類“DTMF”井下遠距離有纜數據傳輸方法研究*

吳秋來 ，高 碩，劉 勇，朱 紅

(1.中石油渤海鉆探油氣井測試分公司,河北，廊坊，065007； 2.中石油河北油田第四采油廠,河北，廊坊，065007)

類“DTMF”井下遠距離有纜數據傳輸方法研究*

吳秋來1，高 碩1，劉 勇2，朱 紅1

(1.中石油渤海鉆探油氣井測試分公司,河北，廊坊，065007； 2.中石油河北油田第四采油廠,河北，廊坊，065007)

通過對國內外井下單芯鎧裝測試儀器的通訊方式進行調研，結合現代電纜傳輸理論，研制了一種適用于油田井下遠距離有纜數據通訊的編碼方式—類“DTMF”方法。應用該數據傳輸方法可極大提高通訊的抗干擾能力，解決了現有有纜傳輸系統中的電纜適應性問題，不需進行電纜匹配就能適應任何單芯鎧裝電纜，并進行高速、高可靠性的井下遠距離有纜數據傳輸，為井下數據通訊提出了新的思路。

試井；單芯鎧裝電纜；數據通訊；編碼方式； DTMF編碼

1 研制背景

在油田傳統的井下儀器與地面儀器的通訊中，普遍采用有纜通訊方式。基于電磁波傳輸方法的井下-地面純無線通訊至今還處于試驗之中，其技術尚不成熟(據文獻記載，目前還沒有真正實用,滿足低功耗、耐高溫、高可靠性，能夠實現從井下幾千米通過無線方式直接將井下數據傳送到地面的裝置)，不能滿足油田的大多數油井的服務需求。有纜數據傳輸可分為多芯電纜通訊和單芯電纜通訊兩種，應用OFEM技術的多芯電纜通訊技術較成熟，可以實現高適應性的高速通訊[1]。但為了節約成本，目前單芯鎧裝電纜方式應用越來越普遍[2]。但在有纜通訊中，電纜的適應能力問題比較突出。由于井下溫度及壓力變化較大，電纜工作溫度和壓力的不均衡，將對電纜的通訊能力產生較大影響，目前多采用自適應盲均衡電路以消除影響，但受現有通訊方法限制，仍不能完全保證通訊數據不受影響。且新儀器需要跟電纜進行匹配調試后才能應用，由于電纜生產廠家及型號的差別，在實際生產中經常遇到更換電纜后儀器不通訊或通訊困難的問題[3,4]。

為了克服油田井下儀器與地面通訊儀器有纜通訊的技術瓶頸，對目前有纜通訊的方式進行了調研。在民用領域，有纜通訊應用普遍，多采用調制解調器(MODEM)來完成通訊，采用的各類通用的多芯片成品集成電路，能夠獲得較高的通訊速率和可靠性[5]。但是由于油田應用的特殊環境，需要體積小、功耗低、耐高溫(150℃以上)和抗振能力很強的高可靠產品，但市場上沒有耐高溫性超過150℃的成品通訊集成電路[6]，而采用散件(晶體管、電阻、電容等)或小規模集成電路組成的多芯片MODEM電路過于復雜，元件較多，不能滿足耐高溫、小體積及高可靠性的要求，必須研制專門的單片調制解調器(MODEM)芯片。

1 類“DTMF”高速高可靠信號格式的建立

1.1 現有信號格式分析

為了解決目前油氣田有纜通訊中存在的問題，首先對目前國內外直讀電子壓力計和我公司現有測井儀器如硼-中子測井儀、氧活化測井儀和相關流量測井儀等設備進行了研究。通過篩選，重點對國外進口的直讀式電子壓力計進行了研究。國外進口電子壓力計的井下和地面通訊采用的幾乎全部采用單芯鎧裝電纜，某早期的直讀壓力計具有較強的適應能力，實踐證明其不需進行匹配調試即可適應大多數廠家生產的電纜，且其功耗較低7-10mA，耐溫最大可到175℃，精度可達0.025%。應用該電子壓力計通訊的信號格式，可以較為完美的解決現有電纜通訊中的電纜適應性問題對通訊數據可靠性的影響。但其通訊速度較慢，最快0.8秒傳送一個數據點(一個溫度數據、一個壓力數據和當前采點時間)[7]，不能適應油氣井測試通訊需求，需要改進后才能應用。該直讀壓力計的信號格式如圖1所示。

