性。
In the oil extraction, the engineer of oil want to know the exactitude curve of temperature—deepness in the oil well, hereby, they can analyze the trend of the oil well and forecast trend of production under diversified exploitation mode; the engineer of oil extraction also want to know the exactitude curve of temperature—deepness in the oil well, so they can exploit the oil in the prime trends condition. Thus, the metrical instrument of oil temperature and deepness is an absolutely necessarily instrument during the collection of rock oil.
At the present time, the metrical instrument of oil temperature and deepness can divide to four kinds: mechanical metrical instrument, photoelectric metrical instrument, CCD metrical instrument, beamy metrical instrument .After analyze, we can found that metrical instrument of oil temperature of present phase subsist these problems:
1 The ratio of capability and price is not high
2 The currency of the metrical instrument of oil temperature and deepness is not well.
3 The problem of data transmission.
In order to solve these problems, I manufacture a new metrical instrument of oil temperature and deepness, which is based on remote digital communication with High Accuracy. In the following, I would like to give the design project of the metrical instrument:
The system is divvied to several parts as followed: The unit of the sensor of deepness、Temperature sensors modules、The module of signal acquisition and transmission、The module of signal recognition and extraction.
1. The unit of the sensor of deepness
In order to solve the problem of the low measure precision of conventional metrical instrument of oil temperature and deepness, my laboratory designed a Casing Connector Logger. In this system, the unit of the sensor of deepness is made up of CCL and photoelectric part. The CCL can exactitude confirms the position of connector, and the distance of two connectors can measure by photoelectric part. The distance of two connectors is about 10m, so the elongate error can be ignored. Based on the measure in the locale, the method can achieve the require of design.
2. Temperature sensors modules
Platinum Resistance such as Pt1000,whose temperature coefficient of resistance has little dispersion,its features as followed:High accuracy、Linearity is good、Relatively high sensitivity. So in this research I used Pt1000 which has excellent performance as temperature sensors,it can meet the request in the system.
3. The module of signal acquisition and transmission
I used AD7793 with 24-bit to acquisition the signal of deepness and temperature,the signal is treated by the SCM P87LPC769,and in the module of depth measurement , we used the mode of double-SCM. About the communications,my laboratory designed the digital communication methods for remote by armored cable,and its armoring as ground,the armored cable not only for power supply but also for communication. So it can save the conduit for digital communication,and compared with Multi-core cable in the same diameter,it can also save cost.
4. The module of signal recognition and extraction
The worker above ground equipment resaves the signals of deepness and temperature by MAX232,Owing to equipment and wells in the ongoing process of decentralization wall collisions, it produces a lot of interference signals. It designs a filter circuit in hardware and uses a digital composite filter algorithm in software, but these two methods can not filter out the noise caused by collisions after the actual measurements. To solve this problem, I also used the methods of Fuzzy Cluster Analysis to eliminate the interference signals,and so can receive the Exact signals. And at the field experiment,the system can meet the request completely.
