摘要：本系統(tǒng)針對目前壓力測井系統(tǒng)井下交互操作難以實現的現狀，設計了一套基于無線擴頻調制方式進行信號傳輸的軟硬件系統(tǒng)，成功實現了地面控制系統(tǒng)和井下壓力計的實時交互通信。系統(tǒng)主要包括地面控制系統(tǒng)、下井控制器和井下控制器三部分，并采用了一種高精度和特定計算方法的壓力計模型。實際測量應用表明能夠準確地反映井下油氣儲存情況，滿足了遠距離試井的實地操作需求，并在很大程度上提高了整個測井的實際效率。
關鍵詞：無線傳輸；擴頻調試；雙向通信；地面控制；壓力計模型
0 引言
對于井下油氣儲存量、油井生產狀況及壽命的評價，一個重要的依據即是能夠準確有效地獲取待測井的壓力、溫度等參數數據及變化趨勢。目前油氣井測試采用的主要方式仍是基于井下存儲方式，即將測量參數設置好的井下探測器放置在待測地層段采集相關數據，待整個測試周期完成后回收至地面并讀取數據。鑒于上述方式無法有效提取油井實時信息，在一定程度上降低了對油井相關操作的效率。本文介紹的試井系統(tǒng)借助下井控制器與井下探測器，通過無線傳輸方式實現無差錯的雙向交互通信，能夠實時提取井下存儲數據，有效提高測井的時效性和傳輸速率，并很好地滿足不同井深及井下各種惡劣環(huán)境的測試需要。
1 系統(tǒng)硬件結構概述
硬件部分如圖1所示，主要包括地面控制系統(tǒng)、下井控制器和井下控制器三部分。地面控制系統(tǒng)有三種工作模式：地面模式、中轉模式、直接模式。地面模式下主要功能是進行壓力計的地面配置和測試。中轉模式下，地面控制系統(tǒng)是PC機和井下控制器的連接單元，本身不主動發(fā)送指令，但可以進行實時的數據顯示。直接模式下地面控制器可以獨立控制井下系統(tǒng)，無需PC機參與操作，大大提高了油井現場操作的便攜性，主要功能包括井下實時數據計算顯示，下井命令發(fā)送，井下命令接收和相應井下數據的回傳存儲。下井控制器是針對下井壓力計的功能設計的，主要實現下井過程中的壓力實時跟蹤，完成壓力計的連接保持和壓力數據回傳。井下控制器是針對井下壓力計設計的，主要功能是接收并執(zhí)行地面控制系統(tǒng)發(fā)出的操作指令，完成壓力計的電源管理、模式切換、數據回讀等一系列功能。
2 遠距離數據傳輸原理
本文所述方法具有許多技術難點，其中之一是長距離數據傳輸。井下和下井壓力計、電路板工作于距離地面4000～6000m的油井中，井下壓力、溫度、濕度、噪聲與地面有很大不同，此外，由于傳輸距離太長，傳輸線的分布電阻和分布電容較大，對所承載的信號衰減很大，另外還存在阻抗調制、脈沖噪聲、等幅震蕩波干擾等不利因素，難以達到高速傳輸。為此模擬長線傳輸做了大量的實驗，并在現場用實際電纜做實驗，最終采用較為可靠的擴頻通信(Spread Spectrum Conummicadon)作為傳送命令和數據的方式。
擴頻通信指傳輸系統(tǒng)中用于傳送信息的信號帶寬遠大于信息本身帶寬的通信方式，即將待傳送基帶信號用擴頻序列發(fā)生器產生的偽隨機編碼進行擴頻調制從而將頻譜擴展，形成擴展帶寬的低功率譜密度信號進行傳輸。接收端采用同樣偽隨機編碼通過相關處理恢復成窄帶信號，再解調數據恢復出原始信號數據。
從香農公式我們可以了解擴頻通信的理論來源，在受到加性高斯白噪聲的信道中，信道容量由下式描述：
在給定的信道容量下可以用不同帶寬和信噪比的組合來傳輸，若減小其中一項則勢必要增大另一項以平衡信道固有的容量。因此，當信噪比太小不能保證通信質量時，常采用寬帶系統(tǒng)，即用增加帶寬(展寬頻譜)來提高信道容量，擴展信號頻譜降低功率譜密度，從而使信號幅度降低且隱蔽性好以改善通信質量，這就是通常所謂用帶寬換取功率的通信方法。