頻率段1為同步信號，其頻率為250 HZ，只有一個周期。它的頻率要比數據信號的頻率低得多，作為每個采樣點起始判斷信號。當地面處理器檢測到該信號后，就認為是數據信號的起點來到。

頻率段2為壓力數據參考信號，其頻率為1 000赫茲±10%，共256個周期。

頻率段3為壓力數據信號，這一段信號頻率的大小與壓力值成一定的對應關系，頻率的變化范圍為1 000赫茲(當壓力為零時)到20000赫茲(滿量程時)。該段頻率共512個周期。

頻率段4為溫度數據頻率，其頻率的大小與溫度值有一定的對應關系，頻率變化從1250赫茲(當溫度為零時)，到500赫茲(滿量程時)，有64個信號周期。

頻率段5作為擴展功能使用，對于有些進口直讀壓力計來說該段信號作為另外溫度傳感器的輸出信號，而有些壓力計是頻率4的重復。

圖1 進口直讀電子壓力計的信號格式

為了提高電纜傳輸速度，用MCU模擬了上述的信號格式，將壓力和溫度信號頻率提高到12 KHZ，并用各種不同廠家和型號的電纜進行了多次試驗，結果表明其也建有良好的電纜適應能力，完全能夠滿足數據傳輸需要。應用該電子壓力計通訊的信號格式，可以較為完美的解決現有電纜通訊中的電纜適應性問題對通訊數據可靠性的影響。

通過以上研究得出結論：

(1)采用頻率方式進行通訊是可靠的，而且其電纜適應能力很強；

(2)采用較高的信號頻率只要信號形式不變其傳輸的可靠性也是能夠滿足要求的。

但試驗證明，采用上述信號格式時，單純采用提高信號頻率的方法，其傳輸速遞的提高有限。

2.2 DTMF信號格式研究

為了能夠在保持高可靠電纜適應能力的同時，進一步提高傳輸速度，對電話中常用的雙音多頻DTMF(Dual Tone Multi Frequency)信令方式進行了研究。

DTMF信號由8 個頻率的正弦波兩兩組合而成。這8 個頻率又分為低頻群和高頻群兩組[8-9]。低頻群的4 個頻率依次為697Hz、770Hz、852Hz、941Hz；高頻群的4 個頻率依次為1 209Hz、1 33 6Hz、1 477Hz、1 336Hz。如圖2所示。

圖2 電話用DTMF頻率與鍵盤對應圖

按照國家電信標準，其信號持續時間和間隔時間都不小于40 ms，而頻率偏差不大于± 1.5%[10]。其通訊波形圖如圖3所示。

圖3 DTMF通訊波形圖

因此，按照上面的規定DTMF信號傳送的最快速度每秒不超過12.5個十進制數據，也就是說，若傳輸目前我們設定的最高壓力10 000 psi、最大溫度150℃數據，以及起始位，驗證位13個十進制位[9]，顯然也無法滿足高速數據傳輸需求。但DTMF信號格式具有較高的編碼效率，只需8個頻率信號就能代表16個不同的數字或符號信息。

1.3 類DTMF格式的建立

通過對上述兩種信號的研究，將進口直讀電子壓力計的格式與DTMF格式進行了結合，建立了一種新型“類DTMF”信號格式。該信號采用使用8個不超過2 KHz的頻率進行不同的組合形成16個十進制數字和代碼，采用方波形式及不同的頻率連續順序格式，使電路更簡單的同時解決了通訊速度與高可靠的電纜適應能力問題。具體方式是：用不同的頻率代表0-9十個數字，符號“*”代表小數點，用A代表奇數驗證碼，B代表偶數驗證碼，C代表控制指令，“#”代表數值的超出測量范圍的負值符號，用頻率875赫茲的單周期信號作為信號的同步起始碼，后面的數字用相同的5個周期不同頻率信號每兩個頻率組合代表不同的數字輸出，其信號格式如圖4、圖5所示。

圖4 新調制解調器頻率與數字或符號對應圖

圖5 “類DTMF”信號格式

2 類DTMF格式通訊速率驗證

以電子壓力計試井為例，壓力計的滿量程壓力值為0-10 000 psi，最大測溫范圍為0-150℃，其精度規定為小數點后2位，則最大傳送的壓力和溫度數值為：9 999.99 psi和149.99℃。即6位壓力數值5位溫度數值和兩個小數點位，共13位數據，考慮到錯誤輸出時可能產生的符號位(正常情況輸出的數據都是正值，但錯誤時可能為負值)和驗證碼位則每個數據點需要產生的頻率段計算如下(規定若溫度壓力超出范圍，則整數位保留，小數位保留一位計算)：

