游暢,張雄輝,徐迎新,韓靜靜,陽成軍,蔡志明,李宏

(1.中國石油集團測井有限公司西南分公司,重慶 400021;2.中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶井下工程技術發(fā)展研究中心,陜西 西安 710201)

0 引 言

油氣井的生產需要根據(jù)實際情況,設計出可以增加該油氣井產量的各種技術方案,并通過實驗找出各種特定條件下最適合該井的采油采氣最佳方案。如果利用正在生產的油氣井做實驗,既不實際也不經濟。因此,可利用現(xiàn)有的實驗井,通過模擬各種條件下井內流體的狀況[1],指導實際生產方案。本文提出了井下多點參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)需要在實驗井的不同井深處安裝相應的測量傳感器,如溫度、壓力等,以獲得可靠的井下實時數(shù)據(jù),這種實時高速可靠數(shù)據(jù)傳輸就成了整個實驗系統(tǒng)的關鍵。

1 井下多點參數(shù)監(jiān)測儀通信技術難點

井下多點參數(shù)直讀監(jiān)測與傳統(tǒng)生產井井下監(jiān)測不同[2],傳統(tǒng)監(jiān)測是在井下單點傳輸,信號傳輸?shù)木嚯x固定,對信號衰減也固定,因此,只需要在接收端把增益調整到某一合適的值,就可以穩(wěn)定地獲得井下儀器數(shù)據(jù)信號。井下多點參數(shù)直讀監(jiān)測系統(tǒng)[3]的井下儀器是分布在距離不等的電纜上,各儀器信號傳輸距離相差10倍以上,到達地面的信號大小會相差幾倍至幾十倍,一般的信號恢復電路或模擬均衡處理很難勝任這種信號的恢復工作[4]。由于實驗研究數(shù)據(jù)高精度的要求,需要在單芯電纜上進行高速數(shù)據(jù)傳輸,因為各個井下測量短節(jié)所處的深度不同,等效電纜長度不同從而導致變形失真程度也不同,各個短節(jié)通信參數(shù)需要分別調節(jié)以適應不同短節(jié)的通信需要。如果針對每一個短節(jié)設計一個不同增益放大和均衡補償電路,則電路復雜,且不容易增加儀器的數(shù)量,更不能改變儀器在井下分布順序。針對以上技術難點,本文提出了數(shù)字程控均衡處理系統(tǒng)[5]。

2 均衡系統(tǒng)設計原理及方案

均衡系統(tǒng)設計主要完成2個方面的功能:地面系統(tǒng)對不同深度儀器的信號恢復;井下儀器對可變參數(shù)的調節(jié),如增益、補償強度和補償頻率等,因此,均衡系統(tǒng)設計分為地面系統(tǒng)和井下儀器2部分。

2.1 地面系統(tǒng)的均衡系統(tǒng)設計原理

由于井下多點參數(shù)直讀監(jiān)測儀在井下非均勻分布,測量短節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸始于不同的電纜位置,設計了數(shù)字程控均衡處理系統(tǒng),該系統(tǒng)具有較強的抗干擾和信號識別能力,數(shù)字處理系統(tǒng)能自動調整以適應不同長度和類型的電纜,即使電纜或間距不同也能自動調整至最佳狀態(tài),完全無需人工干預,地面系統(tǒng)的信號處理流程見圖1。

圖1 信號處理流程圖

前級處理為簡單的模擬濾波電路,主要是去除電纜信號中的噪聲,提高信號的驅動能力,AGC電路對信號的幅度進行均衡處理[6],使信號幅度大致相同,ADC電路對輸入的模擬信號進行數(shù)字化處理[7],將模擬信號轉變?yōu)閷臄?shù)字序列,數(shù)字自適應濾波器由DSP和FPGA協(xié)處理器組成[8-9],對輸入的數(shù)字序列進行復雜的運算處理,使之轉化為容易識別的數(shù)字序列,再由數(shù)字信號鑒別器處理成測量短節(jié)的測量數(shù)據(jù),經格式變換后由USB輸出。

2.2 井下儀器的均衡系統(tǒng)設計原理

井下儀器處于井筒內不同的位置,電纜長度不同,再加上各個儀器之間電路信號的互相影響,所以每支井下儀器的接收增益、補償強度和補償頻率都需要單獨調節(jié),以滿足不同深度的儀器信號傳輸和通信要求。要完成這個目標目前只有2種方案可行:①針對每一個短節(jié)設計一個均衡補償模塊;②設計一個參數(shù)可變的均衡補償模塊,針對不同測量短節(jié)調整不同的參數(shù)。

