专利名称：网络化的测井系统及其通信方法
技术领域：
本发明涉及一种测井系统及其通信方法，更具体地涉及基于以太网技术的网络化的测井系统及其通信方法。
背景技术：
测井，也叫地球物理测井或石油测井，是利用岩层的电化学特性、导电特性、声学特性、放射性等地球物理特性测量地球物理参数的技术，属于应用地球物理方法(包括重、磁、电、震、测井)之一。一般按所探测的岩石物理性质或探测目的可分为电法测井、声波测井、放射性测井、地层倾角测井、气测井、地层测试测井、钻气测井等。把利用电、磁、声、热、核等物理原理制造的各种测井仪器，由测井电缆下入井内，使地面电测仪可沿着井筒连续记录随深度变化的各种参数。通过表示这类参数的曲线，来识别地下的岩层，如油、气、水层、煤层、金属矿床等。测井技术利用井下仪器的传感器对地层的特性进行不同的测量，并 把采集到的数据传到地面测井计算机进行处理。测井系统通常由地面系统、遥传系统与井下仪器这三部分构成。测井系统通常要完成裸眼井测井、套管井测井、成像测井、射孔取芯、远程通信控制等服务。各种功能服务由不同的面板或面板组合来完成，需要把这些面板连接起来以组成地面系统来实现各种测井服务。图I为示例的测井系统原理框图。测井系统的地面系统由完成不同功能的面板连接组成。现有的测井系统连接地面仪器的面板的方式多种多样，例如，可以通过异步串口(UART)连接，可以通过IEEE488(GPIB)总线连接，也可以多种连接方式并用。总之，没有一种较好的而统一的地面系统结构，从而造成对地面系统的操作、控制非常不便，不利于对系统进行模块化设计。另外，现有测井系统的井下仪器也使用不同的通信方式。为了提高地层的测量分辨率和适应复杂地层测井，当今测井仪器具有越来越多的种类，并且其实现越来越复杂。测井时需要将多个井下仪器组合成一串来下井测量。每一个井下仪器都需要与地面软件进行通信，包含上传数据和下传控制命令、配置参数等。在测量过程中也会产生大量的原始数据。目前，测井系统中正在大量使用的井下仪器总线有=DTB总线，通信速率约为IOOKbps ；1553B总线，通信速率约为400Kbps ；RS485总线，通信速率约为500Kbps ；CAN总线，通信速率约为800Kbps。这些总线结构流量小，限制井下仪器的数据传输，致使不得不放弃了大量的原始数据，从而对测井数据的事后分析造成了很大障碍。此外，井下仪器总线是和电缆传输系统进行配合的，一般总线的通信速率要大于电缆数据传输系统，这样才能充分地发挥电缆数据传输系统的性能。LeapSOO新一代测井系统中的电缆传输系统传输速率在IOOOKbps以上，这样井下仪器的总线速率必须在2000Kbps以上才能满足新一代的测井仪器大数据量的传输需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效的、接口统一的、便于操作和控制的测井系统网络化的测井系统，及其通信方法。根据本发明的优选实施例，所述网络化的测井系统是基于以太网技术的网络化测井系统。根据本发明的一方面，提供一种测井系统，其包括
测井地面系统，其中组成所述测井地面系统的装置被连接形成第一以太网网络系统； 测井井下系统，其中组成所述测井井下系统的装置被连接形成第二以太网网络系统；
以及
遥传系统，用于连接所述第一网络系统和第二网络系统以使得第一网络系统和第二网络系统能够进行通信。根据本发明的一个实施例，所述测井地面系统包括
地面设备，每个地面设备包括用于与测井系统中的其它设备或仪器进行以太网通信的以太网通信板；以及 交换机，
其中每个地面设备通过各自的以太网通信板连接到所述交换机以形成所述第一以太网网络系统。根据本发明的另一实施例，所述测井地面系统还包括
地面路由网关，其连接到交换机作为第一以太网网络系统的网关，
其中所述遥传系统通过所述地面路由网关与第一以太网网络系统相连。根据本发明的又一实施例，所述遥传系统包括地面遥传设备和井下遥传仪器，所述地面遥传设备和井下遥传仪器也均包括所述以太网通信板，其中所述地面路由网关是由所述地面遥传设备中的以太网通信板配置而成。根据本发明的又一实施例，每个地面设备被配置为具有唯一的IP地址。根据本发明的又一实施例，所述测井井下系统包括
