Data interface between downhole sensor and SIU

Technical forum on ESP sensors. Discuss workshop bench testing, pressure and temperature calibration, vibration checks, and sensor-to-motor assembly
powerchip
User avatar
Posts: 3
Joined: Wed Feb 22, 2017 12:50 am

Data interface between downhole sensor and SIU

Post by powerchip »

Good day. I am doing research work that needs a high-accuracy downhole pressure gauge (sensitivity 6 Pa, range 60 MPa) hung below an ESP, with real-time data from it while the well is running. We tried to interest a downhole monitoring system (TMS) maker in a joint job: hang my tool under the downhole monitoring system (TMS) and send its data to surface together with the downhole monitoring system (TMS) telemetry. The idea did not really inspire them. They also give out no information on the downhole monitoring system (TMS) data-transfer scheme.

The downhole monitoring system (TMS) makers' attitude toward an open universal interface for extra geophysical tools is completely unclear. That would be a serious edge for such a downhole monitoring system (TMS) versus competitors, and a serious breakthrough in well logging as a whole. The well operator could run well tests without shutting in for workover and get, for example, reservoir-pressure maps. Plenty of other tools could be hung and studied.

So I want to try hanging my tool under the ESP without a downhole sensor (TMS), and use the same data interface over the downhole monitoring system (TMS) power cable. If anyone has a description of the exchange protocol and schematic diagrams of the downhole monitoring system (TMS) cable modem, please respond and help domestic science.
Original topic
Добрый день. Занимаюсь исследовательской работой, в которой требуется подвесить особо точный (чувствительность 6 Па, диапазон 60 Мпа) погружной манометр под ЭЦН, и в процессе работы скважины в реальном времени получать с него информацию. Для этих целей были осуществлены попытки заинтересовать какого либо производителя ТМС в совместной работе, подвесить мой прибор под ТМС и уже через ТМС передавать с него данные совместно с данными телеметрии на поверхность. Но что то не особо эта идея их вдохновила. Никакую информацию по системе передачи данных ТМС так же не предоставляют.
Вообще совершенно непонятно отношение производителей ТМС к идеи создания универсального открытого интерфейса для подключения дополнительных геофизических приборов. Это было бы серьезное преимущество для такого ТМС перед конкурентами и серьезный прорыв в геофизике в целом. Ведь тому кто эксплуатирует скважины можно не останавливая скважину на КРС проводить гидродинамические исследования и получать, например карты пластовых давлений. Да вообще много чего можно было бы подвесить и поисследовать.
В связи с этим хочу попробовать просто без погружного блока ТМС подвесить свой прибор под ЭЦН и использовать такой же как и в ТМС интерфейс передачи данных по кабелю питания ТМС. Если у кого то есть описание протокола обмена данными и электрические принципиальные схемы кабельного модема ТМС прошу откликнуться и помочь отечественной науке.
Добрый Кот
User avatar
Posts: 62
Joined: Wed Oct 12, 2016 11:50 am

Re: Data interface between downhole sensor and SIU

Post by Добрый Кот »

I doubt there are any protocols as such - everyone cooks their own. Grab a logic analyzer and go. I have already unpacked the IRZ packet; details by PM. I spent way too much time on it.
Original reply
Я так думаю нет там никаких протоколов, каждый городит во что горазд. Берём логический анлизатор и в путь. На данный момент разобрал ИРЗовский пакет, за подробностями в личку. Уж больно много времени на это потратил.
TMSnick70
User avatar
Posts: 73
Joined: Wed Jan 02, 2019 11:41 am

Re: Data interface between downhole sensor and SIU

Post by TMSnick70 »

