秦建國孫新強劉自卿劉雪峰周明杰

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哈里伯頓新一代伽馬遙測儀GTET-I原理簡介

秦建國1孫新強1劉自卿1劉雪峰1周明杰2

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文章介紹了哈里伯頓公司開發(fā)的新一代伽馬遙測儀(GTET-I)。較詳細地描述了儀器的遙測原理以及ADSL的技術原理,分析介紹了儀器的時間同步過程,并對儀器的伽馬探測器部分進行了分析總結。

遙測功能;非對稱數(shù)字用戶線;頻分多路復用技術;時間同步;伽馬探測器

0 引 言

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

1 GTET-I遙測功能介紹[1、2]

LOGIQ系統(tǒng)遙測框圖如圖1所示。GTET-I儀器設計有一個模擬接口,它應用ADSL技術通過測井電纜發(fā)送和接收下行命令及上傳數(shù)據(jù)。井下LOGIQ測井儀通過各自的總控制和處理器板(INC-TP)采集、處理測井數(shù)據(jù)后,再通過各自的介質訪問單元(MAU)將采集的測井數(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、驅動,數(shù)據(jù)通過測井電纜到達地面,進入調(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)集線器進入測井主機。

圖1 LOGIQ系統(tǒng)遙測框圖

2 供電系統(tǒng)

GTET-I的電源系統(tǒng)包括兩個獨立的地面供電電源(交流電源和直流電源),它們通過測井電纜互相連接。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展的直流電源給井下儀馬達供電,還可以給一些儀器的大電容充電以及提供一個輔助的電源,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]

遙測調(diào)制解調(diào)是基于ADSL技術的。ADSL技術在采用電纜傳輸模式時,上傳速度可達800 kbps,下傳速度為30 kbps。調(diào)制解調(diào)器支持數(shù)字信號處理(DSP)、現(xiàn)場可編程門陣列(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技術簡介

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

測井中,纜芯衰減和上行/下行信號間的串擾是影響ADSL性能的重要因素。ADSL利用頻分多路復用技術將信道的可用頻帶分成若干個互不交疊的頻帶(tone),每個頻帶寬4.312 5 kHz。有用的頻帶寬被限定到最大為276 kHz(64 tones)。根據(jù)測井作業(yè)中上行數(shù)據(jù)量遠大于下行數(shù)據(jù)量的實際情況,在所有64個頻帶中,兩個頻帶(2、3)被用于下行。55個頻帶(8～63)被用于上行,進行上行、下行不對稱傳輸。其中頻帶12對傳輸數(shù)據(jù)無用,它只用于井上/井下modems間的同步,被稱為導頻帶。6個頻帶對數(shù)據(jù)傳輸無用:頻帶4～7是保護頻帶,用于避免上行/下行信號間的串擾。頻帶1和64作為邊緣頻帶不使用。這樣,根據(jù)電纜特性設定傳輸頻帶,上、下行傳輸頻帶分開,最大限度地減小上、下行信號的串擾及信號的衰減,從而實現(xiàn)測井信號的高速傳送。詳細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[4、5]

LOGIQ系統(tǒng)采用正交振幅調(diào)制(QAM)技術,調(diào)幅、調(diào)相同時進行。測井時,QAM用于ADSL的一個重要問題是如何適應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接收器需要一個和發(fā)送端具有相同的頻譜和相位特性的輸人信號用于解碼,QAM接收器利用自適應均衡器來補償傳輸過程中信號產(chǎn)生的失真。初始的傳輸符號有一個固定的時間長度,然而,由于信號失真,電纜長度特性,以及通訊道的頻率響應,接收到的符號總時間長可能變成原始符號的幾倍長,這就需要進行時間均衡。因為系統(tǒng)用同步幀達到這個目的,這個運算法則在每個幀時間內(nèi)被更新。

4 模擬/CCL(節(jié)箍)板

模擬板依據(jù)要求為各類信號提供信號調(diào)節(jié)和緩沖,調(diào)節(jié)傳感器信號將其送到總控制和處理器板(INC-TP)。在節(jié)箍測井時,節(jié)箍信號在磁鐵的兩極產(chǎn)生并從模擬板引腳的5#、6#進入到電子線路中,分別通過一個低通濾波器,再經(jīng)過一個差分放大器被放大10倍。信號在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)生一個數(shù)據(jù)字,并被送到井上。信號的調(diào)節(jié)以及INC-TP的16位的分辨率提供了一個清晰、高靈敏度的CCL的原始數(shù)據(jù)。如果套管非常粗糙,井上額外的處理會進一步改善信噪比。

5 介質訪問單元(MAU)

介質訪問單元是一個由同軸收發(fā)器接口(CTI)組成的以太網(wǎng)驅動器/接收器,這個同軸收發(fā)器接口(CTI)一般用于本地以太網(wǎng)的同軸電纜驅動器/接收器。CTI連接同軸電纜和數(shù)據(jù)終端設備也就是總控制和處理器板(INC-TP)。CTI通過獨立的變壓器與INC-TP板子相連接。CTI由發(fā)送器、接收器、沖突檢測器和一個定時器組成。發(fā)送器直接與50Ω的同軸電纜連接。在發(fā)送數(shù)據(jù)時,定時器被初始化成當傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包比額定的長度長時就禁止CTI的發(fā)送器。沖突檢測線路在同軸電纜上監(jiān)視信號,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標準(電氣和電子工程師協(xié)會802.3標準)的可兼容的網(wǎng)路節(jié)點電子技術。CS8900以太網(wǎng)接口控制器提供了曼徹斯特編碼和解碼功能,并處理了介質訪問協(xié)議和緩沖塊管理任務。MAU主要由下面四個邏輯塊組成:

