方位遠探測聲波測井儀數據采集控制軟件設計?

盧俊強 鞠曉東 門百永

(1 中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室 北京 102249)

(2 北京市地球探測與信息技術重點實驗室 北京 102249)

0 引言

遠探測聲波測井技術能夠實現對井眼周圍幾十米地層的探測，克服了傳統聲波測井徑向探測深度較淺的問題[1?4]。傳統單極子聲源和偶極子聲源的遠探測聲波測井技術無方位分辨特性或者僅有有限的方位分辨特性[5?7]，為了解決該問題，近年來發展了方位遠探測聲波測井技術，且在理論、探測器和現場應用等方面得到了快速發展[8?13]。

測井儀器采集控制軟件系統是測井系統的重要構成部分，主要完成儀器數據采集控制和管理、測井數據實時處理、測井過程監控等功能?，F代測井儀器采集控制軟件系統大多基于多層分布式系統架構，采用面向對象的設計方法，使用組件/動態庫技術實現儀器的采集控制和其他功能模塊，能夠實現資源共享，易于升級擴展和維護。ACME(Acquisition control management expert)采集控制管理軟件平臺以組件庫的形式管理各種測井儀器功能模塊的動態添加和卸載[14]，同時由軟件開發包生成儀器組件庫的結構框架，通過接口函數實現儀器組件庫與軟件平臺的數據交互，有利于儀器功能的擴展以及新儀器的研發。

數據采集控制軟件是方位遠探測聲波測井儀器的重要構成部分，主要實現儀器的控制、數據采集和處理、波形監測、數據交互和文件記錄等功能。與傳統聲波測井儀器相比，該儀器采用了陣列化的傳感器，所有傳感器的波形需要獨立的采集和存儲通道，每個通道采集的數據量大幅度增加，因此，采集控制軟件要實時實現大批量數據的交互、解編和監測，對軟件的響應速度和穩定性要求更高?；赪indows 7 和Visual Studio 2013 編程開發平臺設計開發了方位遠探測聲波測井儀器數據采集控制軟件模塊，采用多線程編程技術提高系統響應速度和軟件穩定性[15]。該軟件模塊以組件庫的形式設計和開發，通過修改接口函數能夠掛接到ACME等測井采集控制管理軟件平臺。

1 系統總體構成

方位遠探測聲波測井儀器系統主要由井下儀器和地面采集控制軟件模塊構成，圖1 為儀器系統構成原理示意圖。井下儀器主要由有源發射聲系、隔聲體、有源接收聲系和儀器主控短節等構成，有源接收聲系包括由方位接收換能器陣列和測控電子系統構成的若干個有源聲波測井接收節點，有源發射聲系則由多模式發射換能器和激勵電子系統構成的有源聲波發射節點。地面采集控制軟件模塊以儀器庫的形式掛接到成像測井系統，其特點是儀器庫能夠與大多數測井系統進行配接，提高測井系統的適應性。

儀器電子系統設計了一主(節點)多從(節點)的連接控制方式，主要由主控電路(主節點)、多節點采集電路(采集從節點)、相控激勵電路(激勵從節點)構成。地面采集控制軟件通過下發命令方式對儀器工作過程進行控制，并接收儀器上傳的采集數據和狀態信息。儀器與地面采集控制軟件的數據交互由主節點完成，在地面采集控制軟件的命令驅動下主節點主要實現換能器激勵、信號接收放大、模式組合選擇、有源濾波、數據采集和數據通訊等控制功能。

方位遠探測聲波測井儀數據采集控制軟件由儀器初始化、數據采集、數據分析及處理、儀器參數設置、下發命令封裝、文件操作、實時波形繪圖顯示、實時波形處理、數據回放、幫助系統等部分組成。圖2為采集控制軟件的功能模塊構成框圖。

圖2 儀器采集控制軟件功能構成框圖Fig.2 Functional block diagram of tool acquisition and control software

2 儀器初始化

儀器初始化模塊流程如圖3 所示。獲得儀器組件工作目錄是為了讀取和保存儀器初始化及參數文件，并在測井運行和重測井時進行測井數據文件操作。井下儀器與遙測之間通信時都包含了特定的地址識別碼，井下儀器可據此判斷下發的命令是否是給本身儀器的，而遙測可判斷出請求到的數據是由某個特定儀器發送。因此，初始化儀器時必須設置好控制器域網(Controller area network,CAN)通信地址，并初始化每幀數據量的字數。儀器初始化參數保存在初始化文件中，將這些參數與儀器的地址、數據幀傳輸長度等命令下發給前端機以初始化儀器的基本工作參數并與儀器建立通信連接。儀器初始工作參數包括采集模式、相控參數、數據采集深度、采集間隔、重復發射間隔和增益控制等參數。這些初始工作參數在前端機與遙測及儀器的通信正確建立后即可下發，儀器接口電路解碼后發送到儀器電路各個功能模塊，建立儀器的初始工作參數。數據緩沖區用以存放井下儀器上傳的各類數據。波形顯示占用較多系統資源，但其對實時性要求較低，為了保證測井采集處理的實時運行和儀器組件工作的可靠性，將波形顯示在一個輔助工作線程中實現，輔助線程與主線程之間的通信由事件驅動。