引文
[1] 屠月芬、《微电脑绞车牵引长度变送器》、电子技术、1992-6。
[2] 穆志坚、《电磁计量技术》、机械工业出版社第一版、1990。p56
[3] 毛彤等、《辽河油田生产测井仪现状分析及改造措施》、测井技术 1999 增刊。
[4] 刘红、刘亚、张锦宏等、《井深误差产生的分析》、计量技术、 2002 年 8月。
[5] 曾光宇、张志伟、张存林、《光电检测技术》、清华大学出版社、2005-9。p69
[6] 李军成、《定向井测量铠装电缆的安装》、 West-China Exploration Engineering、 1995.7、p24-p27。
[7] 曹向群编著、《光栅测量技术》、浙江大学出版社、1992。
[8] 方朝亮、吴铭德、冯启宁、《测井关键技术展望》、石油科技论坛、 2005.2。
[9] Jones. Park、《Reservoir Limit Test》、Oil and Gas J. June 18 198、1985.106。
[10] John M.Campbell Sr .John M.Campbell Jr.Con,How To Manage Use Of Computers、《Petroleum Engineer international》、 (1988-12)。
[11] D F DARBE、 《CHARGE COUPLED DEVICES》、PRENTICE HALL、1984。
[12] 柴满洲、向绪金、张庆生、杨清荣、 《井下电视测井系统在套管检测中的应用》、测井技术、 2002 年第 26 卷第 3 期。
[13] 曾文冲、《关于我国测井技术发展的几点意见》、测井技术、2002 第 26卷第 1 期。
[14] 肖立志等、《核磁共振测井仪器的最新进展与未来发展方向》、测井技术、2003 第 24 卷第 4 期。
[15] 王雪文、 张志勇、《传感器原理及应用》、北京航空航天大学出版社、2004年 3 月。
[16] 惠轮、《噪声中的信号检测》、科学出版社、1990.1。p116
[17] 韩雪清、《新型传感器原理及应用》机械工业出版社 2005 年 5 月 30 日。p23
[18] 黄苏春、《热电偶和热电阻测温的误差分析》、仪器仪表用户 2004 年 11卷。
[19] 周云波、林加瑞、《铂电阻二线制变送器的设计》、电子技术应用、1997。
[20] 唐正茂、《高准确度温度变送器的补偿与校正方法》、传感器技术、2004年第 23 卷第 4 期。
[21] Maxim Gert N. Helles、《PT1000 铂电阻温度变送器》、世界电子元器件、2003 年 8 月。
[22] 罗文广、吴彤峰、《高准确度温度变送器的研制》、传感器技术、2003 年第 22 卷第 5 期。
[23] 张义强、杜永欣、吴国伟、安申法、王作青、聂燕飞、《油井分布式光纤测温系统研究与应用》、石油机械、 2003 年第 31 卷第 6 期。
[24] 吴新忠、乔宏颖、任子晖、《.现场总线技术综述》、工矿自动化、 2003,1(2):23-25。
[25] 阂安东、《油井温度、压力测量》、自动化仪表、1998.11 第 19 卷第 11 期。
[26] 王龙、李著信、《Profibus 现场总线技术简介》、重庆工业高等专科学校学报、2004,(2):28-31。
[27] 贺 毅、赵望达、刘勇求、《现场总线技术应用及其发展趋势探讨》、工业计量、2005 年第 15 卷第 1 期。
[28] JOHNSOND、Hybrid communication a closer look at HART、Control Engineering 、2000,7(11):61-62。
[29] 吕园荪、《HART 协议及其应用》、石油规划设计、2005 年 11 月。
[30]《Microcontroller Handbook》Intel Corporation,1984
[31]《标准 TTL 集成电路手册》,电子工业出版社,1994
[32]《铂电阻二线制变送器的设计》 周云波,林加瑞 电子技术应用 1997。VOL .5
[33]《铂电阻温度传感器的非线性特性及线性化方法》胡风忠仪表技术2000VOL.1
[34]《MCS-51 系列单片机实用接口技术》 李华 北京航天航空大学出版社
[35] Lowen R.Mathematics and fuzziness. Part 1. Fuzzy
[36]《电子电路大全》卷 2 通信电路,计量出版社,1985
[37]《实用电子电路手册》(第二册)科学技术文献出版社 1992
[38] G F AMELLO , TRANSACTION ON ELECTRON DEVICES,IEEEE,Vol.1(18)1971
[39]《单片机应用系统设计》何利民,北航出版社,1990.1
[40]《微机实用接口技术》 张旭东等,科学技术文献出版社,1993,8
[41] Yamakawa T High Speed Fuzzy Controller Hardware System in Proc.2ndFuzzy System Symp., Japan, 1986:122~130
