哈里伯頓新一代伽馬遙測(cè)儀GTET-I原理簡(jiǎn)介

秦建國(guó)孫新強(qiáng)劉自卿劉雪峰周明杰

(1.西部鉆探測(cè)井公司 新疆克拉瑪依) (2.西部鉆探克拉瑪依錄井公司 新疆克拉瑪依)

哈里伯頓新一代伽馬遙測(cè)儀GTET-I原理簡(jiǎn)介

秦建國(guó)1孫新強(qiáng)1劉自卿1劉雪峰1周明杰2

(1.西部鉆探測(cè)井公司 新疆克拉瑪依) (2.西部鉆探克拉瑪依錄井公司 新疆克拉瑪依)

文章介紹了哈里伯頓公司開發(fā)的新一代伽馬遙測(cè)儀(GTET-I)。較詳細(xì)地描述了儀器的遙測(cè)原理以及ADSL的技術(shù)原理,分析介紹了儀器的時(shí)間同步過程,并對(duì)儀器的伽馬探測(cè)器部分進(jìn)行了分析總結(jié)。

遙測(cè)功能;非對(duì)稱數(shù)字用戶線;頻分多路復(fù)用技術(shù);時(shí)間同步;伽馬探測(cè)器

0 引 言

LOGIQ-B(IQ=INSITE Quad-Comb,意為INSITE四組合測(cè)井系列)是哈里伯頓公司最新一代測(cè)井平臺(tái)。LOGIQ-B使用新一代的伽馬遙測(cè)儀—GTET-I。GTET-I的主要功能是在井下儀與地面主機(jī)和調(diào)制解調(diào)器之間建立一個(gè)實(shí)時(shí)的遙測(cè)通訊,它通過使用微處理器控制井下數(shù)據(jù)獲取,采用非對(duì)稱數(shù)字用戶線(ADSL)傳輸技術(shù),應(yīng)用以太網(wǎng)模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)800kbps。儀器功能更強(qiáng)大,工作時(shí)效更高。

1 GTET-I遙測(cè)功能介紹[1、2]

LOGIQ系統(tǒng)遙測(cè)框圖如圖1所示。GTET-I儀器設(shè)計(jì)有一個(gè)模擬接口,它應(yīng)用ADSL技術(shù)通過測(cè)井電纜發(fā)送和接收下行命令及上傳數(shù)據(jù)。井下LOGIQ測(cè)井儀通過各自的總控制和處理器板(INC-TP)采集、處理測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)后,再通過各自的介質(zhì)訪問單元(MAU)將采集的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)送到井下總線上,并傳送到GTET-I的處理器板中。隨后,經(jīng)過GTET-I中的調(diào)制解調(diào)器調(diào)制、濾波、放大、驅(qū)動(dòng),數(shù)據(jù)通過測(cè)井電纜到達(dá)地面,進(jìn)入調(diào)制解調(diào)面板(DIMP)。經(jīng)地面調(diào)制解調(diào)器放大、濾波、解調(diào),通過以太網(wǎng)集線器進(jìn)入測(cè)井主機(jī)。

圖1 LOGIQ系統(tǒng)遙測(cè)框圖

2 供電系統(tǒng)

GTET-I的電源系統(tǒng)包括兩個(gè)獨(dú)立的地面供電電源(交流電源和直流電源),它們通過測(cè)井電纜互相連接。頻率為200 Hz的交流電源為所有井下儀的電子線路供電?？蓴U(kuò)展的直流電源給井下儀馬達(dá)供電,還可以給一些儀器的大電容充電以及提供一個(gè)輔助的電源,如圖2所示。

圖2 LOGIQ井下供電系統(tǒng)

3 ADSL調(diào)制解調(diào)[1、3]

遙測(cè)調(diào)制解調(diào)是基于ADSL技術(shù)的。ADSL技術(shù)在采用電纜傳輸模式時(shí),上傳速度可達(dá)800 kbps,下傳速度為30 kbps。調(diào)制解調(diào)器支持?jǐn)?shù)字信號(hào)處理(DSP)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字電路邏輯以及其他的數(shù)字資源。模擬接口需要通過電纜傳輸來接收數(shù)據(jù)。

3.1 ADSL技術(shù)簡(jiǎn)介

ADSL是一種新的高速寬帶技術(shù),ADSL mdoem常采用頻分多路復(fù)用技術(shù)(Frequency Division Multiplexing)和回波抵消技術(shù)(Echo Cancellation)來劃分可用的信道頻帶。

