網(wǎng)絡(luò)化測井地面系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姜 輝，曹春鋒，魏 濤，陳 強(qiáng)，伍紅成，張世福

(中國石油集團(tuán)測井有限公司大慶分公司 黑龍江 大慶 163412)

0 引 言

測井地面系統(tǒng)在識別砂巖、泥巖及油氣儲層等地質(zhì)信息的采集方面發(fā)揮著重要的作用，主要由射孔、控制、采集、電源、深度面板等多個箱體組成。其中，數(shù)據(jù)采集箱是測井地面系統(tǒng)的核心箱體。傳統(tǒng)測井系統(tǒng)采用的通訊總線，如ISA、WME、PCI等，在特定的歷史時期都發(fā)揮了作用，但是這些總線對系統(tǒng)擴(kuò)展的限制是明顯的。以ISA總線為例，若要進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，前置機(jī)是個繞不過去的檻。隨著電子技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，以嵌入式處理器為核心的數(shù)據(jù)采集技術(shù)在測井儀器領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。開放性、模塊化和可重構(gòu)設(shè)計(jì)是目前測井?dāng)?shù)據(jù)采集領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，目的是為了適應(yīng)測井技術(shù)發(fā)展和便于用戶不斷開發(fā)自己的新功能。為了滿足井下儀器數(shù)據(jù)量不斷加大和實(shí)時處理要求不斷提高的要求，設(shè)計(jì)了一種具有高開放性特征的網(wǎng)絡(luò)化測井系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用是測井系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)化、模塊化及開放式等特征的技術(shù)保障。新系統(tǒng)采用Ethernet+TCP/IP技術(shù)最典型的以太網(wǎng)應(yīng)用形式，即在由以太網(wǎng)構(gòu)建的底層傳輸網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上，采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[1]。地面系統(tǒng)以左、右網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)為中心，連接地面各箱體及信號板卡，組成一個局域網(wǎng)。所有的箱體、板卡都是局域網(wǎng)中的一個節(jié)點(diǎn)，具有唯一的IP地址標(biāo)識，工控機(jī)根據(jù)測井任務(wù)的需求訪問相應(yīng)目標(biāo)IP，并對目標(biāo)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和參數(shù)配置。系統(tǒng)各部分如圖1所示，包含的主要部分為：信號采集機(jī)箱、電源部分(交流電源機(jī)箱、直流電源機(jī)箱、電源控制機(jī)箱)、接線控制機(jī)箱，交換機(jī)等。

圖1 網(wǎng)絡(luò)化測井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 信號采集箱

采集箱主要包含三部分功能：信號分離功能、信號處理功能、信息顯示。信號分離部分在程控測井方式下，完成下井高壓的控制、纜芯轉(zhuǎn)換、信號分離；信號處理部分完成對硬件電路的工作控制，并對井下儀上傳信號進(jìn)行處理、采集、數(shù)據(jù)打包，最后傳送給主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行顯示、打印、記錄等；信息顯示部分完成測井信息的直觀顯示，方便操作員對測井狀態(tài)的判斷。

1.2 接線控制箱

接線控制機(jī)箱主要實(shí)現(xiàn)三部分功能，一部分為手動纜芯與電源控制電流較大時采用，另一部分為射孔取心功能，第三部分為系統(tǒng)纜芯切換和深度、張力信號的驅(qū)動切換。

1.3 電源部分

由電源控制機(jī)箱、交流電源機(jī)箱及直流電源機(jī)箱等三個箱體組成，滿足井下儀器井下高質(zhì)量大功率供電需求。電源控制機(jī)箱以PC104為控制核心，產(chǎn)生交流電源機(jī)箱及直流電源機(jī)箱的控制信號，通過電源監(jiān)測子模塊來實(shí)時監(jiān)測測井過程中七芯電纜的交流電壓電流值，配合井下遙測上傳電壓電流值，對井下儀供電進(jìn)行實(shí)時保護(hù)。

