（信号与信息处理专业论文）多分层试井仪数传系统研究.pdf

论文题目：多分层试井仪数传系统研究 专业：信号与信息处理 硕士生：郭朝阳( 签名) 盈盈丝。 指导教师：胡长岭( 签名) 洳址一 摘要 在石油勘探工程领域中，多分层数传系统在其领域发挥着不可或缺的作用。研究多 分层试井仪数据传输系统的意义在于该系统抗干扰、抗噪声能力强、可靠性高、安全保 密性能好；有利于数据的高速传输。就数传系统中的井下电子单元而言，其承担着数据 采集、调制解调、数据传输等多项任务，不难看出其工作量是巨大的。因此，必须搭建 一个高性能的实时信号处理系统来满足处理需求。 本文主要研究内容包括：多分层试井仪井下调制解调器电路设计，多分层试井仪井 下数传电路与井下仪器之间的通信方式。该系统的特点在于不仅具有很高的处理功能， 同时还具有广泛的通用性和深度的扩展性。目前，多分层试井仪数传系统在测井方面应 用比较广泛。 在文中，作者给出了调制解调电路设计的方案与基本实现，并通过实际测试，完成 了多分层试井仪数传电路与井下仪器之间的通信方式。作为系统设计不可分割的一部分， 作者还在文中研究了b p s k 调制解调方式、幻象供电，成功实现了信号在井下的远距离 传输。 关键词：多分层试井仪调制解调器b p s k 幻象供电 论文类型：应用研究 i i 英文摘要 s u b j e c t ：m a n yl a y e r e dw e u t e s ti n s t r u m e n td i g i t a ls y s t e m sr e s e a r c h s p e c i a l 坶：s i g n a la n di n f 0 r m a t i o np r o c e s s i n g n a m e ： g u 。c h a 。y a n g ( s 追n a t u r e ) 厶丝翌型喳罢孑芝! 笔舌 i n s t n l c t o r ：h uc h a n g n g ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t 1 1 1p e t m l e u me x p l o r a t i o ne n g m e e r i n gf i e l d ，m o r el a y e r e dd i g i t a ls y s t e mi 1 1i t s 丘e l dp l a y a i li i l d i s p e n s a b l er o l e s t u d yw e l lt e s ti i 塔t 1 1 l m e n t l a y e r e dd a t at r a i l s m i s s i o ns y s t e mi st h e m e a n i i l go ft h j ss y s t e ma n t q a n l i n m g ，a n t i n o i s ea b i l i t ys t r o n g ，h i 曲r e l i a b i l i t 弘t h e c u r i t y p r o p e r t i e si sg o o d ；t h eh i g h - s p e e dd a t at r a l l s i l l i s s i o nt o i st h ed 远i t a ls y s t e m sd o w l i h o l e e l e c t r o n i cu n i ti sc o n c e m e d ，“su n d e r t a k m gt h ed a t aa c q u i s i t i o 玛d e m o d u l a t i o l l ，t h ed a t a t 啪s i l l i s s i o ne t c s e v e r a l t a s l 【s ，a 1 1 di ti se a s yt os e ei t sw o r k l o a di sh u g e t h e r e 内r e ，w em u s t b u i l dal l i g h p e r 向咖n c er e a l - t h es i g m lp r o c e s s i i 培 s y s t e m t om e e tt h e p r o c e s s i n g r e q u i r e m e n t s t 1 1 i sp a p e rm a i l l l ys t u d i e si 1 1 c l u d e ：m o r el a y e r e dw e nt e s ti i l s t m m e n td o w l l h o l em o d e m s c i r c u i td e s i 9 1 l ，t h en l o r el a y e r e dw e l lt e s ti 1 1 s t r u i n e n td o w i l l l o l ed 远i t a lc i r c u i t sa n du n d e r g r o u n d i i l s t r u l n e n