基于以太網技術的網絡化測井系統研究

陳文軒，裴彬彬，趙帥，姚德忠，陳仕學，岳宏圖

（中國石油集團長城鉆探工程公司測井技術研究院，北京100176）

基于以太網技術的網絡化測井系統研究

陳文軒，裴彬彬，趙帥，姚德忠，陳仕學，岳宏圖

（中國石油集團長城鉆探工程公司測井技術研究院，北京100176）

介紹了新一代基于以太網技術的測井系統，通過網絡互聯的測井系統可以實現資源共享，簡化系統的配置與設計，提高系統的可操作性、可維護性和可靠性，使上層管理決策、調度與優化等任務與現場設備的控制任務連接到一起，降低測井系統的實施成本。網絡化測井系統技術已經成功地應用到LEAP800測井系統中，該系統是一個網絡化、模塊化和開放的平臺，它的電纜傳輸系統上傳和下傳速率分別達到了1 000kbit／s和50kbit／s，完全滿足網絡化系統的需要；LEAP800測井系統做到了小于5ms精度的時間同步，保證了測井系統良好精度，運用實時操作系統很好地解決了大數據量實時處理的問題。

測井系統；以太網；時鐘同步；電纜傳輸；網絡化系統

0 引 言

測井技術在油氣資源的勘探與開發中發揮著重要作用［1］。石油勘探地質情況越來越復雜，進而對測井技術要求也越來越高［2］。測井系統向集成化、快速化的方向發展，由此帶來測井技術進入高可靠、高集成和高精度測井時代［3］。網絡化測井系統實質是將分布在不同地理空間的傳感器、控制器、執行器等控制系統部件，通過串行數據通訊網絡構成閉環的反饋控制系統［4］。網絡化測井系統可通過衛星通訊、互聯網或3G網絡實施的遠程控制和傳輸技術，實現全球無縫隙的寬帶網絡接入，實現總部對現場、現場對現場的技術支持和全球數據共享，幫助現場解決突發的技術問題。

1 測井系統的體系結構

測井系統通常由地面系統、電纜傳輸與井下儀器總線和井下儀器3部分構成。現有的測井系統缺乏完善、統一的系統結構，使用共同的現場總線，把地面系統各面板和井下儀器直接連接起來。當前在測井系統中仍然存在著多種總線并存的現象，用戶面臨著現場總線的選擇、集成以及不同協議的系統之間的信息交互問題。

隨著測井系統規模不斷擴大，大型的、采用多種總線集成的、分層的異構網絡化控制體系結構是測井領域的主要實現形式。這種異構體系使測井系統中的設備層、控制層、網絡交換層、數據管理層和客戶層等構成一個完整的企業網絡平臺。異構網絡化控制系統在統一的網絡平臺上實現2種集成：①測井系統之間的水平集成，使測控信息橫向實時交互；②測井系統與信息系統的垂直集成，使管理信息縱向快速流動。這種體系對實現上層過程的實時數據交互、建立綜合決策信息庫、保持數據的一致性和完整性、實現遠程監控和診斷以及加強測井服務內外部信息交流等都有重要作用［4］。

2 基于以太網技術的網絡化測井系統

基于現代網絡通信技術的測井系統是網絡化、模塊化和開放的平臺。由于測井系統的特殊性設計了滿足測井需要的、獨特的網絡拓撲結構（見圖1）。整個結構由3個網絡組成，地面設備和井下儀器網絡具有自己獨立的網段，這2個網絡各自有1個路由網關，通過測井電纜傳輸系統相連，并形成第3個網絡。每個網絡的不同設備都可以互相訪問，為測井中的不同需求提供了便利。

2.1 地面系統網絡結構

地面系統網絡以網絡交換機為中心連接各種地面設備，形成星型的網絡結構（見圖2）。地面系統網絡的網關位于地面遙傳面板中，測井計算機下發的命令，經網絡交換機到地面遙傳面板的路由網關，通過電纜傳輸系統下發到井下儀器的路由網關，然后轉發到相應的井下儀器；井下儀器執行地面下發的命令后，將儀器采集的數據經井下網絡路由網關、電纜傳輸、地面網絡路由網關和網絡交換機發送到地面計算機進行處理。地面系統的每個設備都是網絡的一個節點，并具有唯一的IP地址，計算機通過相應的IP地址訪問不同的地面設備，實現對每一地面設備的監控和配置。各種測井服務通過計算機自動控制切換，避免了人為操作的不確定性，提高了系統的效率和可靠性。