井下仪器，每个井下仪器也包括用于与测井系统中的其它设备或仪器进行以太网通信的所述以太网通信板；以及井下仪器以太网总线，
其中每个所述井下仪器通过各自的以太网通信板连接到所述井下仪器以太网总线上以形成所述第二以太网网络系统。根据本发明的又一实施例，所述测井井下系统还包括井下路由网关，所述井下路由网关连接到所述井下仪器以太网总线上以作为第二以太网网络系统的网关，其中所述遥传系统通过所述井下路由网关与第二以太网网络系统相连。根据本发明的又一实施例，第二网络系统经由井下路由网关和地面路由网关通过遥传系统与第一网络系统进行通信。根据本发明的又一实施例，所述遥传系统包括地面遥传设备和井下遥传仪器，所述地面遥传设备和井下遥传仪器也均包括所述以太网通信板，其中所述井下路由网关是由所述井下遥传仪器中的以太网通信板配置而成。根据本发明的又一实施例，每个井下仪器被配置为具有唯一的IP地址。根据本发明的又一实施例，所述测井地面系统还包括控制装置，所述控制装置连接到所述交换机并被配置为通过IP地址对所述地面设备和所述井下仪器进行访问。根据本发明的又一方面，提供一种用于测井系统的通信方法，其包括由测井系统的控制装置下发具有目的地IP地址的命令数据包；
由所述控制装置所连接到的交换机将所述命令数据包转发至测井系统的地面路由网关，其中所述地面路由网关也连接到所述交换机并且作为由测井系统的地面设备连接形成的第一以太网网络系统的网关，其中所述地面设备均具有唯一的IP地址；
由遥传系统将从地面路由网关接收的所述命令数据包发送至井下路由网关，其中所述井下路由网关作为由测井系统的井下仪器连接形成的第二以太网网络系统的网关，并且所述井下仪器是通过以太网总线连接形成第二以太网网络系统的，其中所述井下仪器均具有唯一的IP地址；以及
通过所述以太网总线将所述命令数据包发送至具有所述目的地IP地址的井下仪器。根据本发明的一个实施例，所述方法还包括
具有所述目的地IP地址的井下仪器根据所述命令数据包中的命令执行处理，并将经过处理得到的数据发送到以太网总线上；
所述数据通过以太网总线被传送至所述井下路由网关；
由所述遥传系统将从井下路由网关接收到的所述数据发送到所述地面路由网关；
由所述交换机将从地面路由网关接收的所述数据转发至所述控制装置。
通过参考以下描述和用于示出各个实施例的附图可以更好地理解实施例。在附图中
图I为示例的测井系统原理框 图2是根据本发明的实施例的测井系统的网络拓扑结构 图3是根据本发明的实施例的测井系统的地面系统的网络结构 图4是根据本发明的实施例的测井系统的井下仪器的网络结构 图5是根据本发明的实施例的数据从井下仪器传送到地面设备的流程图；以及 图6是根据本发明的实施例的数据从地面系统的控制计算机传送到井下仪器的流程图。
具体实施例方式本发明所述的测井系统是基于现代网络通信技术的模块化的、开放的平台。由于测井系统的特殊性，本发明设计了满足测井需要的、独特的网络拓扑结构。图2示出了根据本发明的实施例的测井系统的网络拓扑结构图。如图2所示，根据该实施例的测井系统包括地面系统I、井下系统2和遥传系统3三个部分。在本发明中，利用以太网技术对测井系统实现了网络化。其中，地面系统的各个设备相互连接形成第一以太网网络系统，同时井下系统2的各个仪器相互连接形成也是以太网的第二以太网网络系统，而遥传系统3用于连接第一和第二以太网网络系统以使得地面系统I的设备和井下系统2的仪器可以进行通信。可以说，整个测井系统可以划分成三个局域网地面系统I形成的第一局域网A、井下系统2形成的第二局域网B以及由遥传系统3连接地面路由网关103和井下路由网关203而构成的第三局域网C。在一个实施例中，地面路由网关103位于地面遥传面板中，而井下路由网关203位于井下遥传仪器中。
