姜 辉，曹春锋，魏 涛，陈 强，伍红成，张世福

(中国石油集团测井有限公司大庆分公司 黑龙江 大庆 163412)

0 引 言

测井地面系统在识别砂岩、泥岩及油气储层等地质信息的采集方面发挥着重要的作用，主要由射孔、控制、采集、电源、深度面板等多个箱体组成。其中，数据采集箱是测井地面系统的核心箱体。传统测井系统采用的通讯总线，如ISA、WME、PCI等，在特定的历史时期都发挥了作用，但是这些总线对系统扩展的限制是明显的。以ISA总线为例，若要进行系统扩展，前置机是个绕不过去的槛。随着电子技术和数字技术的飞速发展，以嵌入式处理器为核心的数据采集技术在测井仪器领域得到了广泛应用。开放性、模块化和可重构设计是目前测井数据采集领域研究的热点，目的是为了适应测井技术发展和便于用户不断开发自己的新功能。为了满足井下仪器数据量不断加大和实时处理要求不断提高的要求，设计了一种具有高开放性特征的网络化测井系统。

1 系统硬件设计

网络通信技术的应用是测井系统具有网络化、模块化及开放式等特征的技术保障。新系统采用Ethernet+TCP/IP技术最典型的以太网应用形式，即在由以太网构建的底层传输网络基础之上，采用标准的TCP/IP网络传输协议进行数据通信[1]。地面系统以左、右网络交换机为中心，连接地面各箱体及信号板卡，组成一个局域网。所有的箱体、板卡都是局域网中的一个节点，具有唯一的IP地址标识，工控机根据测井任务的需求访问相应目标IP，并对目标进行状态监控和参数配置。系统各部分如图1所示，包含的主要部分为：信号采集机箱、电源部分(交流电源机箱、直流电源机箱、电源控制机箱)、接线控制机箱，交换机等。

图1 网络化测井系统结构图

1.1 信号采集箱

采集箱主要包含三部分功能：信号分离功能、信号处理功能、信息显示。信号分离部分在程控测井方式下，完成下井高压的控制、缆芯转换、信号分离；信号处理部分完成对硬件电路的工作控制，并对井下仪上传信号进行处理、采集、数据打包，最后传送给主计算机系统进行显示、打印、记录等；信息显示部分完成测井信息的直观显示，方便操作员对测井状态的判断。

1.2 接线控制箱

接线控制机箱主要实现三部分功能，一部分为手动缆芯与电源控制电流较大时采用，另一部分为射孔取心功能，第三部分为系统缆芯切换和深度、张力信号的驱动切换。

1.3 电源部分

由电源控制机箱、交流电源机箱及直流电源机箱等三个箱体组成，满足井下仪器井下高质量大功率供电需求。电源控制机箱以PC104为控制核心，产生交流电源机箱及直流电源机箱的控制信号，通过电源监测子模块来实时监测测井过程中七芯电缆的交流电压电流值，配合井下遥测上传电压电流值，对井下仪供电进行实时保护。

2 信号采集卡及工作过程

在采集箱中，高压电源和缆芯直接进入母板总线，缆芯加电由各板卡直接控制，同时，每块采集卡都可以独立采集深度、张力、磁标信号；其中，显示驱动卡只采集深度、张力等信号，其它信号不采集。不同的信号采集板卡采集不同的井下信号类型，配接井下仪时由工控机选择不同的板卡工作；板卡把原始信号处理成数字信号后通过网络传送给交换机，工控机也通过网络接收板卡数据和控制板卡工作。

2.1 信号采集卡

目前在用的板卡接口为4块信号采集卡加一块显示驱动卡，分别代表不同的信号类型。采集箱中设计的信号接口共有6个，多余的一个用于扩展使用。信号采集卡采用了嵌入式ARM模块用于网络通讯、FPGA模块用于数据采集及DSP模块用于信号处理等模块化设计模式[2]。

具体的信号采集卡为:200K信号采集卡，主要用于氧活化信号的处理，C/O信号的处理；500K信号采集卡，为OFDM编码方式，主要用于常规测井中全面应用“一串测”[3]，对应数传的传输速率为500kbps；WTS 信号采集卡，能够方便实现5700系统配接[4]，完成5700的常规测井项目和成像测井项目，满足油田的一些特殊井的测井要求；2M 信号采集卡，为OFDM编码方式，用于自研2M数传井下仪器的地面编解码工作。

