井下測井儀器數據總線的設計及應用

大慶油田測試技術服務分公司 崔洪源

大慶油田第四采油廠 崔 蕾

井下測井儀器數據總線的設計及應用

大慶油田測試技術服務分公司 崔洪源

大慶油田第四采油廠 崔 蕾

隨著時代的不斷發展和進步，我國在石油井下測井方面也得到了一定的發展和進步，測井系統所具有的傳輸速率目前已經能夠達到1Mbps之上。本文通過對井下測井儀器數據總線進行分析探究，并且提出相應的設計和應用方案。

井下測井儀器；數據總線；設計；應用

引言

在實際的測井工作中，井下測井儀器在采集數據的過程中，主要就是運用數據總線將數據傳送到遙傳儀器上，然后在通過遙傳儀器將數據成功的傳輸到地面主控；之后，地面主控再將各項控制口令通過數據總線傳輸到井下測井儀器中，完成整個環節的井下測井工作。通常情況下，井下測井儀器中的數據總線在數據傳輸方面要具有雙向性特點，才能保證傳輸的順暢。而且結合測井的特點分析，地面主控的傳輸速率要比井下測井儀器的傳輸速率高出很多。

1 井下測井儀器數據總線

遙傳儀器的地面主控傳輸速率為1Mbit/s以上時，為了將遙傳儀器所具有的高速傳輸作用充分發揮出來，井下測井儀器的傳輸速率應該達到2Mbit/s。新型的遙傳系統中，其井下測井儀器數據總線通常會選用10-Base2類型的以太網總線，它的數據傳輸速率可以達到101Mbit/s，而且這種類型的總線具有開發周期較短、軟硬件發展成熟以及通訊協議相對完善等優點，可以充分滿足當前井下測井工作對數據傳輸的更高速率的要求[1]。但以太網存也在著一定的缺點，其主要體現在民用產品的應用中，市場上出現的以太網芯片溫度幾乎都是在工業級或者商業級的等級范圍，并不適合應用在高溫的井下測井工作中，使得測井儀器的整體適用范圍受到了限制。測井工作中所用到的遙傳系統作為一種傳輸系統，具有非對稱性的特點，通過TCP方法來進行數據的傳輸，容易延遲信號的等待和確認，這使得遙傳系統的數據傳輸效率降低。

2 設計分析

2.1 設計要求

1)設計應該滿足通用性要求。測井電纜主要包括單芯電纜和多芯電纜等兩種類型，其中單芯電纜主要應用在生產測井方面，其遙傳系統所具有的傳輸速率幾乎都在400kbit/s以下；而多芯電纜主要用在裸眼井的測井工作中，其遙傳系統所具有的數據傳輸速率已經能夠達到1Mbit/s之上[2]。因此，總線設計必須要同時適應這兩種應用。

2)設計應該滿足易實現性要求。井下測井工作環境空間狹小，環境惡劣，所以在總線和相關控制協議方面的設計應該盡量簡單有效。那些復雜繁瑣的總線會增強測井儀器的復雜程度，延長儀器的整個開發周期的同時，還會增加儀器發生故障的概率。要想實現總線設計可以借助現有的器件進行完成，并且保證控制協議要盡可能的可靠和簡單，不需要使用性能較高的處理器。如果處理器的性能過高，那么其在高溫環境下的功耗就會越大，這時器件所具有的耐高溫性很難滿足井下測井工作的要求。

2.2 總體方案

結合以上各級要求，本文設計了一套井下測井儀器數據總線的具體方案，如圖1所示。

圖1 總線的設計方案

該方案中主要用到了兩條雙絞線，且都具有非屏蔽性，其中一條主要運用CAN總線，是一種具有雙向接口類型的總線；而另一條則是為RS-485總線，是一種單向接口類型的總線[3]。每一個測井儀器都需要經過CAN總線來接受命令；而相對于地面主控數據來說，它的數據傳輸應該通過CAN總線發送，并且保證平均速率在100kbit/s以下；當數據的平均傳輸速率在150kbit/s以上時，則需要通過RS-485總線來進行傳輸，需要結合儀器的要求自由選擇這兩種總線類型進行傳輸。