to fc o m r n u n i c a t i o nb e t w e e nt h ew a yt l l i ss y s t e mf e a t u l l e sn o to n l y1 1 a s1 1 i g h p r o c e s s i l l g 龟i l c t i o n s ，b u ta l s ol l a saw i d eu l l i v e r s a l i t ya n dd e p t ho fe x t e n s i b i l i t ya tp r e s e n t ， 1 1 1 a n yl a y e r e dw e u t e s ti 1 1 s t r u r i l e md 远i t a ls y s t e m si 1 1l o g g i i l gi i lt h ea p p l i c a t i o no ft h eb r o a d e r 1 1 1t 1 1 i sp 印e r ，t h ea u t h o r sg i v et h ed e i n o d u l a t i o nc 毗u i td e s 远ns c h e m ea n dr e a l i z et h e b a s i c ，a n dt l o u g ht h ea c t u a l t e s t ，c o i i 】p l e t e dm a n yl a y e r e dw e l lt e s ti n s t r u m e n td 远i t a lc i r c u i t s 锄du i l d e 唱r o u n di 1 1 s t m m e n to fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ew a yc o m p o s i t i o ns y s t e md e s i g n i sa ni n s 印a r a b l ep a r to ft h ea u t h o ri i lt h i sp a p e rs t u d i e ss o m eb p s km o d u l a t i o nd e m o d u l a t i o n m e t h o d ，p o w e rs u p p l 弘t h ei 1 1 u s i o ns u c c e e d e dt or e a l i z et h ed o 池l es i g n a li i ll o n g - d i s t a n c e t r a n s m i s s i o n k e y w o r d s ：m s w t ，m o d e m s ，b p s k ，砌丌 t h e s i s ：a p p 肚c a t i o nb a s i cs t u d y i i i 第一章绪论 1 1 课题背景与来源 1 1 1 项目背景及意义 第一章绪论 石油，被称为工业血液，“黑色的金子 ，世界第一战略物资。因此，寻找和开采石 油对国家工业的发展是十分重要的。同时，随着世界经济的发展，石油作为不可再生能 源在各个国家的战略地位越来越高。为了充分利用这些能源，尽可能减少开采中的损失， 在石油勘探开发方面，世界发达国家都非常注重新技术的研究与应用。 长期以来，采油工程设计、堵水、增产、三次采油及油田的高效高产开发，都迫切 要求提供油气生产井分层测试技术。而目前国内及国外尚无适用于油气生产井分层地层 测试或分层试井的仪器和工具，国外主要用裸眼井电缆地层测试代替，而国内则无技术 可以利用。 我国早期开发的十几个大中型油田，如：大港油田、吐哈油田、大庆油田、胜利油 田等，经过几十年的持续开采，这些油阳的石油产量都在逐渐递减，后继储量的主要探 区是西部区域、东部深层地层、北方侏罗纪地层等复杂沉积环境。它们的储层地层情况 更加复杂，低孔、低渗、薄瓦层，用以往的技术已经不能准确描述地层状况，因此，我 们需要更先进、更精密的测井仪器，及时掌握油藏动态，便于后期开采。 套管井电缆地层动态测试器即多分层试井仪l l j ，可以开展油气牛产井的分层动 态测试。其所取资料必然对油藏工程、油田开发调整设计、采油工程设计、堵水、增产、 三采及高效高产开发油田发挥重要作用。每口牛产井都需要进行逐孔段地层动态测试， 因此经济效益巨大。本类型为国内外首创，国内国外都十分需要，市场前景巨大。 在电缆中以模拟传输的信号会由于电缆电阻和电容特性而衰减或改变仪器信号，这 将引起结果的不准确性，甚至错误。随着测井技术的发展，传输的数据量急剧增加，对 传输质量可靠性的要求越来越高。由于数字传输更能适应这些要求，模拟传输正逐步为 数字传输所取代吲。2 0 世纪8 0 年代以来，以数字通信技术为基础的遥测系统在测井行 业成为领先技术。随着数字通信领域的先进技术和新型元器件的不断采用，遥测系统的 通信速率也在不断提高，目前已达5 0 0 k b s ，从而满足了各种新型测井仪器对数据传输 的要求，使测井质量得到了飞跃性的发展。 由于测井时所获得的信息量越来越多，因此数据传输就成为了一个突出的问题。