永置式智能井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多層半雙工通信技術(shù)

黨 博,王新亞,劉長(zhǎng)贊,任博文,楊 玲

(西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710065)

0 引言

井上控制命令的下行傳輸和井下多層監(jiān)測(cè)信息的上行傳輸是通過(guò)耦合變壓器將信號(hào)耦合至單芯鋼管電纜上，以直流載波的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[12]。由于地面系統(tǒng)下發(fā)控制命令需要針對(duì)不同層、不同監(jiān)測(cè)參數(shù)，所以井地之間首先需要建立穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信，本文設(shè)計(jì)了一種適合井地之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌腚p工通信的系統(tǒng)，通過(guò)地面系統(tǒng)廣播訓(xùn)練碼快速建立穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信；井上控制命令下發(fā)只需要固定的命令數(shù)，井下多層多參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量較大，在數(shù)據(jù)上傳的過(guò)程中可能會(huì)因井下復(fù)雜的環(huán)境和電纜阻容漂移造成數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定甚至中斷[9]，本文研究了井地間半雙工通信數(shù)據(jù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法，可根據(jù)信號(hào)傳輸誤碼率實(shí)時(shí)調(diào)整傳輸系統(tǒng)的增益和濾波系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了井地間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、穩(wěn)定雙向傳輸，保證了永置式智能井分層注采系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)提高產(chǎn)量和采收率有重要意義。

1 永置式智能井分層注采系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互模型

永置式智能井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是對(duì)井下多層參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)性監(jiān)測(cè)，通過(guò)單芯鋼管電纜將監(jiān)測(cè)到的信息上傳至地面系統(tǒng)，地面系統(tǒng)通過(guò)對(duì)井下信息評(píng)估后再將相關(guān)控制命令通過(guò)電纜傳輸?shù)骄拢瑥亩瓿烧麄€(gè)系統(tǒng)的上行傳輸數(shù)據(jù)和下行傳輸命令的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)永置式智能井分層注采。永置式智能井分層注采系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上行傳輸和控制命令下行傳輸?shù)暮诵氖潜ＷC長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)交互的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和可靠性。

永置式智能井分層注采系統(tǒng)示意圖如圖1所示，其中包括井下層間測(cè)試和地面控制系統(tǒng)2個(gè)部分，井下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的上行傳輸和井上控制命令的下行傳輸是以單芯鋼管電纜作為載體，具體包括井下配產(chǎn)器模塊的流量測(cè)試部分、溫度測(cè)試部分、壓力測(cè)試部分，通訊模塊，液量調(diào)節(jié)模塊，主控器模塊；地面系統(tǒng)主要有計(jì)算機(jī)、通訊模塊、增益模塊、解碼模塊、電源模塊等。地面系統(tǒng)通過(guò)單芯鋼管電纜將直流電供給井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將井下監(jiān)測(cè)的溫度、壓力、含水率等信息通過(guò)單芯鋼管電纜傳輸?shù)骄系孛嫦到y(tǒng)，地面監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)可根據(jù)井下上傳的儲(chǔ)層信息判斷智能井注采實(shí)際井況，在對(duì)上傳的儲(chǔ)層數(shù)據(jù)評(píng)定后再下傳相應(yīng)的控制命令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多儲(chǔ)層的合理化、科學(xué)化、智能化開采，提高油田采收率和可靠性。

2 永置式智能井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)自適應(yīng)雙向傳輸方法設(shè)計(jì)

地面系統(tǒng)通過(guò)單芯電纜將直流電供給井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以保證井下系統(tǒng)的正常工作，電纜還作為井地之間數(shù)據(jù)交互的載體，井下系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)的多層信息經(jīng)由井下變壓器耦合至單芯電纜上傳至地面系統(tǒng)[10]，地面系統(tǒng)通過(guò)對(duì)井下上傳的儲(chǔ)層信息進(jìn)行解析處理，再將相應(yīng)的控制命令經(jīng)由井上變壓器耦合至電纜下傳至井下系統(tǒng)，進(jìn)而完成工作人員對(duì)井下多層注采系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。

