便攜式生產測井地面系統設計方案

金仁高

(中國石油集團測井有限公司生產測井中心，陜西 西安 710000)

田鵬，何西攀

(中國石油集團測井有限公司長慶事業部，陜西 西安 710000)

段驍宸

(中石油長慶油田分公司第十二采油廠，甘肅 慶陽 745400)

赫長平，白玉勝

(中國石油集團測井有限公司生產測井中心，陜西 西安 710000)

測井技術在地球資源勘查、地層測試特別是油氣資源開發過程中發揮著重要作用。測井技術利用聲、電、核、磁等，結合現代新材料和新技術，在高溫、高壓環境下，對地層進行勘測，精確分析地層構造、成分，為油氣資源勘查提供支持[1]。目前，國內常規生產測井系統主要采用大型車載式機柜系統，具有功能強、硬件齊全等特點，可以滿足各種測井作業的需要。然而，由于車載式機柜自身體積龐大，存在與井下儀器配接困難的問題，特別在海上作業或長距離作業時，存在攜帶、安裝不便的瓶頸，限制了生產測井系統的應用范圍。隨著現代信息技術的不斷發展，電子設備向高、精、尖方向發展，具備的功能越來越強大，儀器體積越來越小巧，可以滿足油氣資源勘查的需要。為此，筆者對一種基于筆記本、小型專業化測井面板組成的便攜式生產測井地面系統進行了設計。

1 整體設計

1.1 設計思想

目前，國內外測井公司研發的生產測井儀器種類眾多，與其配套的地面系統采用大型車載式機柜系統，雖然具有強大功能且硬件配備齊全，但設計體積巨大、成本較高，不適合海洋油氣資源開采作業。另外，在我國測井行業中，傳統測井車所占比例較高，所提供的空間有限，不能容納機柜式生產測井系統，因而急需功能完善的便攜式生產測井系統。筆者通過對國內外生產測井系統發展狀態的分析，對油氣資源開采、數控測控行業進行深入研究，提出了基于CAN(control area network)總線的分布多MCU并行處理系統[2]。CAN主要對一定區域內各種設備進行監測和控制，最早由德國Bosc公司提出，并應用于汽車監測和系統設計。由于CAN設計思想獨特，具有良好的穩定性，且相關功能強大，適用于便攜式生產測井地面系統設計。首先，基于CAN總線的分布多MCU并行處理系統，綜合運用通信技術、微機控制技術和數據處理技術，實現集中信號分離、分布采集和綜合處理。同時，該系統采用三級結構，即信號分離級、信號采集級、綜合處理級。各個層級之間采用CAN總線方式連接，其結構如圖1所示。

圖1 基于CAN總線的分布多MCU并行處理 系統體系結構圖

1)集中信號分離級 該級主要收集原始信號，即傳感器信號，包括溫度、壓力、濕度、自然伽馬等，為基于CAN總線的分布多MCU并行處理系統提供基礎數據，完成原始信號的分離。

2)分布信號采集級 該級配備高速微處理器和先進的外部設備，如高速ADC、DAC和SPI器等，保證各種信號的精確采集和有效處理。同時，該級采用基于母線的方法，依據信號類型，增加或者減少某部分信號的處理功能[3]。

3)綜合處理級 該級通過可靠的CAN總線，對報文的標識符進行濾波，實現點對點、點對面以及廣播等方式的數據接收，完成數據的管理和處理工作。

1.2 系統組成

根據生產測井技術的工作原理，對多種儀器進行分析后，歸納總結出測井儀器回傳信號的特點。其中，上傳信號主要由模擬量、脈沖量、編碼信號組成。模擬量信號來源于各種模擬測井儀，如聲波、磁定位等儀器，主要形式為類正弦信號；脈沖量信號來源于自然伽馬儀、多臂井徑儀、脈沖水溫測井儀等，主要是正、負脈沖信號；編碼信號來源于組合式測井儀，該儀器內的電纜遙測短節單元為重要部件，負責將各種測井儀器采集的數據編輯成幀格式，如溫度、濕度、壓力、流量、密度、自然伽馬等信息，并將幀格式通過測井電纜傳輸給地面系統。

