随钻声波测井仪数据高速下载实现

罗博,谢荣清,仇傲

(中海油田服务股份有限公司油田技术研究院,河北三河065201)

0 引 言

随钻测井技术在最近几十年快速发展,与电缆测井相比,随钻测井可以在钻井的同时测量地层信息,此时地层状况更接近原始状况,受钻井液影响较小,能够更加真实地反映地层信息,所以随钻仪器测井数据具有研究价值[1-3]。在作业过程中,随钻仪器需要在井下连续工作120 h以上,受钻井液脉冲传输速率的限制,实时上传数据信息量很小,大量数据的计算处理结果和原始数据必须存储在仪器井下存储电路中[4],等仪器起钻出井口后才可下载处理。

以中海油田服务股份有限公司自主研发的随钻单极子声波测井仪为例,4个接收器同步采集,每个接收器采样点数为300,每个采样点以2 B有符号整型数据表示,每次采样的数据量为2 400 B。另外还需要存储井下工作时电路板温度、四通道增益量、时间、控制参数、井下计算的时差等数据,单次采样产生的数据量约2 600 B[5]。随钻测井作业时,根据钻进速度,将随钻单极子声波测井仪的数据采集时间间隔设置为4 s或8 s,以每4 s采集1次计算,每小时需存储数据2.34 MB,随钻作业要求仪器连续工作120 h以上,待作业完毕,随钻单极子声波测井仪内存数据量超过280 MB。仪器出井口后,随钻单极子声波测井仪内存中存储的大量数据才可以下载,如果下载数据时间过长,容易影响井场其他作业,且如果井场环境恶劣,下载数据容易受到干扰。因此,需要一种可以高速度稳定下载海量内存数据的方案,要求操作简单方便、下载数据时间短,且读完数据后,上位机软件可以以图形显示测井数据,方便初步判断井况和数据质量。

影响仪器内存数据下载的主要因素有通信总线速率、数据传输方式、井下仪器读内存和上位机存储收到数据的速率。其中,通信总线速率所占比例最大,直接关系到数据下载速度的快慢,之前通信速率最高为480 kbit/s,对于内存数据量较大的随钻仪器,这样的通信速率不能满足现场作业需求。其次是数据传输方式,作为仪器与上位机连接的通信盒必须工作稳定可靠,一旦出现传输数据错误,就必须重新下载,浪费时间。此外,为提高下载数据速度,仪器主控芯片读取内存数据的速度应该在保证准确性的情况下达到最高,而上位机软件收到数据并存储的机制也应该优化,降低耗时。

1 方案设计与实现

1.1 总体方案

硬件系统框见图1。上位机通过通信盒与随钻单极子声波测井仪进行通信。随钻单极子声波测井仪主控电路板上MCU(Microcontroller Unit)通过串行外设接口(Serial Periphral Interface,SPI)总线读取存储内存数据,然后串行通讯接口(Serial Communications Interface,SCI)模块将读取的数据发送到RS-422收发器,再通过电缆发送到通信盒,通信盒通过USB线传给上位机,通信速率要求达到1 Mbit/s。上位机通过USB线与通信盒连接,通过Visual C++编写的上位机软件实现对仪器的控制及数据下载。上位机软件加载下载的数据后,可以以波形显示数据。

图1 硬件系统框图

上位机软件工作流程见图2。软件启动后,上位机软件首先打开串口,确认连接状态正常,输入需要读取的内存数据起始地址;仪器回复收到地址成功后,上位机软件再下发读取内存数据命令;随钻仪器开始打包上传内存数据,每包数据校验正确后,上位机软件存储数据,然后再下发读取命令,读取下一包数据,直到读取最后一包数据。

图2 上位机软件工作流程

每包数据包括该包的数据头、该包的数据长度、n个测量点数据、数据全部发送完标识和校验和这些部分。数据头为特定的标志,说明开始传输数据。数据长度为本包数据总字节数,上位机软件可据此数据判断本包数据是否读取完成。数据校验使用数据校验和的方式进行,MCU对每包要传输的数据全部按照有符号数进行累加,不计进位。最后的校验和就是校验数据,上位机软件每接收完1包数据,对数据以同样的方式做累加,把得到的校验和与接收到的校验和进行比较,相同则表示数据正确,存为文件。根据全部数据发送完成标识,如果数据已发送完,则数据下载结束,如果未发送完,则下发上传数据指令,继续传送下一包数据。如果校验不通过则说明数据下载错误,上位机软件发命令,仪器重新发送本包数据。

1.2 仪器通信方案

随钻单极子声波测井仪的串口通信方式选择RS-422,RS-422是工业设备中使用比较广泛的通信方式。相比RS-232,RS-422抗噪声能力更强、传输距离更远、速度更快。相比RS-485,全双工通信的RS-422可靠性更高。随钻单极子声波测井仪主控电路处理器芯片为TI公司的TMS320F28335,其最高工作温度为125 ℃。该芯片集成串行通信接口SCI,SCI为异步串行通信接口,使用双线通信,包括数据发送和数据接收2条信号线。SCI的数据格式为标准非归零(Non-Return to Zero,NRZ),能够高速实现MCU与MCU或其他外部设备的数据传输。TMS320F28335芯片上集成的SCI接口具有16级接收和发送先入先出队列(First Input First Output,FIFO)功能。如果不使用FIFO功能,则SCI接收器和发送器采用双级缓冲发送数据。SCI模块发送器和接收器的使用能和中断标志位互相独立,两者可以单独工作[6-7]。

