姜 輝，曹春鋒，魏 濤，陳 強(qiáng)，伍紅成，張世福

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司大慶分公司 黑龍江 大慶 163412)

0 引 言

測(cè)井地面系統(tǒng)在識(shí)別砂巖、泥巖及油氣儲(chǔ)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(gè)箱體組成。其中，數(shù)據(jù)采集箱是測(cè)井地面系統(tǒng)的核心箱體。傳統(tǒng)測(cè)井系統(tǒng)采用的通訊總線，如ISA、WME、PCI等，在特定的歷史時(shí)期都發(fā)揮了作用，但是這些總線對(duì)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(gè)繞不過(guò)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(cè)井儀器領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。開(kāi)放性、模塊化和可重構(gòu)設(shè)計(jì)是目前測(cè)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(cè)井技術(shù)發(fā)展和便于用戶不斷開(kāi)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(shí)處理要求不斷提高的要求，設(shè)計(jì)了一種具有高開(kāi)放性特征的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)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(cè)井系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)化、模塊化及開(kāi)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(hào)板卡，組成一個(gè)局域網(wǎng)。所有的箱體、板卡都是局域網(wǎng)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，具有唯一的IP地址標(biāo)識(shí)，工控機(jī)根據(jù)測(cè)井任務(wù)的需求訪問(wèn)相應(yīng)目標(biāo)IP，并對(duì)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(hào)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(cè)井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 信號(hào)采集箱

采集箱主要包含三部分功能：信號(hào)分離功能、信號(hào)處理功能、信息顯示。信號(hào)分離部分在程控測(cè)井方式下，完成下井高壓的控制、纜芯轉(zhuǎn)換、信號(hào)分離；信號(hào)處理部分完成對(duì)硬件電路的工作控制，并對(duì)井下儀上傳信號(hào)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(cè)井信息的直觀顯示，方便操作員對(duì)測(cè)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(dòng)纜芯與電源控制電流較大時(shí)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(hào)的驅(qū)動(dòng)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(gè)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(hào)，通過(guò)電源監(jiān)測(cè)子模塊來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)井過(guò)程中七芯電纜的交流電壓電流值，配合井下遙測(cè)上傳電壓電流值，對(duì)井下儀供電進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)。

2 信號(hào)采集卡及工作過(guò)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(shí)，每塊采集卡都可以獨(dú)立采集深度、張力、磁標(biāo)信號(hào)；其中，顯示驅(qū)動(dòng)卡只采集深度、張力等信號(hào)，其它信號(hào)不采集。不同的信號(hào)采集板卡采集不同的井下信號(hào)類型，配接井下儀時(shí)由工控機(jī)選擇不同的板卡工作；板卡把原始信號(hào)處理成數(shù)字信號(hào)后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給交換機(jī)，工控機(jī)也通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收板卡數(shù)據(jù)和控制板卡工作。

2.1 信號(hào)采集卡

目前在用的板卡接口為4塊信號(hào)采集卡加一塊顯示驅(qū)動(dòng)卡，分別代表不同的信號(hào)類型。采集箱中設(shè)計(jì)的信號(hào)接口共有6個(gè)，多余的一個(gè)用于擴(kuò)展使用。信號(hào)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(hào)處理等模塊化設(shè)計(jì)模式[2]。

具體的信號(hào)采集卡為:200K信號(hào)采集卡，主要用于氧活化信號(hào)的處理，C/O信號(hào)的處理；500K信號(hào)采集卡，為OFDM編碼方式，主要用于常規(guī)測(cè)井中全面應(yīng)用“一串測(cè)”[3]，對(duì)應(yīng)數(shù)傳的傳輸速率為500kbps；WTS 信號(hào)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(cè)井項(xiàng)目和成像測(cè)井項(xiàng)目，滿足油田的一些特殊井的測(cè)井要求；2M 信號(hào)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(hào)采集卡工作過(guò)程

采集箱體打開(kāi)電源后，所有的板卡會(huì)按照ARM網(wǎng)絡(luò)模塊的內(nèi)部程序初始化整個(gè)板卡[5]。初始化完成后，信號(hào)采集板卡會(huì)處于等待采集軟件命令階段，此時(shí)板卡內(nèi)部與高壓電源及纜芯處于斷開(kāi)狀態(tài)；而顯示驅(qū)動(dòng)板卡則處于工作狀態(tài)，時(shí)刻準(zhǔn)備著處理輸入的信號(hào)。信號(hào)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(cè)井軟件運(yùn)行后，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)測(cè)井采集軟件選擇井下儀器相關(guān)的信號(hào)采集卡IP地址號(hào)，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(cè)井軟件[6]；對(duì)于顯示驅(qū)動(dòng)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(huì)根據(jù)測(cè)井的實(shí)際情況發(fā)送命令設(shè)置深度數(shù)值。如果信號(hào)采集卡的初始化設(shè)置失敗，測(cè)井軟件會(huì)檢測(cè)到設(shè)置失敗的錯(cuò)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(cè)井軟件命令，進(jìn)行采集數(shù)據(jù)。同一時(shí)刻，只會(huì)有兩個(gè)IP處于工作狀態(tài)，一個(gè)是顯示驅(qū)動(dòng)的，另一個(gè)是所選擇的信號(hào)采集卡；其它的則會(huì)被測(cè)井軟件歸入待命狀態(tài)。測(cè)井任務(wù)結(jié)束后，板卡的狀態(tài)會(huì)返回初始化狀態(tài)，等待下一個(gè)測(cè)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(gè)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(hào)采集擴(kuò)展的開(kāi)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(cè)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(hào)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(gè)系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)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(tái)(LogMaster)。主控平臺(tái)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)采集管理連接，在主控平臺(tái)處于測(cè)井狀態(tài)時(shí)，會(huì)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(qǐng)求的客戶端程序。儀器控制(ToolCtrl)可以連接主控平臺(tái)，并向其發(fā)送儀器命令，主控平臺(tái)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(guò)ARM收到數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和分配，轉(zhuǎn)發(fā)給主控平臺(tái)。主控平臺(tái)收到數(shù)據(jù)后記錄原始數(shù)據(jù)，通過(guò)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(guò)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(cè)井分公司自主研發(fā)的新一代測(cè)井系統(tǒng)，可以配接的儀器有：國(guó)產(chǎn)2M數(shù)傳系列、引進(jìn)ECLIPS-5700系列、引進(jìn)EXCELL2000系列、國(guó)產(chǎn)wiseye 1000系列，便于組建測(cè)井系列完善的綜合測(cè)井隊(duì)。目前，本系統(tǒng)通過(guò)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(chǎng)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(cè)井作業(yè)，圖4為該井835～880 m深度X-MAC測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)曲線。

圖4 5700X-MAC多極子聲波儀器測(cè)井曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

新型測(cè)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(chǎng)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(gè)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(cè)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(cè)井地面系統(tǒng)中。作為一個(gè)高開(kāi)放的、模塊化、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)井系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多能，能夠擴(kuò)展掛接多種國(guó)產(chǎn)與引進(jìn)儀器，解決了各種系列井下儀器需要多次測(cè)井施工作業(yè)的問(wèn)題，提高了測(cè)井時(shí)效。截止2017年底，該系統(tǒng)累計(jì)完成推廣測(cè)井98口，測(cè)井成功率96%,測(cè)井曲線合格率100%，獲得了合格的測(cè)井資料。