组成地面系统I的设备包括各个面板IOl1UOly……IOln，它们每个都是第一以太网网络系统的一个节点。这些节点中的每个均通过线缆连接到网络交换机102，每个节点具有唯一的IP地址。第一以太网网络系统还包括地面路由网关103，用以充当第一以太网
网络系统的网关。地面路由网关103也可以由组成地面系统I的设备IOl1UOly......IOln
中的一个配置而成。井下系统2包括各个井下仪器ZOl1JOl2'……201n。这些井下仪器连接到同样基于以太网技术的井下仪器总线202上以形成第二以太网网络系统。第二以太网网络系统还包括井下路由网关203，其也连接到井下仪器总线202上充当第二以太网网络系统的网关。井下路由网关203也可以由井下仪器201^201^……201n中的一个配置而成。遥传系统3是用于将井下仪器的测量数据等信息传送给地面系统或者将控制命令、配置参数或维护信息下发给井下仪器的装置和线缆的集合。用于测井系统的常见遥传编码调制技术包括正交频分复用调制(0FDM)、正交振幅调制(QAM)、曼彻斯特码 (Manchester)等。在本实施例中，遥传系统3经由地面路由网关103连接到第一以太网网络系统，并经由井下路由网关203连接到第二以太网网络系统，从而使得第一以太网网络系统可以经由地面路由网关103、井下路由网关203并通过遥传系统3与第二以太网网络系统进行通信。在本发明的另一个实施例中，遥传系统3在井下可以包括井下遥传仪器，可以将该井下遥传仪器中的以太网通信板(在下文中将详述)配置成第二以太网网络系统的网关而连接到井下仪器总线202上。另外，遥传系统3在井上还可以包括地面遥传面板，可以将该地面遥传面板中的以太网通信板(在下文中将详述)配置成第一以太网网络系统的网关而连接到网络交换机102上。在上面所述的实施例中，作为第一以太网网络系统中的各个节点的各地面设备以及作为第二以太网网络系统中的各个节点的各井下仪器分别具有各自的唯一的IP地址，并且每个地面设备和每个井下仪器都具有各自独立的ID号标识。该ID号标识可以在设备或仪器出厂时就已被厂商设置好。通过ID号可以方便地对设备和仪器进行检修、更换和追足示O一般地，地面系统I还包括诸如测井计算机的控制装置，用于对整个测井系统进行控制。该控制装置可以通过其外部通信接口连接到网络交换机102上。控制装置可以通过相应的IP地址访问不同的地面设备，从而实现对每一地面设备的监控和配置。这样，由不同的地面设备实现的各种测井服务可以通过该控制装置自动控制切换，避免了人为操作的不确定性，提高了系统的效率和可靠性。控制装置还可以根据IP地址通过TCP/IP或UDP协议对井下仪器进行访问，发送控制命令和/或接收测井数据。由于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，可以对它们进行使能和关闭，也可以切换不同的工作模式。在一个实施例中，为了实现以太网通信，在协议层使用诸如TCP/IP或UDP的标准协议。这些标准协议的使用使得可以进行实时数据交互，实现远程监控和诊断以及使得信息交流变得非常简单，在不需要任何数据转换的情况下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，并且可以任意调取任何一个正在测试仪器的资料。在上面所述的测井系统中，地面系统I和井下系统2的通信接口采用统一的以太网通信接口，并且将地面系统I的各设备以及井下系统2的各仪器分别连接成相应的以太网局域网，从而构成了新型的网络化测井系统。网络化测井系统是控制(control)、计算机(computer)和通信(communication)等3C技术相交叉的产物。在本发明中，网络化测井系统将分布在不同地理空间的传感器、控制器、执行器等控制系统的部件，通过诸如以太网的一般为串行的数据通信网络构成闭环的反馈控制系统。通过网络互连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。