新一代信息化石油測井系統設計

吳興東

(中船重工第七一六研究所 江蘇連云港)

新一代信息化石油測井系統設計

吳興東

(中船重工第七一六研究所 江蘇連云港)

文章介紹了處于測井行業技術前沿的新一代信息化石油測井技術。信息化石油測井技術主要特點是實現全網絡化測井,結合高速電纜遙測和衛星遠程測控等核心技術實現測井全過程的信息化管理。文章主要介紹了信息化測井技術的總體網絡化架構、遠程測控的運行方式及軟件結構,分析了高速電纜遙測調制解調、數據壓縮以及時深轉換等關鍵技術。

石油測井;網絡化;遠程測控;電纜高速遙測;數據壓縮;時深轉換

0 引 言

隨著石油勘探的高精度、薄地層、大斜度井、遠距離作業等高要求的日益提出,石油測井技術也面臨更高標準和更快發展需求,同時,相關領域的最新技術成果推動了測井技術的發展,測井技術不斷向網絡化、遠程控制、高可靠性、高時效化等信息化方向發展。信息化測井技術將進一步提高測井成功率,可通過遠程專家系統對現場施工質量進行監控,降低現場服務成本,代表了測井技術未來的發展趨勢。以哈里伯頓公司最先進的LOGIQ測井系統為例[1、2],其設計理念正是通過互聯網技術,實現測井數據采集、處理、分析以及解釋的遠程控制和共享,實現油藏解決方案的實時化和動態化。

圖1 新一代信息化測井系統總體架構

信息化測井系統架構如圖1所示。地面系統全面采用井下程控供電技術,全系統采用全網絡結構設計,多種井下儀器通過MODEM與地面測井計算機、繪圖儀、深度系統等設備組成測井局域網,井下儀之間采用10M速率交換式全雙工以太網(即10Base-T網絡)連接,遠程管理中心通過衛星通訊對測井現場局域網進行訪問和測控。本文將對主要的網絡化架構、遠程控制、軟件結構和關鍵技術等四個部分進行描述。

1 網絡化架構

信息化測井技術的核心是網絡化技術,網絡測井將實現信息的實時共享和指令的多向傳遞。新一代信息化測井系統采用全網絡結構設計,一方面,將地面計算機系統和井下儀器通過測井電纜組成局域網,將系統中的每一個單元都作為獨立的節點納入其中,整個測井網絡數據傳輸采用可靠的TCP/IP傳輸協議,另一方面,利用英特網和衛星技術把網絡化架構延伸到廣域網,使得測井作業突破空間距離概念的限制。

井下網絡采用總線型或交換型傳輸模式,每一支井下儀器都有一個獨立固定的IP地址,所使用的傳輸介質為同軸電纜或兩對雙絞線,符合標準以太網協議。美國哈里伯頓公司的新一代LOGIQ測井系統采用的是同軸電纜方案,是半雙工總線型局域網,相比較而言,最新研究的應用于信息測井系統的交換型網絡采用兩對雙絞線傳輸,是全雙工傳輸模式,該網絡沖突少,軟硬件實現的復雜度大大降低,同時測井系統通信的實時性也能得到提高。

信息化測井全網絡結構如圖2所示,地面PC104結構的嵌入式計算機負責井下儀器數據的采集和控制,數據采集中心主要負責儀器數據的處理以及人機界面交互,二者之間通過標準以太網通訊。如遙測伽馬(DTGR)儀器的數據傳輸,地面PC104接收到打包上傳的數據并進行解包,通過IP地址xxx.xxx.x.21判斷為DTGR的數據,然后轉發至數據采集中心。數據采集中心將DTGR的數據繪制成曲線,最后通過局域網中的繪圖儀打印輸出。遠程用戶可以通過廣域網訪問測井計算機,從而達到遠程測井和監控的目的。