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;

沖突檢測器:指示任何同軸電纜到INC-TP處理器的沖突;

定時器:如果數(shù)據(jù)包長度比額定的長時禁止發(fā)送器。

6 時間同步

時間同步也就是將地面測井主機與井下儀器的時鐘進行同步的一個過程。在LOGIQ測井系統(tǒng)中,時間同步包括兩個不同的部分。第一部分就是在地面主機與GTET儀器之間的時鐘同步。第二部分就是GTET儀器與其他井下儀器之間的時鐘同步。

6.1 地面主機和GTET-I的時間同步[1]

圖4 地面主機與GTET-I的時序同步

同步時序如圖4所示,地面調(diào)制解調(diào)器和井下調(diào)制解調(diào)器的時鐘很好地被同步,但這是在假定這兩個調(diào)制解調(diào)器的時鐘是一致的情況下進行的。兩個調(diào)制解調(diào)器每10 s同時發(fā)送44個信息包到地面主機和GTET-I。GTET-I接收到這44個信息包時,它會自動獲取當前的系統(tǒng)時序,把它當做第45個信息包送到地面主機。地面主機接收到這45個信息包之后,計算出地面主機與井下儀的不同時序,再把它當做第46個信息包發(fā)送給GTET-I。當GTET-I接收到這個包時,它就會根據(jù)這些時序上的不同點,來調(diào)整系統(tǒng)時鐘。在經(jīng)過幾次信息包的交換之后,地面主機和井下儀器的時鐘基本就同步了。

6.2 GTET儀器與井下儀器之間的時鐘同步

簡單的網(wǎng)絡時間協(xié)議(SNTP)被應用在GTET-I和其他井下儀器的時間同步上。服務商和用戶設計使用了簡單的網(wǎng)絡時間協(xié)議(SNTP)。在LOGIQ測井系統(tǒng)中,GTET-I使用SNTP的服務器編碼,其他井下儀器使用SNTP用戶編碼。SNTP用戶要求每15 s時間更新一次。

7 伽馬探測器

為了減小儀器的長度和重量,又因為幾乎每趟INSITE儀器串中都加有伽馬儀器,所以伽馬探測器部分和遙測短節(jié)被設計在了一起。伽馬探測器用來測量伽馬強度,將其轉化為數(shù)據(jù)脈沖,并在井上轉換成儀器測量數(shù)據(jù)。

7.1 伽馬探測器工作原理

伽馬探測器包括三個部分:光電倍增管(PMT);前置放大器;高壓電源。

閃爍晶體探測器是一個8″×2″的NAI晶體。探測器的中心距離儀器的底部為29.49″。當一個伽馬射線撞擊晶體時,會發(fā)射出一個伽馬光子。這個伽馬光子隨后撞擊光電倍增管里的光陰極。光子撞擊光陰極時產(chǎn)生一束電子流,同時這些電子在特定的電場中加速來撞擊光電倍增管的打拿極。這個過程經(jīng)過幾次重復,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,輸出一個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 伽馬計數(shù)器

一個16位的計數(shù)器被安裝在INC-TP板子上的復雜可編程邏輯器件(CPLD)上來計算伽馬脈沖。計數(shù)器每50 ms采樣一次。因為在數(shù)字信號處理(DSP)和復雜可編程邏輯器件(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內(nèi)置的開環(huán)溫度補償,它從25°C到175°C變化來補償高壓控制(HVC)0～1.2 V。開始時光電倍增管(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表現(xiàn)。因為高溫電壓值在2 V以上時,這個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,對于全部的溫度范圍,這個輸出一般在450 mV～1 100 mV之間。

8 遙測伽馬儀器(GTET)固件

遙測伽馬儀器(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)絡的關口。測井數(shù)據(jù)每50ms被采集一次并傳輸?shù)骄?。下面是GTET采集的測井數(shù)據(jù):伽馬計數(shù);應變計;極板位置;CCL(節(jié)箍);加速計。

下面的輔助數(shù)據(jù)每秒采集一次并被送到井上,GTET的固件同時也用于時鐘同步:伽馬高壓監(jiān)測;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 論

哈里伯頓伽馬遙測儀GTET的程序化設計使其具有進一步的發(fā)展?jié)摿涂臻g。在一個傳輸路徑上,GTET-I遙測部分完全是雙向的,它采用了頻分復用技術和正交幅度調(diào)制(QAM)技術,最大限度地減小串擾、衰減的影響,這就保證了儀器的傳輸率,解決了先進測井儀器的較大數(shù)據(jù)量對快速遙傳的需要,提高了工作時效。

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

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

[3] 傅海陽,趙品勇.SDH微波通信系統(tǒng)[M].北京:人民郵電出版社,2000

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

[5] 桑 林,郝建軍,劉丹譜.數(shù)字通信[M].北京:郵電大學出版社,2002

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,男,1980年生,工程師,長江大學(原江漢石油學院)測控技術與儀器專業(yè)本科畢業(yè),現(xiàn)在西部鉆探測井公司工作。郵編:834000

2010-04-02編輯:姜 婷)