全面了解井下儀器信號后，依據地面系統功能需求、技術指標以及供電要求，確定地面系統組成結構圖(見圖2)。

圖2 測井地面系統組成結構圖

基于生產測井地面系統的實時性要求，該系統采用基于CAN總線的分布多MCU并行處理方式，每一個電路模塊均采用獨立CPU進行處理，各個模塊之間數據通信采用高速、高性能、高穩定性的CAN總線通信方式。依據地面系統完成的功能，將其劃分為各個子系統，分別為信號分離板、A/D采集板、定時計數板、WTC板及深度測量板。

1.3 系統實現方式

首先，通過多模電纜和井下系統獲得各種儀器采集壓力、穩定、濕度、流量、密度、自然伽馬、水位層、槽位層、油層的數據信息。由于下井電纜使用情況不同，經常產生一根電纜信號出現多種傳輸信號的現象[4]。另外，長距離信號傳輸，必然存在較大的信號干擾和衰竭，所以需要專門的信號分離板來解決信號分離、還原問題，再由相應的硬件電路板或子系統進行相應處理。A/D采集板主要完成高精度的模數轉換，針對模擬量信號回傳的井下儀器，如聲波、接箍等儀器。定時計數板主要針對脈沖量信號上傳的井下儀器，如自然伽馬儀、多臂井徑儀等。WTC板主要針對編碼信號。另外，在測井技術中，深度測量是生產測井的重要標尺，而地面系統主要通過電纜絞車儀器跟蹤系統中的光電編碼盤或者磁記號儀來測量物理深度并將其轉化為電信號。通過深度測量板采集深度數據，并與其他電路板在當前深度下的各種參數(如溫度、濕度、壓力和自然伽馬)進行對應并記錄下來，通過CAN總線通信方式上傳到上位機上。測井參數經過系統處理后，以一定深度和橫向比例顯示在上位機顯示器上，方便勘測人員實時觀察、記錄和分析。

為了解決各個子系統間的信號干擾問題，提高系統數據傳輸的穩定性，設計使用線性電源和開關電源。線性電源主要負責信號采集板、A/D采集板模擬部分供電，電路板中數字部門供電均由開關電源提供。井下儀器供電電壓不同，所以地面系統配備專門下井電源，輸出電壓范圍為0～300VDC，為不同測井儀器供電。另外，為了防止電源濾波將測井信號濾除，需要增加直流電平隔離模塊來實現直流電源與測井信號之間的有效隔離。

2 系統硬件設計

便攜式生產測井地面系統的基礎是硬件，其決定了系統的功能和性能。該系統采用模塊化硬件設計，包括信號分離板、深度測量板、A/D采集板、定時計數板和WTC板。

2.1 信號分離板

信號分離板作為系統重要設備，主要解決信號上傳過程中不同信號之間的衰減、干擾等問題，更加準確地對進入其他電路模塊的信號進行預處理。信號分離板結構如圖3所示。

另外，子系統板與信號分離板之間的CAN通信，需要選用高速、高性能CPU，因而采用C8051F040單片機。

圖3 信號分離板系統結構圖

2.2 深度測量板

深度信息是重要的測井信息，其數據不準將會導致整體測井資料報廢，進而出現嚴重生產事故。目前，深度測量板主要采用普通單片機進行設計，其外圍電路復雜，執行速度緩慢。為了克服普通單片機的設計弊端，該次研究采用基于DSP處理器的設計形式，簡化外圍電路，以提高執行速度和可靠性，為后期升級提供支持。首先，深度信號主要由跟蹤系統中的光電編碼器獲得，測量輪通過深度傳動機構帶動光電編碼器運動[5]，隨著測井電纜的上下而轉動。光源通過專門的光電編碼盤產生光電脈沖，單位時間內輸出的脈沖數量代表測井速度。自深度起點開始，累計進行測井深度的脈沖計算。磁記號、電纜張力測量主要是由位于井口的磁記號儀和張力傳感器獲得，兩者之間都存在差分小信號，需要對相應信號進行放大處理。各個板之間的通信是利用DSP片內的CAN控制器外接、收發器(SN65HVD230)實現，通信速率由軟件調節，其結構圖如圖4所示。