圖1 網絡化測井系統結構圖

2.2 井下儀器網絡結構

圖2 地面系統網絡結構圖

井下儀器網絡由井下儀器組成，各個井下儀器通過各自的以太網通信接口連接到以太網總線，從而形成井下系統的以太網網絡系統。井下儀器各自具有唯一的IP地址，地面系統網絡通過電纜測井傳輸系統和井下儀器網絡相連，地面測井計算機可以通過TCP／IP協議對其進行訪問，發送控制命令和接收測井數據。整個系統的數據傳輸邏輯框圖如圖3所示。測井系統通過井下儀器網絡并配合電纜傳輸系統，實現地面控制臺與井下各儀器之間的信息交互，完成對油井的測試功能。井下儀器網絡的主要功能是負責井下儀器數據的收集和轉發，并通過電纜傳輸系統傳送到地面控制臺中，同時還需要協調多臺儀器和電纜數據傳輸系統的數據交換節奏。其核心功能是通過儀器通訊接口板的電路板實現的。在地面控制臺與井下儀器之間的通信中，儀器通訊接口板的作用是接收地面控制臺下發的控制命令，并把其中的儀器類操作控制命令向儀器轉發；接收儀器采集的測試數據并打包上傳到地面控制臺進行處理。

圖3 數據傳輸邏輯框圖

每一個不同的設備出廠時都具有各自獨立的ID號標識，通過ID號可以方便地對設備進行檢修、更換和追蹤。每個設備和儀器是相對獨立的，因此，可以方便地在測井過程中對它們進行控制，或改變工作模式。

在協議層使用標準的TCP／IP協議，使得實時數據交互，實現遠程監控和診斷以及加強信息交流變得非常簡單，不需要任何數據轉換就可以實現各個測井現場以及測井現場和控制中心的數據交互，任意調取任何一個正在測試儀器的資料。

地面系統的各設備通過各自的以太網通信接口連接形成以太網網絡，同時井下系統的各儀器也通過各自的以太網通信接口連接形成以太網總線系統，使得整個測井系統從地面到井下都實現了以太網互聯，切實有效地把網絡技術融入測井系統中。

2.3 測井電纜傳輸系統

基于以太網通信技術的網絡化的測井系統由于引入了標準TCP／IP協議，帶來了一定量的額外數據，因此需要有一個全雙工的高速率電纜傳輸系統作為通信的保障。

用于測井電纜傳輸系統的常見編碼調制技術包括正交頻分復用（OFDM）［5－6］、正交振幅調制（QAM）、曼徹斯特碼（Manchester）等［7］。采用傳統的曼徹斯特碼等編碼調制方式的測井電纜傳輸系統所獲得的低傳輸率已成為制約測井儀器發展的瓶頸［8］。正交頻分復用技術利用子載波間的正交性很好地解決了頻帶利用率和碼間干擾問題，具有較強的抗干擾能力和自適應能力，可以在帶寬有限的測井電纜上實現數據的高速傳輸。目前，各公司研發成功的高速測井電纜傳輸系統大都基于該項技術。其中，哈里伯頓公司推出的最新測井系統IQ快速平臺使用了ADSL通訊方式，上傳速率達到800 kbit／s［9］，中海油田服務股份有限公司技術中心基于OFDM技術開發的測井電纜高速數據傳輸系統試驗測試平臺，在7 000m的傳統電纜上實現了900 kbit／s的傳輸數據率［6］。長城鉆探工程公司測井技術研究院在分析7芯測井電纜傳輸特性的基礎上，結合測井的實際情況，研發出基于正交頻分復用技術的兆級高速測井電纜傳輸系統。

測井電纜傳輸系統通過IP路由方式把地面系統網絡和井下儀器總線網落連接到一起，實現了數據直接傳輸和控制，實現了網絡化測井系統。

2.4 網絡時鐘同步

網絡時鐘同步是指維護一個全局一致的物理或邏輯時鐘，使網絡系統的多種節點（計算機、交換器、路由器等）的信息、事件以及與時間有關的行為，有一個全局一致的解釋，以確保節點發送和接收的信息在時間或邏輯上完全正確［10］。時鐘同步是設計與實現網絡化測井系統中的一項重要內容。網絡化測井系統，不能使用傳統的深度采樣方式，需要用時間采樣方式進行數據采樣，因此它需要精確的時鐘同步控制，保證井下儀器的數據采樣時間與地面深度面板的時間一致。井下儀器的時間和地面深度面板的時間誤差應在毫秒級范圍內，可采用的網絡時鐘同步協議有NTP（network time protocol），協議在局域網上精度可達毫秒級，且同時可與多個時間服務器進行校準；SNTP（simple network time protocol）協議可以與1個時間服務器進行校準，一般用于客戶端；IEEE1588精確時間協議PTP（precision time protocol）能實現亞微秒級時鐘同步［4］。

3 應用情況

網絡化測井系統技術已經成功應用到LEAP800測井系統中，系統基于以太網通信技術的地面系統和井下儀器總線，使用標準的TCP／IP協議，實現了從地面到井下儀器的直接互聯。該系統的采集軟件采用了統一底層和平臺化設計的總體架構，實現了系統的開放性、儀器動態掛接、遠程操控和在線升級等功能，同時支持多語言、多單位制以及國際標準的數據和圖文格式，方便了數據綜合處理和解釋評價［11］。

