姚曉兵（北京環(huán)鼎科技有限責(zé)任公司，北京，102200）

關(guān)于石油測(cè)井儀器的功能模塊化探討

姚曉兵
（北京環(huán)鼎科技有限責(zé)任公司，北京，102200）

測(cè)井技術(shù)是油氣田勘探開發(fā)的重要手段，但目前油田生產(chǎn)過(guò)程中的測(cè)井儀器測(cè)量大多存在參數(shù)單一，測(cè)量效率低，功能性與兼容性差等問題。本文對(duì)石油測(cè)井儀器的功能模塊化進(jìn)行了相關(guān)探討，從硬件、軟件兩方面探討了相關(guān)設(shè)計(jì)思路。

測(cè)井儀器；功能模塊化；硬件；軟件

1　測(cè)井與測(cè)井儀器

1.1測(cè)井

測(cè)井全稱為地球物理測(cè)井，進(jìn)行測(cè)井的目的是通過(guò)分析測(cè)得的電、聲、熱、放射性等物理參數(shù)來(lái)辨別地下巖石與流體的性質(zhì)，更好的評(píng)估油井與油氣藏狀況。測(cè)井技術(shù)在1927年由斯倫貝謝兄弟發(fā)明，我國(guó)在1937年將測(cè)井技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中。石油領(lǐng)域的測(cè)井大致分為兩類：一類稱為勘探測(cè)井，目的是探測(cè)地層結(jié)構(gòu)，對(duì)地層巖性、油氣水層進(jìn)行探測(cè)分析，從而利于油氣藏的發(fā)現(xiàn)與評(píng)價(jià)。另一類是開發(fā)測(cè)井，主要是通過(guò)對(duì)井下的巖石物理性質(zhì)等進(jìn)行測(cè)定，對(duì)各個(gè)油層的工作狀況、開發(fā)井的技術(shù)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，調(diào)整作業(yè)措施以提高采油效率。

1.2測(cè)井儀器

在實(shí)際的油田生產(chǎn)測(cè)井中，要完成深度、壓力、溫度等參數(shù)的采集，須使用各種儀器進(jìn)行。這些測(cè)井儀器分為井下儀器、地面儀器以及輔助設(shè)備等。井下儀器種類有數(shù)十種，其主體為各種探測(cè)器，多為圓柱狀，用于在井下貼井壁或居中測(cè)量。地面儀器主要向井下供電，控制測(cè)量過(guò)程，并將井下測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為測(cè)井物理參數(shù)。輔助設(shè)備為測(cè)井用電纜與儀器車等。

實(shí)際上，對(duì)于同一口油井，要了解其各種參數(shù)以及套管的破損情況與射孔質(zhì)量情況等需要使用各種專門的儀器進(jìn)行，若每次下井測(cè)量?jī)H測(cè)量一個(gè)或少個(gè)數(shù)據(jù)，則需要多次重復(fù)下井測(cè)量，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還多占用了油井正常生產(chǎn)的時(shí)間。而如果將測(cè)井儀器功能進(jìn)行模塊化組合，使測(cè)井儀器一次下井就可以完成多種參數(shù)的測(cè)量，同時(shí)監(jiān)控套管與射孔等情況，可以大大簡(jiǎn)化測(cè)井流程，提高效率。因此，加強(qiáng)測(cè)井儀器的功能模塊化具有現(xiàn)實(shí)意義，有必要對(duì)更高程度的功能模塊化組合儀器進(jìn)行探討。

2　石油測(cè)井儀器功能模塊化設(shè)計(jì)思路

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有功能模塊化的測(cè)井儀器種類較多，也各有所長(zhǎng)。西安宏邦的DDS38Y測(cè)井儀器價(jià)格低廉體積較小，但是無(wú)法進(jìn)行功能擴(kuò)展。中船715所的ZDC-I性雖然可以擴(kuò)展功能，但是儀器體積又過(guò)大。英國(guó)SONDEX公司的PL組合測(cè)井儀器雖然在擴(kuò)展性、精度等方面表現(xiàn)優(yōu)秀，但是價(jià)格昂貴且兼容性較差，應(yīng)用成本高昂。針對(duì)這些儀器的優(yōu)缺點(diǎn)，我們要積極探討功能模塊化程度更高的測(cè)井儀器。