Good day. There are protocols. And yes, everyone tends their own garden. Everyone is digital except Elekton (the 3rd). They use analog transfer. And the loop is a non-standard 6-16 mA. I am trying to get a handle on the Borets SPT-2 protocol. Would like to know how it went with the Izhevsk protocol. And does anyone have info on SPT-2, specifically the error-correcting coding part.
Original reply
Добрый день. Протоколы то есть. И да каждый городит свой огород. У всех цифра, кроме Электона(3-го). У них аналоговая передача. Причём петля не стандартная 6-16мА. Пытаюсь освоить борцовский протокол СПТ-2. Хотелось бы узнать как успехи с Ижевским протоколом. И нет ли у кого информации по СПТ-2, а именно в части помехоустойчивого кодирования.
chernyi-abdulla
User avatar
Posts: 35
Joined: Tue Oct 23, 2018 1:51 pm

Re: Data interface between downhole sensor and SIU

Post by chernyi-abdulla »

Hello all. I had similar ideas myself - a downhole monitoring system (TMS) plus extra gauges ("add-ons") - but I buried them. Several reasons. And not because downhole monitoring system (TMS) makers are lazy. Let's rewind. Each vendor tried to build a system to measure two or three parameters. Besides the software side of the protocol - encoding, bit depth, transfer order, checksum, and so on - there is hardware: currents, voltages, frequency band. The SIU (surface interface unit, TMS) is both the parameter receiver and the power supply for the downhole sensor (TMS), at a fairly well-known power draw. So problem no. 1 appears: almost no production system has enough power headroom to feed an extra unknown load hung on the downhole unit. Then there can be variants of the physical (hardware) link from the downhole unit to the add-ons: one wire (power + data), power separate and data separate (e.g. 2-wire RS-485), and so on. That is problem no. 2, and again it is not a production unit!

Well-logging people also build tools to their own want-and-whim and do not worry about data volume, power draw, and so on - they designed for a logging cable from surface! No high voltages, no noise!

So at least two parties have to sit down for a joint review. And there are also the oil companies' technical requirements. I posted Transfer somewhere here - the one Rosneft put into service - and in it the hardware parameters do not let the downhole unit act as a donor for some logging tool. And on the software side of the protocol, even though there are registers marked "spare", nobody says how you can use them - and maybe you cannot at all.

Hookup complexity also goes up, because you have to hang something extra on the ESP string.

Bottom line: a hard, expensive project with an unclear payoff.
Original reply
Всем доброго времени года. Сам озадачивался похожими идеями, т.е. ТМС + дополнительные датчики - "допы", но похоронил. А причин несколько. И не из-за того, что производители ТМС - лентяи. Откатим назад. Каждый пытался разработать систему для измерения двух-трех параметров. Помимо программной части протокола - кодировка, разрядность порядок передачи, контрольная сумма и т.п., существует и аппаратная часть - токи, напряжения, полоса частот. Наземка является одновременно и приемником параметров, и блоком питания для погружного блока с вполне известной потребляемой мощностью. Соответственно, появляется проблема №1: практически ни одна серийная система не имеет достаточно запаса по мощности, что бы запитать дополнительного потребителя (неизвестно какого), подцепленного к погружнине. Далее могут быть варианты физического (аппаратного) протокола связи собственно погружника с "допами": - один провод (питание +данные), питание отдельно, данные отдельно (например 2х проводный RS485) и т.п. Это проблема №2 и опять не серийный блок!
Геофизики делают приборы тоже по своему "уразумению-хотению" и не запариваются, по поводу объёма данных, потребляемой мощности и т.д., ведь они рассчитывали на работу по геофизическому кабелю с самой поверхности! Ни тебе высоких напряжений, ни помех!
Таким образом, должна собраться "медкомиссия" как минимум двух сторон. А ведь есть ещё и техтребования компаний. Я тут где-то выкладывал "Трансфер", это который Роснефть приняла в эксплуатацию, так вот в нем аппаратные параметры системы не позволяют погружному блоку быть донором для какого-то геофизического прибора. Да и в программной части протокола хоть и есть регистры с пометкой "резерв", но как их можно попользовать, нигде не указано, а, может и нельзя в принципе.
Ещё возрастает сложность монтажа, ведь к установке нужно подвесить нечто.
Итого имеем сложный и дорогой проект с непонятной перспективой.
chernyi-abdulla
User avatar
Posts: 35
Joined: Tue Oct 23, 2018 1:51 pm

Re: Data interface between downhole sensor and SIU

Post by chernyi-abdulla »

Not all doom. TMS-plus-add-on packages do get built, but likely in very small series. APK Sprut is IRZ with well logging. And from photos on the net, the SIU is not a production TMS-E5, but some kind of monster! Which confirms it is not that simple.

