CC BY
72
УДК: 550.8.028
О.Н. Шерстюков1, Е.Ю. Рябченко1, Е.В. Данилов1, А.А. Иванов2
'Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, oleg.sherstyukov@ksu.ru,
2000 «ТНГ-Групп», Бугульма, tg-gti@tngf.tatneft.ru
МОДУЛЬНО-СЕТЕВАЯ АРХИТЕКТУРА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ГЕОЛОГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Описывается модульно-сетевой подход, примененный при разработке программного обеспечения автоматизированной интеллектуальной системы геолого-технологических исследований (ГТИ), основанной на беспроводной системе сбора данных с датчиков. Модульно-сетевая архитектура позволила создать гибкую масштабируемую систему ГТИ с возможностью динамического подключения различных функциональных аппаратных и программных модулей для сбора и обработки данных.
Ключевые слова: геолого-технологические исследования, беспроводная телеметрия, модульно-сетевая архитектура.
Введение
В работе описывается модульно-сетевой подход, примененный при разработке автоматизированной интеллектуальной системы сбора, хранения и передачи геолого-технологических и геофизических данных (АИС). Описываемая система представляет собой аппаратно-программный комплекс (АПК), решающий большой спектр задач по автоматизации геолого-технологических исследований (ГТИ) в процессе строительства скважины, включая из-
мерения и регистрацию первичных физических параметров, комплексную обработку результатов измерения, оперативный мониторинг бурения скважины, расчет технологических и экономических параметров, генерацию отчетов и построение геологических разрезов. К АИС может подключаться газоаналитическое оборудование, а также возможен прием данных от MWD и ЬЖО-систем. Рассматриваемая система АИС решает следующие основные задачи:
Окончание статьи Д.К. Нургалиева, И.Ю. Черновой, И.И. Нугманова «Современная геодинамика и свойства нефтей месторождений Республики Татарстан»
Ласточкин А.Н. О неотектонических критериях нефтегазонос-ности. Изв. ВГО. 1971. № 3. 201-215.
Митчелл Э. Руководство ESRI по ГИС анализу. Т. 1: Географические закономерности и взаимодействия. Нью-Йорк: ESRI Press. 1999.
Муслимов Р.Х., Глумов И.Ф., Плотникова И.Н., Трофимов В.А., Нургалиев Д.К. Нефтяные и газовые месторождения - саморазвивающиеся и постоянно возобновляемые объекты. Геология нефти и газа, спецвыпуск. Материалы межрегионального совещания «Роль новых геологических идей в развитии старых нефтедобывающих регионов в первой четверти XXI столетия». 2004. 43-49.
Нефтегазоносность Республики Татарстан. Геология и разработка нефтяных месторождений. Под ред. Р.Х. Муслимова. Т.1. Казань: Изд-во «Фэн» Академии наук РТ. 2007.
Нургалиев Д.К., Хасанов Д.И., Чернова И.Ю., Нугманов И.И., Даутов А.Н. Научные основы современной технологии прогнозирования нефтегазоносности территорий. Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. 2009. т.151. книга 4. 192-202
Нургалиев Д.К., Чернова И.Ю. Современные технологии прогнозирования и поиска залежей углеводородов (на примере западной части территории Республики Татарстан). Георесурсы. № 4(27). 2008. 39-41.
Философов В. П. Основы морфометрического метода поисков тектонических структур. Под ред. проф. Вострякова А. В. Изд-во Саратовского ун-та. 1975. 232.
Чернова И.Ю., Нугманов И.И., Даутов А.Н. Применение аналитических функций ГИС для усовершенствования и развития структурно-морфологических методов изучения неотектоники. Геоинформатика/Geoinformatica. № 4. 2010а. 9-23.
Чернова И.Ю., Нугманов И.И., Даутов А.Н., Крылов П.С. Мониторинг рельефообразующих процессов с применением фотограмметрии и ГИС. Изв. Самар. Науч центра РАН. Том 12(33). №1 (4). 20106. 1170-1176.