圖3 儀器組件初始化流程Fig.3 Tool library initialization process

3 數據采集

數據采集功能由地面采集控制主系統回調，當產生深度中斷或者達到設定的時間間隔后，系統按照初始化中設置的數據長度調用儀器組件數據采集函數，傳遞采集到的所有數據給儀器組件，由儀器組件保存該數據到緩存區。圖4 是數據采集流程。根據上傳數據的組織結構和內容，可以將上傳的數據塊分為全部有效數據塊、部分有效數據塊和冗余數據塊。冗余數據塊和有效數據塊由數據塊頭信息進行定義和判斷，第一字為55AAH，是特征字，標志是有效的數據塊。設計了深度中斷序號和數據幀序號，為數據的分類和排序提供依據。接收數據塊時先計算幀數據校驗碼，與上傳的校驗碼進行比較，檢查數據傳輸是否正確，若不正確則丟棄錯誤數據。

圖4 數據采集流程Fig.4 Data acquisition process

4 數據分析及處理

數據分析及處理模塊是儀器組件的非常重要的組成部分，完成的功能是把井下上傳的數據轉換為各種模式分通道依次存放的波形數據；分析波形并計算需要設置的增益；下發命令并保存；利用單極波形快速實時處理時差并將其輸出到儀器曲線瀏覽窗口；記錄數據文件；重測井文件回放；喚醒波形顯示線程等。圖5是數據分析及處理模塊的流程。

圖5 數據分析及處理流程Fig.5 Data analysis and processing flow

首先判斷是測井數據文件回放(重測井)還是測井運行。測井數據文件回放時只需要從打開的測井數據文件中讀取已經記錄的數據并進行實時時差處理，之后喚醒波形顯示線程。判斷在數據采集中設置的接收到有效數據標志，確定是否接收到完整的采集序列數據。如果因為數據傳輸出錯等原因未能接收到全部有效數據，則用上一個深度中斷的數據代替當前深度的數據。

從上傳的數據中提取井下儀返回的命令，判斷命令是否成功發送到井下儀器。在提取波形數據前，先分析井下儀狀態，將編碼轉換成相關信息進行顯示和存儲。提取波形數據時，按照工作組合模式和每種模式的數據采集設置參數將其組合成按模式分通道依次存放的波形數據。在此過程中，分別計算出各種模式下每個通道波形數據對應的最大絕對值，自動增益控制(Automatic gain control,AGC)將用這些最大值計算合適的增益，由程序自動實時調節通道增益，使得模擬數字轉換器(Analog-to-digital converter,ADC)在非飽和情況下有盡可能多的有效量化位數。

儀器參數設置決定著儀器運行的所有參數和全部過程，在一個非模式對話框中通過人機交互的方式設置儀器的全部關鍵參數，且全部初始參數保存在初始化文件中，儀器組件啟動時自動讀取初始化文件加載參數，測井過程中儀器運行的參數也可以保存到該文件中并在需要時進行調用加載。儀器參數主要包括：增益設置模式、儀器工作模式、下傳命令幀性質、通道增益設定方式、井下上傳數據選擇、采集節點數據選擇、井下濾波設置、儀器工作啟?？刂?、采樣參數設置、發射相控參數設置、發射源選擇、接收通道增益等。根據下發命令的格式封裝好儀器設置參數列表后，發送命令給前端機，并保存下發的命令，用于儀器通訊的校驗和數據提取等。

文件操作全部封裝在一個類中進行處理，記錄的是井場信息、深度、原始采集數據、采集參數和儀器狀態等所有測井儀器相關的內容，用以后續處理。

測井運行過程中，最為直觀地判斷儀器運行情況和采集到波形質量的方法是觀察實時顯示的波形。為了保證儀器組件運行的穩定性和處理的實時性，波形顯示在一個輔助工作線程中完成。在處理完當前采集序列的波形數據后，設置事件為有信號狀態，喚醒波形顯示線程進行繪圖處理。

5 文件操作

儀器組件中涉及到的文件操作主要是儀器參數文件和數據文件。儀器參數文件在系統配置及應用程序參數保存與設置方面，具有很重要的作用，是ASCII 格式的純文本文件，可以編程讀寫，也可用文本編輯軟件進行讀寫。設計時，將儀器設置的初始化參數全部保存在參數文件中。