There is little point picking apart the downhole-to-surface protocol. The oil companies are slowly bending makers toward their unified protocols, which are not hard to get hold of. Right now that same Transfer was built on either IRZ or Borets. That means Manchester encoding variants, a checksum ("CRC" to programmers), and maybe sync means.

Elekton transfer is somewhat like the late Phoenix from Schlumberger. I had a Phoenix manual lying around somewhere; if anyone cares I can try to find it.

One more point. As one plant rep explained to me, the problem is not "error-correcting coding" - Manchester itself is quite decent. The problem is a good receive path in the SIU and the downhole unit staying alive under PWM noise from VFDs and, in general, under high voltages.
Original reply
Но не всё так печально. Комплексы ТМС+допы делают, но, скорее всего, оччень мелкосерийно. АПК Спрут - это ИРЗ с геофизикой. Причем, судя по фоткам в сети, наземка - не серийный ТМС-Э5, а какой-то монстр! Что подтверждает, что не всё так просто.
Расковыривать протокол погружной-наземка смысла нет, компании нагибают потихоньку производителей к своим унифицированным протоколам, которые не проблема надыбать. На данный момент тот же трансфер создан на базе то ли ИРЗ, то ли Борца. А это - варианты кодировки Манчестер, контрольная сумма ("crc" у программеров), ну и пожалуй, средства синхронизации.
У Электона передачачем-то похожа на покойный Феникс от шлюмберов, где-то у меня валялся фениксовый мануал, если кому интересно, попробую поискать.
Ещё один момент. Как мне разъяснял один представитель завода, проблема не в "помехоустойчивом кодировании", тот же манчестер весьма не плох. Проблема в хорошем приеме в наземке и "жизнестойкости" погружного при работе в условиях помех от ШИМа частотников и в принципе в условиях высоких напряжений.
TMSnick70
User avatar
Posts: 73
Joined: Wed Jan 02, 2019 11:41 am

Re: Data interface between downhole sensor and SIU

Post by TMSnick70 »

Good evening. Sanitar, thanks for the comments. I repair electronics of downhole units (TMS). At work we have piled up a bunch of dead Borets (SPT-2). No modules. So I got the idea to design my own board to replace the OEM one. In principle I have everything for that except a description of the exchange protocol between the downhole sensor and the SIU (surface interface unit, TMS). Looks like that protocol (like other makers' protocols) is closed. So (as Alexander wrote) I will probably have to grab a logic analyzer and go...

With Transfer everything is clear - the protocol is at hand. Parameters go in the clear. CRC16 init at Etalon is 7 (it runs Transfer) - not per the protocol, i.e. not 0xFFFF. If anyone cares, it can be computed.

On Borets so far I see Manchester II (or differential Manchester, not decided yet...). The info is redundantly coded. CRC is not used because parameters are sent in turn. I hope only a block code is used.
Original reply
Добрый вечер. Санитар, спасибо за коменты. Я занимаюсь ремонтом электроники погружных блоков. На работе скопилось куча не рабочих борцов (СПТ-2). Нет модулей. Вот и пришла в голову мысль разработать свою плату взамен штатной. В общем-то, для этого есть всё, кроме описания самого протокола обмена между погружным и наземным блоками. Похоже, что описание этого протокола (как и протоколов других производителей) закрыто. Видимо-таки (как писал Александр) придётся брать логический анализатор и в путь…
С трансфером всё ясно - протокол под рукой. Параметры идут открытым текстом. Инициализация CRC16 у Эталона – 7 (работает по трансферу) не по протоколу, т.е. не 0xFFFF. Если кому-то интересно можно вычислить.
С борцом пока вижу манчестер2 (либо диф. манчестер, пока не решил…). Информация избыточно кодирована. CRC не используется т.к. параметры выдаются поочерёдно. Надеюсь, что используется только блочный код.
udar17
User avatar
Posts: 27
Joined: Thu Jan 31, 2019 1:50 am

