一種單芯電纜測井的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

王文梁 陶愛華 程林波

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院，北京 101149）

0 引言

在現(xiàn)代石油探勘和開發(fā)的過程中，測井是其中一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)。測井時(shí)，需要使用電纜將測井儀器下放到井中，測井儀器在井下工作時(shí)，通過電纜與地面設(shè)備通信，同時(shí)電纜也起到供電的作用。測井電纜一般有單芯和多芯兩種。在生產(chǎn)測井中，由于油井內(nèi)管柱最小內(nèi)徑達(dá)到40 mm左右，同時(shí)考慮到井口需要安裝防噴裝置密封，單芯電纜有利于井口密封，因此，生產(chǎn)測井一般采用單芯電纜進(jìn)行作業(yè)服務(wù)。單芯電纜既要傳輸數(shù)據(jù)，又要為井下儀器供電，因此通信數(shù)據(jù)容易受到干擾，數(shù)據(jù)傳輸速度偏低。基于單芯電纜的測井通信系統(tǒng)，國際上很多采用曼徹斯特碼進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，傳輸速率通常在20 Kbps至40 Kbps，采用AMI碼進(jìn)行井下信息傳輸，其上行通道的速度一般為100 Kbps左右，且僅適用于小功率測井儀器。隨著油田生產(chǎn)的需要和測井技術(shù)的發(fā)展，成像測井、井下電視等儀器的出現(xiàn)，需傳輸?shù)男畔⒘烤薮螅鴮?shí)時(shí)的測井監(jiān)控需求，要求井下采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛娌杉到y(tǒng)，現(xiàn)在大多數(shù)生產(chǎn)測井系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不了大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)傳輸。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)調(diào)制技術(shù)的頻帶利用效率越來越高，如QAM技術(shù)、OFDM技術(shù)等。這些先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)結(jié)合先進(jìn)的FEC編譯碼技術(shù)，可以在原有電纜通信信道條件下大幅度提高傳輸速率。本文介紹一種上行信道采用OFDM技術(shù)的調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)單芯電纜上的高速數(shù)據(jù)傳輸。

1 基于OFDM技術(shù)的單芯電纜通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理實(shí)現(xiàn)

測井儀器在井下工作時(shí)，需要和地面采集系統(tǒng)進(jìn)行雙向通信，由于是采用單芯電纜進(jìn)行通信，上行信號(hào)和下行信號(hào)都使用同一根電纜，為了簡化井下的復(fù)雜度，對上下行通道采用不用的頻段實(shí)現(xiàn)雙向通信，一般下行通信傳輸儀器命令，傳輸?shù)淖止?jié)較少，采用較低的頻段，本系統(tǒng)中，下行通信采用DBPSK方式進(jìn)行通信，頻段為0～2 kHz的區(qū)間。上行通信一般傳輸井下采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量加大，使用較高的頻段，本系統(tǒng)使用10～70 kHz的區(qū)間。而2～10 kHz區(qū)域禁止使用，這個(gè)區(qū)間用于上、下行信號(hào)的頻段隔離。

本傳輸系統(tǒng)中，對于上行通信，井下的傳輸儀器為OFDM的調(diào)制端，地面采集系統(tǒng)為數(shù)據(jù)解碼端。對于下行通信，井下傳輸儀器為解碼端，地面采集系統(tǒng)為調(diào)制端。上行信號(hào)和下信號(hào)均需要通過模擬處理端口進(jìn)行濾波、驅(qū)動(dòng)放大，通信系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)總體框圖

本系統(tǒng)中，單芯電纜數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)由三級總線連接，數(shù)據(jù)逐級封裝和轉(zhuǎn)發(fā)。其中地面遙傳儀器和井下遙傳儀器完成數(shù)據(jù)隧道協(xié)議，最終實(shí)現(xiàn)地面主機(jī)與井下測井儀器之間透明的傳輸上行采集數(shù)據(jù)和下行測井控制命令。多級總線的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。測井電纜上數(shù)據(jù)傳輸采用OFDM編碼方法，OFDM編碼方法可以提高電纜信道的傳輸速率和提高抗干擾、抗衰減等問題。地面網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)及TCP/IP技術(shù)可以使得測井儀器之間互聯(lián)互通更加便利，最大限度地共享測井?dāng)?shù)據(jù)，推動(dòng)測井儀器朝開放式標(biāo)準(zhǔn)接口方向發(fā)展，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)化測井傳輸系統(tǒng)的研究、開發(fā)和應(yīng)用。井下儀器采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 通信系統(tǒng)多級總線

地面OFDM解碼器以TMS320C6415 DSP為核心，DSP完成OFDM信號(hào)的解調(diào)、DBPSK編碼、下行信號(hào)耦合電路的群時(shí)延均衡等功能。低通濾波器實(shí)現(xiàn)DBPSK信號(hào)的發(fā)送濾波，該濾波器具有通帶內(nèi)的最佳等群時(shí)延特性。線路驅(qū)動(dòng)器對DBPSK信號(hào)進(jìn)行功率放大。線路接收器接收上行OFDM信號(hào)，接收濾波器實(shí)現(xiàn)上行信號(hào)的接收濾波以及自動(dòng)增益控制。混合網(wǎng)絡(luò)將下行DBPSK信號(hào)并入單芯電纜進(jìn)行傳輸，同時(shí)分離出上行OFDM信號(hào)。