2.3 均衡系統(tǒng)的方案設計

針對井下儀器均衡系統(tǒng)的2種設計方案:①每一個短節(jié)設計一個均衡補償模塊,需要為每支儀器的接收分別制作1套放大和補償電路,假設接收10組測量數(shù)據(jù),就需要10個相似的電路,太復雜,而且不容易增加儀器的數(shù)量。②設計一個參數(shù)可變的均衡補償模塊,電路簡單,改變儀器的數(shù)量比較容易,但是調整參數(shù)需要穩(wěn)定時間,同時需要同步命令,才能準確檢測到短節(jié)的標記,調節(jié)相應的參數(shù)。根據(jù)實際應用和系統(tǒng)需求,采用參數(shù)可變均衡補償方案更優(yōu)(見圖2)。圖2中命令表示地面發(fā)送的傳輸命令;儀器1、儀器2……儀器10表示儀器在不同增益下的接收數(shù)據(jù)。

圖2 命令和數(shù)據(jù)波形幅度示意圖

參數(shù)可變均衡補償系統(tǒng)的工作原理見圖3。信號接收的核心是可控增益放大器和可調均衡器?？煽卦鲆娣糯笃鲗⒔邮招盘柗糯蟮胶线m的幅度,方便接收;可調均衡器補償電纜的特性,恢復接收信號,使其能夠被正確解碼。同步發(fā)生產生一井下與地面的時間同步信號,觸發(fā)后,井下按照約定的時間順序發(fā)送數(shù)據(jù),地面按照約定的時間順序接收信號,地面程序按照約定的時間順序調節(jié)均衡器的參數(shù)(預調參數(shù))恢復信號波形,同時按照約定的時間順序檢測幅度并調節(jié)增益(自動增益),完成信號的接收恢復。另外,由于參數(shù)調節(jié)后需要穩(wěn)定時間,所以在每個通道之間插入足夠的時間空隙。由于接收的通道比較多,預調參數(shù)獲取比較麻煩,因此,加上必要的狀態(tài)指示以便調節(jié)。

圖3 均衡系統(tǒng)工作原理框圖

3 均衡系統(tǒng)數(shù)字信號分析及處理結果

3.1 信號恢復處理

井下儀器與地面數(shù)據(jù)采集控制存儲系統(tǒng)通過單芯測井電纜進行通信,地面數(shù)據(jù)采集控制存儲系統(tǒng)為主動的半雙工通信模式[10],定時(0.1 s)向井下儀器發(fā)送1個非常簡單的數(shù)據(jù)采集命令,井下儀器按照預定好的順序1次向地面發(fā)送數(shù)據(jù)。波形如圖4(a)所示,前面2個負脈沖(間隔3 ms,寬度200 μs)為采集命令也叫同步,后面的10個黑塊就對應10個井下儀器的數(shù)據(jù)。每組井下數(shù)據(jù)持續(xù)時間約6 ms,間距大約3 ms。圖4(b)是數(shù)據(jù)組中數(shù)據(jù)的細節(jié)顯示。

圖4 數(shù)據(jù)波形圖

數(shù)據(jù)開始是0.5位交替變換的“0”和“1”,稱為導碼,后面是1.5位寬的“1”和“0”稱為同步,再后面是0.5位寬“1”和0.5位寬“0”,表示數(shù)據(jù)位1,或是0.5位寬“0”和0.5位寬“1”表示數(shù)據(jù)位0。

從圖4(b)可見,通過單芯電纜傳輸?shù)男盘栆呀浻行┳冃?主要是高低不平),需要恢復信號波形,才能正確解碼?；謴椭饕ㄟ^放大、均衡補償、比較鑒別和解碼。放大目的是使被電纜衰減的信號恢復幅度,并通過調節(jié)增益得到合適的幅度;均衡補償?shù)淖饔檬羌m正變形的信號,通過調節(jié)補償強度和補償頻率,使信號恢復;比較鑒別是將模擬信號轉換成數(shù)字信號;最后進行解碼,完成接收。

系統(tǒng)通過設計一個參數(shù)可變放大和補償電路,實時改變其參數(shù)以達到匹配不同井下儀器的目的。將接收的參數(shù)組(包含增益、補償強度、補償頻率)參數(shù)1到參數(shù)10分別對應到不同的10支井下儀器[見圖5(a)]。發(fā)送后,經過2.5 ms用參數(shù)10的參數(shù)設置接收電路特性,使其適合井下儀器10的接收。再經過9 ms,用參數(shù)9的參數(shù)設置接收電路特性,使其適合井下儀器9的接收……直到參數(shù)1匹配井下儀器1,完成一次循環(huán)。這樣,系統(tǒng)自動適應了不同井下儀器的接收均衡功能,將接收的圖5(a)中的不規(guī)則信號恢復成如圖5(b)所示的規(guī)則信號,其細節(jié)見圖5(c)。