[42] A ANTONIO DIGITAL FILTER ANALYZE AND DESIGNSPRINGER—VERLAG 1981
[43] G F AMELLO、《TRANSACTION ON ELECTRON DEVICES》、IEEEE、Vol.1(18) 1971。
[44] 郑君里、《信号与系统》、人民教育出版社、1981。
[45] 任克强、刘 晖、《微机控制系统的数字滤波算法》、现代电子技术、2003年第 3 期总第 146 期。
[46] 高锋阳、李强、《基于嵌入式微计算机 6811 的 IIR 数字滤波器设计》、电子质量、2005 年第 2 期。
[47] 李小青、刘克刚、王 皓、《高精度数据采集与回放系统的设计与实现》、电子技术、2004 年第 7 期。
[48] 袁丽华、洪华松、漆新民、《陷波滤波器的设计及其应用》、自动化与仪器仪表、2004 年第 4 期(总第 114 期),
[49] 王新辉、《一种数字化温度测量方法》、传感器技术、2005 年第 24 卷第 4期。
[50] KAUFMANN ,THEORY OF FUZZY SETS,MASSON PARIS , 1988
[51] 赵彦平、王剑琴、《521 数控测井系统及其应用效果分析》、石油仪器、2002年 6 月。
[52] 王富荣、《提高单片机系统可靠性的设计方法》、电子器件、2004 年 12 月。
[53] 向红军、雷彬、 《基于单片机系统的数字滤波方法的研究》、电测与仪表、2005 年第 9 期。
[54] 苟加志、《单片机测控系统抗干扰设计》、重庆工商大学学报(自然科学版)、 2005 年 2 月。
[55] Richard J. Mammone & Yehoshua Y.Zeevi 、《Neural Networks Theory and Applications》、Academic Press、INC、 1991。
[56] Hsinchun Chen 、《Machine Learning for Information Retrieval:Neural NetWorks,Symbolic Learning》、Academic Press、INC 1995。
[57] 温熙森等、《模式识别与状态监控》、国防科技大学出版社、1997。p103-p120
[58] 陈柔伊、张尧、武志刚、陈泽淮、《改进的模糊聚类算法在负荷预测中的应用》、电力系统及其自动化学报、2005 年 6 月。
[59] 王成山、曹旌、陈光远、《基于聚类分析的电力系统暂态稳定故障筛选》、电网技术、 2005 年 8 月。
[60] 苗作华、刘耀林、王海军、《耕地需求量预测的加权模糊-马尔可夫链模型》、 武汉大学学报、2005 年 4 月。
[61] 周则明、陈强、王平安、夏德深、《结合模糊 C 均值聚类和曲线演化的心脏 MRI 图像分割》、系统仿真学报、2005 年 1 月。
[62] 田云飞、李训浩、《基于两种模糊聚类方法的噪声目标自动分类研究》、仪器仪表用户、2005 年第 6 期。
[63] 张兴华、《模糊聚类分析的新算法》、数学的实践与认识、 2005 年 3 月。
[64] 刘普寅、吴孟达、《模糊理论及其应用》、国防科技大学出版社、1998。p325
[65] 严蔚敏、吴伟民、《数据结构》(C 语言版)、清华大学出版、1997、p95。
[66] 广西统计局、《广西统计局年鉴—2003》、中国统计出版社、2003。p320
[67] 潘玉奇、周劲、杨秀丽、袁宁、《基于模糊聚类分析的数据检索的应用》、微电子学与计算机、2005 年第 22 卷第六期。
[68] 孙延东、张庆波、阎永玲、《基于模糊聚类分析法的地空导弹武器退役模型》、空军工程大学学报(自然科学版)、2005 年 2 月、第 6 卷第 1 期。
[69] 蒋红妍、《路段变长划分的模糊聚类方法》、公路、2005 年 2 月第 2 期。
[70] 于雪峰、陈守煜、《模糊聚类迭代模型在洪水灾害度划分中应用》、大连理工大学学报、2005 年 1 月、第 45 卷第 1 期,。
[71] 桂小玲、靳文周、胡葱郁、《模糊聚类分析方法及其在交通规划中的应用》、交通与计算机、2005 年第 2 期、第 23 卷(总第 123 期)。
[72] 楼裕月.《模糊聚类分析方法与应用》、统计与决策、2005 年第 2 期(总第 183 期)。
[2] 穆志坚、《电磁计量技术》、机械工业出版社第一版、1990。p56
[3] 毛彤等、《辽河油田生产测井仪现状分析及改造措施》、测井技术 1999 增刊。
[4] 刘红、刘亚、张锦宏等、《井深误差产生的分析》、计量技术、 2002 年 8月。
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[15] 王雪文、 张志勇、《传感器原理及应用》、北京航空航天大学出版社、2004年 3 月。
[16] 惠轮、《噪声中的信号检测》、科学出版社、1990.1。p116