Re: Data interface between downhole sensor and SIU

Post by udar17 »

Got nothing better to do? Right now every downhole monitoring system (TMS) any maker ships runs Transfer. There are exceptions like Surgutneftegaz with their own issues. There is no more point developing downhole monitoring system (TMS) systems because of unification. You will not be able to modernize anything in downhole monitoring system (TMS); Transfer does not allow it without touching the firmware of the downhole monitoring system (TMS) units. Once Transfer was adopted, further downhole monitoring system (TMS) development became impossible.

downhole monitoring system (TMS) has long been a consumable. It ran its allotted time and you throw it away.
Original reply
Вам заняться нечем? Сейчас все поставляемые тмс у любого производителя работают под трансфером. Есть отступления типа Сургутнефтегаза со своими проблемами. Более развивать системы ТМС уже нет смысла из-за унификации. Что-то модернизировать в ТМС Вы не сможете, транфер без вмешательства в программы блоков тмс не позволяет этого. С принятием транфера развитие тмс более невозможно.
ТМС давно расходник. Отработал положенное время и выкинули.
ALEngineer
Site Admin
User avatar
Posts: 530
Joined: Wed Mar 18, 2026 2:51 pm

Re: Data interface between downhole sensor and SIU

Post by ALEngineer »

The man wants to build it with his own hands, not run headlong to the OEM channel and pay them crazy money for a downhole monitoring system (TMS) unit that is, in essence, no more complex than a file (same as BSI readout units or "flashers" - completely useless, meant to squeeze more money).

P.S. If I had run to the OEMs for spare parts, this site would not exist, because the server was built from "consumables" that were written off and thrown out, and someone gathered them, repaired them, and put them to work... now we have the honor of talking on those same "consumables".
Original reply
Человек хочет сделать своими руками, а не бежать сломя голову к официалам и нести им неадекватные деньги, за блок ТМС, который по сути не сложнее напильника (так же как и блоки БСИ или "прошивальщики", абсолютно бесполезные, призванные выжать больше денег).

P.S. если бы я бегал по официалам за запасными частями, то не было бы и этого сайта, потому что сервер собран из "расходников", которые списали и выкинули, а кто то собрал отремонтировал и запустил в работу... теперь имеем честь на этих "расходниках" общаться.
TMSnick70
User avatar
Posts: 73
Joined: Wed Jan 02, 2019 11:41 am

Re: Data interface between downhole sensor and SIU

Post by TMSnick70 »

Good day all.

To ESP`shchik. Thanks for the kind word.

To the developer. I take it you are from Elekton.

1. I have plenty to do.

2. You write that all makers have moved to Transfer. Really all of them? No. That is not so. Take Borets and IRZ for a start.

3. I know nothing about Surgutneftegaz, I will not invent...

4. Then you write that there is no point developing downhole monitoring system (TMS) because of unification, and so on. I disagree with that and with every claim that follows. On the consumable point, separately. Would you like it that way? Yes! And again, no, that is not so. None of the operators is rushing to write downhole monitoring system (TMS) off as a consumable.

