關于Baker Hughes改進油氣鉆探設備的精度的分析和應用

隨著可開采油氣儲藏變得越來越稀少，石油公司通常只好鉆探三維井，延伸數(shù)千米才能到達新儲層。在鉆探過程中需要精確的導向控制，以便最大程度地接觸儲層并避免碰到現(xiàn)有油井。

Baker Hughes 正在開發(fā)先進的定向鉆探服務，綜合多種算法，幫助油氣運營商在其儲層中精確地放置井孔。這些算法在井下環(huán)境受強烈振動的嵌入式處理器上運行，在鉆孔時準確測量井孔的傾角和方位角。Baker Hughes 工程師使用基于模型的設計，開發(fā)和改進算法，并減少對現(xiàn)場測試的依賴。

使用 Kymera 混合鉆頭的 AutoTrak 曲線旋轉式可導向系統(tǒng)

“在我們的行業(yè)中，現(xiàn)場測試既困難又昂貴?！盉aker Hughes 的信號處理和控制職能經(jīng)理 Oliver Hoehn 博士說，“借助基于模型的設計，我們能夠創(chuàng)建一種模擬井孔的環(huán)境并運行硬件在環(huán)測試，以此驗證開發(fā)中的新構想，在將我們的固件部署到現(xiàn)場之前加以檢驗?！?/p>

挑戰(zhàn)

使用來自磁力計和加速度計的信號對鉆探系統(tǒng)的傾角和方位角進行計算。井下振動和沖擊使這些信號失真，導致隨井深而增加的井孔位置的不確定性。Baker Hughes 之前曾采用 C 語言手工編寫的測量算法來處理傳感器信號。但是，該公司認為，對于某些復雜的鉆探情形，系統(tǒng)性能還可以顯著的改進。

由于工程團隊缺乏鉆探系統(tǒng)的模型，他們沒有辦法再現(xiàn)現(xiàn)場遇到的情形，也沒有辦法在整套系統(tǒng)內測試算法。因此，很難比較算法執(zhí)行結果。而且，該公司發(fā)現(xiàn)，用 C 語言手工編寫的算法容易出錯，經(jīng)常產(chǎn)生不匹配原始規(guī)范的執(zhí)行結果。

解決方案

Baker Hughes 采用MATLAB和Simulink的基于模型的設計，建立了新的開發(fā)流程。他們從在桌面仿真中測試現(xiàn)有算法開始，然后使用建模和自動代碼生成來改進算法。

Baker Hughes 工程師在Simulink中創(chuàng)建了一個環(huán)境模型，用來捕捉井孔沖擊和振動的影響，還創(chuàng)建了一些傳感器模型，包括濾波器、模數(shù)轉換器和其他電氣和機械組件。然后，該團隊使用 S 函數(shù)創(chuàng)建現(xiàn)有 C 算法的Simulink模塊。他們將這些模塊與環(huán)境模型和傳感器模型組合起來，運行系統(tǒng)級的仿真。

該團隊與 Baker Hughes 的其他專家一起創(chuàng)建了測試用例，以便再現(xiàn)鉆探情形，在Simulink中運行仿真，在這些情形下測試現(xiàn)有算法。該團隊利用仿真的結果，調試和改進現(xiàn)有 C 算法，指導對硬件設計的改進，包括模擬濾波器。

“我們利用自己的設計技能和知識為客戶增加價值，而不是通過編寫代碼。Simulink 和 Embedded Coder 使我們能夠將資源和重點從代碼實現(xiàn)轉移到系統(tǒng)設計和系統(tǒng)級的測試，從而加快了開發(fā)進度?！?/p>

——Ingolf Wassermann,Baker Hughes

為了執(zhí)行硬件在環(huán) (HIL) 測試，該團隊使用Embedded Coder從環(huán)境模型和傳感器模型中生成代碼，并部署到實時處理器。此設置讓該團隊能夠首次在實驗室內運行整個系統(tǒng)的測試，包括算法、傳感器和環(huán)境。

對仿真和 HIL 結果進行分析，為算法改進提供了機會，該團隊在Simulink中重新設計和改進原始 C 算法，實現(xiàn)了算法改進。在這個階段，該團隊為新設計中的每個功能開發(fā)了 Simulink 單元測試。這些測試貫穿整個開發(fā)過程不間斷運行。

他們使用Simulink Check和Simulink Coverage檢查是否符合 MathWorks Automotive Advisory Board (MAAB) 建模標準，并測量他們的測試用例的模型覆蓋率。

使用Embedded Coder，他們?yōu)槠渖a(chǎn)浮點處理器從Simulink算法模型生成了系統(tǒng)代碼的算法部分。這大約占整套系統(tǒng)的一半代碼。

該小組將他們的系統(tǒng)模型分享給 Baker Hughes 內的其他工程團隊，使這些團隊能夠在他們自己的項目上運行系統(tǒng)級的測試。

結果

最大限度地減少了昂貴的現(xiàn)場測試。“一次現(xiàn)場測試的花費可能超過 10 萬美元，但即使付出這么大的代價，也不能再現(xiàn)我們客戶遇到的復雜情形?！盚oehn 說，“利用基于模型的設計，通過仿真和 HIL 測試，我們能夠仿真現(xiàn)實條件，進行較少的現(xiàn)場測試?！?/p>

未來開發(fā)工作量減半?！拔覀冇?Simulink 和 Embedded Coder 為 HIL 測試而開發(fā)的模型庫和框架已經(jīng)被其他 Baker Hughes 團隊使用?！盚oehn 說，“對于未來的項目，我們希望這種重用將會減少開發(fā)算法系統(tǒng)所需資源的 50%?！?/p>

改進了固件質量。“我們利用基于模型的設計開發(fā)的固件質量有了很大的改進，從而提高可靠性和可重用性?！盚oehn 說。Baker Hughes 系統(tǒng)架構師 Ingolf Wassermann 補充說，“現(xiàn)在我們具有一致的 HIL 測試設置，可用來測量我們在質量改進方面的進展，而且已經(jīng)改進了我們的整個開發(fā)流程?！?/p>