井 下仪器的种类多种多样，特别是现在发展的成像测井技术，要上传的数据信息量非常大， 这就要求有一个统一的、高速的传输系统来传输数据。其数字传输系统抗干扰、抗噪声 能力强、可靠性高、安全保密性能好等。目前该系统在测井方面应用比较广泛。 西安石油大学硕士学位论文 1 1 2 课题来源 本课题以西安市科技局重点科技攻关项目多分层试井仪( 合同编号g g 0 5 0 4 5 ) 科研项目为背景，在已有的国内外产品和技术的基础上，针对多分层试井仪的数传电路 部分，研制和开发的井下数传系统，以提升我国试井仪数传系统的发展水平，缩小我国 试井仪数传系统与国外先进水平的差距，满足国内各大油田针对测井数据采集高可靠性、 高稳定性的迫切需求，对提高测井数据传输质量，降低后期数据处理成本，全面提高测 井效率有积极的综合效应。 1 2 多分层试井仪的国内外研究现状 多分层试井仪即套管井电缆地层动态测试器，集测井、地层测试、试井技术于一身， 完成储层动态参数测试l j j ；在生产井无管柱状态下进行，不对油气井产生任何影响，可 多次对欲测试射孔段地层做双封隔器座封，摄取地层流体，进行不稳定试井；可以开展 油气牛产井的层内垂直动态精细测试，分层段测定地层静止压力、地层渗透率、采液指 数和地层污染系数；对于厚油层，由测出的各层段地层压力梯度连接线，可以确定气 油水两相界面。 1 2 1 国外研究现状 法国斯仑贝谢公司在7 0 年代前生产过“套管井地层流体取样器 。美国阿特拉斯公 司在7 0 年代也牛产过“套管井地层流体取样器”。美国哈里伯顿公司于八十年代末生产 过可用于套管井的“选择性地层测试器”。美国天然气研究院于1 9 9 1 年发明了“带喷流 射孔器的电缆地层测试工具”。它们都携带聚能射孔弹，先对预测试层的测点进行射孔， 再利用地层流体进入仪器预测试室的流动过程和恢复过程的压力变化，测定地层静止压 力和地层渗透率。1 9 9 7 年1 2 月法国斯仑贝谢公司发明了一种套管井取样测试仪器，使 用井下电动钻头钻穿套管和水泥环，取样测试完毕后，由液压装置将孔用堵塞器堵塞， 一次下井可填塞l o 个孔。 2 0 世纪9 0 年代，斯伦贝谢公司的m a x i s 5 0 0 测井系统数据传输能力就达到 5 0 0 k b s ，哈里伯顿公司新一代快速测井系统l o g i q 的数据传输速率在电缆长度为7 6 0 0 m 时达到8 0 0 k b s ，而电缆长度为1 2 0 0 m 时数据上传速率为2 m h z ，井下仪器总线数据传 输速率为1 0 m h z 。8 0 年代末9 0 年代初a t l a s 设计了一种新的遥传仪叫w r s ( w 的l i i l e t e l e m e t 巧s y s t e m ) ，w t s 采用的是a m im a n c h e s t e r 的数据传输方式，其传输速度可达 2 3 0 k b s l 斗j ，其传输速度比以前的仪器提高了1 0 倍。 从1 9 6 7 年伯尔和韦克利研制并获得美国专利的世界上第一套地层测试器间世后，地 层测试技术获得了长足的发展，各类成系列的先进地层测试器，满足了陆地和海上大斜 度井、高产井测试技术的需要。美国开发运用测试技术历史长，发展快，现在仍处于领 2 第一章绪论 先地位。前苏联在石油勘探中，也普遍运用地层测试技术，但先进工具仍从美国引进。 在美国从事测试技术研究和设备制造的众多公司中，享有盛誉的是江斯顿 ( j o h n s t o n ) 、哈里伯顿( h a l l i b u i 盯o n ) 和贝克莱因斯( b 舢江r l 州e s ) 等 公司。这些公司的各类成系列、有代表性的先进地层测试器的工作原理相同，而结构各 异，各具特色，代表着世界先进水平。 1 2 2 国内研究现状 我国从1 9 6 5 年开始研制电缆式地层测试器，到1 9 6 9 年研制出了电缆式地层测试器 样机参加北京展览，1 9 7 5 年生产出了可实际测井的仪器( d c 7 5 电缆地层测试器) ，到 1 9 7 8 年共生产出6 套1 2 支仪器，由石油部分别分配给各个油田，曾在大庆、华北、大 港等油田试用，但在实际过程中，基本上都没有怎么用过。 随着3 6 0 0 测井仪的引进，1 9 7 6 年我国开始纯技术引进的道路。八十年代中期以后 我国引进的3 7 0 0 系列仪器f m t ( 多次电缆地层测试器) 和c s u 系列的i 心t ( 重复式电 缆地层测试器) ，都是国际通用的仪器，在水平上都是属于世界先进的技术，但是，它们 都是用于裸眼井的仪器。1 9 9 0 年以后，西安石油勘探仪器总厂生产了3 7 0 0 系列的f m t 3 0 余套，武装了我国各个油田。另外，中国船舶工业总公司7 0 5 研究所与中原油田测井公 司联合，研制出了c d c 重复式地层测试器，生产了1 0 余套c d c 。1 9 9 2 年我国引进哈 里伯顿公司s f t - 5 型选择性地层测试器，可以进行套管井电缆地层测试。由于没有适用 的技术，目前国内生产井的动态测试进行的很少，只在后期进行少量的和一些定性的生 产测井，给不出定量结果，分层的渗透率、地层静压等参数无法测取，因此在石油牛产 测井中，迫切需要适用于生产井的电缆式地层动态测试器。 