本文所述系統(tǒng)擴頻信號采用一系列短促的、可自同步的掃描頻率chirps作為載波，每個chirps一般持續(xù)100 μs，代表最基本的通信符號時間。由于chirps信號的線性掃描帶寬比信號帶寬要大得多，其線性加速度較高，而等幅振蕩干擾的頻率加速度一般較穩(wěn)定，因此設計特定角加速度信號的濾波器可以將該干擾消除。此外chirps波形還具有很強的自相關特性，這種模糊邏輯相關性決定了所有通信系統(tǒng)中的設備，可以同時識別通信系統(tǒng)中任意設備發(fā)出的這種獨特波形，并且不需要在發(fā)送和接收設備間進行同步。圖2所示為擴頻載波chirps一個周期的波形圖。
系統(tǒng)所選通訊接口控制器是一個高度集成化的收發(fā)器和信道存取接口，采用擴頻載波(Spread Spectrum Carrier)技術，適用CEBus接口標準，具有很強的抗干擾能力。通信物理層采用振幅移位鍵控(ASK)和反相鍵控(PRK)兩種載波調制方式，如圖3所示，其中ASK調制用于信息包的前同步碼，分別由高電平、低電平表征chirps的有無。已編碼數據段采用PRK調制方式，利用相差180°的兩種相位S1、S2對所傳數字信號進行編碼表示。數據幀中“0”和“1”分別用與載波同相和反相的信號來調制、傳送，PRK調制能夠與信號標志位保持良好的相關性并能很好地進行跟蹤，在該環(huán)境下長線傳輸性能明顯優(yōu)于ASK，實際可實現9．6kbps的傳輸速率，很好地滿足實際實時操作的需求。
實際通信模塊實現原理及過程描述：模擬通信信號首先進入擴頻處理模塊，然后經緩存放大及ADC轉化為數字信號。對輸入信號的數字處理包括采用匹配濾波對擴頻載波chirps進行相關檢測，并追蹤已接收到的信號。將接收到的信號信息經由特定數字信號處理電路傳輸至邏輯接口進行解碼，按照已制定通信協(xié)議分配并最終分組傳輸至主處理模塊進行處理。擴頻處理后的模擬信號經功率放大模塊放大輸出并最終耦合至無線發(fā)射天線，完成無線信號的發(fā)射和接收功能，圖4所示即為無線發(fā)射接收模塊示意圖。
3 數據采集與處理
3．1 壓力計理論模型
壓力計作為井下油氣參數數據的主要采集單元，其特性會對試井分析產生直接的影響，為了確定和評價這種影響的程度，現在比較常用的方法是采用計算機模擬分析法(也稱轉換函數法)，在本文介紹的方法中建立了一個壓力計的理論模型。該模型是基于已有的壓力計性能規(guī)格、測試質量控制和通用壓力傳感器的基本物理學原理，主要應用于評估包括溫度響應、噪聲和非理想電子壓力設備對數據處理的影響。
3．1．1 壓力計轉換函數
壓力計轉換函數從數學上描述了壓力計測試的全過程，建立了壓力溫度輸出響應與輸入壓力溫度間的關系。如果壓力計傳感器和數據處理都是理想的，就會產生精確代表每時刻被測壓力P(t)所對應的輸出r(t)；如果壓力計不是理想的，那么，測量值就會含有短期漂移、長期漂移和噪聲等誤差。
對于壓力計，其輸出r(t)與已知的壓力和溫度之間的關系可以表示為：
r(t)=g[P(t)，T(t)，壓力計參數]
這里g[]為壓力計轉換函數，它提供了靜態(tài)和動態(tài)關系的數學描述，即它給出了已知輸入和壓力計參數去計算壓力計輸出的規(guī)則，另外它還可以用一種一致合理的方法來定義壓力計規(guī)格和質量控制參數。
3．1．2 壓力計數據處理模型
壓力轉換函數可以根據壓力計規(guī)格、校準數據及質量控制測試結果來確定。一般的壓力計模型包括下列特性參數：r1=短期漂移(小于24hr)，MPa；r2=長期漂移(大于24hr)，MPa；r3=溫度梯度引起的壓力誤差，MPa；r4=壓力測試噪聲誤差，MPa。
可用下面的方程來模擬給定壓力和溫度步長下的壓力計響應：
rr為壓力計總響應壓力值，MPa；t0為響應初始時間，hr；△t為壓力變化時間增量，hr。
實際壓力計計算模型針對實際溫度壓力的不同變化趨勢，設計了各自不同的特定分段擬合方式，并通過Matlab仿真工具取得了很好的效果，具體仿真結果如下：
從圖5所示可以看出，壓力．計輸出溫度數據較為準確地表現了實際情況，且采用的溫度計算模型方法所得出的溫度值具有很高的精度。
圖6壓力數據仿真圖
