基于以太网技术的网络化测井系统研究

陈文轩，裴彬彬，赵帅，姚德忠，陈仕学，岳宏图

（中国石油集团长城钻探工程公司测井技术研究院，北京100176）

基于以太网技术的网络化测井系统研究

陈文轩，裴彬彬，赵帅，姚德忠，陈仕学，岳宏图

（中国石油集团长城钻探工程公司测井技术研究院，北京100176）

介绍了新一代基于以太网技术的测井系统，通过网络互联的测井系统可以实现资源共享，简化系统的配置与设计，提高系统的可操作性、可维护性和可靠性，使上层管理决策、调度与优化等任务与现场设备的控制任务连接到一起，降低测井系统的实施成本。网络化测井系统技术已经成功地应用到LEAP800测井系统中，该系统是一个网络化、模块化和开放的平台，它的电缆传输系统上传和下传速率分别达到了1 000kbit／s和50kbit／s，完全满足网络化系统的需要；LEAP800测井系统做到了小于5ms精度的时间同步，保证了测井系统良好精度，运用实时操作系统很好地解决了大数据量实时处理的问题。

测井系统；以太网；时钟同步；电缆传输；网络化系统

0 引 言

测井技术在油气资源的勘探与开发中发挥着重要作用［1］。石油勘探地质情况越来越复杂，进而对测井技术要求也越来越高［2］。测井系统向集成化、快速化的方向发展，由此带来测井技术进入高可靠、高集成和高精度测井时代［3］。网络化测井系统实质是将分布在不同地理空间的传感器、控制器、执行器等控制系统部件，通过串行数据通讯网络构成闭环的反馈控制系统［4］。网络化测井系统可通过卫星通讯、互联网或3G网络实施的远程控制和传输技术，实现全球无缝隙的宽带网络接入，实现总部对现场、现场对现场的技术支持和全球数据共享，帮助现场解决突发的技术问题。

1 测井系统的体系结构

测井系统通常由地面系统、电缆传输与井下仪器总线和井下仪器3部分构成。现有的测井系统缺乏完善、统一的系统结构，使用共同的现场总线，把地面系统各面板和井下仪器直接连接起来。当前在测井系统中仍然存在着多种总线并存的现象，用户面临着现场总线的选择、集成以及不同协议的系统之间的信息交互问题。

随着测井系统规模不断扩大，大型的、采用多种总线集成的、分层的异构网络化控制体系结构是测井领域的主要实现形式。这种异构体系使测井系统中的设备层、控制层、网络交换层、数据管理层和客户层等构成一个完整的企业网络平台。异构网络化控制系统在统一的网络平台上实现2种集成：①测井系统之间的水平集成，使测控信息横向实时交互；②测井系统与信息系统的垂直集成，使管理信息纵向快速流动。这种体系对实现上层过程的实时数据交互、建立综合决策信息库、保持数据的一致性和完整性、实现远程监控和诊断以及加强测井服务内外部信息交流等都有重要作用［4］。

2 基于以太网技术的网络化测井系统

基于现代网络通信技术的测井系统是网络化、模块化和开放的平台。由于测井系统的特殊性设计了满足测井需要的、独特的网络拓扑结构（见图1）。整个结构由3个网络组成，地面设备和井下仪器网络具有自己独立的网段，这2个网络各自有1个路由网关，通过测井电缆传输系统相连，并形成第3个网络。每个网络的不同设备都可以互相访问，为测井中的不同需求提供了便利。

2.1 地面系统网络结构

地面系统网络以网络交换机为中心连接各种地面设备，形成星型的网络结构（见图2）。地面系统网络的网关位于地面遥传面板中，测井计算机下发的命令，经网络交换机到地面遥传面板的路由网关，通过电缆传输系统下发到井下仪器的路由网关，然后转发到相应的井下仪器；井下仪器执行地面下发的命令后，将仪器采集的数据经井下网络路由网关、电缆传输、地面网络路由网关和网络交换机发送到地面计算机进行处理。地面系统的每个设备都是网络的一个节点，并具有唯一的IP地址，计算机通过相应的IP地址访问不同的地面设备，实现对每一地面设备的监控和配置。各种测井服务通过计算机自动控制切换，避免了人为操作的不确定性，提高了系统的效率和可靠性。