Irina N. Plotnikova. New data on the present-day active fluid regime of fractured zones of crystalline basement and sedimentary cover in the eastern part of Volga-Ural region. Int J Earth Sci (Geol Rundsch) (2008) 97:1131-1142. DOI 10.1007/s00531-007-0274-z.
Nourgaliev D.K., Muslimov R.Kh., Sidorova N.N., Plotnikova I.N. Variation of i-butane/n-butane ratio in oils of the Romashkino oil
field for the period of 1982-2000: Probable influence of the global seismicity on the fluid migration. Geochemical Exploration. 2006. V. 89. 293-296.
D.K. Nourgaliev, I.Yu. Chernova, I.I. Nugmanov. Present-day geodynamics and properties of the oil of the Tatarstan oil fields.
The authors analyzed the variability of the physical properties of oil deposits in different geodynamic settings. There is a significant difference in mean values of the density of oil in fields located in areas with low and high geodynamic activity. These results indicate the significant role of the processes of destruction and reformation of oil deposits in the last phase of neotectonics of Tatar arch and surrounding areas.
Keywords: geodynamics, oil density, oil viscosity, neotectonics.
Данис Карлович Нургалиев д.геол.-мин.н., проректор по научной деятельности КФУ, директор Института геологии и нефтегазовых технологий
Инна Юрьевна Чернова
к.геол.-мин.н., доцент кафедры геофизики.
Ильмир Искандарович Нугманов ассистент кафедры геофизики.
Казанский (Приволжский) федеральный университет. Институт геологии и нефтегазовых технологий. 420008, Казань, ул. Кремлевская, 18. Тел.: (843)292-72-88, (843)233-73-75.
р- научно-технический журнал
6 (42) 2011 I еоресурсы
LWD - система
Ш
Рабочее место оператора
Станция АИС ГТИ
У /^z^
Рабочее место геолога
Ш
Приемное оборудование забойной телесистемы
Локальная компьютерная сеть
Спутниковая система связи
Сервер регистрации и обработки данных ГТИ
Координатор
радиосети
датчиков
Рабочее место оператора ГТИ
□
Газоаналитическое оборудование
Интернет-соединение
Офис сервисной компании
Ш
Компьютер супервайзера
/
Центральный сервер сбора данных
- применение гибкой сетевой технологии и модели «клиент-сервер»;
- низкая стоимость требуемого системного программного обеспечения (операционная система и сервер хранения данных).
Т- /
РПМ датчика
I
РПМ датчика
РПМ
датчика
РПМ датчика
Рис. 1. Структура автоматизированной интеллектуальной системы геолого-технологических исследований.
- прием данных с беспроводной сети датчиков ГТИ посредством радиоканала;
- первичная и вторичная обработка данных;
- расчет и визуальное наблюдение основных параметров ГТИ;
- регистрация значений всех параметров в единой базе данных как функции от времени и от глубины (с учетом задержки);
- прием и регистрация данных с других источников, таких как хроматограф, ЬЖО-система;
- возможность подключения программных модулей для сопряжения с другими источниками данных;
- построение проекции ствола скважины в режиме реального времени по данным забойной телеметрической системы;
- поддержка беспроводных информационных табло;
- создание графических отчетов для временных и глубинных зависимостей;
- создание табличных отчетов;
- удаленный мониторинг отдельной скважины или группы скважин через сеть Интернет.
