網絡化測井地面系統的硬件設計與實現

姜 輝，曹春鋒，魏 濤，陳 強，伍紅成，張世福

(中國石油集團測井有限公司大慶分公司 黑龍江 大慶 163412)

0 引 言

測井地面系統在識別砂巖、泥巖及油氣儲層等地質信息的采集方面發揮著重要的作用，主要由射孔、控制、采集、電源、深度面板等多個箱體組成。其中，數據采集箱是測井地面系統的核心箱體。傳統測井系統采用的通訊總線，如ISA、WME、PCI等，在特定的歷史時期都發揮了作用，但是這些總線對系統擴展的限制是明顯的。以ISA總線為例，若要進行系統擴展，前置機是個繞不過去的檻。隨著電子技術和數字技術的飛速發展，以嵌入式處理器為核心的數據采集技術在測井儀器領域得到了廣泛應用。開放性、模塊化和可重構設計是目前測井數據采集領域研究的熱點，目的是為了適應測井技術發展和便于用戶不斷開發自己的新功能。為了滿足井下儀器數據量不斷加大和實時處理要求不斷提高的要求，設計了一種具有高開放性特征的網絡化測井系統。

1 系統硬件設計

網絡通信技術的應用是測井系統具有網絡化、模塊化及開放式等特征的技術保障。新系統采用Ethernet+TCP/IP技術最典型的以太網應用形式，即在由以太網構建的底層傳輸網絡基礎之上，采用標準的TCP/IP網絡傳輸協議進行數據通信[1]。地面系統以左、右網絡交換機為中心，連接地面各箱體及信號板卡，組成一個局域網。所有的箱體、板卡都是局域網中的一個節點，具有唯一的IP地址標識，工控機根據測井任務的需求訪問相應目標IP，并對目標進行狀態監控和參數配置。系統各部分如圖1所示，包含的主要部分為：信號采集機箱、電源部分(交流電源機箱、直流電源機箱、電源控制機箱)、接線控制機箱，交換機等。

圖1 網絡化測井系統結構圖

1.1 信號采集箱

采集箱主要包含三部分功能：信號分離功能、信號處理功能、信息顯示。信號分離部分在程控測井方式下，完成下井高壓的控制、纜芯轉換、信號分離；信號處理部分完成對硬件電路的工作控制，并對井下儀上傳信號進行處理、采集、數據打包，最后傳送給主計算機系統進行顯示、打印、記錄等；信息顯示部分完成測井信息的直觀顯示，方便操作員對測井狀態的判斷。

1.2 接線控制箱

接線控制機箱主要實現三部分功能，一部分為手動纜芯與電源控制電流較大時采用，另一部分為射孔取心功能，第三部分為系統纜芯切換和深度、張力信號的驅動切換。

1.3 電源部分

由電源控制機箱、交流電源機箱及直流電源機箱等三個箱體組成，滿足井下儀器井下高質量大功率供電需求。電源控制機箱以PC104為控制核心，產生交流電源機箱及直流電源機箱的控制信號，通過電源監測子模塊來實時監測測井過程中七芯電纜的交流電壓電流值，配合井下遙測上傳電壓電流值，對井下儀供電進行實時保護。

2 信號采集卡及工作過程

在采集箱中，高壓電源和纜芯直接進入母板總線，纜芯加電由各板卡直接控制，同時，每塊采集卡都可以獨立采集深度、張力、磁標信號；其中，顯示驅動卡只采集深度、張力等信號，其它信號不采集。不同的信號采集板卡采集不同的井下信號類型，配接井下儀時由工控機選擇不同的板卡工作；板卡把原始信號處理成數字信號后通過網絡傳送給交換機，工控機也通過網絡接收板卡數據和控制板卡工作。

2.1 信號采集卡

目前在用的板卡接口為4塊信號采集卡加一塊顯示驅動卡，分別代表不同的信號類型。采集箱中設計的信號接口共有6個，多余的一個用于擴展使用。信號采集卡采用了嵌入式ARM模塊用于網絡通訊、FPGA模塊用于數據采集及DSP模塊用于信號處理等模塊化設計模式[2]。

具體的信號采集卡為:200K信號采集卡，主要用于氧活化信號的處理，C/O信號的處理；500K信號采集卡，為OFDM編碼方式，主要用于常規測井中全面應用“一串測”[3]，對應數傳的傳輸速率為500kbps；WTS 信號采集卡，能夠方便實現5700系統配接[4]，完成5700的常規測井項目和成像測井項目，滿足油田的一些特殊井的測井要求；2M 信號采集卡，為OFDM編碼方式，用于自研2M數傳井下儀器的地面編解碼工作。

