导向钻井地面指令下传及信息回放系统界面设计.docx
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导向钻井地面指令下传及信息回放系统界面设计
毕业设计(论文)任务书
题目
导向钻井地面指令下传及信息回放系统界面设计
学生姓名
张英杰
学号
200805080819
专业班级
自动化0804
设计(论文)内容及基本要求
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)。
导向钻井信息地面回放系统是整个下行系统的起始单元和控制中心,向地面人员显示基本的、直观的钻进信息,并提供各种下行控制指令,使现场工程技术人员清楚的掌握和分析钻头所在位置以及井下导向工具对井眼轨迹的控制情况,实现地面人员对井下导向工具进行监控。
1.简单了解下行通信地面控制系统的基本原理。
2.学习了解各类人机交换界面设计程序的特点及优缺点。
3.完成相关资料检索和开题报告。
4.应用MATLAB进行人机交换界面设计程序。
5.进行导向钻井信息地面指令下传界面和数据回放界面总体设计。
6.地面指令下传界面具有下传控制指令发送功能,能显示出当前指令的5位有效指令脉宽。
7.数据回放界面能显示井下存储的有效信息,如工具面角、井斜角、泥浆排量、井下温度、涡轮电机电压等信息,并作出各自的曲线,并能存储。
8.完成论文的写作和15000字符以上的英文资料翻译。
设计(论文)起止时间
年月日至年月日
设计(论文)地点
指导教师签名
年月日
系(教研室)主任签名
年月日
学生签名
年月日
导向钻井地面指令下传及信息回放系统界面设计
摘要:
近年来,石油钻探技术有了很大的发展,特别是旋转导向钻井技术的发展,使钻井向着自动化方向迈进。
下行通讯地面控制系统是旋转导向钻井下行通讯系统的重要组成部分,钻井作业的实际需要和旋转导向闭环钻井系统的功能组成决定了由地面监控系统实现下传控制指令、进行下行通讯的必要性。
在这种需求下,一个性能可靠的操作界面的设计就很有必要。
本文完成了导向钻井地面指令下传及信息回放系统数据交换界面的设计,在实现了指令下传及信息回放的基础上,完成导向钻井信息地面指令下传界面和数据回放界面总体设计。
利用MATLABGUI图形用户界面设计了具有下传控制指令发送功能、能显示出当前指令的5位有效指令脉宽的地面指令下传界面,设计了能显示工具面角、井斜角、泥浆排量、井下温度、压力等井下存储的有效信息的窗口,并且实现了画出各参数曲线并进行存储的数据回放界面,使用户不必直接面对枯燥的程序代码,就可以完成各种数据的采集和操作。
界面运行后显示出设计合理、简洁明了、准确性高等优点,能充分满足指令下传、信息回放及存储的要求。
关键词:
MATLABGUI;导向钻井;信息回放;指令下传
TheInterfaceDesignofSteeringDrillingGroundInstructionDownwardsandInformationPlaybackSystem
Abstract:
Inrecentyears,oildrillingtechnologyhasbeengreatlydeveloped,especiallytherotarysteeringdrillingtechnology.Downlinkcommunicationsgroundcontrolsystemisanimportantpartoftherotarysteeringdrillingdownlinkcommunicationsystem.Theactualneedsofthedrillingandthefunctionalcomponentsoftherotarysteeringdrillingclosed-loopsystemdeterminethenecessityofdownstreamcontrolinstructionsanddownlinkcommunicationthatachieveitusegroundmonitoringsystem.Areliableinterfacedesignisnecessarytosatisfythesedemands.
Theinterfacedesignofsteeringdrillinggroundinstructiondownloadandinformationplaybacksystemwerecompletedinthisarticle.Onthebasisofachieveinstructiondownloadandinformationplayback,completethegroundcommandofthesteeringdrillinginformationdownloadinterfaceanddesignofthedataplaybackinterface.ThecurrentinstructiontransferinterfacewasdesignedusingMATLABGUIgraphicaluserinterfacethefunctionthatcontaincontrolcommandssentdownstream,showfiveeffectiveinstructionpulsewidthofthegroundunderthedirectionof,thewindowwasdesignedthatcandisplaythetoolfaceangle,deviationangle,muddisplacement,undergroundstorageofdownholetemperature,pressureandotherusefulinformation,Thentheplaybackinterfacewasdrawthatcanplottherespectivecurvesandthedatastoredin,sothatusersdonothavetodirectlyfacetheboringcode,andcancompletetheacquisitionandoperationofavarietyofdata.Afterrunningthisinterface,thedesignshowthegoodcharacteristicsofreasonable,clear,concise,accuracy,advantages,andcanfullymeettherequirementsunderthedirectionoftransfer,playbackandstoragerequirements.