2.2 信号采集卡工作过程

采集箱体打开电源后，所有的板卡会按照ARM网络模块的内部程序初始化整个板卡[5]。初始化完成后，信号采集板卡会处于等待采集软件命令阶段，此时板卡内部与高压电源及缆芯处于断开状态；而显示驱动板卡则处于工作状态，时刻准备着处理输入的信号。信号采集板卡流程图如图2所示。

图2 板卡工作流程图

图2中，测井软件运行后，整个系统通过测井采集软件选择井下仪器相关的信号采集卡IP地址号，负责与板卡内的ARM模块进行通讯，将仪器上传的数据进行解码并分发给测井软件[6]；对于显示驱动卡而言，采集软件不采集、不记录数据，只是负责监视其ARM工作状态，操作人员会根据测井的实际情况发送命令设置深度数值。如果信号采集卡的初始化设置失败，测井软件会检测到设置失败的错误信息，下发命令重新设置；如果成功设置，则采集卡就可以接收测井软件命令，进行采集数据。同一时刻，只会有两个IP处于工作状态，一个是显示驱动的，另一个是所选择的信号采集卡；其它的则会被测井软件归入待命状态。测井任务结束后，板卡的状态会返回初始化状态，等待下一个测井任务的执行。

3 采集软件设计

软件根据需求划分为多个功能模块，模块间采用网络通信进行数据交互，各模块是独立的可执行程序，这样的设计思想保证了信号采集扩展的开放性。这些模块分别是：系统管理模块、组件安装模块、系统设置模块、图表编辑模块、绘图模版创建模块、服务项目管理模块、工程管理模块、数据采集模块、刻度模块、主控模块、曲线显示模块、波形显示模块、测后处理模块、格式转换模块、系统备份模块以及网络模块。模块结构图如图3所示。

图3 采集软件模块结构图

安装采集软件的工控机与信号采集板卡的通讯方式为网络通讯，按照TCP/IP协议发送和接收数据，采集板卡作为TCP客户端，工控机作为TCP服务器端。整个系统工作时，通过数据采集管理与井下仪器相关的采集板卡ARM连接，负责与ARM进行通讯[7]，将仪器上传的数据进行解码并分发给主控平台(LogMaster)。主控平台通过网络和数据采集管理连接，在主控平台处于测井状态时，会将收到的数据进行记录和计算，并将计算后的数据转发给有请求的客户端程序。仪器控制(ToolCtrl)可以连接主控平台，并向其发送仪器命令，主控平台将相应的命令转发给数据采集管理(DataManager)，数据采集管理器编码后发送给相应的仪器。

数据采集管理器通过ARM收到数据，对数据进行解码和分配，转发给主控平台。主控平台收到数据后记录原始数据，通过刻度和计算，将曲线数据分别转发给数据记录进行数据保存，之后可以通过数据后处理(PlotManager)进行曲线数据编辑和保存，利用格式转换程序将数据转换为需要的数据格式，调用综合出图将成果输出。

4 应用实例

本系统作为大庆测井分公司自主研发的新一代测井系统，可以配接的仪器有：国产2M数传系列、引进ECLIPS-5700系列、引进EXCELL2000系列、国产wiseye 1000系列，便于组建测井系列完善的综合测井队。目前，本系统通过扩展OFDM解码卡、WTS数传卡模块，成功配接5700系统3514、3516，EXCELL2000数传短节，以及wiseye1000系列数传短节和其他井下仪器，并进行了现场采集实验。

2017年9月本系统在大庆油田北2-312井成功进行了5700系列X-MAC多极子声波井下仪器测井作业，图4为该井835～880 m深度X-MAC测井数据曲线。

图4 5700X-MAC多极子声波仪器测井曲线

5 结束语

新型测井地面系统的电路设计中，充分利用了嵌入式ARM芯片、高性能DSP芯片及现场可编程门阵列FPGA器件等技术，实现了板卡功能增多、面积减少，系统可扩展等特性；整个系统通讯方式为网络通讯，按照TCP/IP协议工作。与油田正在使用的传统数控测井系统相比，挂接仪器只要符合相应的TCP/IP通讯协议及相应电气标准，就可以十分容易地挂接到新型成像测井地面系统中。作为一个高开放的、模块化、可扩展的网络化测井系统，实现了一机多能，能够扩展挂接多种国产与引进仪器，解决了各种系列井下仪器需要多次测井施工作业的问题，提高了测井时效。截止2017年底，该系统累计完成推广测井98口，测井成功率96%,测井曲线合格率100%，获得了合格的测井资料。