Рассматриваемая система имеет следующие технические преимущества:
- отсутствие сигнальных кабелей между центром сбора данных и датчиками;
- автономное электропитание большинства датчиков ГТИ (отсутствие питающих кабелей);
- быстрое время развертывания (не надо прокладывать кабель);
- высокая степень модульности и легкость интегрирования дополнительных аппаратных или программных модулей;
Структура АИС
На рис. 1 представлена общая структура АИС. Основная часть системы располагается на станции ГТИ, включающей сервер регистрации и обработки данных, рабочие места геолога и оператора ГТИ, координатор радиосети датчиков, газоаналитическое оборудование, оборудование локальной компьютерной сети, систему спутниковой или сотовой связи для доступа в глобальную сеть. На буровой установке, насосных агрегатах, в емкостной системе и других вспомогательных объектах устанавливаются датчики ГТИ. В системе возможно использование большого ассортимента существующих промышленных датчиков различных производителей с аналоговыми и цифровыми выходами. Для автономного питания датчика и передачи с него данных на станцию ГТИ к датчику подключается радиопередающий модуль (РПМ). В корпус РПМ устанавливается батарея автономного электропитания самого модуля и датчика. В системе также предусмотрена совместная работа с оборудованием забойной телеметрической системы, располагаемым на станции MWD и ЬЖО. В офисе сервисной компании устанавливается центральный сервер сбора данных (ЦССД) с серверным ПО, к которому по высокоскоростному каналу подключаются компьютеры супервайзеров.
Сбор данных с датчиков происходит по радиоканалу посредством асинхронной передачи информационных пакетов. Каждый РПМ имеет свой уникальный адрес, который оператором привязывается к определенному датчику ГТИ,
Модуль передачи данных на ЦССД и приема команд
Модуль расчета
параметров инклинометрии
Модуль расчета параметров ГТИ
Центральный сервер сбора данных со скважин
Программа мониторинга скважин супервайзера
SQL-сервер регистрации данных
Программа генерации отчетов, импорта/экспорта ЬАЭ
Модуль приема и передачи данных в формате WITS
Сервер обработки и регистрации
данных станции ГТИ
Программа
мониторинга
«Оператор ГТИ»
Модуль сопряжения с координатором радиосети датчиков ГТИ
J
Модуль сопряжения
с газоаналитическим
комплексом
у
Программа
«Информационная
панель»
Модуль сопряжения с оборудованием забойной телесистемы
Рис. 2. Модульно-сетевая архитектура программного обеспечения АИС.
научно-технический журнал
I еоресурсы 6 (42) 2011
в результате имеется возможность связывания первичных измеряемых физических параметров с адресом РПМ - источника данных. Период опроса и передачи данных с датчика устанавливается в каждом РПМ независимо. В системе также предусматривается дистанционная диагностика и мониторинг напряжения на батареях РПМ по радиоканалу. Благодаря беспроводной технологии построения сети датчиков возникает возможность быстрого подключения новых датчиков без какого-либо вмешательства в конфигурацию уже существующей сети. Новые РПМ определяются автоматически, и оператору остается только связать новый датчик с физическим параметром.
Архитектура программного обеспечения
Рассмотрим архитектуру программного обеспечения (ПО) АИС (Рис. 2). Основными особенностями предлагаемой архитектуры являются модульный принцип функционирования и сетевая организация обмена данными. На локальном уровне станции ГТИ центральной частью ПО является собственно сервер обработки и регистрации данных (СРД). Сервер обменивается информацией с «клиентами» - модулями обработки данных или пользовательскими программами с графическим интерфейсом. Перечислим основные функции сервера:
1) получение данных по измерениям из модулей сопряжения с какими-либо внешними устройствами (например, с координатором радиосети датчиков или газоаналитическим комплексом);
2) организация подключения «клиентов» и их взаимодействия на основе передачи настроек, параметров и других объектов;
3) отправка «клиентам» текущего состояния радиосети датчиков (например, уровень заряда батарей питания), а также передача управляющих команд на датчики (например, смена периода измерения);
4) применение калибровок измерительных каналов датчиков;
5) первичная обработка данных на основе программируемых схем обработки;
6) регистрация всех изменяемых данных на магнитном носителе;
7) организация авторизованного доступа клиентов к данным сервера и настройкам;
8) прием команд настройки сервера от клиента, хранение настроек;
9) передача новых данных на другие подключенные модули для последующей обработки;
10) обработка запросов на получение любых ранее зарегистрированных данных;
11) контроль свободного дискового пространства, а также обработка аварийных (технических) ситуаций с последующей отправкой сообщений «клиентам»;
12) передача управляющих команд и данных на модули сопряжения с внешними информационными табло (например, «Пульт бурильщика»).