13×2+2×2+1=31個

(1)

若定義每個數據點需要的頻段數為字長，那么本項目中的數據字長為31。本信號格式中除最低的固定起始碼外，頻率最低段(10 000 HZ)所用時間是最長的，其周期計算如下：

t=1/f=1/10000=0.1ms

(2)

這里采用5周期作為每個頻率輸出的周期數，則輸出5個周期信號最長所用時間為：

5×0.1+5×1000/11500=0.935ms

(3)

傳輸小數點需要的時間為：

5×1000/10375+5×1000/11500=0.917ms

(4)

傳輸驗證碼所用時間：

奇校驗：

5×1000/11875+5×1000/10000=0.921ms

(5)

偶校驗：

5×1000/11875+5×1000/10125=0.915ms

(6)

傳輸負符號位所用時間：

5×1000/10375+5×1000/11750=0.908ms

(7)

則傳輸一個全為數字“1”壓力和溫度點所用時間最長時間為：起始碼+全1壓力碼+小數點碼+全1溫度碼+小數點碼+奇校驗+偶校驗+超出范圍的符號碼為：

1.143+6×0.935+0.917+5×0.935+0.917+0.921+

0.915+0.908=16.006ms

(8)

則本電路最慢輸出速度為：

1000/16.006=62.5個數據點

(9)

將本電路所傳送的信息用二進制表示，取二進制小數點后精度7位，每個字長的二進制位為：

21+15+3=39個二進制位

(10)

1 s傳送的數據量為：

62.5×39=2437.5bit/s≈2400bps/s

(11)

經理論分析及現場試井試驗驗證，在試井領域的應用中，類DTMF格式通訊能夠在保證試井數據高精度的同時，能夠滿足絕大多數試井數據傳輸需求。

3 結 語

通過對進口高可靠直讀壓力計信號格式的分析，并與現有常用通訊方式DTMF的有機結合，本文提出了一種新的適用于油田井下單芯鎧裝電纜通訊的高速、高可靠數據傳輸模式—“類DTMF”方式，基于該方式研制的耐高溫井下數據通訊電路具有很好的魯棒性，不需要通過調試就能適應任何廠家不同型號的單芯鎧裝電纜，通過室內試驗和現場應用試驗證明該方式輸出傳輸速度快、可靠性高，完全達到了試井數據要求，是一種較為理想新的井下數據通訊方式，可以用于不同種類的油田井下有纜數據傳輸，為井下數據通訊研究提供了新的思路。

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The Research of A Long-Distance Data Transmission Method Similar to “DTMF”

WU Qiu-lai，GAO Shuo1，LIU Yong2，ZHU Hong1

(1.Well Test Sub-Company，BHDC，Langfang Hebei 065007,China; 2.The Fourth Oil Extraction Plant of Huabei Oilfield Company Limited，Langfang Hebei 065007,China)

Based on the research of the well-testing instruments at home and abroad using the single-lead cable and the study of the cable transmission theory-"similar to DTMF", a new coding scheme of downhole cable transmission for well-testing instrument is developed creatively. The instrument using this coding scheme can be easily adapted to all kinds of single-lead cable without match debugging, and realize the transmission with incredible high speed and reliability.This method provides a way for the transmission of downhole instruments.

well-testing; single-lead cable; data communication; coding Scheme; DTMF

2015-03-01；

2015-07-09 Received date:2015-03-01；Revised date：2015-07-09

國家科技重大專項(No.2011ZX05021-005)

Foundation Item:Important National Science & Technology Specific Projects(No.2011ZX05021-005)

TN914.3

A

1002-0802(2015)09-1023-04

吳秋來(1961—)，男，本科，助理工程師，主要研究方向為通訊系統及電路設計；

高 碩(1987—)，女，碩士，工程師，主要研究方向為測試工藝設計；

劉 勇(1977—)，男，本科，工程師，主要研究方向為油氣田開發；

朱 紅(1984—)，女，本科，助理工程師，主要研究方向為測控技術與儀器。

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.09.009