程控均衡系统在井下多点参数直读监测仪通信中的应用

游畅,张雄辉,徐迎新,韩静静,阳成军,蔡志明,李宏

(1.中国石油集团测井有限公司西南分公司,重庆 400021;2.中国石油川庆钻探工程有限公司长庆井下工程技术发展研究中心,陕西 西安 710201)

0 引 言

油气井的生产需要根据实际情况,设计出可以增加该油气井产量的各种技术方案,并通过实验找出各种特定条件下最适合该井的采油采气最佳方案。如果利用正在生产的油气井做实验,既不实际也不经济。因此,可利用现有的实验井,通过模拟各种条件下井内流体的状况[1],指导实际生产方案。本文提出了井下多点参数监测系统,该系统需要在实验井的不同井深处安装相应的测量传感器,如温度、压力等,以获得可靠的井下实时数据,这种实时高速可靠数据传输就成了整个实验系统的关键。

1 井下多点参数监测仪通信技术难点

井下多点参数直读监测与传统生产井井下监测不同[2],传统监测是在井下单点传输,信号传输的距离固定,对信号衰减也固定,因此,只需要在接收端把增益调整到某一合适的值,就可以稳定地获得井下仪器数据信号。井下多点参数直读监测系统[3]的井下仪器是分布在距离不等的电缆上,各仪器信号传输距离相差10倍以上,到达地面的信号大小会相差几倍至几十倍,一般的信号恢复电路或模拟均衡处理很难胜任这种信号的恢复工作[4]。由于实验研究数据高精度的要求,需要在单芯电缆上进行高速数据传输,因为各个井下测量短节所处的深度不同,等效电缆长度不同从而导致变形失真程度也不同,各个短节通信参数需要分别调节以适应不同短节的通信需要。如果针对每一个短节设计一个不同增益放大和均衡补偿电路,则电路复杂,且不容易增加仪器的数量,更不能改变仪器在井下分布顺序。针对以上技术难点,本文提出了数字程控均衡处理系统[5]。

2 均衡系统设计原理及方案

均衡系统设计主要完成2个方面的功能:地面系统对不同深度仪器的信号恢复;井下仪器对可变参数的调节,如增益、补偿强度和补偿频率等,因此,均衡系统设计分为地面系统和井下仪器2部分。

2.1 地面系统的均衡系统设计原理

由于井下多点参数直读监测仪在井下非均匀分布,测量短节的数据传输始于不同的电缆位置,设计了数字程控均衡处理系统,该系统具有较强的抗干扰和信号识别能力,数字处理系统能自动调整以适应不同长度和类型的电缆,即使电缆或间距不同也能自动调整至最佳状态,完全无需人工干预,地面系统的信号处理流程见图1。

图1 信号处理流程图

前级处理为简单的模拟滤波电路,主要是去除电缆信号中的噪声,提高信号的驱动能力,AGC电路对信号的幅度进行均衡处理[6],使信号幅度大致相同,ADC电路对输入的模拟信号进行数字化处理[7],将模拟信号转变为对应的数字序列,数字自适应滤波器由DSP和FPGA协处理器组成[8-9],对输入的数字序列进行复杂的运算处理,使之转化为容易识别的数字序列,再由数字信号鉴别器处理成测量短节的测量数据,经格式变换后由USB输出。

2.2 井下仪器的均衡系统设计原理

井下仪器处于井筒内不同的位置,电缆长度不同,再加上各个仪器之间电路信号的互相影响,所以每支井下仪器的接收增益、补偿强度和补偿频率都需要单独调节,以满足不同深度的仪器信号传输和通信要求。要完成这个目标目前只有2种方案可行:①针对每一个短节设计一个均衡补偿模块;②设计一个参数可变的均衡补偿模块,针对不同测量短节调整不同的参数。

2.3 均衡系统的方案设计

针对井下仪器均衡系统的2种设计方案:①每一个短节设计一个均衡补偿模块,需要为每支仪器的接收分别制作1套放大和补偿电路,假设接收10组测量数据,就需要10个相似的电路,太复杂,而且不容易增加仪器的数量。②设计一个参数可变的均衡补偿模块,电路简单,改变仪器的数量比较容易,但是调整参数需要稳定时间,同时需要同步命令,才能准确检测到短节的标记,调节相应的参数。根据实际应用和系统需求,采用参数可变均衡补偿方案更优(见图2)。图2中命令表示地面发送的传输命令;仪器1、仪器2……仪器10表示仪器在不同增益下的接收数据。

图2 命令和数据波形幅度示意图

参数可变均衡补偿系统的工作原理见图3。信号接收的核心是可控增益放大器和可调均衡器。可控增益放大器将接收信号放大到合适的幅度,方便接收;可调均衡器补偿电缆的特性,恢复接收信号,使其能够被正确解码。同步发生产生一井下与地面的时间同步信号,触发后,井下按照约定的时间顺序发送数据,地面按照约定的时间顺序接收信号,地面程序按照约定的时间顺序调节均衡器的参数(预调参数)恢复信号波形,同时按照约定的时间顺序检测幅度并调节增益(自动增益),完成信号的接收恢复。另外,由于参数调节后需要稳定时间,所以在每个通道之间插入足够的时间空隙。由于接收的通道比较多,预调参数获取比较麻烦,因此,加上必要的状态指示以便调节。