基于正交頻分復用技術的全雙工測井電纜傳輸系統上傳和下傳速率分別達到了1 000kbit／s和50 kbit／s，并具有建立時間短、工作穩定可靠、自適應不同測井電纜等特點，完全滿足網絡化系統的需要。LEAP800測井系統做到了小于5ms精度的時間同步，保證了測井系統良好精度，運用ARM＋DSP的先進的半導體芯片和實時操作系統很好地解決了大數據量實時處理的問題。

該系統在井場先后多次在河北任丘、山東孤島和遼寧盤錦等地方的試驗井進行了下井測試，同時也分別在遼河油田、內蒙古油田及吉林油田等商業井進行了試驗，測井作業成功率100%。商業井包括生產井和探井；地層巖性涵蓋了砂泥巖、砂礫巖、碳酸鹽巖和火成巖；井眼泥漿包括了咸水泥漿、低電阻率淡水泥漿、普通淡水泥漿和高電阻率淡水泥漿［11］，所有的測井試驗均取得了完整的測井曲線。

LEAP800常規測井儀器包括了陣列感應和相控陣列聲波測井儀，除新研制的儀器外，常規測井儀器也作了一些改進和升級。雙側向、巖性密度、補償中子和自然伽馬能譜等儀器的性能或測井質量有些改善。圖4是商業井陣列感應測井滿貫儀器串的測井資料；圖5是商業井雙側向測井滿貫儀器串的測井資料，其中顯示了井徑、自然電位、自然伽馬、陣列感應、雙側向、補償中子、巖性密度、聲波縱波時差和光電吸收截面（Pe）等測井曲線［11］。

圖4 陣列感應滿貫儀器串測井曲線實例

圖5 雙側向滿貫儀器串測井曲線實例

4 結束語

兆級電纜傳輸系統的成功開發與應用，使得互聯網技術在井下儀器中的應用成為現實；遠程操控測井系統的整體網絡化使得遠程測井成為可能，網絡通信技術在新一代測井系統中將會得到更為廣泛的應用。

［1］ 張元中，肖立志.新世紀第一個五年測井技術的若干進展［J］.地球物理學進展，2004，19（4）：828－836.

［2］ 路相宜.863計劃發力鉆井前沿技術——訪中國工程院院士蘇義腦［J］.中國石油石化，2007，16（1）：46－47.

［3］ 郭嗣杰，劉東友，田彥民.測井儀技術的發展趨勢［J］.船艦防化，2006（2）：43－46.

［4］ 戴航，慕德俊.網絡化工業控制系統的研究進展［J］.測控技術，2008，27（1）：1－3.

［5］ 秦偉，王煒，陳鵬.基于OFDM的高速遙傳電纜調制解調器設計［J］.測井技術，2006，30（5）：467－469.

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［7］ 測井學編寫組.測井學［M］.北京：石油工業出版社，1998：324－334.

［8］ 馮啟寧，鞠曉東，柯式鎮，等.測井儀器原理［M］.北京：石油工業出版社，2010，372－375.

［9］ 馬順元.LOG－IQ成像測井系統培訓手冊［M］.北京：石油工業出版社，2007：102，167.

［10］胡海峰，陳喜.局域網時鐘同步機理的研究［J］.微型電腦應用，2004，20（3）：46－49.

［11］肖加奇，陳文軒，白慶杰，等.新一代網絡化測井系統LEAP800［J］.長城鉆探科技，2010，1（1）：1－8.

Research of Networked Well Logging System Based on Ethernet Technology

CHEN Wenxuan，PEI Binbin，ZHAO Shuai，YAO Dezhong，CHEN Shixue，YUE Hongtu
（The Well Logging Technology Center of Great Wall Drilling Company，CNPC，Beijing 100176，China）

Networked well logging system has been a new direction for well logging research these years.Introduced is a new generation of Ethernet－based well logging system which implements resource sharing，simplifies system configuration and design，enhances system operability，maintainability and reliability，makes assignments such as upper－level management strategy，control and optimization connect with control assignments of on－site equipments and therefore cuts the implementation cost of well logging system.Networked well logging system has been successfully applied to LEAP 800well logging system developed independently by the Well Logging Technology Center of Great Wall Drilling Company.This system is a comprehensive and open network modeling platform.The upstream and downstream data rate of its telemetry system reaches up to 1 000kbit／s and 50kbit／s respectively，which meets the requirements of networked system.LEAP 800well logging system achieves time synchronization with maximum tolerance of less than 5ms，ensures favorable accuracy of the well logging system，and solves a real－time high－throughput data processing problem.

well logging system，ethernet，clock synchronization，telemetry，networked system

P631.83；TE9；TP393

A

2011－08－22 本文編輯 李總南）

1004－1338（2012）03－0286－04

陳文軒，男，1963年生，高級技術專家，從事測井系統總體設計、電纜測井數據傳輸和井下儀器總線研究工作。