测井系统通常由地面仪器和井下仪器两部分组成，测井装备已经发展为一套完整的 由计算机控制的数据采集、数据传输、数据交换和数据实时处理系统。随着测井技术的 快速发展，尤其是成像测井仪的发展，使得在测井过程中，要求获得的地层信息量越来越 多，上传得数据量也急剧增加，这就要求必须提高数据传输速率，于是具有高速传输效 果的遥测通讯系统应运而生，其机制就是选择合理的传输模式并对信号进行编码调制， 以保证其传输质量和可靠性。数字传输更能适应当前对信息传输数量和质量方面提出的 越来越高的要求。与模拟传输相比，数字传输具有抗噪声能力强，传输质量高，数字信 息易于加密且保密性强等特点。数字传输在测井方面应用比较广泛。数字信号的传输方 式主要有：基带传输、频带传输、载波传输和异步传输模式( 删) 。其数字调制主要 分为三种基本方式：幅度键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 和相移键控( p s k ) 。为了提 高传输效率，可以采用多进制数字调制，如m 进制幅度键控( m a s k ) 、m 进制频移键 控( m f s k ) 和m 进制相移键控( m p s k ) p j 。 目前数据通信丰要采用单工、半双工和全双工三种通信方式p j 。单工数据传输是两 西安石油入学硕+ 学位论文 数据站时间只能沿一个指定的方向进行数据传输。半双工数据传输是两数据站之间可以 在两个方向上进行数据传输。但不能同时进行。全双工数据传输是在两数据站之间，可 以在两个方向上同时进行数据传输。在串行传输中，针对字符同步问题，有两种解决方 法：异步传输和同步传输。 1 3 论文研究的主要内容 本论文主要研究多分层试井仪数传系统。其主要内容包括：多分层试井仪井下调制 解调器电路设计、多分层试井仪井下数传电路与仪器之间的通信方式。运用b p s k ( 双 相位相移键控) 的基本原理，分别针对调制解调器的调制模块和解调模块进行理论设计， 同时对其进行仿真，通过调整电路及各元器件参数，使其仿真效果达到最佳，并初步确 定其设计方案；利用已设计好的调制解调器及已确定的电缆传输模式来搭建实验平台， 检验其方案的可行性，并针对实验中出现的问题，对原设计电路进行改进、完善，反复 实验，最终确定设计方案；选择半双工通信方式实现数传电路与井下仪器之间的数据传 输，在向上和向下连接方式上提供共享数据。 1 4 论文的主要组织结构 本论文主要研究一种新型的地层测试器一多分层试井仪井下数字传输系统方案设 计。 第一章介绍了本论文研究的目的和意义，在了解其国内外研究现状的基础上，提出 本论文研究的主要内容和技术路线。 第二章介绍了多分层试井仪数传系统基础理论；以及多分层试井仪数传系统传输通 道；及电缆传输模式、c t s 信息传输系统、井下d t b 总线以及幻想供电做了详细介绍。 介绍了多分层试井仪数传系统常用的编码调制方式，c r c 循环冗余码的工作原理、编码 原理以及其特点；最后多分层试井仪数传系统设计方案，并在电缆遥测通讯的基础之上， 引出了多分层试井仪的信息传输系统以及在电缆传输时采用的调制解调方式( b p s k ) ， 并对调制解调电路运用m a x + p l u si i 软件进行仿真处理。 笫三章研究的主要内容为多分层试井仪的井下电路系统方案设计；基于t i 公司的 t m s 3 2 0 系列的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的片上资源及其功能模块的介绍，对本系统进 行了电路的方案设计。本系统的包含的丰要电路有电源转换模块、数据采集和模数转换 模块、以及数据处理模块；软件方面介绍了基于d s p 的仿真开发软件c c s 开发系统， 包括其i d e 集成开发环境、硬件仿真和实时数据交换以及c c s 仿真的硬件连接图以及 本系统的软件设计的方案。 第四章着重对论文所做的工作进行归纳、总结，并对新型地层测试器多分层试 井仪的数传系统今后的研究工作提出自己的建议和看法。 4 第二章多分层试井仪数传系统设计 2 1 系统综述 第二章多分层试井仪数传系统设计 测井信息传输有模拟传输和数字传输两种。在早期，各油田的测井仪器主要采用模 拟传输方式。但随着石油工业、电子工业和计算机科学的快速发展，测井仪器和测井方 法也发牛着日新月异的变化。在测井中对信息传输数量和质量方面提出了越来越高的要 求，与模拟传输相比，数字传输更能保证数据传输的质量和可靠性。因此，本论文主要 讨论数字信息的传输问题。 各种井下传感器所测得的数据，经过适当的处理之后传送到地面，再经进一步信号 处理和测井解释，才能获得所需的各种参数和信息。测井信息传输系统与通用的信号传 输系统不同，它属于特殊类型的信息传输系统。因此，除一般信号传输系统的基本要求 之外，还需满足以下要求：1 ) 能够传送多路信息。随着新型的井下仪器的不断涌现以及 多种井下仪器的组合应用，测井信息通道也不断增加。在测井信息传输系统中，要把这 种不同的多道井下信息，可靠而实时的传送到地面，采用的都是时分多路的方式传送多 路信息的。2 ) 信息传输采用双工方式。在测井过程中，很多井下仪器都是由地面提供控 制命令和参数调整命令。所以，测井信息传输系统必须为地面和井下提供双向传输通道， 并且还应具有供电功能。3 ) 具有较高的数据传输速率。