基于FPGA的井下随钻数据压缩方法和系统与流程

基于fpga的井下随钻数据压缩方法和系统
技术领域
1.本发明属于油气钻井或钻探工程的随钻测量技术领域，具体来讲，涉及一种基于fpga的井下随钻数据压缩方法和系统，能够用于对井下随钻数据实现1.5～4倍无损压缩，对于井下随钻数据传输效率的提高和技术进步具有重要意义。


背景技术：

2.与传统电缆测井技术相比，随钻测量技术由于在钻头钻进的同时测量、采集地质、工程数据并传送到地面工作站，使得地面施工人员能够实时了解井下地层状况和钻井情况，及时调整和优化钻井操作，从而提高钻井效率和成功率。随钻测量技术是一种能在钻头钻进过程中实时获取和传输井下测量数据的技术，其在整个石油开采过程有着十分重要的意义。目前随钻测量技术应用越来越广泛，所发挥的作用也越来越重要。
3.数据传输技术是随钻测量的核心技术之一，对于随钻测量技术发展具有一定的约束性。随钻测量数据传输有有线传输和无线传输两种方式。有线传输包括电缆、钻杆、光纤传输三种方式，无线传输方式根据其传输通道主要分为泥浆脉冲、电磁波以及声波三种传输方式。有线传输方式的传输速率非常高，同时有线传输能够实现信息的双向传输，特别是电缆传输以及特种钻杆传输能够实现地面到井下传感器的直接供电，但是有线传输的工艺十分复杂，同时在钻井过程中，经常会发生设备故障影响正常的钻井作业。由于技术和成本原因，目前使用最多的是电磁波和泥浆脉冲两种无线传输方式，其中电磁波方式由于信号衰减大仅在较浅的井使用，泥浆脉冲传输方式使用最为普遍，应用的时间最长，历经时间的推移，该技术的发展较为成熟。然而，泥浆脉冲传输技术仍然存在一定的不足之处，它的数据传输速率非常低，只能实现小数据的传输。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种基于fpga的对随钻测量数据进行有效压缩的技术方案。
5.例如，本发明的目的之一在于针对随钻测量泥浆脉冲传输技术数据传输速率低、传输数据量小的问题，提出了一种基于fpga的对随钻测量数据进行有效压缩实现方案，从而能够对井下记录的数据压缩后传输至地面，再解压恢复为原始数据，有利于提高测量数据的传输效率，满足了大量测量记录数据的传输要求，缓解了不断增长的测量数据对传输系统的压力。
6.为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种基于fpga的井下随钻数据压缩系统，包括输入接口模块、数据预处理模块、具有控制逻辑的帧间预测模块、huffman编码模块、以及输出接口模块，其中，所述输入接口模块接收来自随钻测量仪器的采集器得到的控制信号和以帧形式发送的数据信号，并将所述数据信号去除帧头和帧尾后剩余的帧格式相同的第一数据传送至数据预处理模块，将控制信号传送至所述控制逻辑；所述数据预处理模块每接收完第一数据中的一帧数据后，采用异步时钟fifo并用计数器分别判断物理量和
位数进行拆分处理，以得到第二数据，所述第二数据的每帧包含多个不同的物理量，且每个物理量具有7～12位数据位数；所述帧间预测模块还具有当前帧存储器、参考帧存储器、以及运算器，当前帧存储器和参考帧存储器分别与所述控制逻辑连接，所述帧间预测模块能够将第二数据中的n个帧作为一帧组进行帧间预测，其中，每帧组传送至所述huffman编码模块的第三数据为该帧组的第一帧数据和该帧组中相邻帧之间相减得到的n-1个差值，每个差值包括多个预测残差；所述huffman编码模块包括与所述运算器连接的huffman码表、以及与所述控制逻辑连接的计数器、数据移位寄存器和fifo缓存，并能够将第三数据寻址查询huffman码表得到的不定长码值通过计数器、数据移位寄存器和fifo缓存转化为定长值的第四数据，huffman码表所存的多行码字分别对应于所述预测残差的取值范围中的所有数值；所述输出接口模块分别与所述计数器和数据移位寄存器和所述控制逻辑连接，并能够将第四数据处理为满足随钻测量仪器的采集器与编码器之间的数据总线的技术要求的第五数据后，传送至随钻测量仪器的编码器，并向随钻测量仪器的控制总线提供所需的控制和状态信号。
