鉆井數據傳輸方式研究

陳思宇

摘 要：由于鉆井有很高的風險性，并且鉆井現場一般條件比較惡劣，因此選擇一種穩定快速的傳輸數據方式尤為重要。在井場建立小型井場局域網，將傳感器、儀表工控機、數據采集傳輸服務器、數據錄入終端等連接起來，同時實現井場局域網與遠程傳輸網絡的對接，實現井場數據的高速流轉、處理和發送。通過對現場總線和遠程數據傳輸方式的研究，提出了一套適用的“CAN總線+以太網+CDMA/GPRS”快速數據傳輸系統，經現場實際應用后，該系統傳輸數據速度快、誤碼率低。

關鍵詞：數據傳輸；CAN總線；以太網；CDMA/GPRS

RS-485是單主從結構，是一個總線上只能有一個主機，通信由主機發起，主機不發命令，下面的節點不能發送，且需要發完即答，收到回復后主機才向下一個節點詢問，這樣是為了防止多個節點向總線發送數據，而造成數據錯亂。

隨著計算機科學、信息科學和網絡通信技術的飛速發展，讓數字化鉆井技術不斷提升。在國外，特別是北美，有集工程設計、數據采集、數據傳輸、數據庫、施工監測與生產指揮為一體的鉆井信息系統[1]。這種系統會自動采集鉆井過程中的參數，并傳輸到作業現場的計算機，再由通信網絡將生產信息傳輸到總部信息中心，由各學科專家組成的工作小組將對收到的信息進行分析，并據此作出相應的對策，再反饋回施工現場，監督指導生產實踐。

而數字化鉆井的核心就是一個綜合的實施決策系統，在這個系統框架內可以分為三個層面。第一個層面是鉆井工程數據實時采集和遠程傳輸系統；第二個是鉆井事故診斷系統；第三個層面是遠程協同群體決策支持平臺。作為數字化鉆井的第一個層面，如何將現場大量數據以較小的延遲傳輸到井場端和基地端顯得尤為重要。

一、井場局域網

通過傳感器自動獲取及派生計算的數據主要是鉆井工程參數、鉆井錄井數據、氣測資料以及井眼幾何參數，如遲到時間、遲到井深、鉆頭位置、鉆頭進尺、大鉤負荷、轉盤轉速、鉆時、鉆壓、扭矩、鉆頭壓降、水力效率、循環密度、巖屑濃度、比水馬力、噴嘴噴速、射流沖擊力、循環壓耗、環空壓耗、牙齒磨損、軸承磨損、鉆桿殘余檢查間隔、鉆鋌殘余檢查間隔以及井斜、方位、工具面等參數。由于不同傳感器所使用的信息編碼協議不盡相同，所以要獲取這些數據必須研發對應的接口軟件，將獲取的信號進行解碼和預處理，轉換成數據庫規定的格式[1]。

考慮到所采集的參數比較多，并且需要實時進行監控，因此在井場建立小型局域網，將采集到的數據實時顯示在PC機上，以便進行實時監測和預警。以太網作為當今應用最廣的局域網技術，具有性價比高、靈活性和互操作性強等特點。現場總線多標準，低速和不易與高層網絡進行信息集成的缺點在應用以太網之后將得到徹底的改變。

以太網具有相當高的數據傳輸速率，能夠提供足夠的帶寬，工作可靠，便于維護和故障恢復，它和TCP/IP很容易集成到信息領域中去，除去它的技術優勢之外，以太網的成本較低。由于目前技術無法將以太網應用于工業的底層，因此將以太網與其他總線相結合是一種趨勢[2]。并且使用以太網之后更加方便，使用其他總線轉以太網之后，可以把其他總線的接口留在現場，而監控計算機這端只保留一根網線即可。

目前常采用現場總線和以太網相連或者RS485總線和以太網相連。在現場總線中CAN總線相對于其他現場總線，有明顯的優勢，因此現場總線采用CAN總線。下面為CAN總線和RS485各自的特點：

1.CAN總線

CAN是控制器局域網的簡稱，是由德國Bosch公司推出的，是世界上應用最廣泛的總線之一。CAN總線屬于總線式串行通信網絡，與其他通信總線相比，它的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性[2]。

CAN總線是多主從結構，每個節點都有控制器，多個節點發送時，以當時發送的ID號自動進行仲裁，這樣就能完成總線數據的整齊，而且一個節點發送完畢，另一個節點可發現到總線空閑，馬上發送，省了主機的詢問，提高了總線速率，增強了快速性。而CAN總線通過CAN收發器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態只能是高電平或懸浮狀態，CANL端只能是低電平或懸浮狀態，CAN總線有控制器，可以對總線各個錯誤進行識別，CAN節點在錯誤嚴重的地方下具有自動關閉輸出功能，這樣總線上其他節點的工作不受影響，從而保證不會出現因個別節點出現問題，使得總線處于癱瘓狀態。如果檢測到其他節點錯誤或自身錯誤，都會向總線發送錯誤幀，來提示其他節點這個數據是錯誤的。這樣CAN總線若一個節點程序跑飛了，它的控制器自動閉鎖保護總線。所以對安全性要求高的網絡，CAN是很強的[3]。CAN具有的完善的通信協議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現，從而大大降低系統開發難度，縮短開發周期。

