ADSL调制技术在石油测井系统的应用

王刚

（大庆钻探工程公司测井公司市场管理中心，黑龙江大庆163412）

1 概述

随着石油工业的不断发展，对地层信息的采集和分析也有了越来越高要求，对测井技术来讲，随着成像技术的发展，对测井数据的传输速率、数据量、数据的可靠性等各方面提出了更高的要求。LOGIQ测井系统使用新一代快速链接(FASLINK)遥测系统,采用非对称数字用户线(ADSL)技术,应用以太网的模式进行数据传输。ADSL技术在LOGIQ测井系统中的应用,提高了测井仪器的集成化,大大减小了硬件占据的空间,提高了测井数据的传输速率、数据量、数据的可靠性和真实性。

2 ADSL技术介绍

多载波调制技术是建立在信道分割这一基本思想上的，早在20世纪50年代就已经开始运用在高频通信中，到20世纪70年代，随着利用离散傅里叶变换（DFT）及其反变换（IDFT）来进行多载波调制方式的运算这一理论的提出，使得多载波调制技术能够以数字方式实现，多载波技术逐步走向工业实用化，已经被越来越多的通信系统采用。

最初的多载波调制技术是把信道的可用频带简单地划分为多个子信道，然后采用不同频率的载波调制，为了避免信道干扰，子信道间留有一定的隔离信道（保护带），其缺点是频带利用率和传输效率不如单载波调制，因此，在此理论基础上，ADSL技术逐步发展起来。ADSL作为新一代的多频载波技术，已经逐步运用到测井这一技术领域。ADSL是ASYMMETRIC DIGITAL SUBSCRIBER LINE的缩写，中文翻译为非对称数字用户线路。ADSL是一种利用现有的传统电话线路高速传输数字信息的技术。

ADSL在数字信号上的调制采用了CAP和DMP技术，这一技术主要是利用一部分带宽来传输下行信号，而剩余的则是进行上行信号的传输。但是上行与下行的信号带宽是不均等的，这就是不对称的传输。在整个频带上进行CAP的调制，其从0Hz到1.1MHz，包含了256个频率指示带宽为4.3kHz的正交信号通道。每一个频带都使用QAM调制技术，具体如图1所示。

图1 普通电话线频谱图

在图1中显示9～32道为上传通道，33～256道为数据下传通道。QAM调制方式将相邻子信道的载波相位正交，实现两路并行的数据传输，其调制方式通常有二进制QAM、四进制QAM、八进制QAM、……其空间信号矢量端点所对应的分布图为星座图，其包含了4、16、64…个矢量端点。

正交调幅信号包含了正弦信号和余弦信号的2个相同频率载波。在发射过程中，这2种被调制载波就已经混和在一起。等待到达预定位置之后，就会彼此分离。

随着星座点数的增多，其符号传输的信息量也会逐渐增大。但是在确保平均能量不变的前提下，星座点的增加，就会缩小星座点之间的距离，这样会提升误码率。所以，高阶的星座图可靠性要低于低阶星座图。QAM接收器主要是通过自适应均衡器，从而对传输中信号的失真加以补偿。利用ADSL系统本身的复杂性，就是因为其来源于自适应均衡器这一特点。

ADSL技术自发展以来，由于其较快的上网速度和组网的方便性，已经在全世界范围内得到了广泛的发展和应用。ADSL不需要拨号上网且一直在线，能拥有固定的IP地址，极大地改善了网络的稳定性，因此，对于小型的网络来说不失为一种最佳的组网方式。

3 ADSL技术在测井系统中的应用

对于整个测井系统来说，系统主机与各个模块以及井下仪器等也构成了一个系统的网络，该网络要求数据传输稳定、传输速度快等，因此，采用ADSL技术来构建测井数据采集网络是一种很好的方式，而且各大测井公司也在加大此方向的研究。

在当前主流的测井系统中，LOGIQ测井系统采用ADSL技术，对测井数据进行传输，该技术给每种井下仪器分配一个IP地址，使得所有仪器按照统一的数据格式来上传信号，理论上其最大传输数率能超过800kB/s，但由于测井采用的是很长的测井电缆，长度一般在5000～7000m之间，信号在电缆传输的过程中会随着电缆的长度和信号频率增加而衰减，电缆越长，信号衰减越厉害，而且随着信号频率的增加，信号严重失真，其衰减变化如图2所示，一般说来，当信号频率达到100kHz时，信号就会明显衰减。

图2 信号随频带衰减图

在图2中当信号频率达到300kHz时，信号衰减幅度近70%，也就是说信号严重失真，完全不可检测。正因如此，LOGIQ系列数据传输只采用其64个通道，频带带宽被限定在最大276kHz。

由于在实际测井过程中，上行的数据量是远远大于下行的数据量的，因此系统对于频带的分配是不一样的，数据下行通道占用2个，数据上行通道占用56个，1号通道不用，2～3号通道为数据下行通道，4～7通道空，起到信号的保护作用，主要是为了防止上/下行信号的串扰，8～63通道为上传通道，里面的12频道不传输信号，它只用于井上和井下的MODEMS间的同步数据，64通道为空。在数据传输过程中，所有的频带传输的字数是不同的，低频传输的字数多，高频传输的字数少，这是由于QAM调制会自动根据不同的信噪比来决定每道传输的字数。为了避免频带的干扰，皮电脑和频道之间会有分割频带的存在，其为0.3125kHz，按照电缆的实际特点来进行信号传输频带设定，直接分开上下频带，采用这种上/下行数据传输频带的分开设计，能最大限度地避免信号串扰，从而实现测井数据的高速传输。

