技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种石油测井技术，具体说，涉及一种用于石油测井的数据传输系统。
相关背景技术
[0002] 一般测井系统包括地面设备和井下仪器，井下仪器与地面设备之间的数据通信通常采用电缆作为传输媒介，电缆的井下一端连接井下各种仪器，电缆另一端(即地面一端)连接地面的各种设备。在测井系统中，井下仪器主要用于测量地层的各种数据参数和信号，如地层的泥浆电阻率、井下电视成像信号等，随着现代测井的要求越来越高，需测的地层的各种内容将会越来越多；地面设备主要用于将接收到的地层的各种信号进行存储、分析、打印等工作，以获取该地层的特征。井下仪器需要将采集得到的数据通过测井电缆传输到地面设备，同时地面设备也会通过测井电缆发送一些命令或数据去控制井下仪器完成相应的工作。为此，在井下仪器与地面设备之间必须有一个传输装置以实现井下仪器与地面设备之间的数据通信，同时该传输装置的井下部分也需要提供一些接口用于与井下各仪器的连接。
[0003] 国外公司在测井传输方面做了大量的研究，随着通信技术的发展，测井传输技术经历了从模拟到数字，从低速到高速的发展过程。六十年代以前基本上采用调频、调幅等模拟调制方式传输少量的数据。例如，阿特拉斯公司在八十年代中期研制成代号为3502的PCM(Pulse Code Modulation，脉冲编码调制)调制器，传输速率仅为7.5kbps。之后，该公司的调制解调技术开始采用曼彻斯特编码方式，传输速率提高到93.35kbps(型号为WTC3510)。斯伦贝谢公司一直采用相移键控(Phase Shift Keying，简称PSK)调制方式传输数据。八十年代中期以前，研制出CCS和CTS两种型号的数字传输短节，其中CCS的传输速率为80kbps，CTS的传输速率为100kbps。CCS与 CTS均采用BPSK(Binary Phase Shift Keying，二进制相移键控)调制技术。这些传输系统的传输率较低，难以满足成像测井仪器的传输需求。在高速测井传输系统方面，九十年代初研制出型号为MAX-500的成像测井系统，“MAX-500”中的“500”代表它的遥传系统数据上行传输速率可达500kb/s。斯伦贝谢公司的遥传系统称为DTS数字遥传系统，采用QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制)技术，可达到500kbps的数据传输速率，基本上能够满足成像测仪器信息量传输的需要。哈里伯顿公司推出的LOG-IQ采用ADSL技术作为物理层传输标准，实现了800kbps的上行传输速率。
[0004] 随着计算机技术和互联网技术的发展，测井传输系统也正在向着网络化方向发展。网络化测井的目的是试图通过互联网技术，实现测井数据采集、处理、分析以及解释的远程控制和共享，实现油藏解决方案的实时化和动态化。其实际意义在于，可以及时地为油公司提供决策依据，大大加快勘探开发进程，显著降低作业成本，增加投资回报。网络化测井可以实现信息的实时共享和指令的多向传递。互联网技术的优越性之一是可以按人们的意愿对同一信息进行几乎无限制的共享，其次是空间距离的突破对测井作业具有非常重要的意义，尤其是对于一些困难条件下的作业，如海上、沙漠、以及恶劣环境，将会大大提高作业的效率和决策的速度。TCP/IP技术是异构网络互联的关键技术，因此也是互联网的关键技术。在网络化测井方面，哈里伯顿公司推出的LOG-IQ在地面和井下采用以太网技术，同时使用了TCP/IP协议作为数据传输协议，实现了测井系统的网络化。
[0005] 互联网技术在带来诸多优越性的同时，由于互联网技术并非针对测井应用而设计，因此其很多技术特点并没有考虑测井应用的特殊需求，最主要的就是实时性。测井过程中所需传输的数据种类很多，如各种控制命令、各种配置参数、各种仪器采集的测井数据等。而这些数据所需的实时性并不相同，也就是对传输的延迟要求不同，有的数据需要很高的实时性，如重要的控制命令希望能尽快到达被控的仪器；而有的数据对实时性的要求却较低，如一些配置参数。普通的以太网并不具有多优先级的传输能力，网络对所有的数据包按照相同的优先级进行传输，这也是普通以太网用于测井系统的一个弊 端。普通的TCP/IP协议由于其主要目的并非用于高实时性的通讯，因此其实时性能难以满足测井系统中部分特殊数据的高实时性要求。
[0006] 本实用新型的主要技术特征之一在于地面和井下都采用了以太网技术，并使用TCP/IP协议作为数据传输协议，实现了全网络化的测井传输系统。本实用新型的另一个主要技术特征在于与传统的以太网技术相比，传统的以太网技术并不区分MAC数据包的优先级，而本实用新型利用以太网MAC帧的协议类型字段标识数据帧的优先级，该字段在数据包的转发过程中可以被识别并优先转发高优先级的数据包，如在交换机、路由器、调制解调器中均可以识别这个字段，在转发时高优先级的数据包可以被优先转发，否则将与其它协议类型的数据包一起排队转发。该字段在数据包的处理过程中也可以被识别并被优先处理，如在井下仪器和地面主机中均可以识别这个字段，对于高优先级的数据包可以由MAC层直接提交到对应的应用层进行处理，而不像普通的TCP数据包，要依次提交到IP层，TCP层，再到应用层进行处理。