圖4 深度測量板結圖

2.3 A/D采集板

A/D采集板主要采集分離板分離、處理后的模擬信號，對各種模擬量采集精度要求比較高，若使用TMS320F241片內10位A/D不能達到精度要求，因而采用Burr-Brown公司生產的ADS7807。另外，由于外接模擬測井儀情況不同，模擬量應多路采集，且采集信號分為單極、雙極兩種。由于信號輸入A/D采集板之前模擬量幅值比較小，需要對信號進行放大和轉化。A/D采集板結構如圖5所示。

圖5 A/D采集板結構圖

2.4 WTC板

WTC板將溫度、壓力、流量計等信息混合成為一定幀格式并發送到地面系統中。因此，編碼格式是WTC板設計的關鍵。編碼信號經過幾千米電纜上傳，不僅使傳輸信號受到干擾，而且積累直流電會導致儀器工作電壓不穩。由于編碼信號幅值較少，處于±3V電壓之間，脈沖寬度為10μs，因而對編碼信號進行處理前，要對其限幅值進行放大處理，即整形、正負分離和限幅。

2.5 定時計數板

如果將WTC板處理的編碼信號認定為特殊脈沖的話，定時器就是專門處理脈沖信號的電路板，并完成脈沖計數和計時。因此，定時計數板硬件設計與WTC完全相同，唯一區別在于下位機的DSP軟件存在差異。

3 系統軟件設計

3.1 信號分離板軟件設計

信號分離板主要完成CAN通信數據的傳輸和接收，依據相應命令來切換繼電器矩陣電路完成的信號，并將分離的信號輸送到指定電路板進行處理。依據信號分離板硬件要求，確定其主要程序流程圖如6所示。首先，系統中單片機CAN控制器完成報文對象的信息初始化，如控制寄存器、定時寄存器的初始化設置。其次，繼電器切換程序設置相對容易，只需將繼電器的線圈控制引腳電平設置為低電平即可。

3.2 深度測量板軟件設計

依據深度測量板的軟件需求，確定光電編碼信號，利用TMS320F241內部正交編碼信號脈沖電路完成深度測量工作，張力與磁記信號主要通過內部10位A/D來實現，而CAN通信主要利用內部CAN控制器模塊完成，將脈沖信號傳輸給TMS320F241片內CAP1.0、CAP1.1通道。主要程序流程圖如圖7所示。

圖6 信號分離板主要程序流程圖 圖7 深度測量板主要程序流程圖

圖8 A/D采集板主要程序流程圖 圖9 WTC板主要程序流程圖

3.3 A/D采集板軟件設計

根據地面系統對模擬量精度、轉換率的要求，認為DSP內部ADC模塊很難滿足條件，所以外擴一片16位高精度、低功率的A/D器件ADS7807，主要負責利用DSP內部串行外部接口模塊(SPI)啟動A/D轉換，以及將轉換結構利用CAN總線上傳。主要程序流程圖如圖8所示。

3.4 WTC板軟件設計

WTC板軟件依據系統的設計需求，發揮數據信號的接受、調節和解碼作用，并將數據以CAN方式傳輸到地面系統中，其主要程序流程如圖9所示。

4 系統調試

系統調試時，通過手機工程測井的實際參數，制作阻容網來模擬4000～8000m電纜，在實驗室內完成低頻模擬信號、編碼信號和脈沖信號測試。

4.1 測井信號測試

便攜式生產測井地面系統與井下儀器之間采用電纜方式進行數據傳輸，其長度為4000～8000m。通過電纜對井下儀器實現多電源供電和狀態控制，保證數據傳輸的可靠和穩定。每根電纜具備一定的電阻值，與電纜長度成正比，一般為150～250Ω。另外，電纜芯之間的分布電容會大大增加信號傳輸過程中的損失，降低信號的可靠性。為了確保長距離電纜傳輸的穩定性，需要制作符合實際情況的電氣參數，如電阻和電容(見圖10，其中電阻R=26Ω，電容C=0.033F)。實踐證明，可以模擬7000m同軸電纜，并對編碼信號和模擬信號進行測試。