LOGIQ测井系统采用7芯电缆进行供电和数据传输，不同长度的电缆，信号传输速率不一样。以25Kft电缆为例，上传速率为800kB/s,下传速率为28kB/s。

在进行测井的时候，在ADSL之中用QAM的问题在于不同电缆性能的差异性应该如何去把握。为了能够拥有理想的工作状态，QAM接收器在解码的时候，需要使用相同频谱以及相位特性的信号。通过自适应均衡器，就可以对信号的失真进行传输补偿。初始的传输信号有一个固定时间长度。但是按照电缆长度以及信号失真的特性，再加上传输之中信号出现的频率响应，接收到的信号总时长可能会是原始信号的数倍，这就要求进行时间均衡，系统采用的同步帧达到这个目的。

4 LOG IQ测井系统的通讯结构

LOG IQ测井系统由测井主机、电缆、DIMP面板以及以太网交换机等组成通讯结构。其中，利用普通RJ45网线连接的是测井主机、DIMP面板以及以太网交换机；利用ADSL Modem方式的是电缆与DIMP面板，其数据传输是利用电缆外皮以及缆芯7来实现的；对于各种井下仪和GTET则是利用同轴电缆来顺序的连接，通过以太网的TCP/IP协议就可以建立通讯。在通讯之中，井下仪器的核心是GTET。

在本系统中，测井仪器本身分配独立的IP地址，可以实现与地面计算机之间数据的交换，其地址按照不同的分类，从10.10.1.129到10.10.1.255。之后，对于不同的仪器，分配不同的IP。为了建立通讯的绝对透明的点对点，还需要设计井下路由器和地面路由器，其中，GTET的IP地址是10.10.1.129，为井下路由器，DIMP的IP地址是10.10.1.12，为地面路由器。

DIMP面板就是一个地面系统路由器，而GTET为井下路由器，它们所负责的是收集与分发数据。在测井中，数据需要在地面、电缆以及井下仪器之间相互的传输，作为操作人员就可以做好数据的采集、传输与处理。

在通讯处理中，系统主机首先向井下发送指令，这一个指令包含了IP地址，等待GTET接收之后，利用GTET的处理器板、总控制、介质访问单元，就可以直接发送给井下的总线。等待总线接收到指令之后，就会进行相对应的工作。利用井下总线，采集的数据会直接传输到GTET控制板中。利用内部的调制解调模块，就可以调制测井信号，并且做好放大与滤波等处理。通过电缆，信号就会直接传输到DIMP面板之后，再利用解调、放大和滤波，就会直接进入到测井主机之中。

机制访问单元是通过同轴收发器接口所组成的，其本身属于以太网驱动器/接收器，这一个接收器接口直接与数据终端设备以及同轴电缆相互的连接，也就是处理器板与总控制。通过独立的变压器就可以直接连接到处理器板和总控制，其本身是接收器、发送器、定时器以及冲突检测器来组成的。发送器直接连接50Ω的同轴电缆。在数据发送过程中，会直接初始化定时器。如果传输数据包的长度长于额定长度，就无法进行CTI发送；冲突检测器是在同轴的电缆上进行监测信号的采集，这样就可以对是否有数据包冲突来加以监控。一旦出现数据包冲突，就会直接告知处理器板和总控制。介质访问单元在连接其以太网控制器后，就能够与以太网的控制芯片完成满足IEEE802.3标准的网络节点电子技术，利用以太桥接控制器，CS8900就能够提供解码功能和曼侧斯特编码，并且做好缓冲块管理任务以及介质访问协议的妥善处理。

作为信号传输的一个重要载体，时钟同步是非常重要的，它给数据的传输提供控制信号，能保证在信号传输过程中质量。在测井系统中，时钟的同步是井下仪器时钟和测井西面系统之间的同步。在LOG IQ系统之中，主要包含了地面主机与GTET之间的同步，同时也包含了其余井下仪器与GTET之间的同步。每间隔10s，地面的调制解调器和井下的调制解调器就会直接给地面主机和GTET发送44个信号包，在GTET接受之后，就会获取当前时段系统的时序，并且将其看成第45个信号包，将其发送给地面主机。地面主机就可以利用其直接计算井下仪器与地面主机之间的不同时序，之后，作为第46个信号，发送给GTET，当接受之后，按照不同的时序，来对系统时钟进行调整。在进行交换后，就可以基本同步地面主机与井下仪器时钟。

另外，通过简单的时间网络协议，就可以满足GTET与其余井下仪器的翅中同步。通过GTET是使用这一协议的服务器编码，而至于其他仪器，则是选择用户编码。每间隔15s就会进行依次的更新，最终满足同步的要求。

LOGIQ测井系统在ADSL技术应用方面相应的软件设计简洁实用。在地面系统测井软件中，工程师可以在软件窗口中检测和诊断信号的传输。在软件窗口可以了解到实时数据包传输误码率、数据包大小以及发送和接收的增益等信息。工程师根据软件提示的信息，很清楚地了解施工过程中通讯和数据传输的实时信息，给施工和设备维护、维修带来很多便利。

5 结论

ADSL充分利用现有的铜线网络以及双绞线上的带宽，以先进的调制技术产生更大更快的通路。LOGIQ测井系统利用其传输速率高、可靠性强、速度快等优点，提高了测井仪器的集成化,大大减小了硬件占据的空间,也促进了成像和阵列测井技术的快速发展，对我们的仪器开发有很多可借鉴的地方，也是测井仪器研究的一个方向。

[1]HALLIBURTTON LOGIQ-B Logging System Service Manual.USA,2008.

[2]HALLIBURTTON.GTET-I Service Manual.USA,2008.

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