基于以太網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)井系統(tǒng)研究

陳文軒，裴彬彬，趙帥，姚德忠，陳仕學(xué)，岳宏圖

（中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程公司測(cè)井技術(shù)研究院，北京100176）

基于以太網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)井系統(tǒng)研究

陳文軒，裴彬彬，趙帥，姚德忠，陳仕學(xué)，岳宏圖

（中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程公司測(cè)井技術(shù)研究院，北京100176）

介紹了新一代基于以太網(wǎng)技術(shù)的測(cè)井系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的測(cè)井系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)資源共享，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的配置與設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可操作性、可維護(hù)性和可靠性，使上層管理決策、調(diào)度與優(yōu)化等任務(wù)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制任務(wù)連接到一起，降低測(cè)井系統(tǒng)的實(shí)施成本。網(wǎng)絡(luò)化測(cè)井系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用到LEAP800測(cè)井系統(tǒng)中，該系統(tǒng)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化、模塊化和開(kāi)放的平臺(tái)，它的電纜傳輸系統(tǒng)上傳和下傳速率分別達(dá)到了1 000kbit／s和50kbit／s，完全滿足網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的需要；LEAP800測(cè)井系統(tǒng)做到了小于5ms精度的時(shí)間同步，保證了測(cè)井系統(tǒng)良好精度，運(yùn)用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)很好地解決了大數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)處理的問(wèn)題。

測(cè)井系統(tǒng)；以太網(wǎng)；時(shí)鐘同步；電纜傳輸；網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)

0 引 言

測(cè)井技術(shù)在油氣資源的勘探與開(kāi)發(fā)中發(fā)揮著重要作用［1］。石油勘探地質(zhì)情況越來(lái)越復(fù)雜，進(jìn)而對(duì)測(cè)井技術(shù)要求也越來(lái)越高［2］。測(cè)井系統(tǒng)向集成化、快速化的方向發(fā)展，由此帶來(lái)測(cè)井技術(shù)進(jìn)入高可靠、高集成和高精度測(cè)井時(shí)代［3］。網(wǎng)絡(luò)化測(cè)井系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是將分布在不同地理空間的傳感器、控制器、執(zhí)行器等控制系統(tǒng)部件，通過(guò)串行數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)［4］。網(wǎng)絡(luò)化測(cè)井系統(tǒng)可通過(guò)衛(wèi)星通訊、互聯(lián)網(wǎng)或3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)施的遠(yuǎn)程控制和傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫隙的寬帶網(wǎng)絡(luò)接入，實(shí)現(xiàn)總部對(duì)現(xiàn)場(chǎng)、現(xiàn)場(chǎng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)支持和全球數(shù)據(jù)共享，幫助現(xiàn)場(chǎng)解決突發(fā)的技術(shù)問(wèn)題。

1 測(cè)井系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

測(cè)井系統(tǒng)通常由地面系統(tǒng)、電纜傳輸與井下儀器總線和井下儀器3部分構(gòu)成。現(xiàn)有的測(cè)井系統(tǒng)缺乏完善、統(tǒng)一的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使用共同的現(xiàn)場(chǎng)總線，把地面系統(tǒng)各面板和井下儀器直接連接起來(lái)。當(dāng)前在測(cè)井系統(tǒng)中仍然存在著多種總線并存的現(xiàn)象，用戶面臨著現(xiàn)場(chǎng)總線的選擇、集成以及不同協(xié)議的系統(tǒng)之間的信息交互問(wèn)題。

隨著測(cè)井系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，大型的、采用多種總線集成的、分層的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化控制體系結(jié)構(gòu)是測(cè)井領(lǐng)域的主要實(shí)現(xiàn)形式。這種異構(gòu)體系使測(cè)井系統(tǒng)中的設(shè)備層、控制層、網(wǎng)絡(luò)交換層、數(shù)據(jù)管理層和客戶層等構(gòu)成一個(gè)完整的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)在統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)2種集成：①測(cè)井系統(tǒng)之間的水平集成，使測(cè)控信息橫向?qū)崟r(shí)交互；②測(cè)井系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的垂直集成，使管理信息縱向快速流動(dòng)。這種體系對(duì)實(shí)現(xiàn)上層過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互、建立綜合決策信息庫(kù)、保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性和完整性、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷以及加強(qiáng)測(cè)井服務(wù)內(nèi)外部信息交流等都有重要作用［4］。

2 基于以太網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)井系統(tǒng)

基于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的測(cè)井系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)化、模塊化和開(kāi)放的平臺(tái)。由于測(cè)井系統(tǒng)的特殊性設(shè)計(jì)了滿足測(cè)井需要的、獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）。整個(gè)結(jié)構(gòu)由3個(gè)網(wǎng)絡(luò)組成，地面設(shè)備和井下儀器網(wǎng)絡(luò)具有自己獨(dú)立的網(wǎng)段，這2個(gè)網(wǎng)絡(luò)各自有1個(gè)路由網(wǎng)關(guān)，通過(guò)測(cè)井電纜傳輸系統(tǒng)相連，并形成第3個(gè)網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的不同設(shè)備都可以互相訪問(wèn)，為測(cè)井中的不同需求提供了便利。