圖10 模擬電纜圖

4.2 編碼信號測試

編碼信號在傳輸過程中會出現嚴重變形，由此降低傳輸性能。正脈沖可以引起幅度較大的負沖，負脈沖可以引起幅度較大的正沖。同時，水平基線位置也會受到一定幅度的干擾。一般來說，編碼信號傳輸過程中容易出現2種情況：①WTC板會對信號進行放大，但由于正脈沖引起較大負脈沖，所以放大倍數比正常情況下要大，高頻信號干擾會得到進一步放大，導致編碼信號的傳輸準確性下降；②水平基線上的高頻干擾經過放大后，數據解碼處理過程中會出現多位現象。為了解決上述問題，將電纜傳輸后的編碼信號分離，分為正、負脈沖信號，并將處理后的信號由WTC板進行處理，以獲得更加準確的軟件解碼數據。信號分離板的預處理將編碼信號進行放大，而WTC板的處理是將正、負脈沖信號同時放大，然后進行正、負脈沖分離。信號經過WTC板信號調整后，可以更加準確地進行DSP脈沖單元信號捕捉，并提高正、負脈沖信號間的轉化效率。脈沖信號限幅調整可以將正、負脈沖信號進行正確分離，從而過濾掉水平信號上的高頻干擾信號。

4.3 低頻模擬信號測試

利用單芯電纜進行測井時，給井下儀器供電以及信號上傳均采用同一纜芯。長距離的電纜傳輸，使得井下儀器的上傳信號損失嚴重，信號傳輸整體性差。低頻模擬信號自身頻率較低(10Hz)，電壓幅值較小，因而井下數據傳至電纜前，要由驅動單元進行模擬信號放大。低頻模擬信號傳輸過程中，容易衰減和受到干擾，所以要采用與編碼信號類似的測試方法得到電纜傳輸后的模擬信號。試驗表明，模擬信號經過電纜傳輸以后，容易受到50Hz的高頻信號干擾。如果未對信號進行濾波處理，直接傳送至A/D信號采集板，轉換后的數據不符合實際生產測井需求。因此，首先進行信號分離板的模擬量調節，利用電壓源二階低通過濾波技術，將高頻干擾、工作電源干擾過濾，得到所需信號波。

4.4 脈沖信號測試

因為編碼信號測試屬于固定規律脈沖信號，而脈沖信號測試屬于隨即脈沖信號，所以脈沖信號測試方法與編碼信號測試方法類似，只是脈沖寬度不同。編碼信號測試的脈沖寬度一般為10μs左右，2個脈沖時間間隔分為2種，即數據位1位和15位；脈沖信號測試的脈沖寬度為10～100μs，2個脈沖時間間隔依據測井情況而定。

5 結語

在分析生產測井儀器的技術原理的基礎上，研究各種儀器回傳信號的共性和特點，確定了便攜式生產測井系統的結構圖。依據分布式控制系統的設計理念，開發出基于CAN總線的分布式多MCU并行處理系統結構，完成了基于C8051F040單片機的信號分離板軟件設計，以及以TMS320F241DSP為核心的深度測量板、A/D采集板，定時計數板和WTC板的軟件設計。同時，對脈沖限幅整形電路、編碼信號調節電路、A/D采集電路進行設計。在硬件電路設計的基礎上，利用TMS320F241DSP內部豐富的資源進行編碼信號采集和解碼、低頻模擬量信號采集、脈沖信號測量、CAN總線數據通信等程序設計。最后，針對測井信號的特點以及實際測井參數，制作阻容網絡電纜，模擬長距離電纜傳輸。通過試驗測試結果可知，便攜式測井方案在整體設計、軟件測試和硬件安裝方面，均符合測井功能需求和技術指標，適用于傳統大型測井儀器操作不便的環境，如偏遠地區、海上石油平臺等，具有很好的市場應用前景。