傳統(tǒng)儀器由于生產(chǎn)廠商的技術(shù)封閉性，其軟件系統(tǒng)與功能往往是固定的，僅在生產(chǎn)廠商進(jìn)行系統(tǒng)更新時(shí)才可以被動(dòng)更新。此外，儀器出廠時(shí)功能是固定的，用戶不能根據(jù)功能需求進(jìn)行功能擴(kuò)展。儀器功能模塊化的主要意義在于使用戶可以根據(jù)功能需求而選擇或擴(kuò)展儀器功能，各個(gè)功能模塊互不影響相互獨(dú)立，既能單獨(dú)工作，也可以組合同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，減少下井次數(shù)，提高工作效率。

功能模塊化的儀器應(yīng)該支持硬件的擴(kuò)展，各模塊可通過(guò)同樣的通信端口進(jìn)行掛接。這不僅使數(shù)據(jù)吞吐量得以提高，還提高了工作效率并降低了設(shè)計(jì)制造成本。

3　測(cè)井儀器功能模塊化的總體設(shè)計(jì)

功能模塊化的測(cè)井儀器是高性能的測(cè)量硬件與功能完善的相關(guān)測(cè)試分析軟件相結(jié)合的。所以“功能模塊化”不僅要有硬件的模塊化，還必須有相應(yīng)的軟件模塊化，兩者缺一不可。

3.1硬件模塊化

為了使測(cè)量?jī)x器能夠自由擴(kuò)展，各功能模塊能夠靈活應(yīng)用與維護(hù)，硬件的模塊化需要做到以下三點(diǎn)：

3.1.1標(biāo)準(zhǔn)化的尺寸。各個(gè)功能模塊化需要相關(guān)測(cè)試模塊外形尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化，這主要涉及儀器外殼的設(shè)計(jì)加工。各個(gè)模塊的尺寸一致不僅節(jié)省開發(fā)成本，同時(shí)也便于實(shí)際應(yīng)用與保養(yǎng)維護(hù)。

關(guān)于尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化還涉及到儀器外殼設(shè)計(jì)，儀器外殼除了要滿足尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化，還要滿足密封要求，例如O型圈溝槽配合尺寸的設(shè)計(jì)；強(qiáng)度設(shè)計(jì)要能夠確保儀器在井下的形變量不會(huì)影響機(jī)械性能；儀器在井下電氣性能要確保高溫高壓下的絕緣性，電路接觸的可靠性與絕緣性以及插口處的強(qiáng)度與可靠性。此外，外殼設(shè)計(jì)還要滿足安裝的便捷性要求。

3.1.2標(biāo)準(zhǔn)化的接口。要想使各個(gè)功能模塊無(wú)縫對(duì)接，則必須要使儀器具備開放性，即在使用時(shí)可以在原有測(cè)試儀器上直接掛接其他儀器，且不會(huì)對(duì)其他模塊的正常工作帶來(lái)影響。這樣用戶可以根據(jù)實(shí)際功能需求選擇相應(yīng)的功能模塊拼接后下井測(cè)量。

其中，通信接口是儀器功能模塊化研究的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容。CAN總線通信較為可靠，操作簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)，帶有較多的掛接節(jié)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍廣闊。我國(guó)使用的井下儀器大多帶有的是RS232接口，該接口與其他接口間的數(shù)據(jù)通信可以通過(guò)使用協(xié)議Modbus來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們所設(shè)計(jì)的接口完成的功能是RS232總線與CAN總線之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，且支持Modbus協(xié)議。我們通過(guò)外加硬件轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN和RS232總線之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，用這種思路來(lái)解決不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的連接問題是比較簡(jiǎn)單的。

3.1.3電路接口標(biāo)準(zhǔn)化。所謂的硬件模塊化不僅是簡(jiǎn)單地將各個(gè)模塊進(jìn)行物理連接組裝，還有關(guān)鍵的一點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的電路環(huán)境相統(tǒng)一，使各模塊應(yīng)用同一條電路同步測(cè)量且互不干擾。

