一种双向远程控制试井系统的研究与实现

摘要：本系统针对目前压力测井系统井下交互操作难以实现的现状，设计了一套基于无线扩频调制方式进行信号传输的软硬件系统，成功实现了地面控制系统和井下压力计的实时交互通信。系统主要包括地面控制系统、下井控制器和井下控制器三部分，并采用了一种高精度和特定计算方法的压力计模型。实际测量应用表明能够准确地反映井下油气储存情况，满足了远距离试井的实地操作需求，并在很大程度上提高了整个测井的实际效率。
关键词：无线传输；扩频调试；双向通信；地面控制；压力计模型

0 引言
    对于井下油气储存量、油井生产状况及寿命的评价，一个重要的依据即是能够准确有效地获取待测井的压力、温度等参数数据及变化趋势。目前油气井测试采用的主要方式仍是基于井下存储方式，即将测量参数设置好的井下探测器放置在待测地层段采集相关数据，待整个测试周期完成后回收至地面并读取数据。鉴于上述方式无法有效提取油井实时信息，在一定程度上降低了对油井相关操作的效率。本文介绍的试井系统借助下井控制器与井下探测器，通过无线传输方式实现无差错的双向交互通信，能够实时提取井下存储数据，有效提高测井的时效性和传输速率，并很好地满足不同井深及井下各种恶劣环境的测试需要。

1 系统硬件结构概述

    硬件部分如图1所示，主要包括地面控制系统、下井控制器和井下控制器三部分。地面控制系统有三种工作模式：地面模式、中转模式、直接模式。地面模式下主要功能是进行压力计的地面配置和测试。中转模式下，地面控制系统是PC机和井下控制器的连接单元，本身不主动发送指令，但可以进行实时的数据显示。直接模式下地面控制器可以独立控制井下系统，无需PC机参与操作，大大提高了油井现场操作的便携性，主要功能包括井下实时数据计算显示，下井命令发送，井下命令接收和相应井下数据的回传存储。下井控制器是针对下井压力计的功能设计的，主要实现下井过程中的压力实时跟踪，完成压力计的连接保持和压力数据回传。井下控制器是针对井下压力计设计的，主要功能是接收并执行地面控制系统发出的操作指令，完成压力计的电源管理、模式切换、数据回读等一系列功能。

2 远距离数据传输原理
    本文所述方法具有许多技术难点，其中之一是长距离数据传输。井下和下井压力计、电路板工作于距离地面4000～6000m的油井中，井下压力、温度、湿度、噪声与地面有很大不同，此外，由于传输距离太长，传输线的分布电阻和分布电容较大，对所承载的信号衰减很大，另外还存在阻抗调制、脉冲噪声、等幅震荡波干扰等不利因素，难以达到高速传输。为此模拟长线传输做了大量的实验，并在现场用实际电缆做实验，最终采用较为可靠的扩频通信(Spread Spectrum Conummicadon)作为传送命令和数据的方式。
    扩频通信指传输系统中用于传送信息的信号带宽远大于信息本身带宽的通信方式，即将待传送基带信号用扩频序列发生器产生的伪随机编码进行扩频调制从而将频谱扩展，形成扩展带宽的低功率谱密度信号进行传输。接收端采用同样伪随机编码通过相关处理恢复成窄带信号，再解调数据恢复出原始信号数据。
    从香农公式我们可以了解扩频通信的理论来源，在受到加性高斯白噪声的信道中，信道容量由下式描述：
   
    在给定的信道容量下可以用不同带宽和信噪比的组合来传输，若减小其中一项则势必要增大另一项以平衡信道固有的容量。因此，当信噪比太小不能保证通信质量时，常采用宽带系统，即用增加带宽(展宽频谱)来提高信道容量，扩展信号频谱降低功率谱密度，从而使信号幅度降低且隐蔽性好以改善通信质量，这就是通常所谓用带宽换取功率的通信方法。
    本文所述系统扩频信号采用一系列短促的、可自同步的扫描频率chirps作为载波，每个chirps一般持续100 μs，代表最基本的通信符号时间。由于chirps信号的线性扫描带宽比信号带宽要大得多，其线性加速度较高，而等幅振荡干扰的频率加速度一般较稳定，因此设计特定角加速度信号的滤波器可以将该干扰消除。此外chirps波形还具有很强的自相关特性，这种模糊逻辑相关性决定了所有通信系统中的设备，可以同时识别通信系统中任意设备发出的这种独特波形，并且不需要在发送和接收设备间进行同步。图2所示为扩频载波chirps一个周期的波形图。

