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        井間電磁成像測井儀收發(fā)同步技術(shù)研究

        2014-12-13 05:27:04周凱波莫德欠陳寰劉頡曹攀輝
        測井技術(shù) 2014年5期
        關(guān)鍵詞:井間方波接收機(jī)

        周凱波,莫德欠,陳寰,劉頡,曹攀輝

        (1.華中科技大學(xué)自動化學(xué)院,湖北 武漢430074;2.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢430074;3.圖像信息處理與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢430074)

        0 引 言

        井間電磁成像測井將發(fā)射機(jī)置于一口井中向地層發(fā)射電磁波(頻率5Hz~1kHz),將接收機(jī)置于另一口井中接收經(jīng)過地層傳播過來的電磁波,通過對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行反演得到反映井間油氣分布的電阻率成像,實(shí)現(xiàn)對井間地層結(jié)構(gòu)的描述,是探測井間地層信息最直接的測井方式[1]。井間電磁成像測井系統(tǒng)在測量技術(shù)上的優(yōu)越性,其測量結(jié)果與其他地球物理系統(tǒng)相比,精度和分辨地層的能力較高,具有較大的應(yīng)用前景[2-4]。

        井間電磁成像測井儀接收信號與發(fā)射信號的相位差與地層電導(dǎo)率密切相關(guān)。為了精確測量接收與發(fā)射信號相位差,需要保證收發(fā)同步。20世紀(jì)90年代EMI公司推出了井間電磁成像測井儀XBH 2000,其收發(fā)同步是通過電纜把發(fā)射機(jī)和接收機(jī)相連實(shí)現(xiàn)的[5]。隨著井間距的增加,同步精度會受到影響,需要提出一種較少受到井間距影響的收發(fā)同步方法。Schlumberger公司推出的DeepLook-EM井間電磁成像測井儀使用GPS進(jìn)行收發(fā)同步,其接收機(jī)與發(fā)射機(jī)同步精度為3μs[1]。GPS發(fā)布系統(tǒng)可以使精確時(shí)間在不同設(shè)備之間進(jìn)行時(shí)間同步。GPS同步在電力系統(tǒng)[6]、同步數(shù)據(jù)采集[7]、電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測[8]等場合有廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的應(yīng)用場合是在可以直接接收到GPS信號的地面,但是測井儀器處在離地面幾千米的井下,直接在井下使用GPS并不可行。時(shí)間同步的方法有應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的NTP[9]、IEEE 1588協(xié)議[10]。本文在2種時(shí)間同步方法的基礎(chǔ)上提出了一種應(yīng)用于井間電磁成像測井儀的基于GPS的收發(fā)同步方法,在井下發(fā)射機(jī)和接收機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng),參考GPS提供的精確時(shí)間,采用一定同步方法,對井下接收機(jī)和發(fā)射機(jī)時(shí)間系統(tǒng)進(jìn)行同步授時(shí),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)井下發(fā)射與接收系統(tǒng)的時(shí)間同步。在井下接收與發(fā)射系統(tǒng)時(shí)間同步的條件下,可以在一個(gè)確定的時(shí)間點(diǎn)同步觸發(fā)發(fā)射機(jī)發(fā)射信號和接收機(jī)接收信號,實(shí)現(xiàn)收發(fā)同步。

        1 基于GPS的收發(fā)同步方法

        1.1 同步系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)如圖1所示,主要由2套GPS接收機(jī)、地面發(fā)射和接收控制臺、井下發(fā)射和接收控制器構(gòu)成,在地面和井下實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘模塊。地面時(shí)鐘模塊能在GPS失鎖的情況下保證地面時(shí)間系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

        同步系統(tǒng)的GPS接收機(jī)采用Trimble導(dǎo)航公司的Resolution T授時(shí)型GPS接收機(jī)。Resolution T接收機(jī)提供的高精度1PPS與UTC同步誤差小于15ns(1σ)。地面控制臺和井下儀器系統(tǒng)使用DSP作為控制器,采用ADI公司的ADSP-BF506F。地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)的時(shí)鐘模塊在DSP內(nèi)實(shí)現(xiàn),采用其片內(nèi)32bit定時(shí)器,外接高精度高穩(wěn)定的10MHz晶振。地面系統(tǒng)和井下通訊使用RS-485總線(波特率為38400bit/s)。