СРД взаимодействует с «клиентами» (модулями или пользовательскими программами), представляющими собой отдельные процессы, посредством стандартного механизма сетевых сокетов, основанного на стеке протоколов TCP/IP. В предложенной схеме взаимодействия фактически обязательным является только сервер, следова-
тельно, при отключении одного или нескольких модулей, что может произойти в результате программного сбоя, система не перестает работать и продолжает регистрировать все доступные данные. Таким образом, АИС представляет собой отказоустойчивую систему с возможностью легкой интеграции нового ПО - модулей сервера, которые можно подключать или отключать не останавливая сервер и не прерывая процесс регистрации и обработки данных. Это выгодно отличает АИС от аналогичных систем. Однако в этом случае особое внимание следует уделить программному коду, стабильности работы и тестированию самого СРД, а также наиболее важных модулей, выполняющих вычисления важнейших технологических или геологических параметров.
Рассмотрим функционирование всей системы. Приходящие с датчиков через радиосеть данные принимаются координатором радиосети и через программный модуль сопряжения поступают на СРД. СРД производит привязку значения параметра ко времени, его регистрацию в локальной базе данных (БД) и обработку, формируя вторичные геологические и технологические параметры, которые также регистрируются в БД. Для генерации вторичных параметров с их привязкой к глубине к серверу подключается модуль расчета параметров ГТИ. Исходные данные могут также поступать с газоаналитического оборудования или MWD-, LWD-системы через соответствующие модули сопряжения (Рис. 2). Таким образом, сконфигурированный сервер полностью отвечает за обработку и регистрацию данных.
Для визуального мониторинга процесса бурения и построения скважины по данным инклинометрии, а также для конфигурирования СРД к последнему подключается клиентская программа «Оператор ГТИ», устанавливаемая на рабочем месте оператора ГТИ. Программа позволяет в режиме реального времени вести наблюдение всех регистрируемых параметров как функций от времени и глубины, устанавливать привязки РПМ к параметрам, задавать калибровки и схемы обработки, а также вести мониторинг состояния радиосети датчиков. Сама программа не участвует в процессе обработки и регистрации данных, а только производит управление и визуализацию зарегистрированных данных, поэтому она может подключаться к СРД по мере необходимости. На рабочем месте геолога устанавливается программное обеспечение анализа и геологической интерпретации регистрируемых данных. ПО геолога также является «клиентским» и подключается к СРД по мере необходимости.
АИС строится по модульному принципу как с точки зрения аппаратного обеспечения, так и с точки зрения ПО. Особенностью системы является возможность ее масштабирования, модификации и адаптации к новому оборудованию и новым вычислительным задачам. Благодаря унифицированным протоколам взаимодействия программных компонентов системы возникает возможность быстрого создания дополнительных вычислительных модулей для проведения специализированных расчетов в режиме реального времени.
В предлагаемой архитектуре предполагается наличие центрального сервера сбора данных (ЦССД) уровня сервисной компании, в который поставляется информация по ГТИ и геологии со всех обслуживаемых скважин. Каж-
научно-технический журнал
6 (42) 2011 I еоресурсы
дая станция ГТИ с заданной периодичностью через систему спутниковой или сотовой связи передает свои данные через программный модуль передачи данных на ЦССД. Последний располагается в сервисной компании и доступен для подключения по обычному городскому высокоскоростному каналу связи через сеть Интернет. К серверу ЦССД подключается, в свою очередь, программа мониторинга для контроля всех скважин и своевременного принятия управляющих решений.
