类“DTMF”井下远距离有缆数据传输方法研究*

吴秋来 ，高 硕，刘 勇，朱 红

(1.中石油渤海钻探油气井测试分公司,河北，廊坊，065007； 2.中石油河北油田第四采油厂,河北，廊坊，065007)

类“DTMF”井下远距离有缆数据传输方法研究*

吴秋来1，高 硕1，刘 勇2，朱 红1

(1.中石油渤海钻探油气井测试分公司,河北，廊坊，065007； 2.中石油河北油田第四采油厂,河北，廊坊，065007)

通过对国内外井下单芯铠装测试仪器的通讯方式进行调研，结合现代电缆传输理论，研制了一种适用于油田井下远距离有缆数据通讯的编码方式—类“DTMF”方法。应用该数据传输方法可极大提高通讯的抗干扰能力，解决了现有有缆传输系统中的电缆适应性问题，不需进行电缆匹配就能适应任何单芯铠装电缆，并进行高速、高可靠性的井下远距离有缆数据传输，为井下数据通讯提出了新的思路。

试井；单芯铠装电缆；数据通讯；编码方式； DTMF编码

1 研制背景

在油田传统的井下仪器与地面仪器的通讯中，普遍采用有缆通讯方式。基于电磁波传输方法的井下-地面纯无线通讯至今还处于试验之中，其技术尚不成熟(据文献记载，目前还没有真正实用,满足低功耗、耐高温、高可靠性，能够实现从井下几千米通过无线方式直接将井下数据传送到地面的装置)，不能满足油田的大多数油井的服务需求。有缆数据传输可分为多芯电缆通讯和单芯电缆通讯两种，应用OFEM技术的多芯电缆通讯技术较成熟，可以实现高适应性的高速通讯[1]。但为了节约成本，目前单芯铠装电缆方式应用越来越普遍[2]。但在有缆通讯中，电缆的适应能力问题比较突出。由于井下温度及压力变化较大，电缆工作温度和压力的不均衡，将对电缆的通讯能力产生较大影响，目前多采用自适应盲均衡电路以消除影响，但受现有通讯方法限制，仍不能完全保证通讯数据不受影响。且新仪器需要跟电缆进行匹配调试后才能应用，由于电缆生产厂家及型号的差别，在实际生产中经常遇到更换电缆后仪器不通讯或通讯困难的问题[3,4]。

为了克服油田井下仪器与地面通讯仪器有缆通讯的技术瓶颈，对目前有缆通讯的方式进行了调研。在民用领域，有缆通讯应用普遍，多采用调制解调器(MODEM)来完成通讯，采用的各类通用的多芯片成品集成电路，能够获得较高的通讯速率和可靠性[5]。但是由于油田应用的特殊环境，需要体积小、功耗低、耐高温(150℃以上)和抗振能力很强的高可靠产品，但市场上没有耐高温性超过150℃的成品通讯集成电路[6]，而采用散件(晶体管、电阻、电容等)或小规模集成电路组成的多芯片MODEM电路过于复杂，元件较多，不能满足耐高温、小体积及高可靠性的要求，必须研制专门的单片调制解调器(MODEM)芯片。

1 类“DTMF”高速高可靠信号格式的建立

1.1 现有信号格式分析

为了解决目前油气田有缆通讯中存在的问题，首先对目前国内外直读电子压力计和我公司现有测井仪器如硼-中子测井仪、氧活化测井仪和相关流量测井仪等设备进行了研究。通过筛选，重点对国外进口的直读式电子压力计进行了研究。国外进口电子压力计的井下和地面通讯采用的几乎全部采用单芯铠装电缆，某早期的直读压力计具有较强的适应能力，实践证明其不需进行匹配调试即可适应大多数厂家生产的电缆，且其功耗较低7-10mA，耐温最大可到175℃，精度可达0.025%。应用该电子压力计通讯的信号格式，可以较为完美的解决现有电缆通讯中的电缆适应性问题对通讯数据可靠性的影响。但其通讯速度较慢，最快0.8秒传送一个数据点(一个温度数据、一个压力数据和当前采点时间)[7]，不能适应油气井测试通讯需求，需要改进后才能应用。该直读压力计的信号格式如图1所示。

