便攜式生產(chǎn)測井地面系統(tǒng)設計方案

金仁高

(中國石油集團測井有限公司生產(chǎn)測井中心，陜西 西安 710000)

田鵬，何西攀

(中國石油集團測井有限公司長慶事業(yè)部，陜西 西安 710000)

段驍宸

(中石油長慶油田分公司第十二采油廠，甘肅 慶陽 745400)

赫長平，白玉勝

(中國石油集團測井有限公司生產(chǎn)測井中心，陜西 西安 710000)

測井技術在地球資源勘查、地層測試特別是油氣資源開發(fā)過程中發(fā)揮著重要作用。測井技術利用聲、電、核、磁等，結合現(xiàn)代新材料和新技術，在高溫、高壓環(huán)境下，對地層進行勘測，精確分析地層構造、成分，為油氣資源勘查提供支持[1]。目前，國內(nèi)常規(guī)生產(chǎn)測井系統(tǒng)主要采用大型車載式機柜系統(tǒng)，具有功能強、硬件齊全等特點，可以滿足各種測井作業(yè)的需要。然而，由于車載式機柜自身體積龐大，存在與井下儀器配接困難的問題，特別在海上作業(yè)或長距離作業(yè)時，存在攜帶、安裝不便的瓶頸，限制了生產(chǎn)測井系統(tǒng)的應用范圍。隨著現(xiàn)代信息技術的不斷發(fā)展，電子設備向高、精、尖方向發(fā)展，具備的功能越來越強大，儀器體積越來越小巧，可以滿足油氣資源勘查的需要。為此，筆者對一種基于筆記本、小型專業(yè)化測井面板組成的便攜式生產(chǎn)測井地面系統(tǒng)進行了設計。

1 整體設計

1.1 設計思想

目前，國內(nèi)外測井公司研發(fā)的生產(chǎn)測井儀器種類眾多，與其配套的地面系統(tǒng)采用大型車載式機柜系統(tǒng)，雖然具有強大功能且硬件配備齊全，但設計體積巨大、成本較高，不適合海洋油氣資源開采作業(yè)。另外，在我國測井行業(yè)中，傳統(tǒng)測井車所占比例較高，所提供的空間有限，不能容納機柜式生產(chǎn)測井系統(tǒng)，因而急需功能完善的便攜式生產(chǎn)測井系統(tǒng)。筆者通過對國內(nèi)外生產(chǎn)測井系統(tǒng)發(fā)展狀態(tài)的分析，對油氣資源開采、數(shù)控測控行業(yè)進行深入研究，提出了基于CAN(control area network)總線的分布多MCU并行處理系統(tǒng)[2]。CAN主要對一定區(qū)域內(nèi)各種設備進行監(jiān)測和控制，最早由德國Bosc公司提出，并應用于汽車監(jiān)測和系統(tǒng)設計。由于CAN設計思想獨特，具有良好的穩(wěn)定性，且相關功能強大，適用于便攜式生產(chǎn)測井地面系統(tǒng)設計。首先，基于CAN總線的分布多MCU并行處理系統(tǒng)，綜合運用通信技術、微機控制技術和數(shù)據(jù)處理技術，實現(xiàn)集中信號分離、分布采集和綜合處理。同時，該系統(tǒng)采用三級結構，即信號分離級、信號采集級、綜合處理級。各個層級之間采用CAN總線方式連接，其結構如圖1所示。

圖1 基于CAN總線的分布多MCU并行處理 系統(tǒng)體系結構圖

1)集中信號分離級 該級主要收集原始信號，即傳感器信號，包括溫度、壓力、濕度、自然伽馬等，為基于CAN總線的分布多MCU并行處理系統(tǒng)提供基礎數(shù)據(jù)，完成原始信號的分離。

2)分布信號采集級 該級配備高速微處理器和先進的外部設備，如高速ADC、DAC和SPI器等，保證各種信號的精確采集和有效處理。同時，該級采用基于母線的方法，依據(jù)信號類型，增加或者減少某部分信號的處理功能[3]。

3)綜合處理級 該級通過可靠的CAN總線，對報文的標識符進行濾波，實現(xiàn)點對點、點對面以及廣播等方式的數(shù)據(jù)接收，完成數(shù)據(jù)的管理和處理工作。

1.2 系統(tǒng)組成

根據(jù)生產(chǎn)測井技術的工作原理，對多種儀器進行分析后，歸納總結出測井儀器回傳信號的特點。其中，上傳信號主要由模擬量、脈沖量、編碼信號組成。模擬量信號來源于各種模擬測井儀，如聲波、磁定位等儀器，主要形式為類正弦信號；脈沖量信號來源于自然伽馬儀、多臂井徑儀、脈沖水溫測井儀等，主要是正、負脈沖信號；編碼信號來源于組合式測井儀，該儀器內(nèi)的電纜遙測短節(jié)單元為重要部件，負責將各種測井儀器采集的數(shù)據(jù)編輯成幀格式，如溫度、濕度、壓力、流量、密度、自然伽馬等信息，并將幀格式通過測井電纜傳輸給地面系統(tǒng)。

