引用本文
贾鹏, 田相斋, 刘雨曦, 叶艳辉, 冯富辉, 董高祯. 基于北斗短报文的录井数据实时传输系统构建与测试[J]. 录井工程, 2025,36(3): 9-15.
JIA Peng, TIAN Xiangzhai, LIU Yuxi, YE Yanhui, FENG Fuhui, DONG Gaozhen. Construction and testing of a real-time mud logging data transmission system based on Beidou short messages[J]. Mud Logging Engineering, 2025,36(3): 9-15.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2025.03.002  
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基于北斗短报文的录井数据实时传输系统构建与测试
贾鹏①,②, 田相斋①,②, 刘雨曦③, 叶艳辉①,②, 冯富辉①,②, 董高祯①,②
①中石化经纬有限公司胜利地质录井公司
②中国石化测录井重点实验室
③山东科技大学地球科学与工程学院

作者简介：贾鹏 高级工程师,1989年生,2012年毕业于山东科技大学计算机科学与技术专业,现在中石化经纬有限公司胜利地质录井公司从事石油工程信息技术相关工作。通信地址：257064 山东省东营市东营区乐园路1号。E-mail：tianxiang198963@163.com

收稿日期: 2025-08-04
摘要

新疆油田、塔里木油田等西部油田地域辽阔,传统传输网络因通信信号覆盖不足,导致部分井场采集的数据无法及时回传,这对于前方井场钻井施工运行优化、后方基地钻井施工实时监控及地质解释研究等产生了一定的影响。为解决因网络覆盖不足导致的录井数据实时传输难题,研发了基于北斗短报文的录井数据实时传输系统。通过解析北斗三号卫星导航系统传输协议、构建北斗录井数据传输测试环境、开发北斗录井数据实时传输系统,实现了录井数据的“采-编-发”一体化闭环传输。该研究不仅解决了传统网络依赖问题,还通过北斗协议的自主可控性降低了能源数据安全风险,为油田数字化转型提供了高可靠、低成本的通信技术支撑,并为北斗系统在能源领域的规模化应用提供了实践范例。

关键词: 北斗卫星导航系统; 短报文; 传输协议; 录井数据; 实时传输
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Construction and testing of a real-time mud logging data transmission system based on Beidou short messages
JIA Peng①,②, TIAN Xiangzhai①,②, LIU Yuxi③, YE Yanhui①,②, FENG Fuhui①,②, DONG Gaozhen①,②
①Shengli Geological Logging Company of Sinopec Matrix Corporation, Dongying, Shandong 257064, China
②Sinopec Key Laboratory of Well Logging, Qingdao, Shandong 266071, China
③College of Earth Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China
Abstract

Western oilfields such as Xinjiang Oilfield and Tarim Oilfield cover vast territories. Due to communication signal coverage limitations in traditional transmission networks, data collected at some well sites cannot be transmitted back in a timely manner. This has certain impacts on optimizing drilling operations at the frontier well sites, real-time monitoring of drilling operations at the rear base, and geological interpretation research. To address the challenge of real-time mud logging data transmission caused by insufficient network coverage, this paper proposes a real-time mud logging data transmission system based on Beidou short messages. By analyzing the Beidou 3 satellite navigation system transmission protocol, constructing a Beidou mud logging data transmission test environment, and developing Beidou mud logging data real-time transmission system, an integrated closed-loop transmission system for mud logging data "acquisition-encoding-transmission" has been achieved. This research not only resolves traditional network dependency issues but also reduces energy data security risks through the autonomous controllability of the Beidou protocol. It provides highly reliable, low-cost communication technology support for oilfield digital transformation and offers a practical example for the large-scale application of the Beidou system in the energy sector.