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[18] 黄苏春、《热电偶和热电阻测温的误差分析》、仪器仪表用户 2004 年 11卷。
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[20] 唐正茂、《高准确度温度变送器的补偿与校正方法》、传感器技术、2004年第 23 卷第 4 期。
[21] Maxim Gert N. Helles、《PT1000 铂电阻温度变送器》、世界电子元器件、2003 年 8 月。
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[24] 吴新忠、乔宏颖、任子晖、《.现场总线技术综述》、工矿自动化、 2003,1(2):23-25。
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[26] 王龙、李著信、《Profibus 现场总线技术简介》、重庆工业高等专科学校学报、2004,(2):28-31。
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[28] JOHNSOND、Hybrid communication a closer look at HART、Control Engineering 、2000,7(11):61-62。
[29] 吕园荪、《HART 协议及其应用》、石油规划设计、2005 年 11 月。
[30]《Microcontroller Handbook》Intel Corporation,1984
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[32]《铂电阻二线制变送器的设计》 周云波,林加瑞 电子技术应用 1997。VOL .5
[33]《铂电阻温度传感器的非线性特性及线性化方法》胡风忠仪表技术2000VOL.1
[34]《MCS-51 系列单片机实用接口技术》 李华 北京航天航空大学出版社
[35] Lowen R.Mathematics and fuzziness. Part 1. Fuzzy
[36]《电子电路大全》卷 2 通信电路,计量出版社,1985
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[38] G F AMELLO , TRANSACTION ON ELECTRON DEVICES,IEEEE,Vol.1(18)1971
[39]《单片机应用系统设计》何利民,北航出版社,1990.1
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[44] 郑君里、《信号与系统》、人民教育出版社、1981。
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[46] 高锋阳、李强、《基于嵌入式微计算机 6811 的 IIR 数字滤波器设计》、电子质量、2005 年第 2 期。
[47] 李小青、刘克刚、王 皓、《高精度数据采集与回放系统的设计与实现》、电子技术、2004 年第 7 期。
[48] 袁丽华、洪华松、漆新民、《陷波滤波器的设计及其应用》、自动化与仪器仪表、2004 年第 4 期(总第 114 期),
[49] 王新辉、《一种数字化温度测量方法》、传感器技术、2005 年第 24 卷第 4期。
[50] KAUFMANN ,THEORY OF FUZZY SETS,MASSON PARIS , 1988
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[60] 苗作华、刘耀林、王海军、《耕地需求量预测的加权模糊-马尔可夫链模型》、 武汉大学学报、2005 年 4 月。
[61] 周则明、陈强、王平安、夏德深、《结合模糊 C 均值聚类和曲线演化的心脏 MRI 图像分割》、系统仿真学报、2005 年 1 月。
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[67] 潘玉奇、周劲、杨秀丽、袁宁、《基于模糊聚类分析的数据检索的应用》、微电子学与计算机、2005 年第 22 卷第六期。
[68] 孙延东、张庆波、阎永玲、《基于模糊聚类分析法的地空导弹武器退役模型》、空军工程大学学报(自然科学版)、2005 年 2 月、第 6 卷第 1 期。
[69] 蒋红妍、《路段变长划分的模糊聚类方法》、公路、2005 年 2 月第 2 期。
[70] 于雪峰、陈守煜、《模糊聚类迭代模型在洪水灾害度划分中应用》、大连理工大学学报、2005 年 1 月、第 45 卷第 1 期,。
[71] 桂小玲、靳文周、胡葱郁、《模糊聚类分析方法及其在交通规划中的应用》、交通与计算机、2005 年第 2 期、第 23 卷(总第 123 期)。
[72] 楼裕月.《模糊聚类分析方法与应用》、统计与决策、2005 年第 2 期(总第 183 期)。