    系统所选通讯接口控制器是一个高度集成化的收发器和信道存取接口，采用扩频载波(Spread Spectrum Carrier)技术，适用CEBus接口标准，具有很强的抗干扰能力。通信物理层采用振幅移位键控(ASK)和反相键控(PRK)两种载波调制方式，如图3所示，其中ASK调制用于信息包的前同步码，分别由高电平、低电平表征chirps的有无。已编码数据段采用PRK调制方式，利用相差180°的两种相位S1、S2对所传数字信号进行编码表示。数据帧中“0”和“1”分别用与载波同相和反相的信号来调制、传送，PRK调制能够与信号标志位保持良好的相关性并能很好地进行跟踪，在该环境下长线传输性能明显优于ASK，实际可实现9．6kbps的传输速率，很好地满足实际实时操作的需求。

    实际通信模块实现原理及过程描述：模拟通信信号首先进入扩频处理模块，然后经缓存放大及ADC转化为数字信号。对输入信号的数字处理包括采用匹配滤波对扩频载波chirps进行相关检测，并追踪已接收到的信号。将接收到的信号信息经由特定数字信号处理电路传输至逻辑接口进行解码，按照已制定通信协议分配并最终分组传输至主处理模块进行处理。扩频处理后的模拟信号经功率放大模块放大输出并最终耦合至无线发射天线，完成无线信号的发射和接收功能，图4所示即为无线发射接收模块示意图。

3 数据采集与处理
3．1 压力计理论模型
    压力计作为井下油气参数数据的主要采集单元，其特性会对试井分析产生直接的影响，为了确定和评价这种影响的程度，现在比较常用的方法是采用计算机模拟分析法(也称转换函数法)，在本文介绍的方法中建立了一个压力计的理论模型。该模型是基于已有的压力计性能规格、测试质量控制和通用压力传感器的基本物理学原理，主要应用于评估包括温度响应、噪声和非理想电子压力设备对数据处理的影响。
3．1．1 压力计转换函数
    压力计转换函数从数学上描述了压力计测试的全过程，建立了压力温度输出响应与输入压力温度间的关系。如果压力计传感器和数据处理都是理想的，就会产生精确代表每时刻被测压力P(t)所对应的输出r(t)；如果压力计不是理想的，那么，测量值就会含有短期漂移、长期漂移和噪声等误差。
    对于压力计，其输出r(t)与已知的压力和温度之间的关系可以表示为：
    r(t)=g[P(t)，T(t)，压力计参数]
    这里g[]为压力计转换函数，它提供了静态和动态关系的数学描述，即它给出了已知输入和压力计参数去计算压力计输出的规则，另外它还可以用一种一致合理的方法来定义压力计规格和质量控制参数。
3．1．2 压力计数据处理模型
    压力转换函数可以根据压力计规格、校准数据及质量控制测试结果来确定。一般的压力计模型包括下列特性参数：r1=短期漂移(小于24hr)，MPa；r2=长期漂移(大于24hr)，MPa；r3=温度梯度引起的压力误差，MPa；r4=压力测试噪声误差，MPa。
    可用下面的方程来模拟给定压力和温度步长下的压力计响应：
   
    rr为压力计总响应压力值，MPa；t0为响应初始时间，hr；△t为压力变化时间增量，hr。
    实际压力计计算模型针对实际温度压力的不同变化趋势，设计了各自不同的特定分段拟合方式，并通过Matlab仿真工具取得了很好的效果，具体仿真结果如下：