Keyword: Beidou satellite navigation system; short messages; transmission protocol; mud logging data; real-time transmission
0 引言

随着勘探开发对钻井安全生产管理要求的提升以及数字化转型的加速, 油田对实时数据传输的依赖性日益增强。但油田生产区域普遍呈现分布广袤、地质条件复杂的特点, 尤其新疆油田、塔里木油田等西部油田, 大部分井场位于沙漠、戈壁等自然环境恶劣的无人区, 远离基地且呈点状零散分布。由于井场所处区域网络基础设施薄弱, 数据采集和信息传递存在显著的滞后性, 这不仅影响了钻机动态实时监控, 还可能延误井控安全事件的应急响应, 严重制约钻机运行效率优化与安全管控, 导致油田偏远工区井场长期面临着管理效能低下的困境。同时, 使用传统人工记录统计数据不仅存在工作量大、耗时费力等问题, 且受人为因素影响无法保障数据的实时性和准确性。因此, 亟需针对通信基础设施薄弱的油田工区, 构建专用的数据传输网络, 打通数据实时回传通道, 实现井场的远程实时监控与集约化管理。

目前, 传统录井数据传输主要依赖有线互联网、油田局域网、4G通信等技术, 现场采集控制设备基本采用RJ 45、RS 485等通信接口与网络传输设备连接, 以实现录井仪采集数据的实时回传。此类数据采集传输方式基本解决了油田主力工区生产现场的数据传输问题。但在偏远的勘探工区, 由于地理位置偏僻, 使用传统的有线网络需搭建基站, 建设成本过高, 而4G无线网路信号无法全域覆盖或覆盖薄弱, 造成现场生产数据无法实时回传。随着北斗卫星导航系统（BDS）的发展, 其作为我国自主可控的国家级空间基础设施, 凭借短报文功能, 为破解偏远井场网络盲区下的数据传输难题提供了关键技术突破口。北斗卫星传输采用天-地通信方式, 不受地形、地貌、空间距离的限制, 适合位于沙漠腹地、戈壁等偏远地区井场的录井数据传输[1, 2], 从而有效弥补网络信号盲区无法进行数据信息传输的不足。

本文针对因网络覆盖不足导致的录井数据实时传输难题, 开发了应用北斗短报文的录井数据实时传输系统, 有效解决了传统网络依赖问题, 降低了能源数据安全风险, 为油田数字化转型提供了高可靠、低成本的通信技术支撑。

1 北斗短报文录井数据实时传输系统构建

为了提升数据传输范围和可靠性, 基于北斗终端网络, 构建了一套兼容现有录井数据采集传输流程的实时数据传输系统, 从而实现录井数据经由北斗系统的实时传输。本系统重点围绕三大技术内容开展研究：一是北斗三号全球卫星导航系统传输协议（以下简称北三传输协议）技术应用研究, 该研究基于北斗短报文终端开展传输协议逆向工程, 重点突破北三传输协议编码格式解析技术, 研发符合录井数据特征的高效压缩算法及智能封装技术, 建立端到端的数据优化处理机制; 二是北斗短报文录井数据实时传输系统测试环境的构建, 具体包括搭建具备生产环境的北斗数据传输试验平台, 模拟现场生产环境下录井数据采集与传输流程, 完成相关设备的集成部署及协同调试; 三是北斗短报文录井数据实时传输系统软件开发, 主要为构建基于北斗短报文终端的自适应传输机制, 实现采集端与平台端的数据双向交互传输。

1.1 北三传输协议技术应用研究

与传统传输媒介不同, BDS研发了专有的传输介质和传输协议, 因此要针对其数据传输介质和协议进行深度解析, 研究其传输机制、数据编码格式以及信息加密方案等, 主要包括北斗短报文、短报文终端以及北三传输协议3方面内容。

1.1.1 北斗短报文

北斗短报文是中国北斗全球卫星导航系统独有的特色功能, 是一种基于卫星通信的短消息服务, 支持用户终端与卫星、地面站之间的短报文数据交互传输。它突破了传统卫星导航系统（如GPS、GLONASS）仅支持单向定位或导航的技术局限, 实现了定位和通信的双向信息传输（表1）。

表1 BDS与GPS、GLONASS功能对比

其通信单元内置北斗三号短报文协议栈, 单次传输支持最大1 000 汉字/min的编解码与压缩传输, 支持文本、坐标、传感器数据等多类型信息的传输, 同时兼容国际通用二进制数据格式, 并通过动态功率调节技术保障不同场景下的链路稳定性[3, 4]。