地面模擬處理接口電路通過隔直流電容將電芯電纜上的信號(hào)與電源隔離。上行信號(hào)與下行信號(hào)的頻帶不同，有1 kHz和2 kHz兩個(gè)頻率，而上行信號(hào)使用10 KHz以上的頻率，通過截止頻率不同的濾波器可分離上行信號(hào)與下行信號(hào)。下行信號(hào)使用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC7571輸出，并通過緩沖器增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。上行信號(hào)經(jīng)過濾波后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片THS1408M采集后，傳送給DSP進(jìn)行解碼。

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接口由單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片W5100實(shí)現(xiàn)，它內(nèi)部集成有10/100M以太網(wǎng)控制器，主要應(yīng)用于高集成、高穩(wěn)定、高性能和低成本的嵌入式系統(tǒng)中。使用W5100可以實(shí)現(xiàn)沒有操作系統(tǒng)的Internet連接。W5100與IEEE802.3 10BASE-T和802.3u 100BASETX兼容。W5100提供3種接口：直接并行總線、間接并行總線和SPI總線。W5100與MCU接口非常簡單，就像訪問外部存儲(chǔ)器一樣。在本設(shè)計(jì)中，W5100與DSP的連接采用直接并行總線的方式，W5100掛接在DSP的EMIF B總線的CE0片選的地址空間上。

對于井下通信儀器，OFDM數(shù)據(jù)調(diào)制在井下采集數(shù)據(jù)中加入冗余糾錯(cuò)碼，降低了信號(hào)在電纜傳輸過程中的出錯(cuò)率。建立OFDM通信時(shí)，首先對信道進(jìn)行訓(xùn)練，根據(jù)電纜狀態(tài)確定比特分配表和調(diào)制、解調(diào)參數(shù)，確定電纜通信的速率。井下OFDM通信電路使用TI公司的32位處理器芯片TMS320F28335，該芯片具備32浮點(diǎn)處理功能，最高工作頻率為150 MHz，在運(yùn)行快速傅里葉變化和數(shù)字濾波器等算法時(shí)，速度比指標(biāo)相當(dāng)?shù)亩c(diǎn)DSP速度提升50%以上，可以滿足OFDM的數(shù)據(jù)調(diào)制需要。井下通信儀器接收下行DBPSK信號(hào)時(shí)，接收濾波器濾除上行數(shù)據(jù)信號(hào)，同時(shí)對下行信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)增益調(diào)節(jié)，最后傳送給ADC芯片轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解碼。

井下通信電路包括井下儀器總線控制電路和井下通訊主板電路，兩塊電路使用相同的DSP芯片，不同點(diǎn)主要在于井下儀器總線控制電路需要使用到DSP的CAN總線。井下通信模塊與測井儀器的接口通過CAN總線實(shí)現(xiàn)，井下儀器總線控制電路通過CAN總線傳至相應(yīng)的井下測井儀器，完成井下測井儀器的控制。而井下測井儀器采集的數(shù)據(jù)則首先通過CAN總線將數(shù)據(jù)送至井下儀器總線板處理后送至井下通訊主板進(jìn)行OFDM調(diào)制。

井下模擬處理接口工作模塊與地面模擬處理接口類似，通過隔直流電容和不同截止頻率的濾波器實(shí)現(xiàn)供電、上行信號(hào)和下行信號(hào)的分離。上行信號(hào)經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換后變成模擬信號(hào)，送至井下驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大，最后送至單芯電纜。

2 通信系統(tǒng)測試

中海油田服務(wù)股份有限公司利用OPDM技術(shù)自主研制了單芯電纜傳輸系統(tǒng)，速率為200 Kbps，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)井通信測試，測試時(shí)，使用的單芯電纜型號(hào)為T1N32P，長度約7 600 m，測試時(shí)地面接入200 V左右的直流電壓，井下掛接使用多臂井徑儀，地面采集系統(tǒng)以766 Kbps的下行速率發(fā)命令，測井儀器將測量數(shù)據(jù)通過上行信道傳輸至地面系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)井通信測試

根據(jù)測試結(jié)果，上行物理層傳輸速率為238Kbps，在測試過程中，傳輸速度有20 Kbps左右的波動(dòng)，屬于正常現(xiàn)象。下行速度固定為766 Kbps。

3 結(jié)語

基于OFDM技術(shù)的單芯電路通信系統(tǒng)，傳輸速率高，穩(wěn)定的傳輸速度在200 Kbps以上，信道穩(wěn)定，克服了傳統(tǒng)基帶信號(hào)速率低，受干擾嚴(yán)重的問題，可以滿足大數(shù)據(jù)成像測井儀器的需要，為單芯電纜測井儀器的發(fā)展提供了更廣闊的空間。