众所周知，斯伦贝谢公司的 m a x i s 一5 0 0 测井系统的信号传输速率已达5 0 0 k b s ，新发展的成像测井仪所需的有效数 据传输率将高达5 m b s ，而将来的垂直剖面测井仪的数据速率将超过2 0 m b s 。因此进一 步提高测井信息传输系统的数据传输速率是十分重要的。4 ) 能在恶劣的环境下可靠的工 作。像一般井下仪器一样，要能满足温度( 1 7 5o c 以上) 、压力( 1 4 0 m p a 以上) 及冲击、 振动等要求。 通常，测井信息传输系统由井下遥传单元和地面遥传模块两部分组成。井下遥传单 元接收地面遥传模块传送下来的命令，并把命令送至相应的井下仪器控制其工作或改变 其有关参数；接收各种在测井过程中井下仪器采集的数据。地面遥传模块的丰要功能是： 接收计算机指令和向井下遥传单元转发指令；接收井下遥传单元传送上来的测井数据， 并输送给计算机。 为了保证测井信息传输系统可靠工作，满足各种测井作业的要求，必须妥善解决好 一系列的技术难点。其主要技术关键包括以下几个方面： 1 ) 在一定的传输速率下，保证传输的可靠性。由于测井信息传输通道特性的限制， 解决好传输速率与传输可靠性之间的矛盾并非易事。当然，要在可靠传输的基础上，尽量 设法提高信息传输速率。从6 0 年代起，测井仪纷纷开始了数字化，但是那时的数字信息 量较小，所要求的传输速率一般都小于1 0 k b s ；进入8 0 年代，由于采用较好的传输方式 5 两安石油人学硕士学位论文 以及编码方式，传输速率已达1 0 0 k b s ；9 0 年代以来，为满足各新型测井仪对数据传输的 要求，各大测井公司先后采用数字通信中的先进技术和新型元器件，使信息传输速率超过 5 0 0 k b s 。所以说，不断解决这一关键技术是测井信号传输系统发展的主要动力。 2 ) 进一步提高井下遥传单元的可靠性。随着新型井下仪器的发展和井深的增加，井 下遥传单元的可靠性显得更为重要。 多分层试井仪属于一种组合式的地层测试器，其信息采集系统经过2 2 芯贯通总线以 模块化方式连接组成。井下模块有：标准的c c s c t s 遥测系统、电源模块、液压动力模 块、单探头模块以及延伸模块、泵抽排模块和多采样模块。各模块通过井下遥测总线 ( d t b ) 挂接在标准c c s c t s 遥测系统中，各模块中电子线路的主要目的：为使得井上 采集控制计算机通过d t b 总线向各模块发送指令以控制其工作，并通过d t b 总线接收 来自各模块中的状态数据和测量数据，根据命令完成相应的动作、控制、操作。 2 2 电缆遥测通讯基础 在井下和地面之间传输信息，其通道一般有电缆、钻井液以及地层空间等。在本节 主要介绍电缆通道的相关内容。 2 2 1 电缆传输模式 地面遥测模块 井下 遥澳 短节 井下 电缆 声波波形信号 图2 1c t s 通讯系统原理图 6 至主机 第二章多分层试井仪数传系统设计 多分层试井仪由地面部分和井下仪两部分组成。其中井下仪主要是对地层信息进行 采集和初步处理，然后经过电缆发送数据到地面，它要求有耐高温、耐高压的基本性能。 地面部分主要是接受井下仪上传的各种数据，并送到计算机进行处理，再由绘图仪形成 曲线图和成像图，以及对井下发送命令。井下仪和地面部分之间是通过电缆连接的，其 电缆不仅承受着井下仪的重力，而且还担负着通讯的传输线作用。 多分层试井仪通讯系统可分为两部分：地面通讯部分和井下仪通讯部分。地面通讯 部分主要负责向井下发送命令，同时接受井下仪上传的数据；井下仪通讯部分负责接收 命令，同时向地面发送数据。地面通讯部分和井下仪通讯部分之间由电缆连接，其结构 如图2 1 所示。 那么什么是模式? 简单的说是信号传输中缆芯的组合方式。根据测井信息传输系统 的要求，7 根缆芯除了要传输信息外，还要同时向井下仪器供电。恰当的组合这些缆芯， 便可以减少供电回路与信号传输回路之间以及被传信号之间的相互干扰。图2 2 给出了 常见的7 种电缆传输方式【，j ，各种方式的特别如下： + l + l m o d e l + 2 m o d e 2 m o d e 4 m o d e 5 m o d e 6m o d e 7 图2 2 七芯电缆的传输方式 m o d e l ：由于把外围6 根电缆并联使用，与缆皮构成回路，这种方式的缆芯电阻最小， 分布电容却最大，带宽最小。这是一种不对称的方式，很少采用。 m o d e 2 ：由于缆芯2 、3 和缆芯5 、6 相距较远，相互间绝缘性能好，适合于做电源 通道。另外，这种接法对电缆皮来说是对称的。故可减少供电缆芯对其他缆芯的串音干 扰。 m o d e 3 ：这种方式对信号驱动的要求比较复杂，一般不采用。 m o d e 4 ：这是两种信号的非平衡驱动方式，很少采用。 m o d e 5 ：与方式二很相似，只不过电缆是互相交叉连接，方式五可与方式二相配合， 7 西安石油大学硕十学位论文 作为另一种向井下供电的方式。由于方式五的频带较宽，故常用做信息传输通道。 m o d e 6 ：此种接法的缆芯电阻值较低，传输速率高，频带依较宽，可用来传输数据 或命令。 m o d e 7 ：缆芯7 居中，与缆皮间的分布电容最小。因此，方式7 具有最平坦的传输 特性，适合用来传输速率高的信息。 