2.1 永置式智能井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

永置式智能井分層注采是通過(guò)地面系統(tǒng)對(duì)井下各儲(chǔ)層配產(chǎn)器的不同傳感器及控制閥進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，進(jìn)而完成對(duì)井下各儲(chǔ)層油藏安全、合理、可靠性開發(fā)的系統(tǒng)。智能分層注采系統(tǒng)可以減少修井作業(yè)次數(shù)，改善儲(chǔ)層開采方法，提高開采效率，節(jié)約開采成本，是新時(shí)代油田開采的必由之路。如圖2所示，永置式智能井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)井下部分主要是由井下信息耦合系統(tǒng)、井下信息處理系統(tǒng)及井下信息采集系統(tǒng)組成。

井下信息耦合系統(tǒng)主要有2個(gè)作用：一是將井下配產(chǎn)器采集到的多儲(chǔ)層信息，如溫度、壓力、配水嘴的開度等數(shù)據(jù)耦合到單芯鋼管電纜上，進(jìn)而傳輸至地面系統(tǒng)；二是將井上控制命令傳輸給井下信息處理系統(tǒng)進(jìn)行控制命令的處理。井下信息處理系統(tǒng)是將地面下傳的相應(yīng)控制命令進(jìn)行處理解析[12-13]，控制命令下傳經(jīng)由變壓器和單芯鋼管電纜會(huì)參雜許多噪聲且信號(hào)幅值過(guò)低，不滿足后端控制器需要[9]。井下信息處理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、解碼處理，再由微控制器將下行的控制命令傳輸給配產(chǎn)器。井下信息采集系統(tǒng)主要是由各種傳感器組成，其中包括溫度傳感器、壓力傳感器等，完成對(duì)井下溫度、壓力、流量和含水率等信息的實(shí)時(shí)性采集，井下系統(tǒng)電路如圖3所示，井下屬于高溫高壓的復(fù)雜環(huán)境，井下電路耐溫需要達(dá)到125 ℃以上。

永置式智能井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)井上部分主要是井上信息耦合系統(tǒng)和地面信息處理系統(tǒng)組成，如圖4所示。井上信息耦合系統(tǒng)作用同井下耦合系統(tǒng)，主要是將井下采集的多儲(chǔ)層信息和井上控制命令耦合至單芯鋼管電纜上；地面信息處理系統(tǒng)主要是將井下采集的多儲(chǔ)層信息進(jìn)行處理，因?yàn)椴杉木聰?shù)據(jù)通常附帶很大噪聲且幅值過(guò)低，所以井下采集的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過(guò)一級(jí)放大濾波的預(yù)處理，然后送入二級(jí)放大器，二級(jí)放大處理增益系數(shù)可通過(guò)程控電位器調(diào)節(jié)，因?yàn)椴煌木颅h(huán)境、不同的電纜長(zhǎng)度等均會(huì)造成阻容參數(shù)不同，所以需要不同的增益電阻對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，再經(jīng)過(guò)比較器，最后經(jīng)過(guò)解碼器輸出井下監(jiān)測(cè)信息，利用上位機(jī)軟解進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，工作人員對(duì)井下信息評(píng)定后再將相應(yīng)的控制命令下傳至井下，從而完成下行控制命令和上行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性交互，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)井的合理化、科學(xué)化開發(fā)。

地面系統(tǒng)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)可分為自適應(yīng)調(diào)節(jié)和人工手動(dòng)調(diào)節(jié)，自動(dòng)調(diào)節(jié)是通過(guò)程控電位器根據(jù)單芯電纜的阻容參數(shù)以及初始上傳的井下監(jiān)測(cè)信號(hào)對(duì)測(cè)井信號(hào)的增益系數(shù)和濾波系數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以便后端硬件電路解碼和數(shù)據(jù)解析；人工手動(dòng)調(diào)節(jié)是為防止自適應(yīng)調(diào)節(jié)萬(wàn)一出現(xiàn)信號(hào)調(diào)整問(wèn)題或者為人工做調(diào)試信號(hào)時(shí)使用。在雙向數(shù)據(jù)通信時(shí)，下行傳輸命令只需要固定的命令數(shù)即可，數(shù)據(jù)量較小，故下傳控制命令時(shí)間通常為2 min左右；井下監(jiān)測(cè)信息上行傳輸時(shí)，由于各儲(chǔ)層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量較大且生產(chǎn)井的井深、井況不同，所以不同儲(chǔ)層之間傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間略有差異，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間通常為3～6 min，地面系統(tǒng)電路板如圖5所示。