5. On "no point developing" - once more... I have watched the evolution of your downhole sensors (TMS) (2 and 3) for several years. I can say that your downhole sensor (TMS) (2, 3) are junk products. Do not take that as an insult to your work. Treat it as criticism. And since criticism should not be empty, I can write about the flaws in your designs. Want to read it?
Original reply
Всем доброго дня.
Для ЭЦНщика. Спасибо на добром слове.
Для разработчика. Я понимаю так, что вы с Электона.
1. Заняться есть чем.
2. Вы пишите, что все производители перешли на трансфер. Неужели все? Таки нет. Это не так. Взять хотя бы борец и ирз.
3. Про Сургутнефтегаз ничего не знаю, врать не буду…
4. Далее вы пишите, что развивать тмс нет смысла из-за унификации и т.д. Не согласен ни с этим, ни с одним последующим утверждением. На счёт расходника, отдельно. Вам бы так хотелось? Да! И опять таки нет, это не так. Никто из эксплуатационников не бежит записывать тмс в расходники.
5. Касаемо развивать нет смысла - ещё раз... Наблюдаю развитие эволюции ваших погружных тмс (2 и 3) на протяжении нескольких лет. Могу сказать, что ваши тмсп(2,3) - говноизделия. Не сочтите сие утверждение за оскорбление ваших трудов. Отнеситесь как критике. А поскольку критика не должна быть голословной, то могу написать о недочётах в ваших разработках. Желаете почитать?
udar17
User avatar
Posts: 27
Joined: Thu Jan 31, 2019 1:50 am

Re: Data interface between downhole sensor and SIU

Post by udar17 »

2. Absolutely all of them. Under Rosneft TRs, for example, others cannot even be supplied. Nobody needs to make TMS both with Transfer and without. TMS units are made by the thousands per month. Without Transfer in the TRs, for now only Gazprom Neft. And it is probably no secret that Transfer is a miracle born of the IRZ TMS developers, with all the problems that follow :)

4. Unification :) An ESP string went in the hole with TMS from maker X, and they trucked in a VSD fitted with an SIU (surface interface unit, TMS) from maker Y. And a problem appeared :) The task became unification. Nobody knew which string would be run or which VSD would show up. Order was kept by writing a document that describes how to send data from the downhole unit (TMS) to the SIU. And by requiring compliance. So if you now try to field a data method other than Morse code, the maker immediately fails the Technical Requirements. That is all. Further development was stopped by signatures under the TRs. Now the TMS developers are the people who wrote the TRs. And I think that document solved more problems for the maker than for operations :)

Consumable

TMS makers sit inside a tender and therefore inside cost. Military-grade and above parts cost very different money. A TMS built 100% from parts that can run at 175-200 C would cost two orders of magnitude more than a regular TMS. And to buy those parts you need a "thumbs-up" from the USA. Right now no company is ready to buy expensive TMS. So the most reasonable decision is TMS as a consumable. That is not the maker deciding - market economics forced it.

Repair

Some parts that ran in the well at about 100-120 C for a couple of years have to be replaced. You cannot professionally re-solder anything on a downhole-unit (TMS) board even in a good shop. If you use some flux, you cannot even guess how it will behave above 100 C. As for washing flux after re-solder, there is no point even talking about it - you will not be able to. So TMS repair is: shake out all the boards and put in new ones.

The housing - you surely know about metal fatigue. No need to talk about corrosion either.

Pressure sensor: in our TMS it is titanium. But it still "fatigues". And people still manage to bend it, either with pressure or by freeze-up.

And what are the TMS requirements now?

Pressure measurement with 0.01 atm resolution. Is someone going to watch atmospheric pressure? I have not seen a single well with an annulus pressure gauge. Open annulus we will not even mention. And if we are not producing water and the valve dumps gas to the line, then 4 atm pressure jumps are easy to see at intake :) You can shut the well in and, without running logging tools, take a pressure build-up. If you did that even once a year, the TMS already paid for itself 20 times.

True, for the data to become trustworthy you also need to know tubing length and stretch. And again, fancy measuring gear like laser tapes, and order :) Otherwise it makes no sense.

Temperature resolution 0.01 C. We measure body temperature at 0.1 resolution.

5 kV applied to the TMS. They spent 15 years trying to teach megger culture and never did. People discharge the cable by pulling a spark, competing whose arc is longer. Nobody even thinks about the result: they killed insulation on the cable, the motor, and the TMS isolator.

So we arrived at a cheap TMS as a consumable, from which nothing is required except to run its allotted time.