7.在本发明的基于fpga的井下随钻数据压缩系统的一个示例性实施例中，所述差值可通过将第i帧数据存入参考帧存储器，第i 1帧数据存入当前帧存储器，并用当前帧存储器中的当前帧数据和参考帧存储器中的参考帧数据发送至运算器进行相减运算得到，其中，i的取值遍历1至n-1。
8.在本发明的基于fpga的井下随钻数据压缩系统的一个示例性实施例中，所述第二数据的每帧包含6个伽马1、近钻头井斜、近钻头方位、近钻头重高、压力1、压力2、以及压力3。
9.在本发明的基于fpga的井下随钻数据压缩系统的一个示例性实施例中，所述n可以为4至8。
10.在本发明的基于fpga的井下随钻数据压缩系统的一个示例性实施例中，所述huffman码表可通过固定概率模型生成。例如，所述huffman码表的每一行数据位数为22位，[21:17]为有效数据位，[16:0]为编码值，根据有效数据位的值由低到高读取编码值。
[0011]
本发明的另一方面提供了一种改善数据传输效率的随钻测量系统，包括具有采集器、编码器、数据总线、以及控制总线的随钻测量仪器，所述随钻测量系统还包括如上所述的井下随钻数据压缩系统。例如，所述随钻测量系统可采用泥浆脉冲的无线数据传输方式。
[0012]
本发明的另一方面提供了一种基于fpga的随钻数据压缩方法，所述随钻数据压缩方法可采用如上所述的井下随钻数据压缩系统来实现。
[0013]
本发明的另一方面提供了一种改善数据传输效率的随钻测量方法，所述随钻测量方法采用如上所述的随钻测量系统来实现。
[0014]
本发明的另一方面提供了一种如上所述的随钻数据压缩系统或随钻测量系统在油气钻井或钻探中的应用。
[0015]
与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
[0016]
其一，基于fpga设计的数据压缩模块具有体积小、低功耗、易实现的特点，适合井下环境；其二，泥浆脉冲传输的过程中会出现一定的误码，采用按帧分组，在帧组内部进行相邻帧之间的预测，减少了压缩数据之间的依赖性，提高了抗误码能力；其三，huffman编码使用固定概率模型时，可以利用寻址查表的方法实现无损的压缩编码，实现简单，易于降低
功耗和尺寸。
附图说明
[0017]
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和/或特点将会变得更加清楚，其中：
[0018]
图1示出了本发明的基于fpga的井下随钻数据压缩系统的随钻测量系统的一个示例性实施例的示意图。
[0019]
图2示出了本发明的基于fpga的井下随钻数据压缩系统的一个示例性实施例的总体结构示意图。
[0020]
图3示出了作为第一数据的原始测量数据的示例。
[0021]
图4示出了经数据预处理和帧间预测模块处理后输出结果。
[0022]
图5示出了一帧组经huffman编码模块处理后的结果。
[0023]
图6示出了本发明的基于fpga的井下随钻数据压缩系统对随钻测量数据文件的压缩结果。
[0024]
图7示出了本发明的基于fpga的井下随钻数据压缩系统和某压缩软件对同一文件压缩后的内容对比。
[0025]
图8示出了本发明中的huffman编码模块生成固定概率码表的流程示意图。
具体实施方式
[0026]
在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的基于fpga的井下随钻数据压缩系统及其随钻测量系统和随钻测量方法。
[0027]
需要说明的是，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0028]
