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?；趩涡倦娎|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，上行信號和下行信號都使用同一根電纜，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。上行信號和下信號均需要通過模擬處理端口進(jìn)行濾波、驅(qū)動放大，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信號的解調(diào)、DBPSK編碼、下行信號耦合電路的群時(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)動器對DBPSK信號進(jìn)行功率放大。線路接收器接收上行OFDM信號，接收濾波器實(shí)現(xiàn)上行信號的接收濾波以及自動增益控制?；旌暇W(wǎng)絡(luò)將下行DBPSK信號并入單芯電纜進(jìn)行傳輸，同時(shí)分離出上行OFDM信號。

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與電源隔離。上行信號與下行信號的頻帶不同，有1 kHz和2 kHz兩個(gè)頻率，而上行信號使用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與下行信號。下行信號使用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC7571輸出，并通過緩沖器增強(qiáng)驅(qū)動能力。上行信號經(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信號時(shí)，接收濾波器濾除上行數(shù)據(jù)信號，同時(shí)對下行信號進(jìn)行自動增益調(diào)節(jié)，最后傳送給ADC芯片轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，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、上行信號和下行信號的分離。上行信號經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換后變成模擬信號，送至井下驅(qū)動板進(jìn)行驅(qū)動放大，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，屬于正?，F(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。