技术领域
[0001] 本
发明涉及油气开采技术领域，具体涉及一种井下测井电缆的自动切换方法。
背景技术
[0002] 石油
天然气开采过程中，井下传感设备可以测量出井下的多个物理量的数值，例如井下的压
力和
温度值，根据这些测量值可以更好地判断地下储层变化情况及井下设备工况，从而确定合理的开采制度及检
泵措施，对石油天然气的开采具有非常重要的意义。井下传感设备通常通过测井电缆与地面通道进行通讯，实现井下数据的上传。
[0003] 由于油气井井柱结构的多样性、开采设备的多样性，井筒内的工况异常复杂，测井电缆很容易受到摩擦、拉扯、
挤压、
腐蚀等而受到严重损伤，从而使地面和井下传感设备之间的通讯出现中断。而更换测井电缆的作业
费用很昂贵，并且还会导致停产更换电缆所造成的生产损失。市场上绝大多数系统地面和井下设备之间都为单路通讯，所采用的为双芯或单芯铠装电缆，一旦其中一芯发生
短路或断路故障，则系统完全失效。
[0004] 有些系统的地面和井下设备都采用了双通道设计，采用了四芯或者三芯铠装电缆，实现了1+1备份，进一步提升了该系统的可靠性。但是由于四芯中每对芯和设备两个通道是固定对应关系，一旦每对芯中各有一根缆芯发生故障，则两个通道的通讯都会发生中断。例如，在四芯电缆中(如图1所示)，该四芯电缆是A、B、C、D四根芯组成，其中AB芯组成一对芯(即第一路通讯线路)，CD芯组成另一对芯(即第二路通讯线路)，由于设备的通道U1和通道U2分别对应着两对芯，当每对芯中各有一根芯发生故障，则两个通道的通讯都会发生中断，这样就造成两路测量值上传均失效，因此双通道1+1备份的设计还没有达到最优化的状态。
发明内容
[0005] 本发明主要提供一种井下测井电缆的自动切换方法，当四芯测井电缆或三芯铠装电缆的任意两芯出现故障，可通过地面及井下设备的自动检测及切换，使得另外两个无故障缆芯
配对，从而恢复井下和地面之间的一路通讯。
[0006] 解决上述技术问题的技术方案如下：
[0007] 一种井下测井电缆的自动切换方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1，通过地面控制及
数据处理单元、通信电缆以及井下传感单元，建立地面通道与井下传感通道之间的至少两路通讯；
[0009] 步骤2，地面控制及数据处理单元和/或井下传感单元对地面通道与井下传感通道间的通讯状态检测；
[0010] 步骤3，若步骤2检测通讯出现异常时，则地面控制及数据处理单元和/或井下传感单元判断通讯异常路数是否为两路中的一路；
[0011] 步骤4，若步骤3的判断结果为否，即两路通讯都出现异常，且检测为通信电缆异常，则地面控制及数据处理单元控制该单元中的电缆芯交换矩阵进行轮询切换，井下传感单元控制该单元中的电缆芯交换矩阵进行轮询切换，使两路电缆芯进行新的配对；
[0012] 步骤5，重新配对时，检测是否至少可恢复一路通讯。
[0013] 优选地，所述通信电缆为四芯电缆或者三芯铠装电缆。
[0014] 优选地，步骤1中，两路通讯配置为：
[0015] 第一路为：地面通道一的第一子通道依次通过第一电缆芯、井下通道一的第一子通道与井下传感通道一进行通讯；地面通道一的第二子通道依次通过第二电缆芯、井下通道一的第二子通道与井下传感通道一进行通讯；
[0016] 第二路为：地面通道二的第一子通道依次通过第三电缆芯、井下通道二的第一子通道与井下传感通道二进行通讯；地面通道二的第二子通道依次通过第四电缆芯、井下通道二的第一子通道与井下传感通道二进行通讯。