针对随钻测量泥浆脉冲传输技术数据传输速率低、传输数据量小的问题，本发明提出了一种基于fpga的对随钻测量数据进行有效压缩硬件实现方案，用于对随钻测量数据实现1.5～4倍无损压缩，对于随钻测量的数据传输效率提高和技术进步具有重要意义，对测量数据进行压缩是非常必要的。对井下记录的数据压缩后传输至地面，再解压恢复为原始数据的方法，一定程度上提高了测量数据的传输效率，满足了大量测量记录数据的传输要求，缓解了旋转地质导向、多参数随钻测量等不断增长的测量数据对传输系统的压力。
[0029]
本发明提出的基于fpga(field programmable gate array，现场可编程逻辑门阵列)的随钻压缩系统实现需采用无损数据压缩算法。无损压缩算法主要有huffman编码、算术编码、字典编码、预测编码4种。字典编码方法对重复性较强的数据有很好的压缩效果，但在编码和传输的过程中，需要在编码端根据被编码的数据、和在解码端根据解码的数据来同步地、动态地建立字典。只有在确保编码端和解码端的字典完全相同的情况下，才能实现无损解码。一旦中间出现误码，必然导致解码端的字典与编码端的字典不同，从而导致解码数据与原始数据出现巨大差异。huffman编码和算术编码都属于统计编码方法，都要利用数据的概率模型来对数据进行压缩编码。但算术编码要求运算器的计算能力强，并且运算次数很多，就不利于降低硬件的功耗和尺寸。另外，由于算术编码是给整个原始数据体分配一个定点小数，一旦这个小数中的某一位出现误码，必然使其之后的解码出现错误，因此算术
编码的抗误码能力也较差，不适合测量数据压缩。与此不同，huffman编码当使用固定概率模型时，可以利用查表的方法实现无损的压缩编码，实现简单，易于降低功耗和尺寸。
[0030]
发明人在综合考虑井下随钻数据具有较强的帧间相关性、数据压缩硬件模块需满足低功耗和小尺寸的要求、信道误码会对压缩的重建数据产生不利影响等重要因素的情况下，结合数据分析和压缩实验结果，优选了基于分组帧间预测的huffman编码算法作为本发明的井下随钻数据压缩算法。
[0031]
图1示出了本发明的基于fpga的井下随钻数据压缩系统的随钻测量系统的一个示例性实施例的示意图。
[0032]
如图1所示，基于fpga的井下随钻数据压缩系统的随钻测量系统(也可称为能够改善数据传输效率的随钻测量系统)可包括具有采集器、编码器、数据总线和控制总线的随钻测量仪器、以及设置在采集器与编码器之间的基于fpga的井下随钻数据压缩系统。
[0033]
图2示出了本发明的基于fpga的井下随钻数据压缩系统的一个示例性实施例的总体结构示意图。
[0034]
如图2所示，在本发明的一个示例性实施例中，基于fpga的井下随钻数据压缩系统包括输入接口模块、数据预处理模块、具有控制逻辑的帧间预测模块、huffman编码模块、以及输出接口模块。
[0035]
具体来讲，输入接口模块接收来自随钻测量仪器的采集器得到的控制信号和以帧形式发送的数据信号，并将所述数据信号去除帧头和帧尾后剩余的帧格式相同的第一数据传送至数据预处理模块，将控制信号传送至所述控制逻辑。控制信号和数据信号可分别从与采集器连接的控制总线和数据总线获得。
[0036]
数据预处理模块每接收完第一数据中的一帧数据后，采用异步时钟fifo将8比特(bit)数据转为1比特输出，并用计数器分别判断物理量和位数进行拆分处理，以得到第二数据，所述第二数据的每帧可包含多个不同的物理量，每个物理量具有7～12位数据位数，且每个物理量均以最低位作为校验位。例如，第二数据的每帧可由6个伽马1、近钻头井斜、近钻头方位、近钻头重高、压力1、压力2、以及压力3组成。这里，近钻头井斜(rin)为测量专业术语，即测量距离钻头最近位置的井斜。井斜又称为井斜角，即过井眼轴线上某点作井眼轴线的切线，该切线向井眼前进方向延伸的部分称为井眼方向线，井眼方向线与重力线之间的夹角就是井斜角。井眼方向线与重力线都是有方向的。井斜角表示了井眼轨迹在某点处倾斜的大小。近钻头方位(raz)的含义为以某点正北方位线为始边，顺时针旋转至该点，井斜方位线上所转过的角度。6个伽马1不与其后的物理量构成一组数据。伽马值在一帧数据内连续多次测量，在此数据帧结构中6个伽马1为同一个物理但6次测量数值不同。所述得到第二数据的步骤还包括：通过移位去除每个物理量的校验位后，将数据位数等于8位的占一个字节，小于8位的数据移位后高位补0占一个字节，大于8位的高位补0后占两个字节。