Keywords:
MATLABGUI;steeringdrilling;informationplayback;instructiondownwardscommunication
1绪论
1.1引言
导向钻井在石油开采中,占有着重要的地位。
由于资源的限制和不可实现性,本文通过利用MATLABGUI模拟、设计和开发出导向钻井指令下传及信息回放界面。
在一定环境下,用MATLABGUI强大的功能支持下,让人更加深刻地了解与导向钻井有关的知识。
1.2研究的目的及意义
随着国民经济的快速发展,全球各行业对石油天然气的需求急剧增加,这就对油气井的钻采效率、对复杂油气藏的开采提出了严峻的考验。
随着石油钻井学科的不断发展,旋转导向钻井技术的产生避免了常规钻井技术中由于频繁起钻下钻带来的一系列问题,比如井眼轨迹不规则从而加大钻具的摩阻和扭矩、钻进过程不连续影响钻井效率、井眼延伸距离有限使得开采复杂油藏受限。
旋转导向钻井法是代导向钻井的发展方向,钻进时的摩阻与扭矩小、钻速高、钻头进尺多、井身轨迹平滑易调控、建井周期短成本低,适应开采复杂结构井的需要,其先进性、优越性、方向性表明了它是现代导向钻井工程的研究重点[1]和发展方向。
下行通讯地面控制系统是旋转导向钻井下行通讯系统的重要组成部分。
旋转导向闭环钻井系统的核心是井下旋转导向工具、地面与井下双向信息传输系统、地面监控系统等。
在旋转导向钻井过程中,地面需要不断给井下工具发送控制指令,以控制轨迹按预定的设计轨迹逼近靶点(区)。
地面监控系统是旋转导向钻井系统的指挥中心,在钻井过程中,地面监控系统根据井下数据作出控制指令,经下行通讯通道,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[2]。
因此,钻井作业的实际需要和旋转导向闭环钻井系统的功能组成决定了由地面监控系统实现下传控制指令、进行下行通讯的必要性。
1.3国内外研究现状
旋转导向钻井技术的诞生已有20多年,在这一不算短暂的时期内,石油钻井技术从控制理论到测量技术和井下工具都在不断地完善。
掌握了下行通讯技术特别是地面下传信息在井下的接收并投入商业应用的国际公司实现了对井眼轨迹的闭环控制,其代表性产品[3]有:
BakerHughes公司的AutoTrak旋转闭环自动钻井系统,Schlumberger公司的PowerDrive调制式全旋转导向自动钻井系统,Halliburton公司的Geo-Pilot旋转导向自动钻井系统,这些产品都属于全闭环自动控制的旋转导向钻井系统。
闭环自动控制的导向钻井系统主要由地面监控系统、井下偏置导向执行工具、井下微处理控制器、MWD/LWD(MeasureWhileDrilling/LoggingWhileDrilling)等测量仪器以及双向通讯通道组成。
闭环控制钻头的运动轨迹是指井下导向执行工具与井下测量控制系统之间的小闭环,以及井下旋转导向钻井工具系统与地面监控系统之间的大闭环这两种方式。
现在国内在旋转导向钻井技术的研究多集中在实现大闭环控制上。
双闭环控制方式示意图如图1-1所示。
图1-1旋转导向钻井系统井眼轨迹控制方式
由于MWD技术的成熟[6],井下地层参数、工艺参数、井眼轨道的几何参数等通过泥浆脉冲上传基本能满足工程要求,而信号从地面发送到井下与MWD技术上传通讯的实现方案、信号传输方式和采集检测方法都存在不同之处,加之受钻井液粘性阻力和管路系统弹性变形的影响,钻井液脉冲在传输过程中存在明显的衰减和延迟,所以不能简单地在现有MWD技术基础上增加信号下传功能[4]。
在AutoTrak系统中,它的井下测量控制系统安装在一个稳定测控平台上,这个平台由通过轴承相连的可相对转动的旋转心轴和不旋转外套组成,旋转心轴的上方连接钻柱、下方连接钻头,其作用是传递压力、扭矩及输送钻井液;不旋转外套上安装有井下微处理器、控制电路、偏置导向机构。
井下CPU里预置了井身轨迹数据,可在井下将随钻测量的数据与预置的设计数据进行比较,然后操纵其独立的液压系统来控制偏置导向工具,完成导向功能,这也即是井下小闭环控制;而它的地面监控系统也可通过下行通讯向井下发送指令,根据实际钻井工作状况调整设计数据,实现对井身轨迹的精确控制,这也即是大闭环控制。