1.1.2 北斗短报文终端

北斗短报文终端是基于北斗三号卫星导航系统（BDS-3）特色短报文通信服务研发的专用设备, 其核心功能是实现用户端与卫星间的双向信息传输与定位授时服务。该终端硬件由射频模块、基带处理器、加密模块及电源管理单元构成, 采用低功耗芯片组设计, 支持北斗RDSS（无线电测定服务）与RNSS（无线电导航服务）双模协同工作, 具备多频点自适应切换能力以适应复杂电磁环境[5, 6]。

终端内置一张北斗传输卡, 每张传输卡都有唯一的ID号, 用于标识终端设备。北斗传输卡按传输类型可分为单向卡、双向卡2种：单向卡仅支持终端向中心站发送信息, 即单向通信, 常用于应急场景; 双向卡支持终端与中心站双向文字/数据交换, 即双向通信, 常应用于位置上报、指令下发等场景。

不同规格的北斗传输卡对应不同的服务频度和通信等级。服务频度是指北斗终端入站申请定位、通信、位置报告等服务的最短间隔时间, 共划分为15级, 每级最短间隔时间为1 s~15 min不等。通信等级（汉字长度）是指北斗终端入站短报文信息长度的上限划分等级, 共5级, 每级非密电文长度从49~1 000汉字不等, 一般民用北斗传输卡通信等级在1~3级（非密电文长度分别为49、131、277汉字）。服务频度和通信等级直接影响了短报文传输性能, 然而高等级的北斗传输卡一般为军用, 本次试验采用民用“ 双向+12级服务频度+2级通信等级” 卡, 即最大支持每分钟收发1条数据, 单次报文长度约131汉字。

1.1.3 北三传输协议

北三传输协议是BDS-3为实现短报文通信功能而设计的专用数据传输规范, 其核心作用在于规范用户终端、卫星及地面站之间的数据交互流程与格式, 保障通信链路的高效性与可靠性。协议严格遵循《北斗三号民用终端通用数据接口要求》, 定义了报文封装格式、指令集及加密规则等。

根据协议标准、北斗传输卡性能以及应用场景等多方面要求, 通过协议逆向解析及编程验证明确数据编码算法。在具体验证中, 通过北斗测试助手软件模拟发送指定短报文并查看其编码结果, 明确所需的语句标识符; 随后依据该标识符的编码规范, 编程生成包含数据字段和校验码的短报文, 在确保程序输入参数与北斗测试助手模拟输入参数一致的前提下, 利用串口工具捕获程序发送的短报文数据, 最终将其与北斗测试助手的编码结果进行对比验证。

在短报文通信申请编码格式中, 详细规定了收信方ID、频点、入站确认申请、编码类别、通信数据编码格式以及报文通信频度共6个方面（表2）：收信方ID为指挥机地址, 即通信收信方北斗传输卡号码; 在频点选择上, 民用终端通常仅开放1~3个频点, 默认使用Lf1频点[7]; 入站确认申请需根据北斗传输卡类型进行配置, 若是单向传输卡, 则无需确认, 双向传输卡则需选择确认; 编码类别可根据数据传输类型选择汉字、代码、混编3种; 通信数据的编码规则因编码类别的差异而有所不同, 根据编码类别, 按照其对应的编码规则进行数据编码; 报文通信频度设置为0时表示单次申请并停止发送, 非0数值表示按照设置的时间间隔连续发送。

表2 北三传输协议短报文通信申请编码格式
1.2 测试环境

北斗短报文录井数据实时传输系统测试环境需以真实录井作业场景为基准构建, 在不影响录井现场原有数据采集传输的情况下, 构建软硬件协同的异构通信平台, 实现传统录井数据采集传输与北斗短报文录井数据实时传输系统并行运行。