全面了解井下儀器信號后，依據(jù)地面系統(tǒng)功能需求、技術指標以及供電要求，確定地面系統(tǒng)組成結構圖(見圖2)。

圖2 測井地面系統(tǒng)組成結構圖

基于生產(chǎn)測井地面系統(tǒng)的實時性要求，該系統(tǒng)采用基于CAN總線的分布多MCU并行處理方式，每一個電路模塊均采用獨立CPU進行處理，各個模塊之間數(shù)據(jù)通信采用高速、高性能、高穩(wěn)定性的CAN總線通信方式。依據(jù)地面系統(tǒng)完成的功能，將其劃分為各個子系統(tǒng)，分別為信號分離板、A/D采集板、定時計數(shù)板、WTC板及深度測量板。

1.3 系統(tǒng)實現(xiàn)方式

首先，通過多模電纜和井下系統(tǒng)獲得各種儀器采集壓力、穩(wěn)定、濕度、流量、密度、自然伽馬、水位層、槽位層、油層的數(shù)據(jù)信息。由于下井電纜使用情況不同，經(jīng)常產(chǎn)生一根電纜信號出現(xiàn)多種傳輸信號的現(xiàn)象[4]。另外，長距離信號傳輸，必然存在較大的信號干擾和衰竭，所以需要專門的信號分離板來解決信號分離、還原問題，再由相應的硬件電路板或子系統(tǒng)進行相應處理。A/D采集板主要完成高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換，針對模擬量信號回傳的井下儀器，如聲波、接箍等儀器。定時計數(shù)板主要針對脈沖量信號上傳的井下儀器，如自然伽馬儀、多臂井徑儀等。WTC板主要針對編碼信號。另外，在測井技術中，深度測量是生產(chǎn)測井的重要標尺，而地面系統(tǒng)主要通過電纜絞車儀器跟蹤系統(tǒng)中的光電編碼盤或者磁記號儀來測量物理深度并將其轉(zhuǎn)化為電信號。通過深度測量板采集深度數(shù)據(jù)，并與其他電路板在當前深度下的各種參數(shù)(如溫度、濕度、壓力和自然伽馬)進行對應并記錄下來，通過CAN總線通信方式上傳到上位機上。測井參數(shù)經(jīng)過系統(tǒng)處理后，以一定深度和橫向比例顯示在上位機顯示器上，方便勘測人員實時觀察、記錄和分析。

為了解決各個子系統(tǒng)間的信號干擾問題，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，設計使用線性電源和開關電源。線性電源主要負責信號采集板、A/D采集板模擬部分供電，電路板中數(shù)字部門供電均由開關電源提供。井下儀器供電電壓不同，所以地面系統(tǒng)配備專門下井電源，輸出電壓范圍為0～300VDC，為不同測井儀器供電。另外，為了防止電源濾波將測井信號濾除，需要增加直流電平隔離模塊來實現(xiàn)直流電源與測井信號之間的有效隔離。

2 系統(tǒng)硬件設計

便攜式生產(chǎn)測井地面系統(tǒng)的基礎是硬件，其決定了系統(tǒng)的功能和性能。該系統(tǒng)采用模塊化硬件設計，包括信號分離板、深度測量板、A/D采集板、定時計數(shù)板和WTC板。

2.1 信號分離板

信號分離板作為系統(tǒng)重要設備，主要解決信號上傳過程中不同信號之間的衰減、干擾等問題，更加準確地對進入其他電路模塊的信號進行預處理。信號分離板結構如圖3所示。

另外，子系統(tǒng)板與信號分離板之間的CAN通信，需要選用高速、高性能CPU，因而采用C8051F040單片機。

圖3 信號分離板系統(tǒng)結構圖

2.2 深度測量板

深度信息是重要的測井信息，其數(shù)據(jù)不準將會導致整體測井資料報廢，進而出現(xiàn)嚴重生產(chǎn)事故。目前，深度測量板主要采用普通單片機進行設計，其外圍電路復雜，執(zhí)行速度緩慢。為了克服普通單片機的設計弊端，該次研究采用基于DSP處理器的設計形式，簡化外圍電路，以提高執(zhí)行速度和可靠性，為后期升級提供支持。首先，深度信號主要由跟蹤系統(tǒng)中的光電編碼器獲得，測量輪通過深度傳動機構帶動光電編碼器運動[5]，隨著測井電纜的上下而轉(zhuǎn)動。光源通過專門的光電編碼盤產(chǎn)生光電脈沖，單位時間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)量代表測井速度。自深度起點開始，累計進行測井深度的脈沖計算。磁記號、電纜張力測量主要是由位于井口的磁記號儀和張力傳感器獲得，兩者之間都存在差分小信號，需要對相應信號進行放大處理。各個板之間的通信是利用DSP片內(nèi)的CAN控制器外接、收發(fā)器(SN65HVD230)實現(xiàn)，通信速率由軟件調(diào)節(jié)，其結構圖如圖4所示。

