井下仪器大容量数据存储及回放技术

[摘 要]石油钻井井下仪器在工作中会产生大量内存数据，并且起钻后需要在井场地面快速回放这些内存数据，用专业软件读取或处理数据，来获取井下仪器工作状态或指导下一步施工安排。基于CAN总线通讯模块、数据回放模块、数据处理模块的设计以及配套软件的开发，形成一套井下仪器大容量数据存储及回放技术。实验结果表明，该技术达到了设计要求并实际应用。

[关键词]测井数据 垂直钻井 数据处理 数据回放 大容量

中图分类号：P631.8+11 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）03-0027-01

引言

在垂直钻井工作过程中，会产生大量测井数据，如何科学有效的对大量测井数据进行管理和处理是一项非常重要的任务。因此，迫切要求设计能处理大容量数据的数据处理软件平台，要求其具有良好人机交互性能，同时具有一定可扩展性。

针对垂直钻井系统工作中下位机存储的大容量测井数据回放速度慢、回放后数据处理方式单一化等问题，分析下位机数据存储特点，设计并实现针对大容量测井数据的高速数据回放以及灵活快捷的处理测井数据的平台，达到科学有效的管理及处理海量测井数据的目的。

1.技术方案

（1）总体方案设计

大容量测井数据回放及数据处理平台主要包括基于下位机测控短节，ZLG_CAN卡，工作站及基于LabVIEW的回放处理软件等

依照自动垂直钻井系统设计，下位机测控短节在上井作业任务中，主要完成电机测量控制及相关测控数据的实时存储功能，多路测控数据按照相应具体规则存储于下位机FLASH中，下位机提供标准的CAN总线借口。上井作业完成后，大量测控数据需要快速稳定的上传回放，以供分析和处理。

CAN卡完成CAN总线到USB总线的转换功能，搭建下位机与上位机工作站的数据传输桥梁。本设计中选择周立功CAN卡，其性能稳定，满足设计要求。

高性能的工作站内存大，硬盘读写速率高，是有效提高数据回放处理性能的重要工具之一。上位机系统以高性能工作站为基础，搭载WINDOWS7操作系统及LabVIEW软件开发平台，编写大容量数据回放处理软件。软件主要包括三个功能：CAN通信、数据回放、数据处理功能。

（2）CAN通信模块设计

借用周立功CAN卡提供的硬件驱动及支持二次开发的API函数，在labview中通过CLF节点调用响应API函数实现CAN通信控制。

VCI函数库是专门为ZLGCAN设备在PC上使用而提供的应用程序接口。库中的函数从ControlCAN.dll中导出，在LabVIEW中可以方便的使用。

VCI函数库定义了特定数据结构用于数据交换，在使用VCI函数前应该创建相应数据结构。具体到LabVIEW中是使用簇结构，一个簇是由不同的数据类型的成员组成的集合体，其成员可以是任意数据类型，成员的逻辑顺序是由其被加入簇中的先后顺序决定的。

（3）数据回放模块设计

捷联式自动垂直钻井系统在井下工作时，一次完整的钻井作业持续200小时，按照下位机测控数据的存储设计，一次作业后产生的测控数据量大约为几GB，另考虑纯比特数据的文件存储需加入若干附加信息，存成文件后的数据量将更大。

按照Flash容量和存储结构，可估算得井下工作时大约每两分钟存满Flash的一整块。每次钻井作业后都会存储大量的测控数据，这就需要开发一个能够快速准确，并且高效率地上传这些测控数据的软件系统。

考虑系统兼容性，通信协议仍采用CAN通信协议，CAN通信可以满足的最高传输速率是1Mbps，为与目前所用下位机系统兼容，波特率设为500Kbps，同时为方便系统升级，需提供波特率设置接口。文件格式的要求是随机读写的文件格式，且方便检索。上传的测控数据为原始数据，还需进行简单的格式转换和数学变换。

（4）软件的兼容性

针对捷联式自动垂直钻井系统，在钻井作业过程中会产生大量有用的原始数据，包括井斜，方位等信息，良好的数据组织能有效的节省成本，提高效率。

影响数据上传模块运行效率的因素：一是CAN总线通信速率，二是文件读取速率，传统的基于VC编程的模块方案，瓶颈一般在文件读取这块，若采用已有的文件格式，如.xls文件等，因为.xls文件为文本文件，读取速度较慢，且有文件大小限制。而基于LabVIEW的系统方案，文件格式选择TDMS格式，因为TDMS格式为二进制文件格式，在文件读取上能较大的优势。

对于CAN接收部分和CAN测控数据TDMS存储，并不考虑为用户事件，因为这些并不是偶发性的，所以这部分采用单独的While循环进行响应，在While循环中首先进行模式判断，选择是正常接收还是数据上传模式，模式的发送与用户的操作有关，若用户选择数据上传按钮，则自动转为数据上传模式，否则默认为正常接收模式。

2.试验情况

测试装置包括垂钻测控短节，周立功CAN卡，工作站等，测控数据存储于测控短节的片上FLASH内，短节提供标准的CAN通信接口；周立功CAN卡提供CAN总线到USB总线的转换，以连接至工作站。

工作站拥有高性能CPU以及大容量处理内存，有利于提高系统性能。为方便验证系统功能，测试方案设计为：

第一步，改写下位机控制程序，控制其定向板的FLASH内存储的每通道数据均按初值为0的计数器逻辑存储，系统运行30分钟，运行期间FLASH内将存储大量计数器数据。

第二步，按照之前结构连接装置，并分别运行软件进行数据回放及上传存储，统计时间和存储大小并进行分析对比，验证新方案性能是否提高。

第三步，在DIAdem软件中显示测控数据，并验证其逻辑是否为预期计数器值。

实验中在DIAdem软件中对回放的数据进行了显示，其结果与预设的测试数据吻合，数据完整，验证了系统的正确性和可行性。

处理功能部分只要针对已存储为TDMS的文件，按照前述的统计规则，对其进行统计处理，最后以报表的形式输出。其实现的逻辑简单，因处理中多包涵文件读取与关闭操作，实验中重点观察其处理时间，经测试，该模块功能完整，对于数据量600万的数据分析统计时间约为15分钟，报表生成功能准确无误。

该软件系统已经应用于实际的钻井作业工作中，2012年1月完成了安顺一井的测控数据回放处理工作，回放准确快速，回放时间约为5小时，文件大小为9.10GB，应用DIAdem软件进行数据显示，效果明显。该系统降低了系统成本。

基于以上的数据结果，对安顺一井的测控数据进行了分析处理。

3.结论

（1）设计并实现了大容量测井数据回放及数据处理平台。经过方案设计、论证、系统开发，建立了垂钻大容量数据回放及处理试验台，系统整体测试验证了该试验设备的完整性。

（2）完成了大容量测井数据的高速数据回放模块设计与实现。首先建立了井下测控数据的存储及接口方案，对测控数据流向，FLASH芯片和映射关系，CAN命令帧格式进行了分析，其次以LabVIEW为工具，进行测控数据的回放模块设计与实现，包括VCI函数应用完成了大容量测井数据的数据处理模块设计与实现。首先设计了数据处理模块，设计了处理流程及统计区间，最后进行了软件实现。该平台可对井下测控数据进行快速准确的回放处理，为提高系统整体精度提供数据支持，为垂直钻井系统的优化研究奠定基础。

参考文献

[1] 姚铭.高密度高速存储系统设计与实现.西安电子科技大学硕士论文 2013.

[2] 张辉.大容量机载存储系统设计与仿真评价[J].电光与控制2014（2）.