        1.2 傳輸時(shí)延測量

        圖1 同步系統(tǒng)總體框架圖

        地面控制臺與井下部分相隔幾千米,上下通訊有較大傳輸時(shí)延;地面系統(tǒng)與井下數(shù)據(jù)傳輸時(shí)底層硬件在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)也存在不確定時(shí)延[11-13]。地面系統(tǒng)對井下系統(tǒng)精確時(shí)間校準(zhǔn)的關(guān)鍵在于測量出這個(gè)總時(shí)延。地面系統(tǒng)通過地面到井下通訊總線向井下系統(tǒng)發(fā)送時(shí)間數(shù)據(jù)包,井下系統(tǒng)接收到時(shí)間數(shù)據(jù)包后,加上本地時(shí)間值后返回時(shí)間數(shù)據(jù)包。這個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)包包含了發(fā)送時(shí)刻和接收時(shí)刻,通過這個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)包確定一路時(shí)延。時(shí)間數(shù)據(jù)包發(fā)送過程見圖2。

        圖2 改進(jìn)的NTP協(xié)議過程

        圖2所示,地面系統(tǒng)發(fā)送的時(shí)間數(shù)據(jù)包的時(shí)刻是T1,井下系統(tǒng)接收到的時(shí)刻是T2。返回時(shí)間數(shù)據(jù)包時(shí)刻是T3,地面系統(tǒng)接收到返回時(shí)間數(shù)據(jù)包的時(shí)刻是T4。根據(jù)這4個(gè)時(shí)刻值得出一路時(shí)延Tdelay

        當(dāng)?shù)孛姘l(fā)射控制平臺準(zhǔn)備同步地面系統(tǒng)與井下時(shí)鐘時(shí),地面系統(tǒng)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)T發(fā)送同步數(shù)據(jù)包命令(包含同步時(shí)間值Td)給井下控制器,對其進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)

        井下系統(tǒng)接收到這個(gè)同步數(shù)據(jù)包后,修改本地時(shí)間為Td,即可實(shí)現(xiàn)地面與井下的時(shí)間同步,即實(shí)現(xiàn)了與UTC時(shí)間的同步。為了得到更加準(zhǔn)確的時(shí)延,重復(fù)進(jìn)行上述過程,多次測量取平均值;接收部分和發(fā)射部分的同步過程相同;接收部分和發(fā)射部分與其地面系統(tǒng)的時(shí)間同步,即都與GPS時(shí)間同步,最后可實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收的同步。

        2 接收與發(fā)射同步過程

        2.1 GPS時(shí)間解碼

        GPS接收機(jī)(Resolution T)每1s輸出1個(gè)占空比為1/1000的秒脈沖,即1脈沖/s。隨后通過串口,以波特率9600bit/s的速率按照Trimble標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議(Trimble Standard Interface Protocol,TSIP)輸出包含有秒脈沖上升沿對應(yīng)時(shí)刻的時(shí)間數(shù)據(jù)包[14];地面系統(tǒng)需及時(shí)接收GPS時(shí)間數(shù)據(jù)包并解析出所需的時(shí)間信息。

        2.2 地面對井下系統(tǒng)控制策略

        首先地面控制臺及時(shí)解碼GPS提供的時(shí)間信息,校準(zhǔn)其實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。采用8個(gè)字節(jié)記錄時(shí)間值,高4個(gè)字節(jié)記秒值,低4個(gè)字節(jié)記錄秒以下時(shí)間值。高4個(gè)字節(jié)由GPS接收機(jī)提供,因?yàn)槠渲荒芴峁┟胍陨蠒r(shí)間值。秒以下的刻度值由高精度的10MHz晶振計(jì)數(shù)得到。在得到GPS提供的精確時(shí)間信息后,地面控制臺將包含發(fā)送時(shí)刻的精確時(shí)間的時(shí)間數(shù)據(jù)包通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送給井下儀器系統(tǒng)。隨后井下儀器系統(tǒng)加上接收和反饋時(shí)刻精確時(shí)間的包含3個(gè)時(shí)刻的精確時(shí)間信息的時(shí)間數(shù)據(jù)包反饋給地面控制臺,地面控制臺記錄下接收時(shí)刻時(shí)間值,計(jì)算出發(fā)送接收回路的時(shí)延Tdelay,重復(fù)多次取平均值。經(jīng)過多次測量取平均可以得到相對準(zhǔn)確的傳輸時(shí)延Tdelay,提高校時(shí)精度。最后地面控制臺發(fā)送同步數(shù)據(jù)包給井下儀器系統(tǒng),發(fā)送時(shí)刻選在整秒時(shí)刻前的Tdelay時(shí)刻點(diǎn),井下儀器系統(tǒng)接收到同步數(shù)據(jù)包后,重啟定時(shí)器,修改秒計(jì)數(shù)值。