測(cè)井中,纜芯衰減和上行/下行信號(hào)間的串?dāng)_是影響ADSL性能的重要因素。ADSL利用頻分多路復(fù)用技術(shù)將信道的可用頻帶分成若干個(gè)互不交疊的頻帶(tone),每個(gè)頻帶寬4.312 5 kHz。有用的頻帶寬被限定到最大為276 kHz(64 tones)。根據(jù)測(cè)井作業(yè)中上行數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于下行數(shù)據(jù)量的實(shí)際情況,在所有64個(gè)頻帶中,兩個(gè)頻帶(2、3)被用于下行。55個(gè)頻帶(8～63)被用于上行,進(jìn)行上行、下行不對(duì)稱傳輸。其中頻帶12對(duì)傳輸數(shù)據(jù)無用,它只用于井上/井下modems間的同步,被稱為導(dǎo)頻帶。6個(gè)頻帶對(duì)數(shù)據(jù)傳輸無用:頻帶4～7是保護(hù)頻帶,用于避免上行/下行信號(hào)間的串?dāng)_。頻帶1和64作為邊緣頻帶不使用。這樣,根據(jù)電纜特性設(shè)定傳輸頻帶,上、下行傳輸頻帶分開,最大限度地減小上、下行信號(hào)的串?dāng)_及信號(hào)的衰減,從而實(shí)現(xiàn)測(cè)井信號(hào)的高速傳送。詳細(xì)的頻率及頻帶分配如圖3所示。

圖3 ADSL通訊頻帶

3.2 ADSL modem的調(diào)制技術(shù)[4、5]

LOGIQ系統(tǒng)采用正交振幅調(diào)制(QAM)技術(shù),調(diào)幅、調(diào)相同時(shí)進(jìn)行。測(cè)井時(shí),QAM用于ADSL的一個(gè)重要問題是如何適應(yīng)不同電纜之間性能較大的差異性。要取得較為理想的工作特性,QAM接收器需要一個(gè)和發(fā)送端具有相同的頻譜和相位特性的輸人信號(hào)用于解碼,QAM接收器利用自適應(yīng)均衡器來補(bǔ)償傳輸過程中信號(hào)產(chǎn)生的失真。初始的傳輸符號(hào)有一個(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)度,然而,由于信號(hào)失真,電纜長(zhǎng)度特性,以及通訊道的頻率響應(yīng),接收到的符號(hào)總時(shí)間長(zhǎng)可能變成原始符號(hào)的幾倍長(zhǎng),這就需要進(jìn)行時(shí)間均衡。因?yàn)橄到y(tǒng)用同步幀達(dá)到這個(gè)目的,這個(gè)運(yùn)算法則在每個(gè)幀時(shí)間內(nèi)被更新。

4 模擬/CCL(節(jié)箍)板

模擬板依據(jù)要求為各類信號(hào)提供信號(hào)調(diào)節(jié)和緩沖,調(diào)節(jié)傳感器信號(hào)將其送到總控制和處理器板(INC-TP)。在節(jié)箍測(cè)井時(shí),節(jié)箍信號(hào)在磁鐵的兩極產(chǎn)生并從模擬板引腳的5#、6#進(jìn)入到電子線路中,分別通過一個(gè)低通濾波器,再經(jīng)過一個(gè)差分放大器被放大10倍。信號(hào)在INC-TP板中經(jīng)過5 kHz的采樣率被數(shù)字化,平均每10 ms產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)字,并被送到井上。信號(hào)的調(diào)節(jié)以及INC-TP的16位的分辨率提供了一個(gè)清晰、高靈敏度的CCL的原始數(shù)據(jù)。如果套管非常粗糙,井上額外的處理會(huì)進(jìn)一步改善信噪比。

5 介質(zhì)訪問單元(MAU)