從圖6顯示數據對比可以看出，壓力計溫漂引起的壓力誤差得到了補償，壓力計算模型所得值和實際外界條件值基本吻合。
3．2 壓力計實際設計
電子壓力計是一類比較有特點的測量系統(tǒng)，實際上它屬于信號采集系統(tǒng)，其輸入是壓力溫度模擬信號，輸出則是量化后的數字量。實際模塊大致可分為三塊：模擬部分、數字部分和電源管理部分。大致框圖如下：
其中模擬電路部分的主要功能為經低通濾波處理濾除經電纜傳輸后壓力計信號中的高頻分量，并將模擬信號進行數字化處理。
數字電路部分考慮到長線傳輸的系統(tǒng)頻帶限制，及壓力計信號輸出采用的部分響應基帶傳輸方式，所以原始信號需經過硬件電路處理恢復出數據信號供主處理器處理。
數字信號首先經過去除毛刺后分成兩路，一路未進行任何處理，另一路經過由兩片FIFO寄存器和一片移位寄存器構成的移位電路，經過精確位移的信號與原信號進行異或操作，恢復出數據信號，再經過濾波處理然后直接送給主處理器進行相關處理，并在指定端口處發(fā)送出去。該電路中配備一定頻率的振蕩器，經分頻后作為隊列寄存器和移位寄存器的驅動時鐘信號。
電源管理模塊提供了系統(tǒng)各個模塊所需的工作電壓，并具有高溫保護功能，當溫度過高時電源自動斷電，并在掉電時將濾波電路的反饋回路切斷，當溫度降低時可自動恢復工作，實現對濾波電路的溫度控制。
壓力計控制系統(tǒng)采用一套完備的壓力計管理通信協(xié)議集，規(guī)定了數據的具體格式，包括幀分類方式、幀長度判定格式、幀數據意義定位等。該套通信協(xié)議集支撐了整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作，充分滿足了井上井下交互通信及實際油井測試工作的需要。
4 應用實測
本文所述的遠程控制試井測試系統(tǒng)已在渤海鉆井平臺得到多次實際應用。其中最新一次測試為2010年7月，測試井深2253．79m，測試井段2104．0～2109．0m，產量：油114．3m3／d，氣11104m3／d，流壓16．02Mpa，生產壓差1．90Mpa，地層最大壓力17．92Mpa，測點實測溫度82．7℃。井下探測系統(tǒng)位于井深2045．42m處，測得數據經無線發(fā)射接收模塊傳至下井控制器，由地面計算機進行分析，同時借助下井控制器完成對井下探測器的實時控制。整個試井作業(yè)所記錄的壓力和溫度變化過程曲線圖如圖8所示。
該系統(tǒng)實際測量曲線圖，較準確地反映了該井整個操作流程所對應的變化趨勢，并通過專用分析軟件對該過程中初關井至二開井段壓力曲線圖進行了理論值擬合，如圖9所示。
從圖中可以看到，擬合結果如實地反映了實際測量壓力的變化趨勢，與實際油井相關操作基本吻合。包括初次關井壓力值產生跳變并急速下降，之后迅速恢復接近靜態(tài)壓力。此后進行的一系列油井操作均如實地反映了在壓力變化圖中，直至二次開井壓力值迅速抬高并馬上恢復到最初壓力值，隨著油井采油作業(yè)直至結束，壓力值逐漸恢復至零。
5 結論
本文所述系統(tǒng)在渤海多個平臺實際應用，準確提取了井下石油的參數數據，并已申請受理了國家專利。從現場測試及應用表明，所設計的用于長線驅動的擴頻通信方式，能夠成功地將井下數據無誤地傳到井上，并同時將井上控制命令傳至井下，完成井上井下雙向遠程控制操作。本文介紹系統(tǒng)所實現的最遠傳輸距離基本滿足國內現有的所有井深，傳輸方式可靠穩(wěn)定。此外所采用的壓力計實際模型及分段擬合等計算方式，通過實際測量數據表明能夠如實準確地反映井下實際情況，且測量量程和精度很好地滿足了實際需要。
由于不同油井的環(huán)境差異較大，會對系統(tǒng)的通信帶來不可預知的影響，因而對其抗干擾性等方面需通過多次的實驗研究進一步改進提高。另外由于實際測井周期需要，對系統(tǒng)供電要求較為苛刻，因此整個系統(tǒng)的功耗節(jié)能等也是今后需提高的主要方面。
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