[0037]
帧间预测模块除了具有控制逻辑的子模块外，还具有当前帧存储器、参考帧存储器、以及运算器。当前帧存储器和参考帧存储器分别与所述控制逻辑连接。所述帧间预测模块能够将第二数据中的n个帧作为一帧组进行帧间预测，其中，每帧组传送至所述huffman编码模块的第三数据为该帧组的第一帧数据和该帧组中相邻帧之间相减得到的n-1个差值，每个差值包括多个预测残差。例如，所述差值通过将第i帧数据存入参考帧存储器，第i 1帧数据存入当前帧存储器，并用当前帧存储器中的当前帧数据和参考帧存储器中的参考
帧数据发送至运算器进行相减运算得到，其中，i的取值遍历1至n-1。例如，n可以为4～8。
[0038]
huffman编码模块包括与所述运算器连接的huffman码表、以及与所述控制逻辑连接的计数器、数据移位寄存器和fifo缓存，并能够将第三数据寻址查询huffman码表得到的不定长码值通过计数器、数据移位寄存器和fifo缓存转化为定长值的第四数据，huffman码表所存的多行码字分别对应于所述预测残差的取值范围中的所有数值。huffman码表可通过固定概率模型生成。例如，huffman码表的每一行数据位数可以为22位，[21:17]为有效数据位，[16:0]为编码值，根据有效数据位的值由低到高读取编码值。此外，计数器、数据移位寄存器和fifo缓存可集成设置。
[0039]
输出接口模块分别与所述计数器、数据移位寄存器和fifo缓存、以及所述控制逻辑连接，并能够将第四数据处理为满足随钻测量仪器的采集器与编码器之间的数据总线的技术要求的第五数据后，传送至随钻测量仪器的编码器，并向随钻测量仪器的控制总线提供所需的控制和状态信号。
[0040]
在本发明的另一个示例性实施例中，基于fpga的井下随钻数据压缩系统基于fpga的分帧组间预测的huffman编码的井下随钻数据压缩系统方案设计，其可由输入接口模块、数据预处理模块、帧间预测模块、huffman编码模块和输出接口模块五部分构成。基于fpga的井下随钻数据压缩系统的井下随钻数据压缩方法可通过如下步骤实现。
[0041]
步骤一、输入接口模块接收来自随钻测量仪器采集器上传的控制信号和数据信号，将以帧形式发送的测量数据信号，去除帧头和帧尾后将剩余14字节的数据信号传送至数据预处理模块，将控制信号传送至控制逻辑进行处理和利用。
[0042]
步骤二、数据预处理模块接收到的数据信号帧格式相同。例如，数据信号可如表1或表2所示，表1中包含7个不同的物理量，共12个物理量，每个物理量数据位数为7到12位。因此接收完一帧数据后采用一个异步时钟fifo将8bit数据转为1bit输出，并用两个计数器分别判断物理量和位数进行拆分处理。因每个物理量有效位数中的最低位为校验位，通过移位去除校验位后，将参数的数据位数等于8位的占一个字节，小于8位的数据移位后高位补0占一个字节，大于8位的高位补0后占两个字节。一帧14字节数据结构及预处理拆分后所占位数如表1所示。数据序列拆分完成后将数据传送至帧间预测模块。表1中的原始数据可相当于第一数据，预处理后的数据可相当于第二数据。表2中共13个物理量构成，串口接收一帧数据为115bit，经预处理模块进行去校验位高位补0操作后为18字节。简单来讲，帧间预测是相邻帧通过对应物理量的字节相减进行残差预测，例如：一帧数据中g1物理量进行预处理后为1个字节，帧间预测时当前帧的第一个g1(一个字节)与参考帧对应位置的g1进行相减。物理量rin预处理后为2个字节，因此进行帧间预测时，当前帧的rin的第一个字节与参考帧对应位置rin的第一个字节相减，当前帧的rin预处理后的第2个字节与参考帧对应位置的字节相减，以此类推。因此称帧间预测以一个字节为基础。