随着石油测井领域对高可靠、高集成、高精度以及高灵活性的测井设备的需求，应用网络结构的新一代测井系统是不二的选择。网络化的测井系统，可以方便灵活地配接各种不同的测井仪器。由于使用了诸如TCP/IP的标准协议，新仪器开发可以独立地进行。只要满足数据通信要求，就可以在仪器调试完成后方便地配接到仪器串的任意位置，而不受数据格式的影响。从而，缩短了新仪器的开发调试周期，节省了成本。另外，由于应用了网络结构，可以轻松地实现计算机对故障的监测和诊断，提高了系统的稳定性和可靠性。如果通过远程通信(如3G通信和卫星通信等)把测井网络系统连接到远程控制中心，则可以实现 远程现场监控和远程实时测井等功能。将网络技术用于井下仪器总线有着高数据率、响应快、支持多结点、通信距离远、容易实现和高可靠性等优点。同时，井下仪器总线和整个测井系统的网络化，实现了仪器软件、硬件和通信系统模块化的高度统一。地面系统网络通过电缆测井遥传系统和井下仪器网络相连，每个网络的不同设备或仪器都可以互相访问，为测井中的不同需求提供了方便。图3示出了根据本发明一个实施例的测井系统的地面系统的网络结构图。如图3所示，地面系统的各个设备(在图3中为缆芯分配和射孔取芯面板、生产测井面板、远程通信面板、3G远程通信面板、地面遥传面板、电源控制面板、测井控制面板、深度面板等)301 —308均通过各自的以太网通信接口连接到网络交换机309上。作为测井系统的控制装置的控制计算机310也连接到网络交换机309。此外，地面系统还可以包括诸如打印机311和彩色打印机312的其它设备，这些其它设备也连接到网络交换机309上。在本实施例中，将地面遥传面板305的以太网通信板配置作为地面系统的以太网网络系统的网关，地面遥传面板305的以太网通信板连接到测井系统的遥传系统，从而实现地面系统与诸如井下系统的其它系统的通信。在图3所示的实施例中，连接到网络交换机309的各个面板或设备均具有各自的唯一 IP地址。控制计算机310可以通过IP地址经由网络交换机309对各面板或设备进行控制。各面板或设备之间的数据交换也是通过网络交换机309来实现的。另外，在图3中还示出了测井系统中常见的不间断电源、面板电源插座等其它组成单元。图4示出了根据本发明的一个实施例的测井系统的井下仪器的网络结构图。如图4所示，各个井下仪器40^ — 401通过各自的以太网通信接口连接到以太网总线402，从而形成井下系统的以太网网络系统。在井下还可以包括井下遥传仪器403，该井下遥传仪器也通过其以太网通信接口连接到以太网总线402上。井下系统的以太网网络系统还包括井下路由网关，该井下路由网关连接到以太网总线上。在本实施例中，将井下遥传仪器的以太网通信板配置作为井下路由网关，并且遥传系统通过作为井下路由网关的井下遥传仪器403的以太网通信板连接到井下系统的以太网网络。以太网总线402可以是T型的、星型的或其它形状的总线结构，优选是T型的。总线的传输介质为50 ohm的同轴线缆。利用同轴线缆将井下仪器和井下遥传仪器连接起来形成井下仪器以太网总线系统。在上面所述的测井系统中，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，地面测井控制计算机可以通过井下仪器的IP地址直接控制井下仪器。地面系统和井下系统的各设备或仪器的以太网通信接口是通过在地面系统和井下系统的各设备或仪器中配备本发明的以太网通信板来实现的。组成地面系统的各面板和其它设备以及组成井下系统的各仪器和井下遥传仪器中都包括根据本发明的以太网通信板。各地面设备分别通过各自的以太网通信板连接到网络交换机，各井下仪器以及井下遥传仪器也分别通过各自的以太网通信板连接到井下仪器以太网总线。在上面的描述中假定地面系统和井下系统的各设备或仪器原本不具备以太网通信接口。当然，如果地面系统和井下系统的各设备或仪器(诸如标准的计算机或打印机)中已有标准的以太网通信接口，则无需再在其中配备以太网通信板。 