该系统的下行通道采用调制钻井液排量来承载指令信息。
由此可见,泥浆脉冲方式的下行通讯已经成熟并且应用于实际,不过该技术的编码方式、解码方法、接收装置等关键技术仍未公开,国内的一些公司与研究机构依旧都在积极参与这方面的研究,力求解决下行信息传输这一难题。
地面监控系统向井下旋转导向钻井工具系统的控制器发送信息,传输通道是信息的传输媒介,下行通讯问题就是寻找与信号最为匹配的信道,并采用一定的编码形式由信道传输,最后由信息接收装置解码接收。
在信息传送中,选择泥浆脉冲作为下行通道,信息的接收端是井下泥浆发电机,井下控制器监测电机转子转速的变化,识别编码信息并解码得到控制信号[5]。
但是在地面向井下发送控制命令时,为了比较精确地控制转速,需要抬起钻头避免旋转时与井底的摩擦力。
在信息传送中,同样选择泥浆脉冲作为下行通道,只是信息编码是利用泥浆流速的变化。
不过井下接收装置的物理结构较为复杂,并且不适用于钻柱旋转速度较低的情况。
在下行通讯中,信息载体都是钻井液,只是检测器件有区别,一个是在井下安装压力传感器检测钻井液压力变化,一个是用加速度传感器来检测受钻井液排量变化而产生的钻具振动变化,井下控制器定时地采集传感器输出接收信息。
选择钻杆作为下行通道,对钻杆的振动和静止状态进行编码,采用安装在钻头附近的振动传感器作为检测装置。
地面监控系统通过改变钻具的转速来下传命令,井下设置转速传感器采集信号。
尽管这些技术方法各有所长也有其本身不可消除的劣势[6],都处于试验性质的研制阶段,还未有一个成熟的系统投入生产应用,所以近期的研究会以继续加深对闭环控制的研究为主。
1.4论文研究的主要内容
本课题的主要研究内容是以用MATLABGUI完成旋转导向钻井系统的指令编码及信息回放为目标,在全面了解旋转导向钻井系统的结构形式、工作原理、主要技术特点的基础上,研究信息传输通道的特征,进而提出一种实用的下行通讯方案;设计出一个不同以往的且简便易行的界面;开发一套井下信息接收装置,实现对下传命令的显示、画图,这个界面将提供指令编码下传以操纵井下导向执行工具并且了解井下的数据,力求简单明了易操作性好。
1.5论文结构安排
本论文对旋转导向钻井系统的指令编码理论研究做了论述,设计了基于MATLABGUI的一个界面,完善了旋转导向钻井的地面系统。
论文介绍了旋转导向钻井系统的组成及其工作原理,叙述了下行通讯方案,并按照安全可靠、传输效率高、误码率低的指标选定了信息传输方式。
应用MATLABGUI实现了对指令的编码和井下信息的回放,并对界面的制作过程进行了详细的介绍。
在控制指令编码部分,以工具面角和导向力大小为基础,对井下44个典型编码指令作了设置;按照井下接收装置硬件系统的功能结构,设计出相应的功能界面。
最后,论文总结了课题研究的内容,解决的问题以及现有研究存在的不足,对后续研究进行了展望。
2MATLABGUI概述
本章阐述了MATLABGUI的原理及结构,并对其运行环境进行了简单的描述。
讲到了它在导向钻井领域的应用,以及界面设计的实际应用。
2.1MATLAB简介
2.1.1MATLAB
MATLAB软件是1987年以后发展起来的一门新技术,由于它具有强大的数值计算和数据图形显示功能,在控制系统、数据分析、信号处理、工程数学、金融系统、通信系统、土木工程、图形可视化等领域得到了广泛应用。
煤田地质系统要加快现代现建设步伐,正确地进行勘探设计,科学地管理和指挥生产,及时可靠地制定施工方案等工作都需要借助数据分析和工程图件来完成。
MATLAB软件能根据用户的指令迅速准确地分析数据,并结果可视化和绘制出所需要的图形。
在煤田地质勘探中,利用这一工具可以进行煤质分析并作图,如煤层气解析法损失量的计算、煤层灰份与发热量的线性关系,灰份与真、视密度的关系,镜质组最大反射率与相对深度和挥发份的关系;煤(岩)矿体特征分析如厚度分析、沿走向和倾向的变化规律分析,砂岩体与地层厚度的关系;煤层质量分析如主要有用组分和伴生有用、有益、有害组分的含量;赋存状态和变化规律等分析;煤矿工业利用性能评价分析等等。