频率段1为同步信号，其频率为250 HZ，只有一个周期。它的频率要比数据信号的频率低得多，作为每个采样点起始判断信号。当地面处理器检测到该信号后，就认为是数据信号的起点来到。

频率段2为压力数据参考信号，其频率为1 000赫兹±10%，共256个周期。

频率段3为压力数据信号，这一段信号频率的大小与压力值成一定的对应关系，频率的变化范围为1 000赫兹(当压力为零时)到20000赫兹(满量程时)。该段频率共512个周期。

频率段4为温度数据频率，其频率的大小与温度值有一定的对应关系，频率变化从1250赫兹(当温度为零时)，到500赫兹(满量程时)，有64个信号周期。

频率段5作为扩展功能使用，对于有些进口直读压力计来说该段信号作为另外温度传感器的输出信号，而有些压力计是频率4的重复。

图1 进口直读电子压力计的信号格式

为了提高电缆传输速度，用MCU模拟了上述的信号格式，将压力和温度信号频率提高到12 KHZ，并用各种不同厂家和型号的电缆进行了多次试验，结果表明其也建有良好的电缆适应能力，完全能够满足数据传输需要。应用该电子压力计通讯的信号格式，可以较为完美的解决现有电缆通讯中的电缆适应性问题对通讯数据可靠性的影响。

通过以上研究得出结论：

(1)采用频率方式进行通讯是可靠的，而且其电缆适应能力很强；

(2)采用较高的信号频率只要信号形式不变其传输的可靠性也是能够满足要求的。

但试验证明，采用上述信号格式时，单纯采用提高信号频率的方法，其传输速递的提高有限。

2.2 DTMF信号格式研究

为了能够在保持高可靠电缆适应能力的同时，进一步提高传输速度，对电话中常用的双音多频DTMF(Dual Tone Multi Frequency)信令方式进行了研究。

DTMF信号由8 个频率的正弦波两两组合而成。这8 个频率又分为低频群和高频群两组[8-9]。低频群的4 个频率依次为697Hz、770Hz、852Hz、941Hz；高频群的4 个频率依次为1 209Hz、1 33 6Hz、1 477Hz、1 336Hz。如图2所示。

图2 电话用DTMF频率与键盘对应图

按照国家电信标准，其信号持续时间和间隔时间都不小于40 ms，而频率偏差不大于± 1.5%[10]。其通讯波形图如图3所示。

图3 DTMF通讯波形图

因此，按照上面的规定DTMF信号传送的最快速度每秒不超过12.5个十进制数据，也就是说，若传输目前我们设定的最高压力10 000 psi、最大温度150℃数据，以及起始位，验证位13个十进制位[9]，显然也无法满足高速数据传输需求。但DTMF信号格式具有较高的编码效率，只需8个频率信号就能代表16个不同的数字或符号信息。

1.3 类DTMF格式的建立

通过对上述两种信号的研究，将进口直读电子压力计的格式与DTMF格式进行了结合，建立了一种新型“类DTMF”信号格式。该信号采用使用8个不超过2 KHz的频率进行不同的组合形成16个十进制数字和代码，采用方波形式及不同的频率连续顺序格式，使电路更简单的同时解决了通讯速度与高可靠的电缆适应能力问题。具体方式是：用不同的频率代表0-9十个数字，符号“*”代表小数点，用A代表奇数验证码，B代表偶数验证码，C代表控制指令，“#”代表数值的超出测量范围的负值符号，用频率875赫兹的单周期信号作为信号的同步起始码，后面的数字用相同的5个周期不同频率信号每两个频率组合代表不同的数字输出，其信号格式如图4、图5所示。

图4 新调制解调器频率与数字或符号对应图

图5 “类DTMF”信号格式

2 类DTMF格式通讯速率验证

以电子压力计试井为例，压力计的满量程压力值为0-10 000 psi，最大测温范围为0-150℃，其精度规定为小数点后2位，则最大传送的压力和温度数值为：9 999.99 psi和149.99℃。即6位压力数值5位温度数值和两个小数点位，共13位数据，考虑到错误输出时可能产生的符号位(正常情况输出的数据都是正值，但错误时可能为负值)和验证码位则每个数据点需要产生的频率段计算如下(规定若温度压力超出范围，则整数位保留，小数位保留一位计算)：