測井數據文件是儀器組件最重要的用戶數據文件，存儲有對應測井模式的測井服務表參數和原始測量數據，是以二進制格式為主的復雜格式數據文件。測井數據文件在邏輯上由文件頭和數據記錄兩部分組成。測井數據文件由一個單獨的類實現，具體包括以下功能：文件偏移量記錄、記錄總次數、當前數據體記錄的偏移量、讀寫井場信息、讀寫文件頭信息、存取某點深度和對應的數據偏移起始地址、寫入或者讀取某個深度值和對應深度的數據在數據體中的偏移起始地址、存取數據體、存取某點深度和對應的數據偏移起始地址等。

6 實時波形顯示

實時波形顯示在一個輔助工作線程中實現，由主線程中的事件喚醒，在沒有新的采集波形數據準備好之前，事件處于無信號狀態，線程處于掛起狀態。在測井中，一般包括若干組接收波形，每組接收波形又包括多條曲線，如方位單極測井模式包括AR1、AR2、···、AR10等10組波形，每組波形包括8條曲線，這就需要多個波形顯示窗口同時觀察多組波形，設計中基于選項卡控件實現這種功能。這種實現方法可以顯示包含多頁的信息或控件，當儀器工作模式改變后，需要顯示的波形窗口數量和顯示方式也隨之改變。

在波形顯示時，為了快速刷新和增強顯示效果，采用位圖的形式，首先把需要顯示的位圖繪制在內存設備環境中，然后將其在屏幕上進行顯示。為了實現這個過程，必須創建一個與顯示設備兼容的內存設備環境和一個與顯示設備兼容的位圖，并把位圖選進內存設備環境，在刷新顯示時將位圖從內存設備環境復制到顯示設備環境中，圖6 為波形繪制流程。

圖6 波形繪制流程Fig.6 Waveform drawing process

為了同時顯示多組波形，設計中創建了多個波形顯示窗口，每個波形顯示窗口擁有獨立的設置屬性。打開波形監視窗口時，根據當前的工作模式添加對應的波形顯示對話框到選項卡控件。每個波形顯示對話框中都包括最大幅度設置、超限顯示控制、背景色彩、曲線色彩和曲線顯示選擇等屬性設置選項。在繪制位圖前，先讀取繪圖窗口中設置的繪圖屬性，據此繪制對應的位圖，在窗口更新時把位圖從內存設備環境復制到顯示設備環境，實現圖形的快速、無閃爍顯示。

7 測試應用實例

方位遠探測聲波測井儀數據采集控制軟件已經配套實驗樣機開展了多井次實驗井測試和現場測試，程序運行穩定，在測試過程中均采集到了完整的測井資料。圖7 為方位單極測井模式時的波形顯示窗口。每個波形顯示窗口均顯示了一個方位接收站的8 道波形，“AR1 波形”窗口顯示的是最小源距的方位接收站接收到的8 道波形，“AR8 波形”窗口顯示的是最長源距的方位接收站接收到的8 道波形，其他窗口則是顯示不同源距的接收站接收到的波形。

圖7 波形顯示窗口Fig.7 Waveform display window

圖8 為在一口實驗井中測試得到的方位接收模式最小源距接收站AR1 接收到的8 個方位測井數據。圖8中第1道為深度曲線，第2道為縱波時差、方位和伽馬曲線，第3 道～第10 道分別為接收器1～接收器8接收到的波形。從圖8中可以看出，接收波形形態正確，沒有出現多道波形錯位和丟數現象，波形幅度變化動態范圍控制有效，表明采集控制軟件與測井主控平臺的數據交互高效可靠，能夠完成對儀器工作過程的實時控制，并采集完整的儀器實時測量數據。

圖8 實驗井測試采集到的方位接收波形Fig.8 Azimuthal receiving waveforms collected by test of an experimental well

8 結論

方位遠探測聲波測井儀地面采集控制軟件模塊以儀器庫的形式掛接到成像測井系統，其特點是儀器庫能夠與大多數測井系統進行配接，提高測井系統的適應性。

地面采集控制軟件通過下發命令方式對儀器工作過程進行控制，并接收儀器上傳的波形采集數據和狀態信息。地面采集控制軟件與儀器主節點進行數據交互，在地面采集控制軟件的命令驅動下主節點主要實現換能器激勵、信號接收放大、模式組合選擇、有源濾波、數據采集和數據通訊等控制功能；儀器主節點上傳波形采集數據和狀態信息，由地面測井系統平臺轉發給儀器采集控制軟件進行分析、處理和存儲。

在多方位波形顯示、數據處理等模塊的實現過程中采用了多線程編程技術，提高了與測井主控平臺進行交互的時效性，提高程序的響應速度，增強應用過程中的用戶體驗和程序的穩定性。

實驗室及現場測試表明，方位遠探測聲波測井儀數據采集控制軟件的總體及各個功能模塊運行穩定，功能符合儀器現場應用過程中對儀器的控制、數據讀取、數據分析及處理、文件記錄以及與現場測井采集控制平臺的數據接口等需求，為儀器的進一步功能優化升級和現場應用提供了基礎。