基于SOPC的固井水泥浆密度智能监测系统

摘要：该文在深入研究和分析了固井施工作业状况的基础上，针对以往施工过程中水泥浆密度监测的不足，设计了一种基于SOPC (可编程片上系统)的固井水泥浆密度智能监测系统。水泥浆密度利用放射性密度计不断地采集。该系统采用Cyclone II系列低成本FPGA，并嵌入Nios II软核作为核心处理器，可以完成密度测量、信息显示、数据存储等功能。由于采用了FPGA，从而简化了电路的设计，提高了系统的可靠性和稳定性，并且使系统具有较强的可扩展性，有利于系统的升级。

关键词：SOPC；水泥浆密度；智能监测系统

中图分类号：TP18文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)07-1612-02

SOPC-based Cementing Slurry Density Intelligent Monitoring System

ZHANG Wei-ting, MEI Da-cheng, HOU Xiao-feng

(Computer Science Department, Southwest Petroleum university, Chengdu 610500, China)

Abstract: Based on deep study and analysis of current cementing construction situations, and for the shortage of the slurry density monitoring in the past, this article has designed a SOPC(System On Programmable Chip)-based Cementing Slurry Density Intelligent Monitoring System. Using radioactive density meter to collect cement slurry density constantly. This system adopts the low cost FPGA of Cyclone II series, and embedded Nios II soft core as the centre processor, and it has density measurement, information display, data storage and other functions. Because of using FPGA, the circuit design is simplified, the reliability and stability of the system is improved. In the same time, this system has strong expansibility, make system itself conducive to upgrade.

Key words: SOPC; slurry density; intelligent monitoring system

固井是通过套管将水泥浆注入井底，进入井壁与套管之间的环空内达到设计高度的操作；固井的目的是将套管固定在井内，把水和其他流体从井内替出。固井是钻井工程中最为关键的环节，不仅投资大，而且固井工程质量的好坏直接影响油气井的生产寿命和生产率。随着钻井完井技术的发展进步，对固井施工技术水平的要求也越来越高。在固井施工作业中，固井水泥车混浆过程中的密度监控是很重要的一个环节，水泥浆密度值的偏差直接影响水泥浆性能，从而影响最终的固井质量。

运用当前主流的计算机与网络技术实现水泥浆密度的智能监测，是一个非常好的发展方向。SOPC（System On Programmable Chip，可编程片上系统），是Altera公司提出来的一种新的软件应协同设计的系统设计技术。它将处理器、存储器、I/O口、LVDS、CDR等系统设计需要的功能模块集成到一个可编程器件上，构成一个可编程的片上系统。继承了硬核或软核CPU、DSP、存储器、I/O设备和可编程逻辑的SOPC芯片，在应用灵活性和价格上有相当大的优势。

1 水泥浆密度采集方法

密度计是根据放射性同位素在蜕变时放出γ射线，而γ射线在与物质相互作用时被吸收，从而使其本身能量降低。物质的密度越高，吸收的能量越多，当水泥浆密度越高时，γ射线穿过管线到达探头时，探头所接收的射线越弱。密度测量示意如图1所示。

2 系统硬件设计

根据对系统所需功能的分析，基于SOPC的固井水泥浆密度智能监测系统硬件设计框图如图2所示。

硬件开发使用Quartus Ⅱ和SOPC Builder。用SOPC Builder软件从Nios Ⅱ处理器内核和Nios Ⅱ开发套件提供的外设列表中选择合适的CPU、存储器以及各器件，并定制和配置它们的功能；分配外设地址及中断号；设定复位地址；最后生成系统。

3 系统软件设计

本系统的软件工作流程框图如图3所示。其中信号处理部分主要是对采集的密度信号进行处理，包括A/D转换，采用数字滤波算法对各种干扰噪声信号进行识别与去除，以提高密度监测系统在采集密度时的抗干扰能力与监测精度。

4 总结

本文提出了一种固井水泥浆密度的智能监测方法，降低了人工工作量，利用SOPC硬件实现，减少了采集到的密度数据的处理及显示时间，大大提高了固井过程中水泥浆密度的监测精度及显示速度，在研究水泥浆密度的智能监测方面有深远的意义。

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