2 信號采集卡及工作過程

在采集箱中，高壓電源和纜芯直接進(jìn)入母板總線，纜芯加電由各板卡直接控制，同時，每塊采集卡都可以獨(dú)立采集深度、張力、磁標(biāo)信號；其中，顯示驅(qū)動卡只采集深度、張力等信號，其它信號不采集。不同的信號采集板卡采集不同的井下信號類型，配接井下儀時由工控機(jī)選擇不同的板卡工作；板卡把原始信號處理成數(shù)字信號后通過網(wǎng)絡(luò)傳送給交換機(jī)，工控機(jī)也通過網(wǎng)絡(luò)接收板卡數(shù)據(jù)和控制板卡工作。

2.1 信號采集卡

目前在用的板卡接口為4塊信號采集卡加一塊顯示驅(qū)動卡，分別代表不同的信號類型。采集箱中設(shè)計(jì)的信號接口共有6個，多余的一個用于擴(kuò)展使用。信號采集卡采用了嵌入式ARM模塊用于網(wǎng)絡(luò)通訊、FPGA模塊用于數(shù)據(jù)采集及DSP模塊用于信號處理等模塊化設(shè)計(jì)模式[2]。

具體的信號采集卡為:200K信號采集卡，主要用于氧活化信號的處理，C/O信號的處理；500K信號采集卡，為OFDM編碼方式，主要用于常規(guī)測井中全面應(yīng)用“一串測”[3]，對應(yīng)數(shù)傳的傳輸速率為500kbps；WTS 信號采集卡，能夠方便實(shí)現(xiàn)5700系統(tǒng)配接[4]，完成5700的常規(guī)測井項(xiàng)目和成像測井項(xiàng)目，滿足油田的一些特殊井的測井要求；2M 信號采集卡，為OFDM編碼方式，用于自研2M數(shù)傳井下儀器的地面編解碼工作。

2.2 信號采集卡工作過程

采集箱體打開電源后，所有的板卡會按照ARM網(wǎng)絡(luò)模塊的內(nèi)部程序初始化整個板卡[5]。初始化完成后，信號采集板卡會處于等待采集軟件命令階段，此時板卡內(nèi)部與高壓電源及纜芯處于斷開狀態(tài)；而顯示驅(qū)動板卡則處于工作狀態(tài)，時刻準(zhǔn)備著處理輸入的信號。信號采集板卡流程圖如圖2所示。

圖2 板卡工作流程圖

圖2中，測井軟件運(yùn)行后，整個系統(tǒng)通過測井采集軟件選擇井下儀器相關(guān)的信號采集卡IP地址號，負(fù)責(zé)與板卡內(nèi)的ARM模塊進(jìn)行通訊，將儀器上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼并分發(fā)給測井軟件[6]；對于顯示驅(qū)動卡而言，采集軟件不采集、不記錄數(shù)據(jù)，只是負(fù)責(zé)監(jiān)視其ARM工作狀態(tài)，操作人員會根據(jù)測井的實(shí)際情況發(fā)送命令設(shè)置深度數(shù)值。如果信號采集卡的初始化設(shè)置失敗，測井軟件會檢測到設(shè)置失敗的錯誤信息，下發(fā)命令重新設(shè)置；如果成功設(shè)置，則采集卡就可以接收測井軟件命令，進(jìn)行采集數(shù)據(jù)。同一時刻，只會有兩個IP處于工作狀態(tài)，一個是顯示驅(qū)動的，另一個是所選擇的信號采集卡；其它的則會被測井軟件歸入待命狀態(tài)。測井任務(wù)結(jié)束后，板卡的狀態(tài)會返回初始化狀態(tài)，等待下一個測井任務(wù)的執(zhí)行。

3 采集軟件設(shè)計(jì)

軟件根據(jù)需求劃分為多個功能模塊，模塊間采用網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，各模塊是獨(dú)立的可執(zhí)行程序，這樣的設(shè)計(jì)思想保證了信號采集擴(kuò)展的開放性。這些模塊分別是：系統(tǒng)管理模塊、組件安裝模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊、圖表編輯模塊、繪圖模版創(chuàng)建模塊、服務(wù)項(xiàng)目管理模塊、工程管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、刻度模塊、主控模塊、曲線顯示模塊、波形顯示模塊、測后處理模塊、格式轉(zhuǎn)換模塊、系統(tǒng)備份模塊以及網(wǎng)絡(luò)模塊。模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 采集軟件模塊結(jié)構(gòu)圖