[0017] 优选地，步骤2中，地面控制及数据处理单元在检测到通讯出现异常后检测通信电缆的阻值及工作
电流，以此判断通信电缆是否受损。
[0018] 优选地，在步骤3中，若异常通讯是两路中的一路，则上报故障所在通道的告警信息，且上报通讯正常一路的数据。
[0019] 优选地，步骤4中，地面控制及数据处理单元控制该单元中的电缆芯交换矩阵进行轮询切换时间，与井下传感单元控制该单元中的电缆芯交换矩阵进行轮询切换时间不相等。
[0020] 优选地，井下传感单元对该单元中的电缆芯交换矩阵进行轮询切换时间，至少是地面控制及数据处理单元控制该单元中的电缆芯交换矩阵进行轮询切换时间的3倍。
[0021] 优选地，步骤4的轮询切换过程中，地面控制及数据处理单元以周期时间向井下发送通信
帧并等待井下传感单元的应答帧，地面控制及数据处理单元向下发送通信帧的周期时间，与井下传感单元控制该单元中的电缆芯交换矩阵进行轮询切换时间不相等。
[0022] 优选地，地面控制及数据处理单元向下发送通信帧的周期时间，小于井下传感单元控制该单元中的电缆芯交换矩阵进行轮询切换时间。
[0023] 优选地，电缆芯交换矩阵为
电子开关或者微机械开关。
[0024] 通过本发明的检测，当只有一路发生通讯故障，电缆两端的电缆芯交换矩阵并不进行切换动作。整个系统仍然可以通过另一路通讯正常的通道进行井下数据上传。同时有故障通道的告警指示。当两路通讯都发生异常，且检测为电缆异常，则启动电缆芯自动检测及配对程序。如果四芯中只有两芯有故障而另外两芯是好的，则通过电缆芯自动检测及配对程序，可以恢复一路通讯，保持井下数据上传。同时可指示出故障两芯的
位置。当电缆有三芯以上出现故障，则电缆芯自动检测及配对程序也无法恢复通讯，此时地面设备上报井下通讯完全故障告警提示。当电缆两端由于接线错误而造成通讯异常，也可通过同样的方法自动恢复通讯，从而降低了系统操作维护的复杂度。
[0025] 综上所述，通过本发明的方法，当四芯测井电缆(或三芯铠装电缆)的任意两芯出现故障，可通过地面及井下设备的自动检测及切换，使得另外两个无故障缆芯配对，从而恢复井下和地面之间的一路通讯，使得井下测量值能够顺利地上传至地面设备，从而大幅提升了整个系统的可靠性。
附图说明
[0026] 图1为现有通信电缆与地面控制及数据处理单元和井下传感单元连接的示意图；
[0027] 图2为本发明的通信电缆与地面控制及数据处理单元和井下传感单元连接的具体结构示意图；
[0028] 图3为本发明测井电缆的自动切换方法的示意图；
[0029] 图4为通讯故障时地面控制及数据处理单元中的电缆芯交换矩阵进行轮询切换示意图；
[0030] 图5为通讯故障时地面井下传感单元中的电缆芯交换矩阵进行轮询切换示意图。
具体实施方式
[0031] 如图2所示，本发明在
硬件上包括井下地面控制及数据处理单元、井下传感单元以及连接两端的通信电缆。地面控制及数据处理单元与通信电缆的一端相连，地面控制及数据处理单元包含处理器、两路独立的通讯通道、电缆检测单元以及1个4x4电缆芯交换矩阵，电缆检测单元具有检测通信电缆的阻值及工作电流的功能，以此来判断通信电缆是否受损。井下传感单元与通信电缆的另一端相连，井下传感单元至少包括两组相互备份的传感检测通道，以及1个4x4电缆芯交换矩阵,两组相互备份的传感检测通道中均有处理器，井下传感单元通过四芯或三芯铠装电缆分别上传两路实时检测的数据。通信电缆为四芯测井电缆或者三芯铠装电缆。上述4x4电缆芯交换矩阵可以是电子开关或者微机械(MEMS)开关。