以太网通信板以嵌入式处理器为核心，将设备或仪器所获取的数据进行计算和转换以将数据的格式变成适合所在的以太网网络系统的数据格式。每个地面设备和井下仪器的以太网通信板具有预定义好的静态IP地址和唯一的MAC地址。以太网通信板不仅完成井下仪器与地面系统的通信功能，还能够通过网络远程在线更新以太网通信板内的固件程序。各个地面设备和井下仪器的以太网通信板在结构上可以不同，只要都实现TCP/IP或UDP协议即可。但是为了生产和维护方便，优选地，本发明人在设计时将以太网通信板、尤其是井下仪器的以太网通信板做成统一的结构。这样还有一个更大的好处各个仪器的以太网通信板之间可以互换，这对于现场维修具有重要的意义。本发明采用最为成熟的IOMbps的以太网传输技术来实现井下仪器总线的设计，而且可以随时开发到100Mbps。另外本发明对以太网通信板应用了目前最为流行的嵌入式操作系统，这是一种非常可靠的、实时的操作系统。使用这种技术可以很方便地完成以太网相对应的TCP、UDP、PPPOE等通信协议，同时操作系统的使用可以让这套系统更加灵活、可
靠、方便升级。图5示出根据本发明一个实施例的数据从地面系统的控制计算机传送到井下仪器的流程图。如图5所示，在步骤501，地面控制计算机发送具有某一井下仪器(即目的地井下仪器)的IP地址的命令数据包。在步骤502，该命令数据包通过控制计算机所连接到的网络交换机被转发到位于地面遥传面板(即地面遥传设备)中的地面路由网关。在步骤503，遥传系统将从地面路由网关接收到的命令数据包传送到位于井下的井下路由网关。在步骤504，井下路由网关通过井下以太网总线将该命令数据包转发给目的地井下仪器。在上述过程中，各个设备或仪器按照TCP/IP协议根据命令数据包中的IP地址来确定要转发至的下一站节点。图6示出根据本发明一个实施例的数据从井下仪器传送到地面设备的流程图。在步骤601，井下仪器通过井下仪器以太网通信板接收到控制计算机所发送的命令数据包。在步骤602，该井下仪器执行命令数据包中所包含的命令并将执行命令后得到的数据(结果)通过井下仪器以太网总线发送到井下路由网关。其中，所述数据包括目的地IP地址，在本实施例中，假设目的地为控制计算机。在步骤603，该数据从连接到井下路由网关的遥传系统传送到地面路由网关。在步骤604，该数据被地面路由网关所连接到的网络交换机转发到控制计算机。同样，在上述过程中，各个设备或仪器按照TCP/IP协议根据目的地IP地址来确定要转发至的下一站节点。根据本发明的基于以太网技术的网络化测井系统和通信方法具有以下优点
I、通过应用现代网络通信技术，测井系统实现了地面系统、仪器软件、硬件和通信系统模块化的高度统一，方便系统的扩展与升级。2、模块化的设计使得配接仪器时非常方便，系统可以方便地配接不同生产商提供的井下仪器。这体现在以下方面只需在生产厂商的井下仪器中加入本发明的以太网通信板，然后接入到井下仪器以太网总线上即可。
3、网络化的设计使得能够实现系统的网络诊断和远程升级等功能。4、使用嵌入式实时操作系统使得能够满足快速响应的需求以及提高了系统的灵活性和可靠性。5、井下仪器总线实现了 IOMbps的通信速率，远远超出传统仪器总线的通信速率，满足大数据量井下仪器的要求。以上所述仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。因此，在不脱离本发明技术方法的原理和随附权利要求书所保护范围的情况下，可以对本发明做出各种修改、变化。
权利要求
1.一种测井系统，包括 测井地面系统，其中组成所述测井地面系统的装置被连接形成第一以太网网络系统； 测井井下系统，其中组成所述测井井下系统的装置被连接形成第二以太网网络系统；以及 遥传系统，用于连接所述第一网络系统和第二网络系统以使得第一网络系统和第二网络系统能够进行通信。
2.如权利要求I所述的测井系统，其中，所述测井地面系统包括 地面设备，每个地面设备包括用于与测井系统中的其它设备或仪器进行以太网通信的以太网通信板；以及 交换机， 其中每个地面设备通过各自的以太网通信板连接到所述交换机以形成所述第一以太网网络系统。