介質(zhì)訪問單元是一個(gè)由同軸收發(fā)器接口(CTI)組成的以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)器/接收器,這個(gè)同軸收發(fā)器接口(CTI)一般用于本地以太網(wǎng)的同軸電纜驅(qū)動(dòng)器/接收器。CTI連接同軸電纜和數(shù)據(jù)終端設(shè)備也就是總控制和處理器板(INC-TP)。CTI通過獨(dú)立的變壓器與INC-TP板子相連接。CTI由發(fā)送器、接收器、沖突檢測(cè)器和一個(gè)定時(shí)器組成。發(fā)送器直接與50Ω的同軸電纜連接。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),定時(shí)器被初始化成當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包比額定的長(zhǎng)度長(zhǎng)時(shí)就禁止CTI的發(fā)送器。沖突檢測(cè)線路在同軸電纜上監(jiān)視信號(hào),從而決定是否有數(shù)據(jù)包發(fā)生沖突,一旦有沖突它就會(huì)通知INC-TP處理器。MAU板連接INC-TP處理器中的以太網(wǎng)控制器CS8900。MAU板和芯片CS8900一起來完成了符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)(電氣和電子工程師協(xié)會(huì)802.3標(biāo)準(zhǔn))的可兼容的網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)電子技術(shù)。CS8900以太網(wǎng)接口控制器提供了曼徹斯特編碼和解碼功能,并處理了介質(zhì)訪問協(xié)議和緩沖塊管理任務(wù)。MAU主要由下面四個(gè)邏輯塊組成:

接收器:接收來自同軸電纜的數(shù)據(jù)并把它送到INC-TP處理器中;

發(fā)送器:接收來自INC-TP處理器的數(shù)據(jù)并把它發(fā)送到同軸電纜上;

沖突檢測(cè)器:指示任何同軸電纜到INC-TP處理器的沖突;

定時(shí)器:如果數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度比額定的長(zhǎng)時(shí)禁止發(fā)送器。

6 時(shí)間同步

時(shí)間同步也就是將地面測(cè)井主機(jī)與井下儀器的時(shí)鐘進(jìn)行同步的一個(gè)過程。在LOGIQ測(cè)井系統(tǒng)中,時(shí)間同步包括兩個(gè)不同的部分。第一部分就是在地面主機(jī)與GTET儀器之間的時(shí)鐘同步。第二部分就是GTET儀器與其他井下儀器之間的時(shí)鐘同步。

6.1 地面主機(jī)和GTET-I的時(shí)間同步[1]

圖4 地面主機(jī)與GTET-I的時(shí)序同步

同步時(shí)序如圖4所示,地面調(diào)制解調(diào)器和井下調(diào)制解調(diào)器的時(shí)鐘很好地被同步,但這是在假定這兩個(gè)調(diào)制解調(diào)器的時(shí)鐘是一致的情況下進(jìn)行的。兩個(gè)調(diào)制解調(diào)器每10 s同時(shí)發(fā)送44個(gè)信息包到地面主機(jī)和GTET-I。GTET-I接收到這44個(gè)信息包時(shí),它會(huì)自動(dòng)獲取當(dāng)前的系統(tǒng)時(shí)序,把它當(dāng)做第45個(gè)信息包送到地面主機(jī)。地面主機(jī)接收到這45個(gè)信息包之后,計(jì)算出地面主機(jī)與井下儀的不同時(shí)序,再把它當(dāng)做第46個(gè)信息包發(fā)送給GTET-I。當(dāng)GTET-I接收到這個(gè)包時(shí),它就會(huì)根據(jù)這些時(shí)序上的不同點(diǎn),來調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘。在經(jīng)過幾次信息包的交換之后,地面主機(jī)和井下儀器的時(shí)鐘基本就同步了。

6.2 GTET儀器與井下儀器之間的時(shí)鐘同步

簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(SNTP)被應(yīng)用在GTET-I和其他井下儀器的時(shí)間同步上。服務(wù)商和用戶設(shè)計(jì)使用了簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(SNTP)。在LOGIQ測(cè)井系統(tǒng)中,GTET-I使用SNTP的服務(wù)器編碼,其他井下儀器使用SNTP用戶編碼。SNTP用戶要求每15 s時(shí)間更新一次。

7 伽馬探測(cè)器

為了減小儀器的長(zhǎng)度和重量,又因?yàn)閹缀趺刻薎NSITE儀器串中都加有伽馬儀器,所以伽馬探測(cè)器部分和遙測(cè)短節(jié)被設(shè)計(jì)在了一起。伽馬探測(cè)器用來測(cè)量伽馬強(qiáng)度,將其轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)脈沖,并在井上轉(zhuǎn)換成儀器測(cè)量數(shù)據(jù)。