[0032] 如图2至图5所示，本发明的井下测井电缆的自动切换方法，包括以下步骤：
[0033] 步骤1，程序初始化，通过地面控制及数据处理单元、通信电缆以及井下传感单元，建立地面通道与井下传感通道之间的至少两路通讯，即为1+1备份式的数据传递，如果其中一路故障，另一路仍然可以上传数据。在本发明中，以通信电缆采用四芯电缆为例进行说明，本步骤中，两路通讯的具体配置为(如图4和图5中的第一幅图)：第一路为：地面通道一的第一子通道U1_A依次通过第一电缆芯A、井下通道一的第一子通道D1_A与井下传感通道一进行通讯；地面通道一的第二子通道U1_B依次通过第二电缆芯B、井下通道一的第二子通道D1_B与井下传感通道一进行通讯。
[0034] 第二路为：地面通道二的第一子通道U2_A依次通过第三电缆芯C、井下通道二的第一子通道D2_A与井下传感通道二进行通讯；地面通道二的第二子通道U2_B依次通过第四电缆芯D、井下通道二的第一子通道D2_B与井下传感通道二进行通讯。
[0035] 步骤2，地面控制及数据处理单元和/或井下传感单元对地面通道与井下传感通道间的通讯状态检测；步骤2中，地面控制及数据处理单元在检测到通讯出现异常后检测通信电缆的阻值及工作电流，以此判断通信电缆是否受损。
[0036] 步骤3，若步骤2检测通讯出现异常时，则地面控制及数据处理单元和/或井下传感单元判断通讯异常的路数是否为两路中的一路。在步骤3中，若异常通讯是两路中的一路，则上报故障所在通道的告警信息，且上报通讯正常一路的数据。这说明两路中的一路通讯异常时，而另一路通讯是完好的，完好的一路可以将检测的数据进行上传，对系统的工作不造成影响。
[0037] 步骤4，若步骤3的判断结果为否，即两路通讯都出现异常，且检测为通信电缆异常，说明两路通讯中每一路至少有一根电缆芯损坏或故障，这时需要将两路中完好的电缆芯重新进行配置，用来恢复通讯。具体过程为：
[0038] 地面控制及数据处理单元控制该单元中的电缆芯交换矩阵进行轮询切换，井下传感单元控制该单元中的电缆芯交换矩阵进行轮询切换，使两路电缆芯进行新的配对。即通过地面和井下控制各自内部的电缆芯交换矩阵，使没有故障的电缆芯与电缆芯交换矩阵形成新的配置关系。
[0039] 步骤4中，地面控制及数据处理单元控制该单元中的电缆芯交换矩阵进行轮询切换时间为T1，与井下传感单元控制该单元中的电缆芯交换矩阵进行轮询切换时间为T2，T1与T2不相等，这样设置的目的在于：地面上的电缆芯交换矩阵和井下的电缆芯交换矩阵切换周期一快一慢，可以用来保证其中两个无故障缆芯有机会对接。井下传感单元对该单元中的电缆芯交换矩阵进行轮询切换时间，至少是地面控制及数据处理单元控制该单元中的电缆芯交换矩阵进行轮询切换时间的3倍，即T1至少是T2的3倍(反过来也可以，及T2至少是T1的3倍)，这样可以保证地面的电缆芯交换矩阵每切换一次，井下的电缆芯交换矩阵至少能遍历一遍不同的缆芯连接配置。
[0040] 步骤4的轮询切换过程中，地面控制及数据处理单元以周期时间向井下发送通信帧并等待井下传感单元的应答帧，地面控制及数据处理单元向下发送通信帧的周期时间为T3，与井下传感单元控制该单元中的电缆芯交换矩阵进行轮询切换时间不相等。地面控制及数据处理单元向下发送通信帧的周期时间T3，小于井下传感单元控制该单元中的电缆芯交换矩阵进行轮询切换时间T2，即T3＜T2，以保证井下传感单元可以收到地面所发的通讯帧。
[0041] 步骤5，重新配对时，检测是否至少可恢复一路通讯。若检测结果为是，这说明两路通讯中的四根电缆芯中只有两芯有故障而另外两芯是好的，则通过电缆芯自动检测及配对程序，可以恢复一路通讯，保持井下数据上传。同时可指示出故障两芯的位置。