绘制各种等值(厚)线图、简易水文曲线、地表水及地下水动态曲线、构造地质方面如玫瑰花图、各种汇总统计图等图件,具有分析结果数字化和可视化、程序简单、运行速度快、容易校正误差和修改源文件来构成新的专用工具包的特点。
2.1.2软件功能
目前在我国使用比较普遍的MATLAB软件是Mathworks公司的MATLAB,它于1987年在美国首先推出,从3.0版逐渐发展到6.1版,具有以下几种功能:
①矩阵和矩阵运算功能:
提供了如何利用不同方法来输入和产生矩阵,以及矩阵的数学运算,还包括了矩阵分解以及线性方程组的求解。
②数值计算和数值分析:
提供了多项式的处理、插值问题、数据分析和统计、信号处理、功能函数以及常微分方程的求解等。
③稀疏矩阵:
提供了稀疏矩阵的生成、运算。
④绘图功能:
提供了直角坐标和极坐标下二维、三维甚至四维、特殊图形、句柄图形(面向对象的图形系统)的绘制。
⑤图形用户界面:
提供了图形界面工具,以及图形界面的设计和注意事项[10]。
2.2.3运行环境
MATLAB适用于多种机型和操作系统,在WindowExpressional或WindowEdition操作系统下采用,其内存容量12MB以上,硬盘在10G以上,CPU在1.7G以上均可运行。
2.3MATLABGUI工具介绍
图形用户界面(graphicaluserinterface,GUI)是由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象(Object)构成的一个用户界面。
用户通过一定的方法(如鼠标或键盘)选择、激活这些图形对象[11],使计算机产生某种动作或变化,比如实现计算、绘图等。
假如科技工作者仅仅执行数据分析、解方程等工作,一般不会考虑GUI的制作。
但是如果想向客户提供应用程序,想进行某种技术、方法的演示,想制作一个供反复使用且操作简单的专用工具,那么图形用户界面是最好的选择之一。
MATLAB为表现其基本功能而设计的演示程序demo是使用图形界面的最好范例。
MATLAB的用户在指令窗口中运行demo打开图形界面后,只要用鼠标进行选择和点击,就可浏览丰富多彩的内容。
开发实际的应用程序时应该尽量保持程序的界面友好,因为程序界面是应用程序和用户进行交互的环境。
在当前情况下,使用图形用户界面是最常用的方法。
提供图形用户界面可使用户更方便地使用应用程序,不需要了解应用程序怎样执行各种命令,只需要了解图形界面组件的使用方法;同时,不需要了解各种命令是如何执行的,只要通过用户界面进行交互操作就可以正确执行程序。
在MATLAB7.0中,图形用户界面是一种包含多种图形对象的界面,典型的图形界面包括图形显示区域、功能按钮空间以及用户自定义的功能菜单等。
为了让界面实现各种功能,需要对各个图形对象进行布局和时间编程。
这样,当用户激活对应的GUI对象时,就能执行相应的时间行为。
最后,必须保存和发布自己创建的GUI,使得用户可以应用GUI对象[12]。
在MATLAB中,所有对象都可以使用M文件进行编写。
GUI也是一种MATLAB对象,因此,可以使用M文件来创建GUI。
使用M文件创建GUI的方法也是最基础的,使用其他方法创建GUI图形界面时,实现图形控件的各种功能时,也需要编写相应的程序代码。
除了使用M文件来创建GUI对象之外,MATLAB还为用户开发图形界面提供了一个方便高效的集成开发环境:
MATLAB图形用户界面开发环(MATLABgraphicaluserinterfacedevelopmentenvironment)简称GUIDE,其主要是一个界面设计工具集。
Matlab7.0将所有GUI所支持的用户控件都集成起来,同时提供界面外观、属性和行为响应方法的设置方法。
除了可以使用GUIDE创建GUI之外,还可以将设计好的GUI界面保存为一个FIG资源文件,自动生成对应的M文件。
该M文件包含了GUI初始化代码和组建界面布局的控制代码。