    从图5所示可以看出，压力．计输出温度数据较为准确地表现了实际情况，且采用的温度计算模型方法所得出的温度值具有很高的精度。
图6压力数据仿真图

    从图6显示数据对比可以看出，压力计温漂引起的压力误差得到了补偿，压力计算模型所得值和实际外界条件值基本吻合。
3．2 压力计实际设计
    电子压力计是一类比较有特点的测量系统，实际上它属于信号采集系统，其输入是压力温度模拟信号，输出则是量化后的数字量。实际模块大致可分为三块：模拟部分、数字部分和电源管理部分。大致框图如下：

    其中模拟电路部分的主要功能为经低通滤波处理滤除经电缆传输后压力计信号中的高频分量，并将模拟信号进行数字化处理。
    数字电路部分考虑到长线传输的系统频带限制，及压力计信号输出采用的部分响应基带传输方式，所以原始信号需经过硬件电路处理恢复出数据信号供主处理器处理。
    数字信号首先经过去除毛刺后分成两路，一路未进行任何处理，另一路经过由两片FIFO寄存器和一片移位寄存器构成的移位电路，经过精确位移的信号与原信号进行异或操作，恢复出数据信号，再经过滤波处理然后直接送给主处理器进行相关处理，并在指定端口处发送出去。该电路中配备一定频率的振荡器，经分频后作为队列寄存器和移位寄存器的驱动时钟信号。
    电源管理模块提供了系统各个模块所需的工作电压，并具有高温保护功能，当温度过高时电源自动断电，并在掉电时将滤波电路的反馈回路切断，当温度降低时可自动恢复工作，实现对滤波电路的温度控制。
    压力计控制系统采用一套完备的压力计管理通信协议集，规定了数据的具体格式，包括帧分类方式、帧长度判定格式、帧数据意义定位等。该套通信协议集支撑了整个系统稳定可靠地工作，充分满足了井上井下交互通信及实际油井测试工作的需要。

4 应用实测
    本文所述的远程控制试井测试系统已在渤海钻井平台得到多次实际应用。其中最新一次测试为2010年7月，测试井深2253．79m，测试井段2104．0～2109．0m，产量：油114．3m3／d，气11104m3／d，流压16．02Mpa，生产压差1．90Mpa，地层最大压力17．92Mpa，测点实测温度82．7℃。井下探测系统位于井深2045．42m处，测得数据经无线发射接收模块传至下井控制器，由地面计算机进行分析，同时借助下井控制器完成对井下探测器的实时控制。整个试井作业所记录的压力和温度变化过程曲线图如图8所示。

    该系统实际测量曲线图，较准确地反映了该井整个操作流程所对应的变化趋势，并通过专用分析软件对该过程中初关井至二开井段压力曲线图进行了理论值拟合，如图9所示。
    从图中可以看到，拟合结果如实地反映了实际测量压力的变化趋势，与实际油井相关操作基本吻合。包括初次关井压力值产生跳变并急速下降，之后迅速恢复接近静态压力。此后进行的一系列油井操作均如实地反映了在压力变化图中，直至二次开井压力值迅速抬高并马上恢复到最初压力值，随着油井采油作业直至结束，压力值逐渐恢复至零。

5 结论
    本文所述系统在渤海多个平台实际应用，准确提取了井下石油的参数数据，并已申请受理了国家专利。从现场测试及应用表明，所设计的用于长线驱动的扩频通信方式，能够成功地将井下数据无误地传到井上，并同时将井上控制命令传至井下，完成井上井下双向远程控制操作。本文介绍系统所实现的最远传输距离基本满足国内现有的所有井深，传输方式可靠稳定。此外所采用的压力计实际模型及分段拟合等计算方式，通过实际测量数据表明能够如实准确地反映井下实际情况，且测量量程和精度很好地满足了实际需要。
    由于不同油井的环境差异较大，会对系统的通信带来不可预知的影响，因而对其抗干扰性等方面需通过多次的实验研究进一步改进提高。另外由于实际测井周期需要，对系统供电要求较为苛刻，因此整个系统的功耗节能等也是今后需提高的主要方面。