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

        井下接收與發(fā)射系統(tǒng)輸出1個(gè)占空比為50%、周期為1Hz的秒脈沖。對比2個(gè)方波的上升時(shí)延差即可知接收與發(fā)射的時(shí)間差。對比GPS的秒脈沖,即可知井下時(shí)鐘與地面系統(tǒng)的時(shí)間差。這僅僅是確定了秒以下同步誤差,秒以上的誤差通過上位機(jī)讀取井下儀器系統(tǒng)反饋的時(shí)間數(shù)據(jù)包確定(經(jīng)過反復(fù)測量,秒以上不存在誤差,即同步誤差在秒以下)。時(shí)延結(jié)果可以通過Analog DSP開發(fā)環(huán)境VisualDSP++5.0從DSP讀取。1脈沖/s、井下接收與發(fā)射系統(tǒng)輸出的方波波形以及接收與發(fā)射同步誤差由安捷倫MSO7014A示波器測量得到。

        3.1 地面與井下時(shí)延測量結(jié)果

        接收部分測量100次得到的時(shí)延(發(fā)射部分結(jié)果與其類似),時(shí)延Tdelay在一定范圍內(nèi)有一定波動,偏差較小。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)得到表1。

        表1 時(shí)延測量結(jié)果(使用RS-485總線)

        偏差值的刻度以10MHz晶振為標(biāo)準(zhǔn),1個(gè)刻度對應(yīng)0.1μs;使用 RS-485總線時(shí)偏差在0~0.1μs波動。

        3.2 收發(fā)同步結(jié)果

        圖3所示是同步前GPS的秒脈沖和井下發(fā)射與接收系統(tǒng)產(chǎn)生的1Hz方波的對比圖(采樣率125kHz);圖4是在采樣率為2GHz的條件下測得的同步后1脈沖/s和井下系統(tǒng)輸出方波的對比圖。

        圖3 同步前1脈沖/s和井下發(fā)射與接收系統(tǒng)輸出方波的對比圖

        圖4 同步后1脈沖/s和井下發(fā)射與接收系統(tǒng)輸出方波的對比圖

        通過示波器MSO7014A上升時(shí)間差測量功能測量2個(gè)方波的上升時(shí)間差Δ(發(fā)射-接收)(負(fù)值表示發(fā)射方波超前接收方波,正值表示發(fā)射方波滯后接收方波)。表2是長時(shí)間連續(xù)測量同步誤差得到的結(jié)果(每秒測量1次)。

        表2 同步誤差測量結(jié)果(使用RS-485總線)

        由表2可知,經(jīng)過同步后,井下接收與發(fā)射時(shí)間誤差小于400ns。同步誤差為400ns時(shí),對于1kHz的信號其相位誤差是0.144°;對于5Hz的信號其相位誤差為0.00072°。對于5Hz~1kHz的信號最大可以達(dá)到0.144°的相位測量精度。

        4 結(jié) 論

        (1)對井間電磁成像測井儀收發(fā)同步進(jìn)行了研究;提出基于GPS的收發(fā)同步方法;給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型平臺,進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

        (2)當(dāng)?shù)孛婺M系統(tǒng)和井下儀器模擬系統(tǒng)使用RS-485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊時(shí),對收發(fā)同步誤差進(jìn)行了測定,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明同步誤差小于400ns,在測井儀的信號帶寬內(nèi)(5Hz~1kHz)最大可達(dá)0.144°的相位測量精度。

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