图1 网络化测井系统结构图

2.2 井下仪器网络结构

图2 地面系统网络结构图

井下仪器网络由井下仪器组成，各个井下仪器通过各自的以太网通信接口连接到以太网总线，从而形成井下系统的以太网网络系统。井下仪器各自具有唯一的IP地址，地面系统网络通过电缆测井传输系统和井下仪器网络相连，地面测井计算机可以通过TCP／IP协议对其进行访问，发送控制命令和接收测井数据。整个系统的数据传输逻辑框图如图3所示。测井系统通过井下仪器网络并配合电缆传输系统，实现地面控制台与井下各仪器之间的信息交互，完成对油井的测试功能。井下仪器网络的主要功能是负责井下仪器数据的收集和转发，并通过电缆传输系统传送到地面控制台中，同时还需要协调多台仪器和电缆数据传输系统的数据交换节奏。其核心功能是通过仪器通讯接口板的电路板实现的。在地面控制台与井下仪器之间的通信中，仪器通讯接口板的作用是接收地面控制台下发的控制命令，并把其中的仪器类操作控制命令向仪器转发；接收仪器采集的测试数据并打包上传到地面控制台进行处理。

图3 数据传输逻辑框图

每一个不同的设备出厂时都具有各自独立的ID号标识，通过ID号可以方便地对设备进行检修、更换和追踪。每个设备和仪器是相对独立的，因此，可以方便地在测井过程中对它们进行控制，或改变工作模式。

在协议层使用标准的TCP／IP协议，使得实时数据交互，实现远程监控和诊断以及加强信息交流变得非常简单，不需要任何数据转换就可以实现各个测井现场以及测井现场和控制中心的数据交互，任意调取任何一个正在测试仪器的资料。

地面系统的各设备通过各自的以太网通信接口连接形成以太网网络，同时井下系统的各仪器也通过各自的以太网通信接口连接形成以太网总线系统，使得整个测井系统从地面到井下都实现了以太网互联，切实有效地把网络技术融入测井系统中。

2.3 测井电缆传输系统

基于以太网通信技术的网络化的测井系统由于引入了标准TCP／IP协议，带来了一定量的额外数据，因此需要有一个全双工的高速率电缆传输系统作为通信的保障。

用于测井电缆传输系统的常见编码调制技术包括正交频分复用（OFDM）［5－6］、正交振幅调制（QAM）、曼彻斯特码（Manchester）等［7］。采用传统的曼彻斯特码等编码调制方式的测井电缆传输系统所获得的低传输率已成为制约测井仪器发展的瓶颈［8］。正交频分复用技术利用子载波间的正交性很好地解决了频带利用率和码间干扰问题，具有较强的抗干扰能力和自适应能力，可以在带宽有限的测井电缆上实现数据的高速传输。目前，各公司研发成功的高速测井电缆传输系统大都基于该项技术。其中，哈里伯顿公司推出的最新测井系统IQ快速平台使用了ADSL通讯方式，上传速率达到800 kbit／s［9］，中海油田服务股份有限公司技术中心基于OFDM技术开发的测井电缆高速数据传输系统试验测试平台，在7 000m的传统电缆上实现了900 kbit／s的传输数据率［6］。长城钻探工程公司测井技术研究院在分析7芯测井电缆传输特性的基础上，结合测井的实际情况，研发出基于正交频分复用技术的兆级高速测井电缆传输系统。

测井电缆传输系统通过IP路由方式把地面系统网络和井下仪器总线网落连接到一起，实现了数据直接传输和控制，实现了网络化测井系统。

2.4 网络时钟同步

网络时钟同步是指维护一个全局一致的物理或逻辑时钟，使网络系统的多种节点（计算机、交换器、路由器等）的信息、事件以及与时间有关的行为，有一个全局一致的解释，以确保节点发送和接收的信息在时间或逻辑上完全正确［10］。时钟同步是设计与实现网络化测井系统中的一项重要内容。网络化测井系统，不能使用传统的深度采样方式，需要用时间采样方式进行数据采样，因此它需要精确的时钟同步控制，保证井下仪器的数据采样时间与地面深度面板的时间一致。井下仪器的时间和地面深度面板的时间误差应在毫秒级范围内，可采用的网络时钟同步协议有NTP（network time protocol），协议在局域网上精度可达毫秒级，且同时可与多个时间服务器进行校准；SNTP（simple network time protocol）协议可以与1个时间服务器进行校准，一般用于客户端；IEEE1588精确时间协议PTP（precision time protocol）能实现亚微秒级时钟同步［4］。