图3 均衡系统工作原理框图

3 均衡系统数字信号分析及处理结果

3.1 信号恢复处理

井下仪器与地面数据采集控制存储系统通过单芯测井电缆进行通信,地面数据采集控制存储系统为主动的半双工通信模式[10],定时(0.1 s)向井下仪器发送1个非常简单的数据采集命令,井下仪器按照预定好的顺序1次向地面发送数据。波形如图4(a)所示,前面2个负脉冲(间隔3 ms,宽度200 μs)为采集命令也叫同步,后面的10个黑块就对应10个井下仪器的数据。每组井下数据持续时间约6 ms,间距大约3 ms。图4(b)是数据组中数据的细节显示。

图4 数据波形图

数据开始是0.5位交替变换的“0”和“1”,称为导码,后面是1.5位宽的“1”和“0”称为同步,再后面是0.5位宽“1”和0.5位宽“0”,表示数据位1,或是0.5位宽“0”和0.5位宽“1”表示数据位0。

从图4(b)可见,通过单芯电缆传输的信号已经有些变形(主要是高低不平),需要恢复信号波形,才能正确解码。恢复主要通过放大、均衡补偿、比较鉴别和解码。放大目的是使被电缆衰减的信号恢复幅度,并通过调节增益得到合适的幅度;均衡补偿的作用是纠正变形的信号,通过调节补偿强度和补偿频率,使信号恢复;比较鉴别是将模拟信号转换成数字信号;最后进行解码,完成接收。

系统通过设计一个参数可变放大和补偿电路,实时改变其参数以达到匹配不同井下仪器的目的。将接收的参数组(包含增益、补偿强度、补偿频率)参数1到参数10分别对应到不同的10支井下仪器[见图5(a)]。发送后,经过2.5 ms用参数10的参数设置接收电路特性,使其适合井下仪器10的接收。再经过9 ms,用参数9的参数设置接收电路特性,使其适合井下仪器9的接收……直到参数1匹配井下仪器1,完成一次循环。这样,系统自动适应了不同井下仪器的接收均衡功能,将接收的图5(a)中的不规则信号恢复成如图5(b)所示的规则信号,其细节见图5(c)。

图5 信号恢复处理

不论从细节还是整体看,信号都得以恢复并完成数据的接收。接收信号经过模拟电路处理恢复后,进一步提高接收性能,增加可靠性。将信号进行模数转换,转换成数字信号后,用数字信号处理方式对信号进行进一步处理,主要是对信号进行滤波,滤除无用的频率分量,留下有用的频率分量。处理后不能产生相位失真,因为相位失真会导致已经通过模拟电路恢复的信号再次失真。数字信号中FIR(有限冲击响应)滤波器有线性相位特性[11],不产生相位失真。所以,用FIR滤波器对信号进一步处理,提高接收性能。经过模拟和数字处理的接收信号,波形基本恢复,幅度达到合适范围,变换成数字逻辑信号进行解码。

3.2 数据位边沿定时修正解码处理

接收解码模块将曼彻斯特编码信号变换成字节数据。检测到同步位后定时采集数据位,每8 bit输出1 B数据。但是,由于同步位后的数据位很长(>3 000 bit),地面和井下仪器时钟偏差、同步位传输过程中的宽度改变,这些因素的累积会使按定时采集数据位的位置发生错位,导致接收错误[见图6(a)]。

解码模块有自动微调的功能,使定时采集数据位的位置自动根据数据调整。由于曼彻斯特码在数据位中间肯定会有边沿产生,所以利用数据位中间的边沿[见图6(b)中下面的箭头位置]定时进行修正,从而纠正了采集位置,保证正确地接收解码。

3.3 误码率测试

系统为满足实时传输要求,同时结合地面解码系统器件特性、地面软件数据记录等多方面因素,选取100 ms的传输周期,即地面系统每100 ms下发一次同步信号,10只测量短节依据地址顺序依次上传数据,每个测量短节占据约10 ms的传输时间,传输约60 B。系统每100 ms传输的数据总量为600 B,现场进行了连续3 d的数据传输测试,地面没有显示通信错误信息,共测试字节12 Gbits,误码率小于1×10-10(见表1)。

图6 解码校正前后波形图

表1 误码率测试

4 应用效果

井下多点参数直读监测系统能模拟现场油气井全生命周期的采油采气过程,并获取先导性的实验数据,为油气井开采工艺提供技术支撑。现场应用表明该系统性能稳定,取得的数据准确。地面软件能够通过管柱图实时显示10个短节位置及其测量到的井筒实时温度、压力变化,同时能够通过10个短节测量到的井筒参数计算任意两短节间流体管路摩阻,能够分析井筒气液两相流流型(见表2)。系统通信的稳定性已通过测试,满足使用要求。

表2 气液两相流流型分析

续表2

5 结 论

(1) 程控均衡系统解决了多点参数直读监测仪通信中的2个难题:井下监测仪器非等距分布的信号恢复;单芯电缆上数据高速传输时,由于各短节等效电缆长度不同,信号波形失真程度不同,需要为每支仪器调节不同参数以适应稳定通信。

(2) 针对井下仪器的均衡系统设计提出了2种方案:针对每一个短节设计1个均衡补偿模块;设计1个参数可变的均衡补偿模块,针对不同的短节调整不同的参数。由于第2种方案电路简单,改变仪器的数量比较容易,故选择了该设计方案。

(3) 通过实验测试,通讯误码率低于1×10-10,证明了程控均衡系统的可靠性和稳定性较高。该系统在现场应用中,取得了准确的数据,能提供必要的流体力学参数,分析井筒气液两相流流型,为现场气井的排水采气方案的制定提供实验依据。