使用GUIDE创建GUI对象执行效率高,可以交互式地进行组件布局,还能生成保存和发布GUI的对应文件。
FIG文件包含GUI图形窗口及其子对象的完全描述,包含所有相关对象的属性信息,可以调用hg.save命令或者使用M文件编辑器的File>Save命令生成该文件。
FIG文件是一个二进制文件,包含系列化的图形窗口对象。
所有对象的属性都是用户创建图形窗口时保存的属性。
该文件最主要的功能是对象句柄的保存。
M文件:
该文件包含GUI设计、控制函数及控件的回调函数,主要用来控制GUI展开时的各种特征。
该文件基本上可以分为GUI初始化和回调函数两个部分,控件的回调函数根据用户与GUI的具体交互行为分别调用。
应用程序M文件使用open.fig命令来显示GUI对象,但是该文件不包含用户界面设计的代码,对应代码由FIG文件保存[13]。
2.4MATLABGUI的一般设计步骤
简单说来,一个好的界面应遵循以下3个原则:
简单性(Simplicity)、一致性(Consistency)及习常性(Familiarity)。
界面制作包括界面设计和程序实现。
具体制作步骤如下:
(1)分析界面所要求实现的主要功能,明确设计任务;
(2)在稿纸上绘出界面草图,并站在使用者的角度来审查草图;
(3)按构思的草图,上机制作(静态)界面,并对其进行检查;
(4)编写界面动态功能的程序,对功能进行逐项检查。
以上过程只是一般原则,在设计中,步骤之间也可能要交叉执行或复合执行;设计和实现过程往往不是一步到位的,可能需要反复修改,才能获得满意的界面。
建议先进行界面布局编码,后进行动态交互功能的编码。
2.5创建图形界面用户的具体操作
MATLAB为用户提供了丰富的Windows图形界面设计方法,使用户能够在利用其强大数值计算功能的同时设计出友好的图形界面。
一个好的界面应遵循以下三个原则:
简单性(Simplicity),一致性(Consistency)及习常性(Familiarity)[14]。
(1)简单性
设计界面时,应力求简洁、直接、清晰地体现出界面的功能和特征。
那些可有可无的功能,应尽量删去,以保持界面的整洁。
设计的图形界面要直观,为此应多采用图形,而尽量避免数值。
设计界面应尽量减少窗口数目,力避在不同窗口之间来回切换。
(2)一致性
所谓一致性有两层含义:
一是所开发的界面风格要尽量一致;二是新设计的界面不要与其它已有的界面风格截然相左。
这是因为用户在初次使用新界面时,总习惯于凭经验进行试探。
比如说,图形显示区常安排在界面左半边,而按键等控制区被排在右侧。
(3)习常性
设计新界面时,应尽量使用人们所熟悉的标志和符号。
因为用户可能并不了解新界面的具体含义及操作方法,但他完全可以根据熟悉标志做出正确猜测,自学入门。
MATLAB提供了一种可视化的设计工具GUIDE,可以直接利用GUIDE进行菜单设计、控件的编排和设定、回调函数的编辑等。
GUI的设计很简单,直接用鼠标或键盘增减图形对象,并可将几个图形对象加到一个图形上,增强了可视性。
图形用户界面或GUI指的是用户与计算机或计算机程序的接触点或交互方式,是用户与计算机进行信息交流的平台。
其包含的图形对象有:
窗口、图标、按钮、菜单和文本和用户界面,最常见的选择或激活这些对象的方式有用鼠标或其他设备去控制屏幕上的鼠标光标的运动等。
我们利用用户界面设计来使得我们可以非常方便的实现图像的调入及其参数的输入。
让我们直观的观察不同参数下的输入输出有什么变化。
让我们加深对导向钻井知识的理解和应用[15]。
首先进入MATLAB,file—guide,然后我们选择“BLANKGUI”,在一个空白的界面来制作,“确定”之后就可以得到如图2-1所示的界面。
图2-1MATLABGUI进入界面
左边有很多可以选择的控件菜单项,通过选择相应的控件实现相应的功能。
所有的控件组合都在这个编辑器中进行,左边的控件具体如下:
界面菜单包括图形窗的标准菜单,自定义的用户菜单,现场菜单。
PC平
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