[0007] 本实用新型所采用的这种多优先级的传输方式在传输带宽较窄的环境下效果将变得更加显著，假设MAC层数据包的长度为L，信道容量为C，则传输一个MAC数据包的时间为t＝L/C，以信道容量C＝500kbps，则传输一个全长的MAC数据包(1518字节)所需时间约为24ms，也就是说在不分优先级的系统中，两个同时待传的数据包，后传的数据包将有24ms的延迟，这将严重影响数据包的实时性。
实用新型内容
[0008] 本实用新型要解决的技术问题是提供一种用于石油测井的多优先级网络化测井数据传输系统，能够满足测井系统中不同数据的实时性需求，显著提高传统网络系统的实时性。
[0009] 为了解决上述问题，本实用新型的多优先级网络化测井数据传输系统，包括：地面主机、地面遥传系统、井下遥传系统、井下仪器。所述地面主机通过地面网络与地面遥传系统相连接；所述井下遥传系统通过井下网络与井下仪器相连接；所述地面遥传系统通过测井电缆与井下遥传系统相连接，所 述地面遥传系统和井下遥传系统包括相互连接的多优先级以太网交换机和多优先级调制解调器。本实用新型能够满足测井系统中不同数据的实时性需求，显著提高传统网络的实时性。
具体实施方式
[0016] 下面参照附图，对本实用新型技术方案做详细说明。
[0017] 图1描述了本实用新型所述系统的总体框图，包括：地面主机、地面遥传系统、井下遥传系统、井下仪器。所述地面主机通过地面网络与地面遥传系统相连接；所述井下遥传系统通过井下网络与井下仪器相连接；所述地面遥传系统通过测井电缆与井下遥传系统相连接。地面主机需要发送给井下仪器的数据首先通过地面网络发送给地面遥传系统，然后由地面遥传系统经测井电缆发送给井下遥传系统，再然后由井下遥传系统通过井下网络发送给井下仪器，最终到达井下仪器。井下仪器需要发送给地面主机的数据首先通过井下网络发送给井下遥传系统，然后由井下遥传系统经测井电缆发送给地面遥传系统，再然后由地面遥传系统通过地面网络发送给地面主机，最终到达地面主机。
[0018] 图2描述了本实用新型所述系统中的多优先级协议栈的原理框图。多优先级协议栈由PHY层(物理层)、MAC层(媒质访问控制层)、IP协议(互联网协议)、TCP(传输控制协议)、UDP(用户数据协议)、FDP(快速数据协议)。TCP协议由于具有重传机制用于传输重要但实时性要求不高的 数据，如普通的测井数据。UDP用于传输实时性要求比较高但对可靠性要求并不是很严格的数据。FDP为本实用新型自定义的一种上层协议，用于传输高实时性的数据。
[0019] 图3是描述了本实用新型中多优先级协议栈的帧格式。MAC帧指的是以太网的MAC帧，其中的类型字段用于指示上层协议的类型，MAC层根据此字段的值将MAC帧所携带的数据提交到相应的上层协议。本实用新型中的多优先级交换机也正是根据此字段的值来区分数据包的优先级，例如对于FDP数据优先转发。
[0020] 图4描述了本实用新型中地面/井下遥传系统的基本结构框图。遥传系统包括多优先级以太网交换机、多优先级调制解调器。
[0021] 图5描述了本实用新型中多优先级以太网交换机的原理框图。包含以太网接口、交换表生成模块、交换表、多优先级数据包转发模块、多优先级发送缓冲单元、多优先级接收缓冲单元。从以太网一侧来的MAC帧进入交换表生成模块，由交换表生成模块提取MAC源地址和目的地址，并由此生成交换表。从以太网一侧来的MAC帧同时进入多优先级数据包转发模块，多优先级数据包转发模块根据MAC帧的源地址和目的地址以及交换表对MAC帧进行转发，如果目的地址在调制解调器一侧，则根据MAC帧的类型字段的值，将MAC帧按优先级高低送入相应优先级的发送缓冲单元，否则不进行转发。从调制解调器一侧来的MAC帧经多优先级接收缓冲单元进入交换表生成模块，由交换表生成模块提取MAC源地址和目的地址，并由此生成交换表。从调制解调器一侧来的MAC帧经多优先级接收缓冲单元同时进入多优先级数据包转发模块，多优先级数据包转发模块根据MAC帧的源地址和目的地址以及交换表对MAC帧进行转发，如果目的地址在以太网一侧，则将其转发到以太网接口，否则不进行转发，并且多优先级接收缓冲单元中优先级高的缓冲单元中的MAC帧被优先转发。
[0022] 图6描述了本实用新型中多优先级调制解调器的原理框图。包括多优先级发送缓冲单元、多优先级接收缓冲单元和调制解调器。其中调制解调器可以是任何一种调制解调器，本实用新型中以采用OFDM技术的调制解调器为例。其中OFDM调制解调器包括信道编码、星座映射、频域成帧、IFFT(反傅立叶变换)、保护间隔插入、DAC、模拟前端、ADC、时域均衡、帧同步、 FFT(傅立叶变换)、回音消除、频域均衡、解映射、信道解码等模块。多优先级发送缓冲单元中高优先级缓冲单元的数据被调制器优先发送。解调器解调得到的数据也根据优先级不同进入对应优先级的缓冲单元。
[0023] 显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离其精神和范围。这样，倘若对本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