根据现场作业情况的要求,设计串口传输距离≥50 m,传输速率≥1 Mbit/s,不能用SCI直接与外部进行数据传输,而应将其连接到RS-422数据收发器进行串口通信。RS-422数据收发器选择TI公司的芯片SN65HVD1474D,最大传输速率20 Mbit/s,最高工作温度125 ℃,具有静电释放(Electro Static Dischange,ESD)保护功能,完全满足仪器工作要求。

1.3 通信盒方案

目前随钻单极子声波测井仪与上位机通信方式主要有USB转串口和网口转串口。上位机一般只有1个网口,而现场作业环境恶劣,一旦网口出现故障,上位机将无法与随钻仪器通信。而上位机一般拥有多个USB接口,USB支持热插拔,且USB口引脚接触面积大,故障率低于网口。因此,在传输速率满足要求的情况下,选择USB转串口作为仪器与上位机的通信盒。

USB转串口作为上位机与仪器的通信中介,不需要再额外设计数据读取装置,可节约成本和研发时间。目前市场上USB转串口产品数量众多,但传输速率能达到1 Mbit/s的产品较少,能够以1 Mbit/s速率长时间稳定传输数据的更少。对市场上可以购买到的多种USB转串口进行性能测试,经过分析对比,最终选择Advantech公司的USB转串口,该产品即插即用,有浪涌保护功能,支持热交换功能、自动数据流控制,规定最大传输速率为921.6 kbit/s。经实际测试,波特率为1 Mbit/s时,如果只用上位机USB口供电,则连续传输约40 MB数据后就无法再传输数据。在外部供电12～48 V的情况下,可以稳定连续传输数据超过1 GB数据。此外,该USB转串口具有4个串口,实际作业过程中,如果有串口损坏,还可使用其他3个串口[8]。

1.4 数据处理和显示

上位机软件通过USB线发送读数据命令到通信盒,通信盒将其转为RS-422命令通过电缆发送给仪器,仪器收到命令后,将数据打包通过电缆发给USB转串口,USB转串口再转发给上位机。上位机软件每读完1包数据,都需要进行校验,如果校验正确,则将收到数据存储为文件,并发送命令继续传送下1包数据,直到下载完毕。如果校验错误,则下发命令重新读取本包数据,以保证数据下载的准确性。如果某包数据长度过大,假如有个别数据错误,将会导致校验不通过,上位机必须重新下发命令读取此包数据,浪费时间。如果某包数据长度过小,上位机软件需要多次计算校验、保存文件和下发读取数据命令,随钻测井仪器收到命令后再判断命令和读取内存数据,额外占用时间过多,也会导致读取数据耗时较长。因此,应该确保误码率为0时,每包数据长度尽量大,以减少下载数据中额外的时间。经过实际测试,误码率为0时,通信盒传输每包数据最大长度为67 MB,考虑到现场作业更高的可靠性,选择每包数据长度为48 MB。

通过串口通信,每个字节数据之外还包括1个起始位、1个停止位,这样每个字节数据实际上需要传输10 bit,在速率为1 Mbit/s时,理想状态下,每分钟可下载6 MB数据,但MCU从内存读取数据的速度受SPI通信速率限制,同时MCU对数据的处理和上位机存储数据也消耗时间,因此,实际下载速率低于6 MB/min。

上位机软件采用Visual C++编写,可以实现对仪器的控制、数据下载和测井数据显示。上位机软件控制窗可实现对随钻单极子声波测井仪的状态设置、手动增益设置、采集数据、握手、写时间、读状态、读内存地址、内存数据擦除、下载内存数据等操作。图3是上位机软件内存波形显示界面图,通过波形显示4个通道的声波测井数据,并且可以显示数据采集时间、每个通道增益值、数据条数、采样率、井下实时计算的时差值等,并且可以选择显示哪条波形,这样在下载完内存数据后,可以初步根据波形,判断数据是否正确。

图3 上位机软件内存波形显示界面图

2 实验验证

分别用2种技术方案下载仪器内存中的数据,内存数据量同为166 068 kB,下载开始和结束时间见表1,旧方案耗时接近62 min,下载速率为44.8 kB/s。新方案下载大约耗时35 min,下载速率为78.4 kB/s,优于旧方案的下载速度,能完全满足现场作业需求。

表1 2种方案下载数据对比

3 结 论

本文设计的随钻声波测井仪数据高速下载方案,使用稳定可靠的高速USB转串口作为仪器与上位机的通信中介,确保通信的高速可靠性,采用合理的数据打包上传协议,降低了下载数据的时间。用Visual C++编写的上位机软件进行控制,最大限度降低了额外的时间消耗,数据下载速率高,完全满足实际随钻声波测井作业要求,并且上位机软件可实现对仪器操作维护和数据的不失真回放。目前,该方案已经在现场推广应用,使用效果良好。此方案也可推广到其他随钻仪器,只需要统一仪器硬件通信接口,上位机软件按照其他随钻仪器通信协议添加相应模块,即可完成。