1.2.1 硬件测试环境构建

模拟现场生产环境下的录井数据采集与传输流程, 完成北斗短报文终端、录井仪采集机、录井仪传输机的安装部署及调试（图1）。录井仪采集机主要用于将接入录井仪器房的各传感器发送的电信号转化为数字信号, 从而实现各传感器参数的实时采集, 并通过串口（COM口）将采集的数据发送给录井仪传输机; 录井仪传输机接收数据后, 通过北斗短报文录井数据实时传输软件按照北三传输协议进行编码, 并发送给北斗短报文终端[8]; 北斗短报文终端将编码后的数据通过北斗卫星短报文通信的方式发送到北斗卫星, 最终传给地面基站, 在北斗数据平台接收并展示。

图1 硬件测试环境连接示意图

1.2.2 软件测试环境构建

软件环境构建主要包括北斗短报文终端调试和北斗数据采集接口开发配置2个部分。

北斗短报文终端调试主要通过北斗测试助手软件进行, 包括测试北斗短报文终端的连通性、查看终端运行状态及设置终端相关参数（如网络位置报告参数、工作模式）（图2）。同时可以通过该软件发送模拟数据, 经由截取数据发送包实现逆向解析北三传输协议编码。根据北斗传输卡类型以及应用场景, 通过北斗测试助手软件完成北斗短报文终端的参数配置以及调试工作, 进而满足数据传输需求。

图2 北斗短报文终端调试

北斗数据采集接口开发配置主要通过录井仪采集机RTC软件与录井仪WITS采集功能模块对接进行, 开发配置北斗专用的数据采集接口（图3）, 包括采集端口号、采集参数、采集井深及时间间隔等。在采集端口配置上, 需与原录井仪采集端口有所区分, 避免与录井仪原采集通道发生冲突, 实现录井仪与北斗短报文传输系统的并行采集。

图3 北斗专用数据采集接口开发配置

1.3 软件开发

北斗短报文录井数据实时传输系统软件是北斗短报文终端与录井仪的核心纽带, 建立从井场数据采集到卫星数据协议封装、信道自适应传输的全链路技术体系, 在确保录井数据传输稳定性的同时, 实现北斗三号短报文服务的无缝嵌入, 形成“ 采-编-发” 一体化的传输闭环。

1.3.1 软件系统架构

北斗短报文录井数据实时传输系统软件采用分层模块化架构, 主要由数据采集层、协议编码层及数据发送层3部分构成, 各层通过标准化接口进行数据通信, 从而实现录井数据采集、协议转换与卫星传输的高效协同[9]。

（1）数据采集层：作为系统的数据入口, 承担录井仪实时数据的截取与预处理, 在不干扰录井仪原有通信链路的前提下完成实时数据捕获, 按照传输频率精准提取钻压、井深、气体浓度等关键参数。

（2）协议编码层：作为系统的核心转换枢纽, 集成北三传输协议栈动态编译模块, 实现CCTCQ（报文通信申请）格式的自动化封装, 并根据数据类型自动选择加密策略。

（3）数据发送层：将封装后的数据发送至北斗短报文终端。针对信道拥塞场景, 设计抢占式优先级队列管理机制, 允许H2S等高危参数数据中断低优先级报文传输, 提升关键数据的投递时效性。

1.3.2 软件界面定制

软件界面是为用户提供与系统交互的界面, 采用极简设计风格, 主界面主要包含软件配置栏、数据展示区和传输状态区3部分。

软件配置栏主要用于开启/结束采集、发送记录查看以及系统设置。数据展示区用于实时展示从录井仪采集机发送来各参数数据, 涉及工程参数、气测参数、钻井液参数3大类, 包括井深、悬重、钻井液密度、钻井液温度、全烃等共计46个参数。传输状态区主要查看传输信息, 包括发送记录的时间以及北三传输协议编码后的数据发送记录。