13×2+2×2+1=31个

(1)

若定义每个数据点需要的频段数为字长，那么本项目中的数据字长为31。本信号格式中除最低的固定起始码外，频率最低段(10 000 HZ)所用时间是最长的，其周期计算如下：

t=1/f=1/10000=0.1ms

(2)

这里采用5周期作为每个频率输出的周期数，则输出5个周期信号最长所用时间为：

5×0.1+5×1000/11500=0.935ms

(3)

传输小数点需要的时间为：

5×1000/10375+5×1000/11500=0.917ms

(4)

传输验证码所用时间：

奇校验：

5×1000/11875+5×1000/10000=0.921ms

(5)

偶校验：

5×1000/11875+5×1000/10125=0.915ms

(6)

传输负符号位所用时间：

5×1000/10375+5×1000/11750=0.908ms

(7)

则传输一个全为数字“1”压力和温度点所用时间最长时间为：起始码+全1压力码+小数点码+全1温度码+小数点码+奇校验+偶校验+超出范围的符号码为：

1.143+6×0.935+0.917+5×0.935+0.917+0.921+

0.915+0.908=16.006ms

(8)

则本电路最慢输出速度为：

1000/16.006=62.5个数据点

(9)

将本电路所传送的信息用二进制表示，取二进制小数点后精度7位，每个字长的二进制位为：

21+15+3=39个二进制位

(10)

1 s传送的数据量为：

62.5×39=2437.5bit/s≈2400bps/s

(11)

经理论分析及现场试井试验验证，在试井领域的应用中，类DTMF格式通讯能够在保证试井数据高精度的同时，能够满足绝大多数试井数据传输需求。

3 结 语

通过对进口高可靠直读压力计信号格式的分析，并与现有常用通讯方式DTMF的有机结合，本文提出了一种新的适用于油田井下单芯铠装电缆通讯的高速、高可靠数据传输模式—“类DTMF”方式，基于该方式研制的耐高温井下数据通讯电路具有很好的鲁棒性，不需要通过调试就能适应任何厂家不同型号的单芯铠装电缆，通过室内试验和现场应用试验证明该方式输出传输速度快、可靠性高，完全达到了试井数据要求，是一种较为理想新的井下数据通讯方式，可以用于不同种类的油田井下有缆数据传输，为井下数据通讯研究提供了新的思路。

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The Research of A Long-Distance Data Transmission Method Similar to “DTMF”

WU Qiu-lai，GAO Shuo1，LIU Yong2，ZHU Hong1

(1.Well Test Sub-Company，BHDC，Langfang Hebei 065007,China; 2.The Fourth Oil Extraction Plant of Huabei Oilfield Company Limited，Langfang Hebei 065007,China)

Based on the research of the well-testing instruments at home and abroad using the single-lead cable and the study of the cable transmission theory-"similar to DTMF", a new coding scheme of downhole cable transmission for well-testing instrument is developed creatively. The instrument using this coding scheme can be easily adapted to all kinds of single-lead cable without match debugging, and realize the transmission with incredible high speed and reliability.This method provides a way for the transmission of downhole instruments.

well-testing; single-lead cable; data communication; coding Scheme; DTMF

2015-03-01；

2015-07-09 Received date:2015-03-01；Revised date：2015-07-09

国家科技重大专项(No.2011ZX05021-005)

Foundation Item:Important National Science & Technology Specific Projects(No.2011ZX05021-005)

TN914.3

A

1002-0802(2015)09-1023-04

吴秋来(1961—)，男，本科，助理工程师，主要研究方向为通讯系统及电路设计；

高 硕(1987—)，女，硕士，工程师，主要研究方向为测试工艺设计；

刘 勇(1977—)，男，本科，工程师，主要研究方向为油气田开发；

朱 红(1984—)，女，本科，助理工程师，主要研究方向为测控技术与仪器。

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.09.009