圖5 信號恢復處理

不論從細節(jié)還是整體看,信號都得以恢復并完成數(shù)據(jù)的接收。接收信號經過模擬電路處理恢復后,進一步提高接收性能,增加可靠性。將信號進行模數(shù)轉換,轉換成數(shù)字信號后,用數(shù)字信號處理方式對信號進行進一步處理,主要是對信號進行濾波,濾除無用的頻率分量,留下有用的頻率分量。處理后不能產生相位失真,因為相位失真會導致已經通過模擬電路恢復的信號再次失真。數(shù)字信號中FIR(有限沖擊響應)濾波器有線性相位特性[11],不產生相位失真。所以,用FIR濾波器對信號進一步處理,提高接收性能。經過模擬和數(shù)字處理的接收信號,波形基本恢復,幅度達到合適范圍,變換成數(shù)字邏輯信號進行解碼。

3.2 數(shù)據(jù)位邊沿定時修正解碼處理

接收解碼模塊將曼徹斯特編碼信號變換成字節(jié)數(shù)據(jù)。檢測到同步位后定時采集數(shù)據(jù)位,每8 bit輸出1 B數(shù)據(jù)。但是,由于同步位后的數(shù)據(jù)位很長(>3 000 bit),地面和井下儀器時鐘偏差、同步位傳輸過程中的寬度改變,這些因素的累積會使按定時采集數(shù)據(jù)位的位置發(fā)生錯位,導致接收錯誤[見圖6(a)]。

解碼模塊有自動微調的功能,使定時采集數(shù)據(jù)位的位置自動根據(jù)數(shù)據(jù)調整。由于曼徹斯特碼在數(shù)據(jù)位中間肯定會有邊沿產生,所以利用數(shù)據(jù)位中間的邊沿[見圖6(b)中下面的箭頭位置]定時進行修正,從而糾正了采集位置,保證正確地接收解碼。

3.3 誤碼率測試

系統(tǒng)為滿足實時傳輸要求,同時結合地面解碼系統(tǒng)器件特性、地面軟件數(shù)據(jù)記錄等多方面因素,選取100 ms的傳輸周期,即地面系統(tǒng)每100 ms下發(fā)一次同步信號,10只測量短節(jié)依據(jù)地址順序依次上傳數(shù)據(jù),每個測量短節(jié)占據(jù)約10 ms的傳輸時間,傳輸約60 B。系統(tǒng)每100 ms傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量為600 B,現(xiàn)場進行了連續(xù)3 d的數(shù)據(jù)傳輸測試,地面沒有顯示通信錯誤信息,共測試字節(jié)12 Gbits,誤碼率小于1×10-10(見表1)。

圖6 解碼校正前后波形圖

表1 誤碼率測試

4 應用效果

井下多點參數(shù)直讀監(jiān)測系統(tǒng)能模擬現(xiàn)場油氣井全生命周期的采油采氣過程,并獲取先導性的實驗數(shù)據(jù),為油氣井開采工藝提供技術支撐?，F(xiàn)場應用表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定,取得的數(shù)據(jù)準確。地面軟件能夠通過管柱圖實時顯示10個短節(jié)位置及其測量到的井筒實時溫度、壓力變化,同時能夠通過10個短節(jié)測量到的井筒參數(shù)計算任意兩短節(jié)間流體管路摩阻,能夠分析井筒氣液兩相流流型(見表2)。系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性已通過測試,滿足使用要求。

表2 氣液兩相流流型分析

續(xù)表2

5 結 論

(1) 程控均衡系統(tǒng)解決了多點參數(shù)直讀監(jiān)測儀通信中的2個難題:井下監(jiān)測儀器非等距分布的信號恢復;單芯電纜上數(shù)據(jù)高速傳輸時,由于各短節(jié)等效電纜長度不同,信號波形失真程度不同,需要為每支儀器調節(jié)不同參數(shù)以適應穩(wěn)定通信。

(2) 針對井下儀器的均衡系統(tǒng)設計提出了2種方案:針對每一個短節(jié)設計1個均衡補償模塊;設計1個參數(shù)可變的均衡補償模塊,針對不同的短節(jié)調整不同的參數(shù)。由于第2種方案電路簡單,改變儀器的數(shù)量比較容易,故選擇了該設計方案。

(3) 通過實驗測試,通訊誤碼率低于1×10-10,證明了程控均衡系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性較高。該系統(tǒng)在現(xiàn)場應用中,取得了準確的數(shù)據(jù),能提供必要的流體力學參數(shù),分析井筒氣液兩相流流型,為現(xiàn)場氣井的排水采氣方案的制定提供實驗依據(jù)。