由于电缆的传输方式不同，其电缆信号的衰减程度也随着频率的变化而变化。其衰 减程度如图2 3 所示。 a t t e n u a t i o ni nd b 23 夕，14 5 _ 一一，o z= ：；：晓髟 至二= = _ 。_ _一v j -一- 一一一一一一j一? 7 形理名孑 = = = ：=一一一_ 卜4 7 一 巴 二，一 形。 形 l o2 03 0 4 05 06 07 08 0 9 0l o o l l o1 2 01 3 01 4 01 5 01 6 01 7 01 8 0 f r e q u e n c yi nk h z 图2 3 电缆信号衰减一频翠图 由图2 2 以及图2 3 可以发现电缆效率最高且信号衰减最小的是m 5 、m 6 、m 7 ，因 m 2 效果虽说不好，但m 5 、m 7 可以充分利用其缆芯，m 6 传输信号效果虽好，但缆芯 占用最多，实际上仪器除信号线外还有供电线等。 2 2 2 电缆传输通道 在石油测井中，常用的电缆有同轴电缆、单芯电缆和7 芯电缆等。单芯电缆主要用 于牛产测井。7 芯电缆使用非常广泛，亦可取代单芯电缆进行生产测井，具有一定的代 表性。下面就对其工作特性进行分析。 测井电缆是井下与地面之间的信息传输媒介，采用的是普通7 芯铠装电缆，就是由 7 根电缆芯组成，缆芯7 在中央，其外围依次为缆芯1 到缆芯6 。电缆的最外层是钢丝编 织层，保证电缆有一定的机械强度，其长度一般为3 5 7 。电缆的电阻值与电缆长度 成正比，还与缆芯的直径和材料有关，标准的测井电缆阻抗为3 0q 胁，一般为 1 5 0 2 5 0 q 。该电阻将会影响信号的传输。另外，每根缆芯都有其固有电感，七根缆芯平 行排列数千米，分布电容很大，约为1 0 0 p f m 一1 5 0 p f m ，相互问的串音干扰不可忽视， 跚为 如 柏 的 如 如 第二章多分层试井仪数传系统设计 所有这些因素都会造成传输信号的畸变。当某一根缆芯加有信号，在其余6 根缆芯上都 要出现感应信号，其畸变、极性和相位各不相同。因此，任何缆芯上的瞬时电压值，就 是加在它上面的电压信号与其余6 根缆芯对它感应的电压矢量和。 2 2 3c c s c t s 遥测系统 c c s c t s 遥测系统是目前石油测井一种半双工测井信息传输系统，采用b p s k 调制 方式，传输速率为1 0 0 k b s l 驯。即在每位的开始时刻都有一个电平跃变，若该位是“1 ， 在该位中间又有一个电平跃变，因此信号传输所需要的带宽从l o k h z ( 5 0 k h z ) 变化到 2 0 k h z ( 1 0 0 l 【h z ) 。 井下遥测单元原理框图如图2 4 ，其功能是：井下遥测单元是电缆线和井下仪器总 线( d t b ) 的双向接口，它的主要作用是把来自地面的命令，进行滤波和解调，再进行 帧同步检测和循环冗余检验码检查。若f s p 和c r c 均检测正确，定时器接通门电路， 使下行时钟送到调制器，此时，下行命令数据和时钟进行调制，产生合一的波形，送往 仪器总线中的d s i g 上。 图2 4 井f 遥测单元原理框图 向下命令由5 个部分组成：前导零，同步模式字，仪器命令，c r c 字和后导零。每 次共传送6 4 位，其向下命令格式如图2 5 所示。 向井下传送指令时，先送出低位，再传送高位。最初发送8 个先导“o 信号，以便 接收端确定位边界( 进行同步) 。接着的8 位帧同步字f s p ，供识别用。再后面就是用户 定义字和基本指令字，各1 6 位，共3 2 位，前面的2 4 位是真实的命令，第2 5 位是禁止 位，用于仪器有问题时将仪器从d t b 总线上断开。最后7 位是仪器地址，7 位地址可以 定义1 2 8 种不同的仪器。8 位循环冗余校验码c i 配用来判断接收到的命令是否正确。8 位尾“o ”安排在下传命令的尾部，它是结束标志。 9 西安石油人学硕- ：学位论文 遥测短节地址 0 3 0 8 或0 0 1 1 0 0 0 2 这2 5 位中有一位是仪器禁止位 昆“o ” c r c 地址7 位9 位1 6 位8 位f s p先导“o 8 位8 位b 1 5b 9b 8b ob 1 5b ob 7b o8 位 _ 基本指令字+ 用户字一t - 。- 。：i 图2 5 向下命令格式 遥测系统是一个串行，半双工，向上和向下位率为1 0 0 k b p s 的遥测系统。因为遥测 系统工作在半双工方式，这意味着在向上和向下连接方式上提供共享数据，这就要对数 据打包和分时段发送“帧 数据。图2 6 所示为向上遥测帧格式。 时间起点 1r 数据字扣个数据刮数据字2 m l数据字2 n1 6 位c r c 字 旧个零1 6 位帧同步状态字1 j 状态字2 b 1 5廿u f s p = 0 0 31 5 3 8 n = o 2 5 6 0 0 0 0 0 l 1 0 0 1 1 0 1 0 l1 2 _ _ 2 n _ 一 图2 6 向上遥测帧格式 井下仪上传数据格式为：1 6 位同步头、1 6 位下井仪状态字、n 个1 6 位的数据字、 1 6 位循环冗余码c l 比校验字。启动帧采用了一串“0 ”的方式，这可方便决定初始位的 边界位置。由图2 6 向上遥测帧格式可见在其头部有8 位“0 。