2.RS-485總線

RS-485是單主從結構，是一個總線上只能有一個主機，通信由主機發起，主機不發命令，下面的節點不能發送，且需要發完即答，收到回復后主機才向下一個節點詢問，這樣是為了防止多個節點向總線發送數據，而造成數據錯亂。RS-485只規定了物理層，沒有數據鏈路層，對錯誤無法識別，除非一些短路等物理錯誤。這樣容易造成一個節點破壞，一直向總線發數據，造成總線網絡癱瘓。所以RS-485一旦壞一個節點，這個總線網絡就會癱瘓。利用RS-485只能構成主從式結構系統，通信方式也只能以主站輪詢的方式進行，系統的實時性、可靠性較差[3]。

二、遠程數據傳輸

及時準確地將收集到的數據實時地傳輸到網上共享，領導專家能及時看到井上的生產情況和技術參數的實時變化，及時有效地與現場溝通，預防和減少很多井下事故的發生，也根據實時傳輸采集現場的地層、巖性、鉆井參數等數據，及時科學地對該地區進行研究和探討，為以后該地區的施工提供了強有力的技術支持。

不僅如此，隨著油田數字化進程的加快，對現場技術人員的要求也越來越高，需要技術人員提供的基礎數據也越來越復雜，無形中對技術人員要求也越來越高，也給技術人員增加了很多工作量，鉆井數據采集傳輸系統的使用，不僅解決了現場技術人員手機資料的復雜性，也實現了現場技術人員在辦公室指揮生產，大大減少了現場技術人員的工作量，及時監督司鉆對技術參數的執行情況。

由于井場多數處于邊遠山區，不適合進行有線傳輸，一般采用無線傳輸，常用的無線遠程傳輸方式有：

（1）無線超短波。無線超短波是指數據通過超短波或微波的方式進行空間傳輸的一種無線通信方式。其通信距離很遠通常可達幾十千米，并可以通過中繼站進一步傳輸，布網非常方便，傳輸頻帶較寬。此方式可用于提供標準接口，點對點或點對多點的數據傳輸，可直接與計算機、RTU、PLC等硬件設備直接進行連接，實現數據透明傳輸，接收靈敏度較高，技術相對成熟。超短波受電臺數量的限制，適合小規模應用，微波通訊需要建立大量數據中繼站，建設站點和維護成本都很高，同時受電磁和環境干擾的影響較大。

（2）CDMA/GPRS。CDMA /GPRS

通信速率可以達到171.2kbps，其通信網絡覆蓋面積廣、系統容量高、所需基站少，同時具有對較強抗風險能力，而且組網方便、投資和運行費用低、數據傳輸準確、安全可靠，時效性和帶寬完全可以滿足井場數據的傳輸要求，并且其傳輸速率還在不斷提升中。

（3）衛星通信。具有覆蓋面廣泛，不受地域限制，采用數字傳輸技術，提高了傳輸效率。利用衛星進行數據傳輸的數據量大，距離遠，可以說覆蓋了全球每個角落。缺點是兩站間的通信經過中繼衛星，傳輸時延大。另外由于建設衛星地面主站費用過高，且衛星的租用費用驚人，一般企業承受不起，目前還不適合在我國油田廣泛應用。通過對比，適合井場遠程傳輸的有CDMA/GPRS和衛星通信，而衛星費用較高，因此一般采用CDMA/GPRS進行傳輸，在超遠距離或不適合CDMA/GPRS方式傳輸時采用衛星傳輸。

在鉆井現場常采用的遠程數據傳輸方式為CDMA/GPRS和衛星通信，它們傳輸速率高，準確穩定，無線超短波只適合小規模通信。由井場端發送到基地端或通過衛星通信是在移動通信網絡基礎上發展的數據傳輸技術，能夠提供端到端和廣域無線IP的連接，通過網絡控制器可以直接接入Internet，是無線終端設備網絡化的絕佳方式。當前來說，由于井場地處偏遠或者沙漠戈壁地區，無線遠程數據通信為其最好的選擇。

隨著通信技術的發展，移動3G和衛星通信將不斷應用于石油行業，這樣在全球范圍內都能監測現場情況，調用現場數據。對于自動化越來越高的鉆井現場，數字化井場一定會一步一步實現。

三、結語

（1）結合現場實際情況及現場總線的優缺點，提出了一套更好的數據傳輸方式，采用CAN總線+以太網方式，不但數據傳輸速度快而且可以應對更多的鉆井參數并且易建立局域網。

（2）結合數字化井場的發展趨勢，提出了適合井場傳輸的系統，使得井場采集的數據可以更快地傳輸到基地端。這樣可以更快地進行事故診斷和遠程協同決策，更好地解決井場問題。

參考文獻：

[1]劉國強，朱清祥.錄井方法與原理[M].北京：石油工業出版社， 2011：79—163.

[2]薄芳芳.鉆井工程數據實時采集與遠程傳輸系統設計與實現[D].上海：上海交通大學，2011：1—6.

[3]郭永鋒.CAN總線與RS-485總線的技術優勢對比[J].中國新通信，2012（15）.

（作者單位：遼寧市盤錦市雙臺子區合閘管理處）