1.3.3 软件传输模式和参数设置

在传输模式设计中, 创新性地设计了3种数据传输模式, 针对现场录井仪的串口通信模式和TCP通信模式, 以及面向数据库的中心库模式, 以灵活适应不同应用场景。针对前端设备直连场景, 设计串口通信模式, 与现场录井仪采集机WITS模块对接, 通过COM口从录井仪采集机截取数据; 同时也可在录井仪采集机RTC软件中将采集机设置为TCP客户端, 并以录井仪传输机作为服务端, 通过指定端口建立TCP连接, 实现采集数据实时传输; 针对后方数据管理需求, 设计中心库模式, 与后方基地结构化数据库对接, 通过井号、时间戳等关键索引字段实现录井中心实时数据库的毫秒级数据检索。3种传输模式通过统一的格式归一化处理, 支持模式冷切换。

在传输参数设置中, 系统深度耦合北斗传输卡的物理层特性与技术规范, 构建了基于北斗传输卡性能的自定义参数优化体系。该模块支持对串行通信接口、波特率及报文发送频率等关键传输参数进行精细化配置, 通过动态匹配传输速率与信道容量, 有效规避因参数超限引发的数据丢包及信道拥塞风险。

2 应用测试

为了测试北斗短报文录井数据实时传输系统的有效性, 先后在LY 4HF、Y 104-P6、SX 158井开展了应用测试。测试采用串口通信、TCP通信和中心库传输3种模式：在串口通信模式下, 选取ZH-2和ZH-3两种型号录井仪器, 与录井仪器WITS功能模块对接, 定制开发了北斗专用的数据采集接口; 在TCP通信模式中, 依托录井仪RTC软件以及北斗短报文录井数据实时传输系统软件, 通过指定IP地址和端口, 建立录井仪采集机（客户端）与录井仪传输机（服务端）之间的TCP连接; 在中心库传输模式中, 开发了Oracle数据库接口, 建立北斗录井实时传输软件与录井实时数据库连接, 通过井号和时间戳等参数从录井中心库提取数据。受限于北斗卡通信等级对于报文长度的限制, 传输参数仅选取了井深、大钩负荷、H2S等关键数据。

应用测试采用民用北斗分钟卡（传输频次≤ 1次/min）, 为避免信道拥塞导致数据丢失, 在传输软件设置中将采集传输频率同步设置为1 min/次。经测试, 系统在传输速率、稳定性与兼容性方面符合预期的技术指标, 应用效果良好, 最终实现了录井关键数据实时传输至北斗数据平台（图4）。通过持续迭代优化, 短报文传输成功率稳定在95%以上, 数据准确性达到100%。

图4 北斗数据平台短报文接收数据展示

在现场测试过程中发现, 民用级分钟卡在服务频度配额（每分钟仅允许传输1次）限制下, 对于高频数据的传输会导致数据丢失、重复发送等问题, 难以满足井场安全监控秒级高频数据回传的实时性需求。同时受北斗短报文通信协议的物理层特性制约, 本次试验采用的北斗卡其单条报文最大容量为131汉字（0.256 KB）, 当传输参数过多, 数据量超过0.256 KB时, 无法直接传输, 故需通过数据压缩方法[10]将其数据量控制在最大传输量以内或替换为通信等级更高的北斗卡来解决。

3 结束语

（1）通过对基于北斗短报文的录井数据实时传输系统进行实地测试, 验证了北斗终端实时传输录井数据的可行性。该系统的研发为网络基础设施建设滞后地区的油气勘探数据传输开辟了一条新路径。

（2）通过北三传输协议解析、北斗录井数据传输环境搭建与传输系统软件设计开发, 首次将北斗技术成功应用于录井数据传输。这不仅挖掘了北斗技术在石油领域的应用潜力与推进国产化替代进程, 提升了信息技术服务水平, 也为公司数智化转型提供了新思路, 同时为勘探开发井位测量技术在北斗平台的应用奠定了技术储备基础。

（3）受限于民用级北斗传输卡的服务性能, 北斗短报文在当前技术框架下, 更适用于短文本、坐标及关键传感器数据的轻量化传输; 而针对视频监控数据等高带宽、低延迟的数据传输场景, 仍需通过协议优化或融合5G等地面通信技术实现传输能力突破。

（编辑 唐艳军）

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