5. Of course the product is not without bugs. And unfortunately I did not design it. But statistics show it is somewhat better than other makers' products. There is no point describing its bugs anymore. Completely different TMS units are in production now.
Original reply
2. Абсолютно все. По ТТ к примеру Роснефти другие и поставляться не могут. Иметь в производстве тмс с трансфером и без никому не надо. ТМСы производятся тысячами в месяц. Без трасфера в ТТ пока только Газпромнефть. Ну и наверно не секрет, что трансфер это чудо рождённое разработчиками ТМС ИРЗ со всеми вытекающими проблемами :)

4. Унификация :) В скважину опустили установку в комплекте с тмс производителя X и подвезли СУ оборудованную наземным блоком производителя Y. Однако проблема создалась :) Появилась задача унификация. Никто ж не знал какую установку спускать будут и какую СУ подвезут. Вопрос поддержания порядка решился написанием документа в котором описано как передавать данные от подземного блока тмс к наземному. Соотвественно к его выполнению. То есть если сейчас попытаться внедрить способ передачи данных отличный от азбуки морзе тут же производитель попадает под не соответствие Техническим Требованиям. Вот и всё. Дальнейшее развитие остановлено подписями под ТТ. Теперь разработчиками ТМС являются люди которые писали ТТ. И я думаю данный документ решил больше проблем производителя чем эксплуатации :)
Расходник
Производители ТМС находятся в рамках тендера и соотвественно себестоимости. Комплектующие класса милитари и выше стоят несколько других денег. ТМС собранная на 100% из комплектующих способных функционировать при температуре 175-200°С будет стоить на два порядка дороже обычной ТМС. А что бы приобрести такие комплектующие необходимо получить "одобрям" от США. На текущий момент ни одна компания не готова покупать дорогие ТМС. По-этому самое разумное решение - ТМС расходник. Это не производитель так решил, а рыночная экономика так заставила.
Ремонт
Некоторые комплектующие которые проработали в скважине при температуре около 100-120°С пару тройку лет необходимо заменить. Квалифицированно что-то перепаять на плате погружённого блока ТМС невозможно даже в условиях хорошего производства. При использовании какого то флюса Вы даже предположить не сможете его дальнейшее поведение при температурах более 100°С. О смывке флюса после перепайки даже говорить нет смысла, Вы это сделать не сможете. По этому ремонт ТМС это вытряхнули все платы и поставили новые.
Труба - про усталость металлов Вы наверняка знаете. Про коррозию тоже говорить не стоит.
Датчик давления: У нас в ТМС он из титана. Но и он "устаёт". И его ещё умудряются погнуть либо давлением либо заморозкой.
А какие же требования сейчас к ТМС?
Измерение давления с разрешением 0,01 ат.. За атмосферным давлением кто-то наблюдать собирается? Я не видел ни одной скважины оборудованной датчиком давления в затрубном пространстве. Про открытую затрубь молчим. А если добываем не воду и клапан стравливает газ в линию, то скачки давления в 4 ат. легко наблюдаем на приёме :) Ну можно остановить скважину и без спуска геофизических приборов снять кривую восстановления давления. Если хотя бы раз в год эту процедуру сделали, то ТМС уже окупила затраты 20 раз.
Правда чтобы данные стали достоверными надо ещё знать длину НКТ и её растяжение. Ну и опять же сложные измерительные приборы в виде лазерных рулеток и порядок :) По другому это не имеет смысла.
Температура разрешение 0,01 °С. Мы температуру тела измеряем с разрешением 0,1°.
5 кВ напряжение приложенное к ТМС. Культуру пользования мегомметром прививали лет 15 и не привили. Кабель разряжают вытягиванием искорки соревнуясь у кого дуга длинее. При этом о последствиях, что убили изоляцию кабелю, двигателю и изолятор тмс никто даже не задумывается.
Вот и пришли к дешёвой ТМС в виде расходника, от которого кроме как отработать положенное время и не требуется.
5. Конечно не без косяков изделие. И к сожалению я его не разрабатывал. Но как показывает статистика оно несколько лучше чем изделия других производителей. Описывать его косяки уже нет смысла. Сейчас производятся совсем другие ТМС.