3.如权利要求2所述的测井系统，其中，所述测井地面系统还包括 地面路由网关，其连接到交换机作为第一以太网网络系统的网关， 其中所述遥传系统通过所述地面路由网关与第一以太网网络系统相连。
4.如权利要求3所述的测井系统，其中，所述遥传系统包括地面遥传设备和井下遥传仪器，所述地面遥传设备和井下遥传仪器也均包括所述以太网通信板，其中所述地面路由网关是由所述地面遥传设备中的以太网通信板配置而成。
5.如权利要求2所述的测井系统，其中，每个地面设备被配置为具有唯一的IP地址。
6.如权利要求2所述的测井系统，其中，所述测井井下系统包括 井下仪器，每个井下仪器也包括用于与测井系统中的其它设备或仪器进行以太网通信的所述以太网通信板；以及 井下仪器以太网总线， 其中每个所述井下仪器通过各自的以太网通信板连接到所述井下仪器以太网总线上以形成所述第二以太网网络系统。
7.如权利要求6所述的测井系统，其中所述测井井下系统还包括井下路由网关，所述井下路由网关连接到所述井下仪器以太网总线上以作为第二以太网网络系统的网关，其中所述遥传系统通过所述井下路由网关与第二以太网网络系统相连。
8.如权利要求7所述的测井系统，其中，第二网络系统经由井下路由网关和地面路由网关通过遥传系统与第一网络系统进行通信。
9.如权利要求7所述的测井系统，其中，所述遥传系统包括地面遥传设备和井下遥传仪器，所述地面遥传设备和井下遥传仪器也均包括所述以太网通信板，其中所述井下路由网关是由所述井下遥传仪器中的以太网通信板配置而成。
10.如权利要求6所述的测井系统，其中，每个井下仪器被配置为具有唯一的IP地址。
11.如权利要求6所述的测井系统，其中，所述测井地面系统还包括控制装置，所述控制装置连接到所述交换机并被配置为通过IP地址对所述地面设备和所述井下仪器进行访问。
12.一种用于测井系统的通信方法，包括由测井系统的控制装置下发具有目的地IP地址的命令数据包；由所述控制装置所连接到的交换机将所述命令数据包转发至测井系统的地面路由网关，其中所述地面路由网关也连接到所述交换机并且作为由测井系统的地面设备连接形成的第一以太网网络系统的网关，其中所述地面设备均具有唯一的IP地址； 由遥传系统将从地面路由网关接收的所述命令数据包发送至井下路由网关，其中所述井下路由网关作为由测井系统的井下仪器连接形成的第二以太网网络系统的网关，并且所述井下仪器是通过以太网总线连接形成第二以太网网络系统的，其中所述井下仪器均具有唯一的IP地址；以及 通过所述以太网总线将所述命令数据包发送至具有所述目的地IP地址的井下仪器。
13.如权利要求12所述的方法，还包括 具有所述目的地IP地址的井下仪器根据所述命令数据包中的命令执行处理，并将经过处理得到的数据发送到以太网总线上； 所述数据通过以太网总线被传送至所述井下路由网关； 由所述遥传系统将从井下路由网关接收到的所述数据发送到所述地面路由网关； 由所述交换机将从地面路由网关接收的所述数据转发至所述控制装置。
全文摘要
本发明涉及网络化的测井系统。根据本发明一个实施例的测井系统包括测井地面系统，其中组成所述测井地面系统的装置被连接形成第一以太网网络系统；测井井下系统，其中组成所述测井井下系统的装置被连接形成第二以太网网络系统；以及遥传系统，用于连接所述第一网络系统和第二网络系统以使得第一网络系统和第二网络系统能够进行通信。通过本发明的测井系统，实现了井下仪器总线和整个测井系统的网络化，实现了仪器软件、硬件和通信系统模块化的高度统一。
文档编号H04L12/28GK102811147SQ20111014735
公开日2012年12月5日 申请日期2011年6月2日 优先权日2011年6月2日
发明者陈文轩, 裴彬彬, 岳宏图, 赵帅, 肖加奇, 孙云涛, 陈仕学, 陈文 , 戴光明, 姚德忠, 汪新国, 张年英 申请人:中国石油集团长城钻探工程有限公司