功能模塊化組合測(cè)井儀器主要由上位機(jī)、井下掛接儀器、通信接口組成。若要完成不同的功能，儀器可以根據(jù)實(shí)際需要，通過(guò)通信接口掛接各種井下儀器來(lái)進(jìn)行，如掛接流量計(jì)測(cè)量流量；掛接壓力計(jì)來(lái)測(cè)量井下溫度和壓力；掛接磁定位和伽馬射線測(cè)井儀器來(lái)測(cè)量井下深度，掛接存儲(chǔ)式攝像儀來(lái)采集存儲(chǔ)井下視頻等。

3.2軟件模塊化

硬件的模塊化只是整個(gè)模塊化儀器系統(tǒng)的基礎(chǔ)，還需要軟件上的功能模塊化以使整個(gè)儀器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真正的功能模塊化。

3.2.1與硬件相匹配的軟件模塊化。所謂與硬件相匹配的軟件模塊化，是指各個(gè)硬件模塊需要一個(gè)統(tǒng)一上位機(jī)端的軟件來(lái)進(jìn)行統(tǒng)一控制。上位機(jī)端發(fā)出的命令格式相同，在需要掛接的模塊進(jìn)行測(cè)量時(shí)只需要根據(jù)測(cè)量任務(wù)而勾選命令中的功能選項(xiàng)，既方便快捷又安全高效。

3.2.2程序設(shè)計(jì)的模塊化。如下圖所示，程序模塊化就是將一個(gè)較為復(fù)雜的問題經(jīng)過(guò)分析之后拆解為若干個(gè)子問題，之后針對(duì)這些子問題設(shè)計(jì)子程序，這些子程序整合之后又形成一個(gè)完成程序。

對(duì)程序也進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)使程序的編寫、測(cè)試更加方便，既簡(jiǎn)化了軟件的調(diào)用與糾錯(cuò)，也使程序的穩(wěn)定性得到強(qiáng)化。此外，在硬件焊接時(shí)程序模塊化也使得焊接測(cè)試變得更加方便。

4　小結(jié)

當(dāng)前，測(cè)井儀器更強(qiáng)大、模塊化程度更高已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，測(cè)井儀器體積將越來(lái)越小，各功能越來(lái)越集中但又相互獨(dú)立，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸效率越來(lái)越高甚至無(wú)線傳輸。具體上，測(cè)井儀器的各個(gè)功能模塊應(yīng)按照統(tǒng)一的軟、硬件標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。使用相同的接口與傳輸協(xié)議可以進(jìn)行單獨(dú)或組合測(cè)井，在實(shí)際測(cè)井過(guò)程中可以根據(jù)用戶需要，自由選擇測(cè)量的參數(shù)與要實(shí)現(xiàn)的功能，為修井作業(yè)、優(yōu)化注采方案實(shí)現(xiàn)油井高效開發(fā)提供依據(jù)。

［1］胡鑫波.基于單片機(jī)的Modbus協(xié)議的實(shí)現(xiàn)［D］南京：東南大學(xué)，2012.

［2］王振力，孫平，劉洋工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)［M］.北京：人民郵電出版社，2012.

［3］武貴俊.嵌入式石油測(cè)井儀器的研究［J］中國(guó)石油和化工標(biāo)與質(zhì)量，2014，（2）：69-70.

On the functional module of petroleum logging instrument

Yao Xiaobing
（Beijing Huan Ding Technology Co.， Ltd.，Beijing，102200，China）

Logging technology is an important means of oil and gas field exploration， but in the process of current oil production， most logging instruments have such problems as single parameter，low efficiency，poor function and compatibility.In this paper，the functional modules of the oil logging instrument was discussed， and it gave some design ideas from two aspects of hardware and software.

logging instrument；functional module；hardware；software

圖、模塊化程序設(shè)計(jì)思路

姚曉兵（1974-），男，漢族，陜西扶風(fēng)人，本科學(xué)歷，北京環(huán)鼎科技有限責(zé)任公司工程師，研究方向：測(cè)井儀器。