同步碎石封層技術(shù)在長(zhǎng)期應(yīng)用于交通公路建設(shè)中逐步顯現(xiàn)出性能高且成本較低的優(yōu)點(diǎn)。該項(xiàng)技術(shù)的主要原料是瀝青和顆粒性石料，用料簡(jiǎn)單且耗資較少，相較于傳統(tǒng)的養(yǎng)路鋪路技術(shù)來(lái)說(shuō)，投入的總成本較低。并且通過(guò)專業(yè)車輛反復(fù)碾壓后，使得養(yǎng)路材料與地面充分接觸，養(yǎng)路效果較好，總體的使用壽命長(zhǎng)，地面性能高。

2.2 雙向傳輸協(xié)議及數(shù)據(jù)自適應(yīng)方法

井下環(huán)境復(fù)雜且井況、井深不同，要保證井地之間長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定地?cái)?shù)據(jù)交互就必須擬定數(shù)據(jù)通信協(xié)議[13]。永置式智能井分層采油系統(tǒng)的單芯電纜通信采用曼徹斯特編碼解碼方式，具體的編碼定義如圖6所示，在1個(gè)時(shí)間周期內(nèi)，從高電平到低電平定義為1，從低電平變到高電平定義為0；在3個(gè)時(shí)間周期內(nèi)，從高電平變到低電平定義為命令同步，從低電平變到高電平定義為數(shù)據(jù)同步。如圖7所示，井地間信息交互過(guò)程中1個(gè)數(shù)據(jù)字或者命令字為20個(gè)時(shí)鐘周期，同步頭占3個(gè)，中間16個(gè)周期為這個(gè)字的16位，最后1個(gè)周期為奇校驗(yàn)位。

在井地之間建立數(shù)據(jù)通信時(shí)，首先地面系統(tǒng)向下廣播固定訓(xùn)練碼，通過(guò)對(duì)井下各層返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果返回的數(shù)據(jù)正確，則進(jìn)行下一層的數(shù)據(jù)測(cè)驗(yàn)，當(dāng)某一層反饋的數(shù)據(jù)有誤時(shí)，則地面系統(tǒng)重新進(jìn)行訓(xùn)練碼的廣播，如此循環(huán)，直到所有層反饋的數(shù)據(jù)均正確無(wú)誤為止。其流程圖8所示：

如圖9所示，在井上井下系統(tǒng)建立正常的數(shù)據(jù)通信后，地面系統(tǒng)首先進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化設(shè)置，并進(jìn)行系統(tǒng)自檢，判斷相關(guān)配置文件是否正常。若相關(guān)配置文件丟失，則進(jìn)行系統(tǒng)重啟并重新配置；若系統(tǒng)初始化正常，則向井下發(fā)送相關(guān)控制命令[14]，如壓力、配水嘴的開度等。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)解碼的誤碼率來(lái)判斷解調(diào)系數(shù)是否合適。由于井下高溫高壓的環(huán)境，電路正常工作的溫度要達(dá)到125 ℃以上，故采用DSPIC33EV作為井下控制器，通過(guò)串行通信方式控制數(shù)據(jù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)和控制命令的解碼等；地面系統(tǒng)通過(guò)STM32F407的兩路SPI分別控制程控電阻來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益系數(shù)和濾波系數(shù)，待定時(shí)器中斷后，計(jì)算系統(tǒng)的誤碼率。

在建立正常的井地雙向通信后，永置式智能井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期受到高溫、高壓以及電力泵振動(dòng)等不穩(wěn)定因素影響[9]，單芯鋼管電纜長(zhǎng)時(shí)間工作也會(huì)引起阻容參數(shù)的變化，長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸會(huì)導(dǎo)致誤碼率增加。本文設(shè)計(jì)了一種長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)自適應(yīng)傳輸方法，以單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)膸瑪?shù)為原則，通過(guò)計(jì)算誤碼率來(lái)不斷調(diào)整程控電位器的增益和濾波系數(shù)，確保永置式智能井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定傳輸，保證油氣井的穩(wěn)定開發(fā)。流程如圖10所示。