[0042] 若步骤5的检测结果为否，则进入步骤6，井下通讯完全故障告警指示，这说明通信电缆中有三芯以上出现故障，则电缆芯自动检测及配对程序也无法恢复通讯，此时地面设备上报井下通讯完全故障告警提示。
[0043] 下面以四芯电缆中的其中两个电缆芯通讯异常为例进行举例说明：
[0044] 如图4和图5的第一幅图,步骤1，通讯初始配置为，第一路为：地面通道一的第一子通道U1_A依次通过第一电缆芯A、井下通道一的第一子通道D1_A与井下传感通道一进行通讯；地面通道一的第二子通道U1_B依次通过第二电缆芯B、井下通道一的第二子通道D1_B与井下传感通道一进行通讯。
[0045] 第二路为：地面通道二的第一子通道U2_A依次通过第三电缆芯C、井下通道二的第一子通道D2_A与井下传感通道二进行通讯；地面通道二的第二子通道U2_B依次通过第四电缆芯D、井下通道二的第一子通道D2_B与井下传感通道二进行通讯。
[0046] 简化说明：下面在步骤3以后的描述中，对第一电缆芯A、第二电缆芯B、第三电缆芯C、第四电缆芯D，对应地采用A、B、C、D进行表示，对通道一用通道1表示，对通道二用通道2表示。
[0047] 步骤2，当地面控制及数据处理单元和井下传感单元检测到地面和井下两路通讯都出现异常后，则分别启动电缆芯自动检测及配对功能。这里以第一电缆芯A和第二电缆芯D故障为例进行说明，其它AC、BC、BD两芯出现故障处理方法相同
[0048] 步骤3，地面控制及数据处理单元控制本单元的4X4电缆芯交换矩阵的切换，而井下传感单元控制本单元的电缆芯交换矩阵的切换。两个电缆芯交换矩阵的轮询切换周期需要一个为慢速而另一个为快速切换，以保证其中两个无故障缆芯能有机会对接。例如地面4X4电缆芯交换矩阵1的切换时间为T1，井下电缆芯交换矩阵2的切换时间为T2，且T1至少大于3T2(也可以T2至少大于3T1)。以保证地面矩阵每切换一次，井下矩阵至少能遍历一遍不同的缆芯连接配置。
[0049] 步骤4，如图4所示，地面控制及数据处理单元中的电缆芯交换矩阵，切换顺序依次为AB(通道1)、CD(通道2)→AC(通道1)、BD(通道2)→AD(通道1)、BC(通道2)，每次切换时间间隔为T1。地面单元以周期时间T3向井下发送通信帧并等待井下传感单元的应答帧。T3
[0050] 如图5所示，井下传感单元的电缆芯交换矩阵，切换顺序依次为AB(通道1)、CD(通道2)→AC(通道1)、BD(通道2)→AD(通道1)、BC(通道2)，每次切换时间间隔为T2。如果井下传感设备的某个通道在T2时间内收到地面设备所发的通信帧，则保持该矩阵位置不变。同时向地面设备回复应答帧。
[0051] 在该例子中，由于电缆芯A和D出现故障，切换后，使地面控制及数据处理单元中的电缆芯交换矩阵位于AD(通道1)、BC(通道2)，且井下传感单元的电缆芯交换矩阵位于AD(通道1)、BC(通道2)，地面控制及数据处理单元和井下传感单元的通道2可以通过缆芯BC进行正常通讯，从而完成了缆芯的自动配对并恢复了地面和井下的通讯。如果地面及井下交换矩阵经过多次遍历切换，仍然无法恢复通讯，则表明该测井电缆至少有3芯以上出现故障，则上报井下通讯完全故障告警。
[0052] 以上所述仅为本发明的
实施例，并非因此限制本发明的
专利范围，凡是利用本发明
说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