圖2 信息化測井系統的全網絡結構

2 遠程控制系統

遠程控制系統是信息化石油測井技術應用的重要組成部分,能夠實現遠程服務監控、遠程故障診斷維修、遠程系統控制、遠程實時數據傳輸和顯示等功能。

測井區域多在沙漠戈壁等遠離城市的無人區,互聯網通常達不到這些測井場所。因此,衛星通訊技術將是遠程控制系統最好的拓展,只要有衛星覆蓋的任何地方,遠程控制系統都能使用。遠程控制系統主要由衛星遠程通訊、英特網接入和遠程管理中心三個部分組成。專家系統可根據權限通過互聯網不受地域限制介入任何測井作業現場。

石油系統的國際衛星網主要由主站、衛星、遠端站三部分組成。目前,衛星通信為石油勘探和鉆井作業隊伍等提供與總部的數據傳輸鏈路,主要有以下幾項應用:能夠實現與總部進行網絡協同辦公;能夠通過位于總部的VOIP平臺進行內部通話和PSTN外部通話;通過應急通信指揮車,能夠與總部進行不定期的視頻會議;在某些緊急情況下,能夠把圖像傳輸到總部。

信息化測井的遠程通信系統無須建立基站,只需通過地面接口與國家衛星關口站連接即可。通過租用衛星頻段,具備國際、國內衛星通信資格。遠程通信系統引入靈活按需多址 (FlexiDAMA)方案。靈活按需多址(FlexiDAMA)是最新穎的衛星通信網系統,融合了先進數據壓縮、網絡協議加速以及TCP/IP性能增強功能。試驗測試表明,其中的TCP/IP性能增強功能可以提高衛星通訊近10倍的效率,網絡實測5M的文件從主站到小站只需32.43 s,而關掉TCP/IP性能增強功能則需328.25 s。與傳統衛星通信網絡相比,FlexiDAMA系統具有容量大、技術先進等優勢,使石油測井遠程實時控制成為可能。

3 信息化測井軟件結構

測井軟件采集平臺是整個系統的中樞部分,完成測井數據的工程值計算、測井過程中的控制等任務。根據信息化石油測井系統模型以及需求分析,測井軟件的體系結構將突破原來測井軟件的模式,從單機測井軟件向網絡化、并行化方向發展。結合其特點,測井軟件采用三層C/S結構,三層C/S系統是軟件架構模式中的一種。如圖3所示。

圖3 信息化測井軟件C/S結構

三層C/S結構分為三部分:客戶、應用服務器和數據庫服務器。首先,客戶部分用來顯示信息和收集數據,與應用服務器交接,提供可視化接口;其次,應用服務器部分主要實現應用邏輯,是連接客戶與數據庫服務器的橋梁,響應用戶發來的請求執行某種任務,并與數據庫服務器交接;最后,通過數據庫服務器部分實現數據的定義、維護、訪問、更新以及管理,并響應應用服務器的數據請求。

測井軟件系統采用三層結構的軟件架構模式后,允許合理劃分三層結構的功能,在邏輯上保持相對的獨立性,使采集軟件的邏輯結構更加合理,能提高系統和軟件的可維護性和可擴展性;能夠更靈活地適應不同的地面系統和硬件系統,使得軟件在不同系統上的移植更加容易,同時還能保持良好的升級性和開放性;此外,多層結構的各層可以并行開發。

4 關鍵技術

在建立以上的信息化測井架構基礎上,必須解決主要關鍵技術才能實現真正的產品化。

4.1 電纜高速遙測通訊技術

信息化測井技術使用先進的編解碼調制解調技術和均衡技術來實現高速率傳輸。根據測井電纜線路衰減的特性,利用ADSL寬帶接入的DMT技術和回波抵消技術,并通過不對稱傳輸,使上、下行信道分開以降低衰減、串音、碼間干擾,提高了現有電纜的頻帶利用率。

高速電纜遙測系統由發送機、傳輸信道和接收機三部分組成。在發送端,由DMT調制器將數據與數字信號轉換成適合于信道傳輸的模擬信號,傳輸信道將信號從發送端傳輸到接收端后,接收端采用加循環前綴和時域均衡來消除碼間干擾,從接收到的失真信號中恢復發送的時鐘和數據。ADSL高速電纜遙測系統原理如圖4所示[3]。