3 应用情况

网络化测井系统技术已经成功应用到LEAP800测井系统中，系统基于以太网通信技术的地面系统和井下仪器总线，使用标准的TCP／IP协议，实现了从地面到井下仪器的直接互联。该系统的采集软件采用了统一底层和平台化设计的总体架构，实现了系统的开放性、仪器动态挂接、远程操控和在线升级等功能，同时支持多语言、多单位制以及国际标准的数据和图文格式，方便了数据综合处理和解释评价［11］。

基于正交频分复用技术的全双工测井电缆传输系统上传和下传速率分别达到了1 000kbit／s和50 kbit／s，并具有建立时间短、工作稳定可靠、自适应不同测井电缆等特点，完全满足网络化系统的需要。LEAP800测井系统做到了小于5ms精度的时间同步，保证了测井系统良好精度，运用ARM＋DSP的先进的半导体芯片和实时操作系统很好地解决了大数据量实时处理的问题。

该系统在井场先后多次在河北任丘、山东孤岛和辽宁盘锦等地方的试验井进行了下井测试，同时也分别在辽河油田、内蒙古油田及吉林油田等商业井进行了试验，测井作业成功率100%。商业井包括生产井和探井；地层岩性涵盖了砂泥岩、砂砾岩、碳酸盐岩和火成岩；井眼泥浆包括了咸水泥浆、低电阻率淡水泥浆、普通淡水泥浆和高电阻率淡水泥浆［11］，所有的测井试验均取得了完整的测井曲线。

LEAP800常规测井仪器包括了阵列感应和相控阵列声波测井仪，除新研制的仪器外，常规测井仪器也作了一些改进和升级。双侧向、岩性密度、补偿中子和自然伽马能谱等仪器的性能或测井质量有些改善。图4是商业井阵列感应测井满贯仪器串的测井资料；图5是商业井双侧向测井满贯仪器串的测井资料，其中显示了井径、自然电位、自然伽马、阵列感应、双侧向、补偿中子、岩性密度、声波纵波时差和光电吸收截面（Pe）等测井曲线［11］。

图4 阵列感应满贯仪器串测井曲线实例

图5 双侧向满贯仪器串测井曲线实例

4 结束语

兆级电缆传输系统的成功开发与应用，使得互联网技术在井下仪器中的应用成为现实；远程操控测井系统的整体网络化使得远程测井成为可能，网络通信技术在新一代测井系统中将会得到更为广泛的应用。

［1］ 张元中，肖立志.新世纪第一个五年测井技术的若干进展［J］.地球物理学进展，2004，19（4）：828－836.

［2］ 路相宜.863计划发力钻井前沿技术——访中国工程院院士苏义脑［J］.中国石油石化，2007，16（1）：46－47.

［3］ 郭嗣杰，刘东友，田彦民.测井仪技术的发展趋势［J］.船舰防化，2006（2）：43－46.

［4］ 戴航，慕德俊.网络化工业控制系统的研究进展［J］.测控技术，2008，27（1）：1－3.

［5］ 秦伟，王炜，陈鹏.基于OFDM的高速遥传电缆调制解调器设计［J］.测井技术，2006，30（5）：467－469.

［6］ 张菊茜，卢涛，李群，等.一种基于OFDM技术的900 kbit／s测井数据传输系统［J］.测井技术，2009，33（1）：84－88.

［7］ 测井学编写组.测井学［M］.北京：石油工业出版社，1998：324－334.

［8］ 冯启宁，鞠晓东，柯式镇，等.测井仪器原理［M］.北京：石油工业出版社，2010，372－375.

［9］ 马顺元.LOG－IQ成像测井系统培训手册［M］.北京：石油工业出版社，2007：102，167.

［10］胡海峰，陈喜.局域网时钟同步机理的研究［J］.微型电脑应用，2004，20（3）：46－49.

［11］肖加奇，陈文轩，白庆杰，等.新一代网络化测井系统LEAP800［J］.长城钻探科技，2010，1（1）：1－8.

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 本文编辑 李总南）

1004－1338（2012）03－0286－04

陈文轩，男，1963年生，高级技术专家，从事测井系统总体设计、电缆测井数据传输和井下仪器总线研究工作。