CAN總線屬于一種現場總線，可以支持分布式類型的控制系統，其不僅可以運用非破壞性的技術，通信方式也非常靈活，而且還具有一點對多點和點對點等各種傳輸方法，是當前石油井下測井工作常用到的一種總線類型。

CAN總線在數據傳輸方面的最高速率可達1Mbit/s，但實際上它的有效數據傳輸速率在600kbit/s以下。所以，如果只用1路CAN總線很難滿足總線的設計要求。若是運用2路CAN總線，它的數據傳輸速率也只能達到與高性能遙傳儀器相當的速度，也降低了遙傳系統對數據的傳輸效率。因此，本文在設計方案中，只采用了1路RS-485總線來作為測井儀器總線，同時該總線僅與成像測井儀器相連接，由于RS-485總線具有高速傳輸性能，基本可以滿足總線的設計要求。

3 總線的測試與應用

3.1 傳輸性能的測試和應用

結合測井要求，選用100m的雙絞線來測試，得到的傳輸速率為10Mbit/s.在RS-485總線的整體上掛接數據接收節點和數據發送節點，其中數據接收節點為1個，數據發送節點為3個，并且保證每一個節點上要有一塊儀器模擬板。然后分別用2m和1.5m的雙絞線將中間兩個發送節點連接到RS-485總線。測試雙絞線所具有的阻抗性，而兩端的接收節點和發送節點則是選用120Ω終端來與電阻進行匹配[4]。為了進一步測試每一個節點在數據傳輸上的性能和效果，三個發送節點上的數據可以通過225周期的m序列優選來產生Gold序列。

當三個節點數據發送量分別達到100kbit/s、10kbit/s、200kbit/s時，由接收點來選擇CAN總線來控制發送間隔，分別為200ms、50ms、500ms。同時發送數據的總量能夠達到1.1Mbit/s。然后在接收節點上來對發送數據和恢復數據進行比較，最后將比較出現的錯誤數量和接收數量通過RS-232串口以一定的格式定時傳輸到CP機上進行顯示。

3.2 誤碼率測試和應用

為進一步測試RS-483總線的誤碼率，只需在總線兩端分別設置一個數據接收節點和數據發送節點即可。當數據發送節點能夠將由Gold序列形成的數據連續以7Mbit/s的傳輸速率進行發送時，需要通過接收端來進行數據的接收和比較分析，最后再將比較出現的錯誤數量和接收數量以一定的格式傳輸到PC機上進行顯示。

我們從接收端的信號中可以發現，每位數據的發送時間都是100ns,相當于10Mbit/s的波特率，并且會在數據接收端呈現出眼圖，其中眼圖中的“眼睛”會大大的張開，內部的眼線變得極為清晰，這表明100m雙絞線正在RS-845總線上以10MHz的數據傳輸速率進行傳輸，其中傳送碼間產生的噪聲和串擾影響相對較小[5]。經過20小時的連續測試，確保不會出現錯誤。當測試數據數量在5.0x1011之上，誤碼率在1.0x10-11時，說明該設計方案滿足總線設計要求，并且具有較高的應用價值。

4 結論

總之，隨著時代的發展和進步，我國石油勘探事業發展水平也在不斷提升，而石油井下測井工作作為石油開采的重要環節，其對測井儀器數據總線的要求越來越高。因此，我們應該結合井下測井在通用性、易實現性方面的設計要求，合理制定總線設計方案，選擇最為合理的總線類型，使其滿足數據傳輸的速率要求；然后在確保方案具有較強的可用性之后，再將其應用到石油測井工作中，保證測井工作正常進行。

[1]馬麗婷．井下測井儀器數據總線的研究與設計[J]．石化技術,2016(01):261．

[2]郭明亮．基于RS485的井下測井儀器高速總線的設計與實現[D]．電子科技大學,2015．

[3]顧慶水,歐莽平,張菊茜,陶愛華,陳偉,伍瑞卿．井下測井儀器數據總線的研究與設計[J]．測井技術,2015(01)

崔洪源（1988—），男，黑龍江大慶人，碩士，助理工程師。