圖4 ADSL高速電纜遙測系統原理

ADSL寬帶接入技術中最關鍵的是調制解調技術,它關系到數據的傳輸速率、傳輸距離以及系統設備的復雜程度。ADSL技術主要采用了先進的離散多音頻調制技術(DMT)進行信道編碼,提高了現有電纜的頻帶利用率。DMT是一種并行數據傳輸組合頻分復用(FDM)的多載波傳輸技術,它把數據流分解為若干個子數據流,從而使子數據流具有較低的傳輸比特速率,并利用這些數據流分別去調制若干個載波。多載波系統串并變換等效于延長了符號周期,從而提高了抗脈沖噪聲和快衰減的能力,同時提高了系統靈活適應信道的能力。

信息化測井技術應用ADSL編解碼調制解調技術和均衡技術,7 000 m以上電纜的傳輸速率高達800 kbps,提高了現有測井電纜的頻帶利用率,其數據傳輸速率遠高于傳統的遙傳儀器,為網絡系統通訊和成像井下儀器大數據量傳輸提供了保證。

4.2 數據壓縮技術

基于網絡技術的信息化測井數據采集系統以快速、可靠、信息共享為主要特征,高精度大數據量的測井信息對網絡數據傳輸的效率和高可靠性提出了高標準的要求,數據壓縮技術將成為新一代測井技術中不可或缺的重要手段。信息化測井采用數據壓縮技術,使成像測井儀占用帶寬降低50%。

4.3 時深轉換技術

時深轉換技術是信息化測井系統中必須采用的深度對齊方法。在測井過程中,儀器采集的數據必須按一定的采樣率對照相應的深度值才能最終作出有效的資料解釋,即在顯示和繪圖時各條曲線在深度上具有相關性。傳統的測井采集系統中,以深度中斷作為采集軟件驅動,測井數據直接與深度對應。在信息化測井系統中,以時間為驅動,在采集數據的同時記錄井下儀器數據采集的時間,將記錄的數據打上時間標記一并上傳,并以時間為驅動采集深度信號,通過時深轉換算法來確定對應的深度值。

5 結 論

空間距離概念的突破對測井作業具有非常重要的意義。新一代信息化測井系統將為測井服務實現快速決策、有效處理緊急事件提供保證,尤其是對于一些困難條件下的作業,如海上、沙漠及其它惡劣環境,將大大提高作業效率和質量;另一重要的方面是為在社會安全風險較高國家的安全作業提供了技術保障,測井作業大部分可由當地員工承擔。隨著我國石油勘探國際化戰略的實施,國產高端測井系統參與國際競爭的舞臺日益廣闊。新一代信息化測井系統符合測井行業的長遠需求,將為我國測井技術發展和參與國際市場競爭開辟嶄新的前景。

[1] Atlas Wireline company.System operating guide.Volume 4“Eclips”

[2] [美]哈里伯頓公司.FIELD OPERATION MANUAL.2003(資料)

[3] John Proakis.Digital Communication[M].北京:電子工業出版社,1998

Design of the new generation information logging system.

Wu Xingdong.

This paper introduces the new generation information logging system,which is characterized by its whole-network logging mode.Taking advantages of such techniques as high speed cable telemetry and satellite remote measurement and control,the new system achieves the information-based management of the overall logging process.The general network structure of the information logging technology,the operation mode of the remote measurement and control,the software frame,and the key techniques of high-speed cable telemetry modulation and demodulation,data compression and timedepth conversion are focused on in this paper.

oil well logging;network;remote measurement and control;high-speed cable telemetry;data compression;time-depth conversion

P631.6+3

B

1004-9134(2011)03-0001-03

吳興東,男,1970年生,高級工程師,1991年畢業于東南大學物理電子技術專業,現任中船重工第七一六研究所石油電子工程部主任,多年從事石油測井系統研制和管理工作。郵編:222006

2011-04-09編輯梁保江)

PI,2011,25(3):1～3

·開發設計·