Приведем перечень основных клиентских программных компонентов АИС:
- модуль обработки данных ГТИ, выполняющий функции расчета технологических параметров бурения, определения типа текущей операции и формирования глубинных зависимостей для задержанных параметров;
- модуль сопряжения с координатором радиосети датчиков, выполняющий все функции по мониторингу сети РПМ и передаче данных с датчиков на сервер;
- модуль сопряжения с газоаналитическим оборудованием, выполняющий функции приема данных с программы обслуживания хроматографа;
- модуль сопряжения с оборудованием приема сигнала с MWD или LWD, выполняющий функции приема данных по вибрациям, гамма-каротажу, инклинометрии, передаваемых программой обслуживания MWD или LWD;
- модуль расчета параметров инклинометрии, выполняющий расчет траектории скважины в режиме реального времени в декартовых координатах на основе угловых координат и глубины;
- программа-монитор пульта бурильщика, предназначенная для отображения основных параметров бурения на специализированном компьютере - информационной панели;
- программа «Оператор ГТИ» - основная программа мониторинга и управления системой на станции ГТИ, которая функционирует только совместно с сервером и выполняет визуальное наблюдение за операциями буровой, конфигурирование схемы обработки параметров, мониторинг радиосети датчиков ГТИ, отображение ствола скважины, настройку информационных панелей;
- программа генерации отчетов, позволяющая создавать графические и текстовые отчеты на основе зарегистрированных данных, импорт и экспорт данных в различных форматах, включая LAS;
- модуль передачи данных на ЦССД и прием команд, который позволяет оперативно передавать информацию в офис сервисной компании на ЦССД и принимать соответствующие ответные директивы в виде сообщений или команд системы;
- модуль приема и передачи данных в международном формате WITS, который может загружаться при необходимости интеграции внешнего ПО с ПО АИС.
Рассматриваемая модульно-сетевая архитектура потребовала разработки специализированного протокола передачи информации прикладного уровня между серверами СРД, ЦССД и «программами-клиентами» системы. Протокол позволяет передавать различные управляющие команды от «клиента» к серверу или от одного «клиента» к другому, числовые данные в виде сложных структур (атрибуты параметров схемы обработки, калибровки), фрагменты временных и глубинных рядов или их отдельные
точки, а также делать запросы на ранее зарегистрированные данные. Особенностью разработанного протокола является оптимизация передачи информации через низкоскоростные и нестабильные каналы связи, что особенно актуально при работе через GPRS/EDGE соединение между станцией ГТИ и офисом компании.
Заключение
Модульно-сетевая архитектура АИС ГТИ позволяет осуществить качественный скачок в области систем мониторинга строительства скважин и геолого-технологических исследований благодаря применению современных радиотелекоммуникационных и информационных технологий. Беспроводная связь с датчиками регистрации параметров ГТИ позволяет сервисной компании существенно сократить время развертывания системы ГТИ и упростить ее обслуживание. Применение модульно-сетевой архитектуры в ПО позволяет сократить затраты на дальнейшее расширение системы как в количественном (наращивание сети датчиков), так и в качественном направлении (добавление новых физических параметров и интеграция с новой аппаратурой), поскольку в большинстве случаев подключение нового оборудования или добавление каких-либо алгоритмов математического расчета сводится к написанию небольшого программного модуля, который можно легко отладить и подключить без риска нарушения работы всей системы.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (проект № 2010-218-01-192).
O.N. Sherstyukov, E.Yu. Ryabchenko, E.V. Danilov, A.A. Ivanov. Modular network architecture of software for mud logging systems.
A modular network conception of software is described. It was applied for a new mud logging system based on wireless sensors. The offered software architecture allow to develop flexible and scalable mud logging system with possibility of easy dynamic plugin of different hardware and software modules, e.g. measurement-while-drilling equipment and new data processing algorithms.
Keywords: mud logging, wireless data acquisition, modular network architecture.
Олег Николаевич Шерстюков д.физ.-мат.н., зав. каф. радиофизики.
Евгений Юрьевич Рябченко к.физ.-мат.н., доцент кафедры радиофизики.
Евгений Валерьянович Данилов ассистент кафедры радиофизики.
Казанский (Приволжский) федеральный университет. Институт физики.
420008, Казань, ул.Кремлевская, 18. Тел.: (843) 292-81-92.
Артем Александрович Иванов руководитель методической группы ГТИ ОМП-31 НТУ ООО «ТНГ-Групп».
423230, Бугульма, ул.Никитина, 12А. Тел.: (85594)760-68.
р- научно-технический журнал
I еоресурсы 6 (42) 2011
