电缆传输测井高速网络中关键问题的研究

摘要

随着现代工业的飞速发展，人类社会对石油的需求呈现出有增无减的趋势。在石油勘测开采过程中，测井是一个至关重要的环节。测井传输系统就是通过适当的通信方式，将地面控制中心发送的命令传送至井下仪器，将井下仪器采集的数据传送到地面。测井传输系统的性能是决定测井效率和测井质量的关键因素之一。研究和设计快速的、实时的、精确的测井传输系统是测井技术近几年来发展的重要方向之一。测井数据的传输方式包括泥浆振动传输、钻杆传输、光缆传输、电缆传输等。电缆传输因其传输距离远、稳定性好等多种因素，仍然是目前主要的测井传输方式。近年来多载波宽带调制技术OFDM（或者DMT）因其可以提高电缆传输速率，逐渐成为测井电缆信道的首选调制编码技术。以IP为主要特征的网络化的测控传输系统使得设备之间互联互操作更加容易、更加方便。近20多年来，网络测控系统的研究已经取得了一些成果，并在一些领域得到应用。但是网络化的测井传输系统尚处于起步和探索阶段。测井传输网络是一类偏向于测量的测控网络。OFDM调制技术提高了电缆传输速率，但仍然存在较大的网络传输时延，而IP分组交换网是尽最大努力服务的网络，实时性不高。长时延和大时延抖动成为测井传输系统进行网络化的主要障碍。
　　 本文针对这些问题，提出了全IP的测井网络下基于时间驱动的数据传输方法。该方法不是以直接减小网络时延为出发点和目标，而是以测井网络的所有节点保持时间精确同步为基础，再以同步的时间为参量，实现测井仪器采集的数据与地面的深度信息二者的融合，从而获得测井曲线。该方法对测井网络时延不敏感，即使在时延较大的网络环境，也可获得准确的测井数据。其中网络时间同步方法、数据融合方法、路由缓存管理是时间驱动传输方法的关键问题。本文对这些问题进行了研究，建立了相关的模型，并提出了解决这些问题的方法。
　　 第一章分析了几种常见测井传输方法，测井仪器总线、电缆调制编码方法和目前国内外测井传输技术的发展与现状，并分析了电缆传输系统的发展状况。
　　 第二章分析了电缆测井高速网络的组成及其特征，阐述了全IP的测井网络的组成，以及基于时间驱动的数据传输方法的原理及其数据模型。本章最后简要分析了全IP测井网络中网络通信量的特征与路由器缓存方法、测井网络中时间同步、数据融合等关键问题。
　　 第三章介绍了网络通信量建模的基本理论，指出网络通信量特征的多维性，即网络通信量是关于观察的时间尺度、观察的协议层次、业务类型、网络规模和类型、网络负载等多元变量的因变量。本章着重分析测井网络的通信量特征，指出测井网络中业务层通信量是周期性的，具有轻尾分布特征，仿真表明通信量在网络层具有近似泊松过程的特征。本章的最后介绍了测井网络的电缆上OFDM调制的主要参数，并讨论了带宽非对称的瓶颈链路对网络传输的影响。
　　 第四章研究了测井路由器的队列管理方法和探讨了测井路由器的优化方法。首先，回顾了路由器基本理论，分析了测井路由器的特征。其次，讨论了共享存储模式下路由缓存的分配方法，并提出了基于分组长度的路由器队列管理的OMBPS方法。该方法是基于路由器输入输出队列特征、分组长度特点，以提高瓶颈链路的利用率，降低短分组特别是ACK分组的时延为目标，给出了分组在队列的优先级计算方法，并按照优先级高低进行处理。第四章最后介绍了路由器的优化方法，以缩短路由查找的时间，提高瓶颈链路的传输效率。
　　 第五章研究了测井网络的时间同步方法。首先分析了网络时间同步的理论，获得了时延抖动与时间偏差之间的定量关系。分析了一般网络单程时延各组成分量的变化特点，以降低时延抖动为出发点，提高网络时间同步的精度。其次，网络时间同步采用逐子网时间同步方法，避免频繁的时间同步数据增加瓶颈链路的负载。将井下Modem作为根基准时钟，以Modem的时钟为参考时钟，一方面同步井下仪器的时间；另外一方面同步地面Modem的时间，最后再将地面Modem的时间在作为参考时间，授时给地面设备，从而实现了全网络的时间同步。本章着重研究了井下仪器网络时间同步的方法，并提出了基于硬件时间戳的选择性时间同步算法用于CSMA/CD共享式以太网的井下仪器子网内的时间同步。选择性时间同步算法设置开关对一般数据帧和时间同步帧数据进行选择性访问以太网总线，从而降低CSMA/CD给时间同步帧带来的时间不确定性，提高时间同步精度。理论分析和实验表明该方法在不同的负载状况下均能获得较高的时间同步精度。
　　 第六章讨论了分形理论和分形插值的方法。根据测井数据的分形特征和数据融合的实时性要求，提出了采用累积偏峰度的判决准则对测井数据进行分段提取，在提取的数据段内采用自仿射变化方法快速插值，仿真结果表明该方法是有效的。
　　 第七章给出了电缆测井高速网络的实验平台的设计和业务层数据封装的方法。第八章给出实验及其结果分析，总结和展望。
　　 本文在电缆采用OFDM调制技术、全网络采用IP分组交换技术的大前提下，提出了全IP网络的基于时间驱动的测井数据传输方法。理论分析与仿真和模拟实验结果非常吻合，而且现场试验表明该方法有效的。本文提出的理论方法和技术手段，不仅已经直接用于电缆测井高速网络系统的研制，还对其他遥控遥测网络的建模和分析，具有一定的参考价值。