[0043]
表1数据帧结构示例1
[0044][0045]
表1中，g1为gma1的简写，表示自然伽马测量值1，rin表示近钻头井斜，raz表示近钻头方位，rtf表示近钻头重高，prs1、2、3表示压力1、2、3。
[0046]
表2数据帧结构示例2
[0047][0048]
表2中，gt重力加速度，bt表示磁场强度，bpb表示探管，rin表示近钻头井斜，rtf表示近钻头重高，raz表示近钻头方位，prs1、2、3表示压力1、2、3，g1、g2为gma1、gma2的简写，分别表示自然伽马测量值1、自然伽马测量值2。
[0049]
步骤三、由参考帧存储器，当前帧存储器和运算器构成帧间预测模块。接收预处理模块处理后的数据，每6帧组成一帧组进行帧间预测。每帧组的第1帧数据传送至编码模块后存入参考帧存储器，第2帧数据存入当前帧存储器，当前帧数据和参考帧数据发送至运算器进行相减运算，每帧产生例如表1的14个预测残差或表2的18个预测残差值输入至编码模块。第2帧存入参考帧存储器，第3帧存入当前帧存储器，以此类推，每个帧组传至编码模块数据为第一帧原始数据和5组帧间相减的差值。
[0050]
步骤四、huffman编码模块存储的固定概率模型生成的码表，是根据典型的随钻测量数据的统计特性而设计的，也可根据钻井所在地区的数据特性进行更新，其中所存的512行码字分别对应于预测残差取值范围中的所有数值。编码模块应用的huffman码表每一行数据位数为22位，[21:17]为有效数据位，[16:0]为编码值，根据有效数据位的值由低到高读取编码值。将寻址得到的不定长码值通过计数器、数据移位寄存器和fifo缓存转为8bit定长值传至下一模块。帧间预测时，相邻帧对应位置的一个字节(8bit)进行相减，十进制差值为-255至255，为511行，为防止溢出，增设权重为1的一行码值，因此码表为512行。只要帧间预测以一个字节为基础，生成的huffman码表均为512行。也就是说，huffman码表的行数可根据帧间预测的字节数确定。
[0051]
若随钻测量工程工况或测量参数发生改变时，数据帧结构同时也发生变化，可根据本发明中的数据预处理和帧间预测(可称为分组帧间预测)的原理，对本次测量工程采集的所有数据文件进行huffman编码，生成固定概率huffman码表，用于后续同一工况下的随钻测量数据压缩。
[0052]
固定概率模型也称为公共概率模型，其是指对所有的测量数据文件的预测残差进行huffman编码时都使用相同的、公共的概率模型，即使用由多个测量数据文件中所有的预测残差值统计生成的公共概率模型来建立huffman树、生成huffman码字和码表。
[0053]
例如，huffman编码模块中，生成固定概率码表的流程可如图8所示，其可包括以下步骤：
[0054]
(i)打开n个随钻测量数据文件，读取其中一个文件数据；
[0055]
(ii)对读取文件中的所有数据，每一帧数据按物理量进行帧间预测；
[0056]
(iii)统计该文件中所有残差数值的频度；
[0057]
(iv)读取下一个文件反复执行上述步骤(ii)和(iii)的操作，直到统计完所有的随钻测量数据文件的残差数值频度；
[0058]
(v)根据所有残差数值及频度按照传统huffman算法生成固定概率的二叉树及码表。
[0059]
步骤五、通过输出接口模块将huffman编码后压缩数据进行处理，使压缩数据满足测量仪器采集器与编码器之间的数据总线的技术要求，将压缩数据传送至测量仪器的编码器，并向控制总线提供所需的控制和状态信号。
[0060]