永置式智能井監(jiān)測(cè)長(zhǎng)時(shí)間自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸方法是在盡量保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)那疤嵯?，在合適的范圍內(nèi)進(jìn)行阻值掃描[12]。以單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)膸瑪?shù)為原則，獲取實(shí)時(shí)誤碼率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。其方法是首先判斷當(dāng)前數(shù)組中的阻值是否滿足數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)囊螅魸M足，則以當(dāng)前數(shù)組中的阻值分別設(shè)為為增益和濾波系數(shù)；若不滿足，則在更大一級(jí)范圍內(nèi)進(jìn)行阻值掃描，判斷數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定傳輸，如此循環(huán)往復(fù)直到滿足井地之間數(shù)據(jù)穩(wěn)定雙向傳輸為止。井地之間數(shù)據(jù)雙向通信是在保證數(shù)據(jù)傳輸不中斷的前提下，逐步調(diào)節(jié)增益和濾波系數(shù)，目的是保證井下數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和連續(xù)性。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證程控電位器的實(shí)用性和自適應(yīng)快速解碼算法的效率和準(zhǔn)確度，分別模擬5種不同長(zhǎng)度和種類的電纜連接井地系統(tǒng)，電纜等效電阻，電容參數(shù)如表1所示。

表1 直徑5.6 mm實(shí)驗(yàn)電纜參數(shù)

對(duì)上述5種電纜分別采用傳統(tǒng)人工調(diào)節(jié)方法和自適應(yīng)快速解碼算法進(jìn)行12次數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，以調(diào)整時(shí)間和誤碼率為判斷準(zhǔn)則，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知，傳統(tǒng)人工調(diào)節(jié)方式數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率整體相對(duì)較高，調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)且受調(diào)整人員的影響；自適應(yīng)快速解碼算法的調(diào)整時(shí)間短，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率波動(dòng)范圍較小，誤碼率整體比傳統(tǒng)人工調(diào)節(jié)低。故自適應(yīng)快速解碼算法對(duì)于增益系數(shù)和濾波系數(shù)的選取更加精確，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程更加穩(wěn)定、可靠。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)通信是否正常，分別測(cè)試了3 km、5 km以及6 km電纜條件下不同儲(chǔ)層上行傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和3 km條件下下行傳輸控制命令的井地之間建立雙向通信的時(shí)間，通信時(shí)間變化結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知，隨著單芯鋼管電纜長(zhǎng)度的增加，地面系統(tǒng)和生產(chǎn)井第一儲(chǔ)層建立正常的雙向通信時(shí)間在80～100 s之間，以3 km生產(chǎn)井為例，其余各儲(chǔ)層和不同井況之間建立通信的時(shí)間也略有差別，在各儲(chǔ)層完全建立通信需要4～6 min。由于下行命令傳輸是由固定的命令數(shù)組成的，其數(shù)據(jù)量較小，傳輸速率和準(zhǔn)確度相對(duì)于井下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的上行傳輸較高，下行傳輸命令通信建立時(shí)間大約需要2 min。

永置式智能井分層采油半雙工通信系統(tǒng)控制頁(yè)面如圖13所示，為了驗(yàn)證下行傳輸控制命令和上行傳輸數(shù)據(jù)雙向通信的有效性和可靠性，分別對(duì)不同生產(chǎn)井和同一生產(chǎn)井不同儲(chǔ)層的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)。

由圖13顯示界面可知，當(dāng)前是生產(chǎn)1號(hào)井的第1儲(chǔ)層的監(jiān)測(cè)信息，在地面系統(tǒng)下發(fā)流量、溫度和含水率控制命令后，左側(cè)圖形界面顯示了井下采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的儲(chǔ)層實(shí)時(shí)信息，通過(guò)地面控制系統(tǒng)面板反饋的數(shù)據(jù)信息可對(duì)井下控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，比如流量過(guò)大時(shí)，可進(jìn)行控制電機(jī)對(duì)配水嘴的開度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，以便對(duì)不同生產(chǎn)井和不同儲(chǔ)層進(jìn)行流量控制，相對(duì)于傳統(tǒng)單次測(cè)井大大提高了生產(chǎn)井持續(xù)開發(fā)的合理性、穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

為提高永置式智能井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)井地之間數(shù)據(jù)交互的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和可靠性，設(shè)計(jì)了基于單芯電纜的井地間數(shù)據(jù)傳輸通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)地面系統(tǒng)向下廣播訓(xùn)練碼的方式與井下多層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐一建立雙向數(shù)據(jù)通信，可以由地面系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制、更新井下多層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提出了一種長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)自適應(yīng)雙向傳輸方法，該方法以數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率為判斷準(zhǔn)則，利用兩路程控電位器對(duì)增益系數(shù)和濾波系數(shù)進(jìn)行微調(diào)，解決了井地間數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以快速建立井地間穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)了井上控制命令和井下各層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)交互，大大提高了永置式智能井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)井的合理開發(fā)具有重大意義。