圖4 深度測量板結圖

2.3 A/D采集板

A/D采集板主要采集分離板分離、處理后的模擬信號，對各種模擬量采集精度要求比較高，若使用TMS320F241片內(nèi)10位A/D不能達到精度要求，因而采用Burr-Brown公司生產(chǎn)的ADS7807。另外，由于外接模擬測井儀情況不同，模擬量應多路采集，且采集信號分為單極、雙極兩種。由于信號輸入A/D采集板之前模擬量幅值比較小，需要對信號進行放大和轉(zhuǎn)化。A/D采集板結構如圖5所示。

圖5 A/D采集板結構圖

2.4 WTC板

WTC板將溫度、壓力、流量計等信息混合成為一定幀格式并發(fā)送到地面系統(tǒng)中。因此，編碼格式是WTC板設計的關鍵。編碼信號經(jīng)過幾千米電纜上傳，不僅使傳輸信號受到干擾，而且積累直流電會導致儀器工作電壓不穩(wěn)。由于編碼信號幅值較少，處于±3V電壓之間，脈沖寬度為10μs，因而對編碼信號進行處理前，要對其限幅值進行放大處理，即整形、正負分離和限幅。

2.5 定時計數(shù)板

如果將WTC板處理的編碼信號認定為特殊脈沖的話，定時器就是專門處理脈沖信號的電路板，并完成脈沖計數(shù)和計時。因此，定時計數(shù)板硬件設計與WTC完全相同，唯一區(qū)別在于下位機的DSP軟件存在差異。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 信號分離板軟件設計

信號分離板主要完成CAN通信數(shù)據(jù)的傳輸和接收，依據(jù)相應命令來切換繼電器矩陣電路完成的信號，并將分離的信號輸送到指定電路板進行處理。依據(jù)信號分離板硬件要求，確定其主要程序流程圖如6所示。首先，系統(tǒng)中單片機CAN控制器完成報文對象的信息初始化，如控制寄存器、定時寄存器的初始化設置。其次，繼電器切換程序設置相對容易，只需將繼電器的線圈控制引腳電平設置為低電平即可。

3.2 深度測量板軟件設計

依據(jù)深度測量板的軟件需求，確定光電編碼信號，利用TMS320F241內(nèi)部正交編碼信號脈沖電路完成深度測量工作，張力與磁記信號主要通過內(nèi)部10位A/D來實現(xiàn)，而CAN通信主要利用內(nèi)部CAN控制器模塊完成，將脈沖信號傳輸給TMS320F241片內(nèi)CAP1.0、CAP1.1通道。主要程序流程圖如圖7所示。

圖6 信號分離板主要程序流程圖 圖7 深度測量板主要程序流程圖

圖8 A/D采集板主要程序流程圖 圖9 WTC板主要程序流程圖

3.3 A/D采集板軟件設計

根據(jù)地面系統(tǒng)對模擬量精度、轉(zhuǎn)換率的要求，認為DSP內(nèi)部ADC模塊很難滿足條件，所以外擴一片16位高精度、低功率的A/D器件ADS7807，主要負責利用DSP內(nèi)部串行外部接口模塊(SPI)啟動A/D轉(zhuǎn)換，以及將轉(zhuǎn)換結構利用CAN總線上傳。主要程序流程圖如圖8所示。

3.4 WTC板軟件設計

WTC板軟件依據(jù)系統(tǒng)的設計需求，發(fā)揮數(shù)據(jù)信號的接受、調(diào)節(jié)和解碼作用，并將數(shù)據(jù)以CAN方式傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)中，其主要程序流程如圖9所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試時，通過手機工程測井的實際參數(shù)，制作阻容網(wǎng)來模擬4000～8000m電纜，在實驗室內(nèi)完成低頻模擬信號、編碼信號和脈沖信號測試。