在本发明的又一示例性实施例中，基于fpga的井下随钻数据压缩系统及其井下随钻数据压缩方法的主要设计流程包括：接收测量仪器采集器上传的数据信号进行拆分预处理；分帧组间预测残差数据进行寻址查询huffman固定概率码表进行压缩编码，编码后将不定长数据转为定长数据输出至测量仪器编码器。其总体结构框图可如图2所示，由输入接口、数据预处理、当前帧存储器、参考帧存储器、运算器、huffman码表、计数器和数据移位寄存器和fifo缓存、控制逻辑、输出接口等构成。其中，当前帧存储器、参考帧存储器、运算器和控制逻辑一起构成帧间预测模块，实现帧间预测残差的功能。huffman码表、计数器和数据移位寄存器和fifo缓存构成huffman编码模块，在控制逻辑的控制下实现对运算器输出的预测残差进行huffman编码的功能。
[0061]
如图1所示，本发明在随钻测量仪器的采集器和编码器之间增设数据压缩系统。随钻测量数据压缩系统总体结构框图如图2所示，由输入接口、数据预处理、当前帧存储器、参考帧存储器、运算器、huffman码表、计数器和数据移位寄存器、控制逻辑等几部分构成。其中，当前帧存储器、参考帧存储器、运算器和控制逻辑一起构成帧间预测模块，实现帧间预测残差的功能。huffman码表、计数器、数据移位寄存器和fifo缓存构成huffman编码模块，在控制逻辑的控制下实现对运算器输出的预测残差进行huffman编码的功能。
[0062]
图3示出了作为第一数据的原始测量数据的示例。图4示出了经数据预处理和帧间预测模块处理后输出结果。图5示出了一帧组经huffman编码模块处理后的结果。以发送一帧组(例如，6帧)测量数据为例，发送的原始测量数据如图3所示。接收模块接收到每帧数据去除两个字节的帧头(5a5a)和帧尾(a5a5)后送至数据预处理模块进行拆分，拆分完成后传送至帧间预测模块进行帧间残差预测。输出结果如图4所示，每帧组的第一帧数据为原始测量数据进行预处理拆分后的值，2至6帧为进行相邻帧帧间相减的结果。帧间相减输出的84个字节传送至huffman编码模块，通过寻址，根据有效数据位的值读取码表中的码值输出，通过计数器和移位寄存器将不定长的编码值转为定长，通过输出接口模块输出至上位机，如图5所示为一帧组数据进行huffman编码后的输出结果。原始输入的测量数据一帧组为
108字节，通过数据压缩后输出为59字节，有良好的压缩效果。
[0063]
图6为对实际工程中采集并保存的随钻测量数据文件通过串口将测量数据以帧形式发送至fpga进行数据压缩后上传的部分结果示意图。此随钻测量数据文件包含17298字节，压缩后为9556字节，本发明对该测量数据文件压缩倍数为1.81，压缩效果良好。经多次测试，本发明能够对随钻测量数据实现1.5～4倍无损压缩。
[0064]
图7示出了本发明的基于fpga的井下随钻数据压缩系统和某压缩软件对同一文件压缩后的内容对比。由图7可看出，基于fpga的井下随钻数据压缩系统压缩后数据与压缩软件压缩内容基本一致。但由于压缩软件压缩时按照15个字节发送压缩数据的，如果最后发送的一帧数据不足15个字节，直接舍弃，不通过串口发送。但是本发明是将每帧组的压缩数据直接上传，最后一个压缩数据不足8位的高位补0后上传。因此，在图7中，采用二进制方式进行对比时，末尾3字节出现不匹配的现象。在解压缩过程中，解压软件会按数据顺序解压所有的压缩数据，如果压缩数据的最后一个字节高位补0，补0的部分会自动丢弃，因此最后一个字节不满8位高位补0不会对解压缩造成影响。通过对比压缩软件和本发明对同一测量文件进行数据压缩后的内容，验证了基于fpga的井下随钻数据压缩系统的准确性。
[0065]
综上所示，本发明能够将数据按帧分组称为帧组，在帧组内计算相邻两帧之间的预测残差，并对预测残差值进行固定概率模型的huffman编码。本发明具有以下三个优点：其一，基于fpga设计的数据压缩模块具有体积小、低功耗、易实现的特点，适合井下环境；其二，泥浆脉冲传输的过程中会出现一定的误码，采用按帧分组，在帧组内部进行相邻帧之间的预测，减少了压缩数据之间的依赖性，提高了抗误码能力；其三，huffman编码使用固定概率模型时，可以利用寻址查表的方法实现无损的压缩编码，实现简单，易于降低功耗和尺寸。
[0066]
尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。