安裝采集軟件的工控機(jī)與信號采集板卡的通訊方式為網(wǎng)絡(luò)通訊，按照TCP/IP協(xié)議發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，采集板卡作為TCP客戶端，工控機(jī)作為TCP服務(wù)器端。整個系統(tǒng)工作時，通過數(shù)據(jù)采集管理與井下儀器相關(guān)的采集板卡ARM連接，負(fù)責(zé)與ARM進(jìn)行通訊[7]，將儀器上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼并分發(fā)給主控平臺(LogMaster)。主控平臺通過網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)采集管理連接，在主控平臺處于測井狀態(tài)時，會將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和計(jì)算，并將計(jì)算后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給有請求的客戶端程序。儀器控制(ToolCtrl)可以連接主控平臺，并向其發(fā)送儀器命令，主控平臺將相應(yīng)的命令轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)采集管理(DataManager)，數(shù)據(jù)采集管理器編碼后發(fā)送給相應(yīng)的儀器。

數(shù)據(jù)采集管理器通過ARM收到數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和分配，轉(zhuǎn)發(fā)給主控平臺。主控平臺收到數(shù)據(jù)后記錄原始數(shù)據(jù)，通過刻度和計(jì)算，將曲線數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，之后可以通過數(shù)據(jù)后處理(PlotManager)進(jìn)行曲線數(shù)據(jù)編輯和保存，利用格式轉(zhuǎn)換程序?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為需要的數(shù)據(jù)格式，調(diào)用綜合出圖將成果輸出。

4 應(yīng)用實(shí)例

本系統(tǒng)作為大慶測井分公司自主研發(fā)的新一代測井系統(tǒng)，可以配接的儀器有：國產(chǎn)2M數(shù)傳系列、引進(jìn)ECLIPS-5700系列、引進(jìn)EXCELL2000系列、國產(chǎn)wiseye 1000系列，便于組建測井系列完善的綜合測井隊(duì)。目前，本系統(tǒng)通過擴(kuò)展OFDM解碼卡、WTS數(shù)傳卡模塊，成功配接5700系統(tǒng)3514、3516，EXCELL2000數(shù)傳短節(jié)，以及wiseye1000系列數(shù)傳短節(jié)和其他井下儀器，并進(jìn)行了現(xiàn)場采集實(shí)驗(yàn)。

2017年9月本系統(tǒng)在大慶油田北2-312井成功進(jìn)行了5700系列X-MAC多極子聲波井下儀器測井作業(yè)，圖4為該井835～880 m深度X-MAC測井?dāng)?shù)據(jù)曲線。

圖4 5700X-MAC多極子聲波儀器測井曲線

5 結(jié)束語

新型測井地面系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中，充分利用了嵌入式ARM芯片、高性能DSP芯片及現(xiàn)場可編程門陣列FPGA器件等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了板卡功能增多、面積減少，系統(tǒng)可擴(kuò)展等特性；整個系統(tǒng)通訊方式為網(wǎng)絡(luò)通訊，按照TCP/IP協(xié)議工作。與油田正在使用的傳統(tǒng)數(shù)控測井系統(tǒng)相比，掛接儀器只要符合相應(yīng)的TCP/IP通訊協(xié)議及相應(yīng)電氣標(biāo)準(zhǔn)，就可以十分容易地掛接到新型成像測井地面系統(tǒng)中。作為一個高開放的、模塊化、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化測井系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多能，能夠擴(kuò)展掛接多種國產(chǎn)與引進(jìn)儀器，解決了各種系列井下儀器需要多次測井施工作業(yè)的問題，提高了測井時效。截止2017年底，該系統(tǒng)累計(jì)完成推廣測井98口，測井成功率96%,測井曲線合格率100%，獲得了合格的測井資料。