接下来是帧同步模式字， 它是一个固定格式。地面遥测模块【9 1 通过识别此模式可以准确找出向上数据的起点，当 接收器检测到这个同步方式字时，它就开始接收数据序列。遥测系统发送的帧同步模式 字是一个1 6 位的数( 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 2 或0 3 1 5 3 8 ) 。 状态字l 是一个1 6 位的字，其表示当前遥测仪器的状态，位的含义表示如下： b 1 5 等待位回应信号，当前值为“0 b 1 4 立即发送位相应，当前值为“0 b 1 3 波形使能位相应，当前值为“0 ” b 1 2 没有用，当前值为“o ” b 1 1 c p l d 位，当前值为“l b1o t i m e o u t 错误位，表示帧太长 b 9 命令错误位，最后帧数据c r c 错误被检测到 1 0 第二章多分层试井仪数传系统设计 b 8 一命令接收位，最后帧同步被检测到 b 7 帧长位7 b o 一帧长位o 位1 5 和1 4 定义遥测仪器工作方式1 5 h z ；6 0h z 或立即传输方式。 状态字2 报告电缆头电压和仪器腔内测量的温度，开始的8 个位t 7 t o 用二进制数 表示仪器腔内的温度，转换公式为 c = t ( 2 2 9 ) - 2 7 3 式中，c 是温度，t 是十进制的测量值。 高8 位h 7 h 0 表示电缆头交流峰峰值电压，表示如下 v p p = h ( 0 6 4 8 ) + 2 2 2 式中，v p p 是电缆头峰峰值电压，h 是十进制的测量值。 下井仪通讯总线为3 总线方式，它们是向下信号线、向上时钟线、向上数据通行线， 向上时钟线以菊花链方式工作，即信号以串行的方式通过每一个井下仪器。地面系统发 出的任何指令通过向下信号线在同一时刻传送到每一个仪器单元，只有寻址的仪器单元 才执行该命令。井下仪上传数据由2 2 0 、，：a c 电源的过零点触发，根据地面命令所要求的 数据帧，以串行的方式向每一个仪器单元要数。在收集数据的时间内，上行时钟使数据 帧计数器一直倒计数，当帧计数器的内容为零时，产生一个帧结束脉冲进行复位控制， 结束这一帧数据收集。c c s c t s 的命令采用t 2 模式传送，数据采用t 5 模式传送，一帧 最大可传送6 4 道数据( 包括同步字和校验字) 。 c c s c t s 遥测传输协议是一个半双工的双向高速数据传输协议，地面系统可直接对 仪器单元进行控制，具有较高的通讯检错能力，通讯高度可靠，井下仪组合方便，特别 适合于大数据量传输的常规大组合仪器和某些特种仪器的信号传输。 2 2 4 测井常用的编码调制方式 为了时分多路传输大量的测井信息，充分利用测井电缆的频带宽度，提高信息传输 速率。各种测井的数字化信息，都要进行编码和调制，再经电缆传送到地面。所以，现 就几种常用的编码方式叙述如下： ( 1 ) 脉冲编码调制方式( p c m ) p c m 是双极性归零码( 如图2 7 ) ，其优点是不含直流成分，易于传输。脉冲编码 调制( p u l s ec o d em o d u 协i o n ) 是模拟数据数字化的主要方法。在测井信息采用数字传输 的初期，普遍采用p c m 方式。 两安钿油人学硕+ 学位论文 图2 7p c m 编码方式 脉冲编码调制过程主要分为：抽样、量化和编码三步。抽样是指对模拟信号在时间 域上的离散化过程，即把一个时间上连续，幅度上也连续的模拟信号变换成时间上离散， 幅度上连续的信号。抽样是由抽样门来完成的；量化是把信号在幅度上离散化，变为量 化值( 共有n 个量化值) ；编码是把量化后的信号变换成代码的过程。它是使用一组二 进制代码来表示n 个量化值。 ( 2 ) 曼彻斯特码( m a n c h e s t e ri i ) 曼彻斯特码( m a n c h e s t e rc o d e ，又称裂相码、双向码) 是一种用电平跳变来表示l 或o 的编码，也是一种自动同步的编码方式，即时钟同步信号就隐藏在数据波中。在曼 彻斯特码中每一位的中间有一次跳变，中间的跳变即作时钟信号，又作数据信号；从高 到低跳变表示“l ，从低到高跳变表示“o 。曼彻斯特编码是将时钟和数据包含在数据 流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中有一次 口lo口looli oll1oooo 位一囊 li li li ll i iliiilii lli 牛 几八几f 1n 八n 几兀八八n 厂 、- 、一、， 一步 t 膏位奇技 位一一i l il llf | liillii iiili i 宇 厂 几n 几几几n 几几f 几几兀 ：孑i 焉i 忮- ，t 一一莎t 1 _ _ 口一， 图2 8 曼彻斯特码波形图 跳变，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。但每一码元都被调 制成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的l 2 。 上图( 2 8 ) 是一个2 0 位曼彻斯特码波形图。前三位为同步位，紧跟着是1 6 位数据， 最后为奇偶校验位。