2.1 地面系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

地面系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)為中心連接各種地面設(shè)備，形成星型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。地面系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)位于地面遙傳面板中，測(cè)井計(jì)算機(jī)下發(fā)的命令，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)到地面遙傳面板的路由網(wǎng)關(guān)，通過(guò)電纜傳輸系統(tǒng)下發(fā)到井下儀器的路由網(wǎng)關(guān)，然后轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的井下儀器；井下儀器執(zhí)行地面下發(fā)的命令后，將儀器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)井下網(wǎng)絡(luò)路由網(wǎng)關(guān)、電纜傳輸、地面網(wǎng)絡(luò)路由網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)發(fā)送到地面計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。地面系統(tǒng)的每個(gè)設(shè)備都是網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并具有唯一的IP地址，計(jì)算機(jī)通過(guò)相應(yīng)的IP地址訪問(wèn)不同的地面設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)每一地面設(shè)備的監(jiān)控和配置。各種測(cè)井服務(wù)通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制切換，避免了人為操作的不確定性，提高了系統(tǒng)的效率和可靠性。

圖1 網(wǎng)絡(luò)化測(cè)井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 井下儀器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2 地面系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

井下儀器網(wǎng)絡(luò)由井下儀器組成，各個(gè)井下儀器通過(guò)各自的以太網(wǎng)通信接口連接到以太網(wǎng)總線，從而形成井下系統(tǒng)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。井下儀器各自具有唯一的IP地址，地面系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)電纜測(cè)井傳輸系統(tǒng)和井下儀器網(wǎng)絡(luò)相連，地面測(cè)井計(jì)算機(jī)可以通過(guò)TCP／IP協(xié)議對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)，發(fā)送控制命令和接收測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸邏輯框圖如圖3所示。測(cè)井系統(tǒng)通過(guò)井下儀器網(wǎng)絡(luò)并配合電纜傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地面控制臺(tái)與井下各儀器之間的信息交互，完成對(duì)油井的測(cè)試功能。井下儀器網(wǎng)絡(luò)的主要功能是負(fù)責(zé)井下儀器數(shù)據(jù)的收集和轉(zhuǎn)發(fā)，并通過(guò)電纜傳輸系統(tǒng)傳送到地面控制臺(tái)中，同時(shí)還需要協(xié)調(diào)多臺(tái)儀器和電纜數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換節(jié)奏。其核心功能是通過(guò)儀器通訊接口板的電路板實(shí)現(xiàn)的。在地面控制臺(tái)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(tái)下發(fā)的控制命令，并把其中的儀器類操作控制命令向儀器轉(zhuǎn)發(fā)；接收儀器采集的測(cè)試數(shù)據(jù)并打包上傳到地面控制臺(tái)進(jìn)行處理。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸邏輯框圖

每一個(gè)不同的設(shè)備出廠時(shí)都具有各自獨(dú)立的ID號(hào)標(biāo)識(shí)，通過(guò)ID號(hào)可以方便地對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修、更換和追蹤。每個(gè)設(shè)備和儀器是相對(duì)獨(dú)立的，因此，可以方便地在測(cè)井過(guò)程中對(duì)它們進(jìn)行控制，或改變工作模式。

在協(xié)議層使用標(biāo)準(zhǔn)的TCP／IP協(xié)議，使得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷以及加強(qiáng)信息交流變得非常簡(jiǎn)單，不需要任何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換就可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)以及測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)和控制中心的數(shù)據(jù)交互，任意調(diào)取任何一個(gè)正在測(cè)試儀器的資料。

地面系統(tǒng)的各設(shè)備通過(guò)各自的以太網(wǎng)通信接口連接形成以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)井下系統(tǒng)的各儀器也通過(guò)各自的以太網(wǎng)通信接口連接形成以太網(wǎng)總線系統(tǒng)，使得整個(gè)測(cè)井系統(tǒng)從地面到井下都實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)互聯(lián)，切實(shí)有效地把網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融入測(cè)井系統(tǒng)中。

2.3 測(cè)井電纜傳輸系統(tǒng)

基于以太網(wǎng)通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化的測(cè)井系統(tǒng)由于引入了標(biāo)準(zhǔn)TCP／IP協(xié)議，帶來(lái)了一定量的額外數(shù)據(jù)，因此需要有一個(gè)全雙工的高速率電纜傳輸系統(tǒng)作為通信的保障。