4.1 測井信號測試

便攜式生產(chǎn)測井地面系統(tǒng)與井下儀器之間采用電纜方式進行數(shù)據(jù)傳輸，其長度為4000～8000m。通過電纜對井下儀器實現(xiàn)多電源供電和狀態(tài)控制，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽亢头€(wěn)定。每根電纜具備一定的電阻值，與電纜長度成正比，一般為150～250Ω。另外，電纜芯之間的分布電容會大大增加信號傳輸過程中的損失，降低信號的可靠性。為了確保長距離電纜傳輸?shù)姆€(wěn)定性，需要制作符合實際情況的電氣參數(shù)，如電阻和電容(見圖10，其中電阻R=26Ω，電容C=0.033F)。實踐證明，可以模擬7000m同軸電纜，并對編碼信號和模擬信號進行測試。

圖10 模擬電纜圖

4.2 編碼信號測試

編碼信號在傳輸過程中會出現(xiàn)嚴重變形，由此降低傳輸性能。正脈沖可以引起幅度較大的負沖，負脈沖可以引起幅度較大的正沖。同時，水平基線位置也會受到一定幅度的干擾。一般來說，編碼信號傳輸過程中容易出現(xiàn)2種情況：①WTC板會對信號進行放大，但由于正脈沖引起較大負脈沖，所以放大倍數(shù)比正常情況下要大，高頻信號干擾會得到進一步放大，導致編碼信號的傳輸準確性下降；②水平基線上的高頻干擾經(jīng)過放大后，數(shù)據(jù)解碼處理過程中會出現(xiàn)多位現(xiàn)象。為了解決上述問題，將電纜傳輸后的編碼信號分離，分為正、負脈沖信號，并將處理后的信號由WTC板進行處理，以獲得更加準確的軟件解碼數(shù)據(jù)。信號分離板的預處理將編碼信號進行放大，而WTC板的處理是將正、負脈沖信號同時放大，然后進行正、負脈沖分離。信號經(jīng)過WTC板信號調(diào)整后，可以更加準確地進行DSP脈沖單元信號捕捉，并提高正、負脈沖信號間的轉(zhuǎn)化效率。脈沖信號限幅調(diào)整可以將正、負脈沖信號進行正確分離，從而過濾掉水平信號上的高頻干擾信號。

4.3 低頻模擬信號測試

利用單芯電纜進行測井時，給井下儀器供電以及信號上傳均采用同一纜芯。長距離的電纜傳輸，使得井下儀器的上傳信號損失嚴重，信號傳輸整體性差。低頻模擬信號自身頻率較低(10Hz)，電壓幅值較小，因而井下數(shù)據(jù)傳至電纜前，要由驅(qū)動單元進行模擬信號放大。低頻模擬信號傳輸過程中，容易衰減和受到干擾，所以要采用與編碼信號類似的測試方法得到電纜傳輸后的模擬信號。試驗表明，模擬信號經(jīng)過電纜傳輸以后，容易受到50Hz的高頻信號干擾。如果未對信號進行濾波處理，直接傳送至A/D信號采集板，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)不符合實際生產(chǎn)測井需求。因此，首先進行信號分離板的模擬量調(diào)節(jié)，利用電壓源二階低通過濾波技術，將高頻干擾、工作電源干擾過濾，得到所需信號波。

4.4 脈沖信號測試

因為編碼信號測試屬于固定規(guī)律脈沖信號，而脈沖信號測試屬于隨即脈沖信號，所以脈沖信號測試方法與編碼信號測試方法類似，只是脈沖寬度不同。編碼信號測試的脈沖寬度一般為10μs左右，2個脈沖時間間隔分為2種，即數(shù)據(jù)位1位和15位；脈沖信號測試的脈沖寬度為10～100μs，2個脈沖時間間隔依據(jù)測井情況而定。

5 結語

在分析生產(chǎn)測井儀器的技術原理的基礎上，研究各種儀器回傳信號的共性和特點，確定了便攜式生產(chǎn)測井系統(tǒng)的結構圖。依據(jù)分布式控制系統(tǒng)的設計理念，開發(fā)出基于CAN總線的分布式多MCU并行處理系統(tǒng)結構，完成了基于C8051F040單片機的信號分離板軟件設計，以及以TMS320F241DSP為核心的深度測量板、A/D采集板，定時計數(shù)板和WTC板的軟件設計。同時，對脈沖限幅整形電路、編碼信號調(diào)節(jié)電路、A/D采集電路進行設計。在硬件電路設計的基礎上，利用TMS320F241DSP內(nèi)部豐富的資源進行編碼信號采集和解碼、低頻模擬量信號采集、脈沖信號測量、CAN總線數(shù)據(jù)通信等程序設計。最后，針對測井信號的特點以及實際測井參數(shù)，制作阻容網(wǎng)絡電纜，模擬長距離電纜傳輸。通過試驗測試結果可知，便攜式測井方案在整體設計、軟件測試和硬件安裝方面，均符合測井功能需求和技術指標，適用于傳統(tǒng)大型測井儀器操作不便的環(huán)境，如偏遠地區(qū)、海上石油平臺等，具有很好的市場應用前景。