根据在同部位中部电平跃变方向，可分出数据同步或命令同步，因 而得知所带的1 6 位是数据或是命令。 1 2 第二章多分层试井仪数传系统设计 ( 3 ) 双相位相移键控( b p s k ) 调制 b p s k 又叫2 p s k ( 双相位相移键控码) ，它是一种“自时钟码”，无需单独的时钟道 和精确的时间传输。时钟瞬时频率即使有较大的变化( 2 0 3 0 ) ，也不会影响所传输的 数据码值。b p s k 波形中没有直流成分，易于传输和处理。此外，b p s k 调制能有效利用 电缆的频带宽度，其位速率与最大传输率之比为l 。显然，b p s k 调制只有0 0 和1 8 0 0 两 种相移，相应电路比较简单，成本低，可靠性高。 ol o 1 l l oolo 非z 厂 厂厂 图2 9b p s k 调制波形图 经b p s k 编码调制后的波形如图2 9 所示。由图可见，b p s k 码中，“0 只在位边 界处有电平跳变，而“1 在位边界和位中央都有电平跳变。也就是用码元中间有变化来 代替l ，中间无变化来代替o ，而在码元的边界处都有跳变。 ( 4 ) 四相位相移键控( q p s k ) 调制 四相位相移键控【1 0 】( q u a d r a t u r ep h a s es h f i tk e y i i l g ) 有四种相移0 。、9 0 。、1 8 0 。和2 7 0 。， 分别代表两位信息0 0 、1 0 、1 1 和0 1 ，其中每一组称为双比特码元。它们分别代表四进 制四个符号中的一个符号。q p s k 中每次调制可传输2 个信息比特，这些信息比特是通 过载波的四种相位来传递的。与b p s k 相比较，q p s k 的传输速率可增大一倍。在实际 中，调制时把数字信息分为两路，分别用0 。和9 0 。的载波进行调制，然后再合成为o p s k 信号。其q d p s k 解调器的实现方案有多种，可以采用差分相干解调，或者由两个b p s k 解调器组成。对于阶数高于四相的p s k 调制器，可以利用脉冲与数字电路借助移位寄存 器或其他方法得出任意相位分割的理想正弦波，以实现8 相、1 6 相甚至6 4 相的p s k 调 制。当然，同样也可以将其等效为多个b p s k 信号实现其解调。q p s k 的调制和解调电 路比较复杂。 ( 5 ) 正交振幅调制( q a m ) q 舢( q u a d r a t u r e 加1 1 p l i t u d em o d u l a t i o n ) 是用两路独立的基带信号对两个相互正交 的同频载波进行抑制载波双边带调幅，利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性， 实现两路并行的数字信息的传输。该调制方式通常有二进制q a m ( 4 q a m ) 、四进制q a m ( 1 6 q w ) 、八进制q a m ( 6 4 q a m ) 等。对应的空间信号矢量端点分布图称为星座图 分别有4 、1 6 、6 4 、个矢量端点。 西安石油大学硕十学位论文 众所周知，码元在带宽为b 信道上的极限传输速率为2 b 。所以要提高信号传输速 率，一般都是利用载波的幅度参数。在i s d n ( 综合业务数字网) 中就采用了2 8 1 q 的编 码方式。从图2 1 0 可以看出，每个码元代表两个二进制位，其数据传输速率就是码元传 输速率的两倍。例如用一个电平代表n 个二进制位，传输速率可提高n 倍，必须传送2 ” 层电平。显然，电平层次越多，传送和接收就越困难。 + 3 + l l 一3 n l ： i o l l ol l 0 0l l1 00 l ； 图2 1 02 8 1 q 编码波形图 对测井电缆来说，传送和恢复8 层电平的信号( 相当于n _ 3 ) ，将十分困难。在数字 通信中，通常采用q a m 来解决这一难题。q a m 是利用已调信号在相同的带宽内使频谱 正交，实现两路并行的数据信号传输，从而把信号传输率提高了一倍。选择不同的电平 数l ，便可以实现不同进制数m 的q a m 调制。例如，选择m = 1 6 ，即为1 6 q a m 信号。 这时l = 1 6 = 4 ，为4 个电平。即每个电平可以代表4 个二进制位，信号传输速率就是 符号传输速率的4 倍。 2 2 5 数传电路与井下仪器通信方式 基本遥测接口【1 l 】示意图如图2 1 1 。d t b 总线是由3 根同轴电缆与3 个5 6 q 电阻组 成的。其作用是在遥测短节和与总线相连的仪器之间传送数据。这三根线分别是ds i g 线、uc l k 线和u d 觚a g o 线。 ( 1 ) d s i g ( 向下信号) 线 d s i g 信号线上的脉冲串通常为3 2 位长度。信号脉冲有三个电平：+ 1 2 v ，0 v 和1 2 v 。 1 2 v 脉冲表示“0 ，+ 1 2 v 脉冲表示“1 ，无信号为0 v 。d i s g 线主要用来向井下仪器 传送命令。信号的向下时钟与数据是混合在一起的，即d i s g 信号既包括数据又包含向 下时钟，井下仪器的d t b 接口可以将d i s g 信号中的这两类信号分离出来。读数时，所 有的井下仪器同时读取这条命令。如果最后7 位地址位为某一仪器的地址，则该仪