用于測(cè)井電纜傳輸系統(tǒng)的常見(jiàn)編碼調(diào)制技術(shù)包括正交頻分復(fù)用（OFDM）［5－6］、正交振幅調(diào)制（QAM）、曼徹斯特碼（Manchester）等［7］。采用傳統(tǒng)的曼徹斯特碼等編碼調(diào)制方式的測(cè)井電纜傳輸系統(tǒng)所獲得的低傳輸率已成為制約測(cè)井儀器發(fā)展的瓶頸［8］。正交頻分復(fù)用技術(shù)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(wèn)題，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和自適應(yīng)能力，可以在帶寬有限的測(cè)井電纜上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。目前，各公司研發(fā)成功的高速測(cè)井電纜傳輸系統(tǒng)大都基于該項(xiàng)技術(shù)。其中，哈里伯頓公司推出的最新測(cè)井系統(tǒng)IQ快速平臺(tái)使用了ADSL通訊方式，上傳速率達(dá)到800 kbit／s［9］，中海油田服務(wù)股份有限公司技術(shù)中心基于OFDM技術(shù)開(kāi)發(fā)的測(cè)井電纜高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，在7 000m的傳統(tǒng)電纜上實(shí)現(xiàn)了900 kbit／s的傳輸數(shù)據(jù)率［6］。長(zhǎng)城鉆探工程公司測(cè)井技術(shù)研究院在分析7芯測(cè)井電纜傳輸特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合測(cè)井的實(shí)際情況，研發(fā)出基于正交頻分復(fù)用技術(shù)的兆級(jí)高速測(cè)井電纜傳輸系統(tǒng)。

測(cè)井電纜傳輸系統(tǒng)通過(guò)IP路由方式把地面系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和井下儀器總線網(wǎng)落連接到一起，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)直接傳輸和控制，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化測(cè)井系統(tǒng)。

2.4 網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步

網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步是指維護(hù)一個(gè)全局一致的物理或邏輯時(shí)鐘，使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的多種節(jié)點(diǎn)（計(jì)算機(jī)、交換器、路由器等）的信息、事件以及與時(shí)間有關(guān)的行為，有一個(gè)全局一致的解釋，以確保節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收的信息在時(shí)間或邏輯上完全正確［10］。時(shí)鐘同步是設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化測(cè)井系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。網(wǎng)絡(luò)化測(cè)井系統(tǒng)，不能使用傳統(tǒng)的深度采樣方式，需要用時(shí)間采樣方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，因此它需要精確的時(shí)鐘同步控制，保證井下儀器的數(shù)據(jù)采樣時(shí)間與地面深度面板的時(shí)間一致。井下儀器的時(shí)間和地面深度面板的時(shí)間誤差應(yīng)在毫秒級(jí)范圍內(nèi)，可采用的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步協(xié)議有NTP（network time protocol），協(xié)議在局域網(wǎng)上精度可達(dá)毫秒級(jí)，且同時(shí)可與多個(gè)時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行校準(zhǔn)；SNTP（simple network time protocol）協(xié)議可以與1個(gè)時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行校準(zhǔn)，一般用于客戶端；IEEE1588精確時(shí)間協(xié)議PTP（precision time protocol）能實(shí)現(xiàn)亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步［4］。

3 應(yīng)用情況

網(wǎng)絡(luò)化測(cè)井系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到LEAP800測(cè)井系統(tǒng)中，系統(tǒng)基于以太網(wǎng)通信技術(shù)的地面系統(tǒng)和井下儀器總線，使用標(biāo)準(zhǔn)的TCP／IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了從地面到井下儀器的直接互聯(lián)。該系統(tǒng)的采集軟件采用了統(tǒng)一底層和平臺(tái)化設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的開(kāi)放性、儀器動(dòng)態(tài)掛接、遠(yuǎn)程操控和在線升級(jí)等功能，同時(shí)支持多語(yǔ)言、多單位制以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)和圖文格式，方便了數(shù)據(jù)綜合處理和解釋評(píng)價(jià)［11］。

基于正交頻分復(fù)用技術(shù)的全雙工測(cè)井電纜傳輸系統(tǒng)上傳和下傳速率分別達(dá)到了1 000kbit／s和50 kbit／s，并具有建立時(shí)間短、工作穩(wěn)定可靠、自適應(yīng)不同測(cè)井電纜等特點(diǎn)，完全滿足網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的需要。LEAP800測(cè)井系統(tǒng)做到了小于5ms精度的時(shí)間同步，保證了測(cè)井系統(tǒng)良好精度，運(yùn)用ARM＋DSP的先進(jìn)的半導(dǎo)體芯片和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)很好地解決了大數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)處理的問(wèn)題。

該系統(tǒng)在井場(chǎng)先后多次在河北任丘、山東孤島和遼寧盤錦等地方的試驗(yàn)井進(jìn)行了下井測(cè)試，同時(shí)也分別在遼河油田、內(nèi)蒙古油田及吉林油田等商業(yè)井進(jìn)行了試驗(yàn)，測(cè)井作業(yè)成功率100%。商業(yè)井包括生產(chǎn)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(cè)井試驗(yàn)均取得了完整的測(cè)井曲線。

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

圖4 陣列感應(yīng)滿貫儀器串測(cè)井曲線實(shí)例

圖5 雙側(cè)向滿貫儀器串測(cè)井曲線實(shí)例

4 結(jié)束語(yǔ)

兆級(jí)電纜傳輸系統(tǒng)的成功開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，使得互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在井下儀器中的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)；遠(yuǎn)程操控測(cè)井系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡(luò)化使得遠(yuǎn)程測(cè)井成為可能，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在新一代測(cè)井系統(tǒng)中將會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。

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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(jí)技術(shù)專家，從事測(cè)井系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、電纜測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸和井下儀器總線研究工作。