2.2 信號采集卡工作過程

采集箱體打開電源后，所有的板卡會按照ARM網絡模塊的內部程序初始化整個板卡[5]。初始化完成后，信號采集板卡會處于等待采集軟件命令階段，此時板卡內部與高壓電源及纜芯處于斷開狀態；而顯示驅動板卡則處于工作狀態，時刻準備著處理輸入的信號。信號采集板卡流程圖如圖2所示。

圖2 板卡工作流程圖

圖2中，測井軟件運行后，整個系統通過測井采集軟件選擇井下儀器相關的信號采集卡IP地址號，負責與板卡內的ARM模塊進行通訊，將儀器上傳的數據進行解碼并分發給測井軟件[6]；對于顯示驅動卡而言，采集軟件不采集、不記錄數據，只是負責監視其ARM工作狀態，操作人員會根據測井的實際情況發送命令設置深度數值。如果信號采集卡的初始化設置失敗，測井軟件會檢測到設置失敗的錯誤信息，下發命令重新設置；如果成功設置，則采集卡就可以接收測井軟件命令，進行采集數據。同一時刻，只會有兩個IP處于工作狀態，一個是顯示驅動的，另一個是所選擇的信號采集卡；其它的則會被測井軟件歸入待命狀態。測井任務結束后，板卡的狀態會返回初始化狀態，等待下一個測井任務的執行。

3 采集軟件設計

軟件根據需求劃分為多個功能模塊，模塊間采用網絡通信進行數據交互，各模塊是獨立的可執行程序，這樣的設計思想保證了信號采集擴展的開放性。這些模塊分別是：系統管理模塊、組件安裝模塊、系統設置模塊、圖表編輯模塊、繪圖模版創建模塊、服務項目管理模塊、工程管理模塊、數據采集模塊、刻度模塊、主控模塊、曲線顯示模塊、波形顯示模塊、測后處理模塊、格式轉換模塊、系統備份模塊以及網絡模塊。模塊結構圖如圖3所示。

圖3 采集軟件模塊結構圖

安裝采集軟件的工控機與信號采集板卡的通訊方式為網絡通訊，按照TCP/IP協議發送和接收數據，采集板卡作為TCP客戶端，工控機作為TCP服務器端。整個系統工作時，通過數據采集管理與井下儀器相關的采集板卡ARM連接，負責與ARM進行通訊[7]，將儀器上傳的數據進行解碼并分發給主控平臺(LogMaster)。主控平臺通過網絡和數據采集管理連接，在主控平臺處于測井狀態時，會將收到的數據進行記錄和計算，并將計算后的數據轉發給有請求的客戶端程序。儀器控制(ToolCtrl)可以連接主控平臺，并向其發送儀器命令，主控平臺將相應的命令轉發給數據采集管理(DataManager)，數據采集管理器編碼后發送給相應的儀器。

數據采集管理器通過ARM收到數據，對數據進行解碼和分配，轉發給主控平臺。主控平臺收到數據后記錄原始數據，通過刻度和計算，將曲線數據分別轉發給數據記錄進行數據保存，之后可以通過數據后處理(PlotManager)進行曲線數據編輯和保存，利用格式轉換程序將數據轉換為需要的數據格式，調用綜合出圖將成果輸出。

4 應用實例

本系統作為大慶測井分公司自主研發的新一代測井系統，可以配接的儀器有：國產2M數傳系列、引進ECLIPS-5700系列、引進EXCELL2000系列、國產wiseye 1000系列，便于組建測井系列完善的綜合測井隊。目前，本系統通過擴展OFDM解碼卡、WTS數傳卡模塊，成功配接5700系統3514、3516，EXCELL2000數傳短節，以及wiseye1000系列數傳短節和其他井下儀器，并進行了現場采集實驗。

2017年9月本系統在大慶油田北2-312井成功進行了5700系列X-MAC多極子聲波井下儀器測井作業，圖4為該井835～880 m深度X-MAC測井數據曲線。

圖4 5700X-MAC多極子聲波儀器測井曲線

5 結束語

新型測井地面系統的電路設計中，充分利用了嵌入式ARM芯片、高性能DSP芯片及現場可編程門陣列FPGA器件等技術，實現了板卡功能增多、面積減少，系統可擴展等特性；整個系統通訊方式為網絡通訊，按照TCP/IP協議工作。與油田正在使用的傳統數控測井系統相比，掛接儀器只要符合相應的TCP/IP通訊協議及相應電氣標準，就可以十分容易地掛接到新型成像測井地面系統中。作為一個高開放的、模塊化、可擴展的網絡化測井系統，實現了一機多能，能夠擴展掛接多種國產與引進儀器，解決了各種系列井下儀器需要多次測井施工作業的問題，提高了測井時效。截止2017年底，該系統累計完成推廣測井98口，測井成功率96%,測井曲線合格率100%，獲得了合格的測井資料。