7.1 伽馬探測(cè)器工作原理

伽馬探測(cè)器包括三個(gè)部分:光電倍增管(PMT);前置放大器;高壓電源。

閃爍晶體探測(cè)器是一個(gè)8″×2″的NAI晶體。探測(cè)器的中心距離儀器的底部為29.49″。當(dāng)一個(gè)伽馬射線撞擊晶體時(shí),會(huì)發(fā)射出一個(gè)伽馬光子。這個(gè)伽馬光子隨后撞擊光電倍增管里的光陰極。光子撞擊光陰極時(shí)產(chǎn)生一束電子流,同時(shí)這些電子在特定的電場(chǎng)中加速來撞擊光電倍增管的打拿極。這個(gè)過程經(jīng)過幾次重復(fù),每次都倍增加速電子束。這些電子被光電倍增管的陽極所探測(cè),輸出一個(gè)幅度與入射伽馬光子能量成正比的電脈沖,經(jīng)過前置放大器的幅度放大和鑒別,最終輸出脈沖被送到總控制和處理器板(INC-TP)。

7.2 伽馬計(jì)數(shù)器

一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器被安裝在INC-TP板子上的復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)上來計(jì)算伽馬脈沖。計(jì)數(shù)器每50 ms采樣一次。因?yàn)樵跀?shù)字信號(hào)處理(DSP)和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)上的數(shù)據(jù)總線是8位的帶寬,所以計(jì)數(shù)器每次讀兩回。

7.3 伽馬高壓控制監(jiān)視器

伽馬前置放大器模塊有一個(gè)內(nèi)置的開環(huán)溫度補(bǔ)償,它從25°C到175°C變化來補(bǔ)償高壓控制(HVC)0～1.2 V。開始時(shí)光電倍增管(PMT)操控電壓,高壓控制(HVC)的輸出大約為1 V。

在伽馬高壓緩沖器的輸入電壓是由溫度所引起高壓的一個(gè)表現(xiàn)。因?yàn)楦邷仉妷褐翟? V以上時(shí),這個(gè)電壓通過電阻分配器被降到一半。模擬板子上的輸出被送到INC板子上,對(duì)于全部的溫度范圍,這個(gè)輸出一般在450 mV～1 100 mV之間。

8 遙測(cè)伽馬儀器(GTET)固件

遙測(cè)伽馬儀器(GTET)的固件經(jīng)由串行端口與ADSL的調(diào)制解調(diào)器相連,作為井下子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)口。測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)每50ms被采集一次并傳輸?shù)骄?。下面是GTET采集的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù):伽馬計(jì)數(shù);應(yīng)變計(jì);極板位置;CCL(節(jié)箍);加速計(jì)。

下面的輔助數(shù)據(jù)每秒采集一次并被送到井上,GTET的固件同時(shí)也用于時(shí)鐘同步:伽馬高壓監(jiān)測(cè);輔助總線電壓;電子線路總線電壓;井眼溫度;常規(guī)輔助數(shù)據(jù)。

9 結(jié) 論

哈里伯頓伽馬遙測(cè)儀GTET的程序化設(shè)計(jì)使其具有進(jìn)一步的發(fā)展?jié)摿涂臻g。在一個(gè)傳輸路徑上,GTET-I遙測(cè)部分完全是雙向的,它采用了頻分復(fù)用技術(shù)和正交幅度調(diào)制(QAM)技術(shù),最大限度地減小串?dāng)_、衰減的影響,這就保證了儀器的傳輸率,解決了先進(jìn)測(cè)井儀器的較大數(shù)據(jù)量對(duì)快速遙傳的需要,提高了工作時(shí)效。

[1] [美]哈里伯頓公司.GETE-I SERVICE MANUAL.2008(資料)

[2] 程志信,張秋梅.LOGIQ測(cè)井系統(tǒng)遙測(cè)原理及常見故障簡(jiǎn)析[J].石油儀器,2008,22(2)

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[4] 王興亮,達(dá)新宇,林家薇,等.數(shù)字通信原理與技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2001

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PI,2010,24(6):36～39

This paper mainly introduces a new generation gamma telemetry logging tool(GTET-I)recently developed by Halliburton Inc.This paper describes the tool′s telemetry theory and ADSL technique,analyzes the process of time synchronization,and summarizes the gamma detector of the tool.

Key words:telemetry function;ADSL;frequency division multiplexing;time synchronization;gamma detector

Gong Jie and Zhou Mingjie.Principle of GTET-I new gamma telemetry logging tool.

Qin Jianguo,Sun Xinqiang,Liu Xuefeng,

P631.8+17

B

1004-9134(2010)06-0036-04

秦建國(guó),男,1980年生,工程師,長(zhǎng)江大學(xué)(原江漢石油學(xué)院)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)本科畢業(yè),現(xiàn)在西部鉆探測(cè)井公司工作。郵編:834000

2010-04-02編輯:姜 婷)