一种单芯电缆测井的数据通信系统

王文梁 陶爱华 程林波

（中海油田服务股份有限公司油田技术研究院，北京 101149）

0 引言

在现代石油探勘和开发的过程中，测井是其中一项重要环节。测井时，需要使用电缆将测井仪器下放到井中，测井仪器在井下工作时，通过电缆与地面设备通信，同时电缆也起到供电的作用。测井电缆一般有单芯和多芯两种。在生产测井中，由于油井内管柱最小内径达到40 mm左右，同时考虑到井口需要安装防喷装置密封，单芯电缆有利于井口密封，因此，生产测井一般采用单芯电缆进行作业服务。单芯电缆既要传输数据，又要为井下仪器供电，因此通信数据容易受到干扰，数据传输速度偏低。基于单芯电缆的测井通信系统，国际上很多采用曼彻斯特码进行数据通信，传输速率通常在20 Kbps至40 Kbps，采用AMI码进行井下信息传输，其上行通道的速度一般为100 Kbps左右，且仅适用于小功率测井仪器。随着油田生产的需要和测井技术的发展，成像测井、井下电视等仪器的出现，需传输的信息量巨大，而实时的测井监控需求，要求井下采集数据实时传输到地面采集系统，现在大多数生产测井系统实现不了大数据量的实时传输。

随着通信技术的发展，先进调制技术的频带利用效率越来越高，如QAM技术、OFDM技术等。这些先进的调制技术结合先进的FEC编译码技术，可以在原有电缆通信信道条件下大幅度提高传输速率。本文介绍一种上行信道采用OFDM技术的调制方式，实现单芯电缆上的高速数据传输。

1 基于OFDM技术的单芯电缆通信系统结构与原理实现

测井仪器在井下工作时，需要和地面采集系统进行双向通信，由于是采用单芯电缆进行通信，上行信号和下行信号都使用同一根电缆，为了简化井下的复杂度，对上下行通道采用不用的频段实现双向通信，一般下行通信传输仪器命令，传输的字节较少，采用较低的频段，本系统中，下行通信采用DBPSK方式进行通信，频段为0～2 kHz的区间。上行通信一般传输井下采集的数据，数据量加大，使用较高的频段，本系统使用10～70 kHz的区间。而2～10 kHz区域禁止使用，这个区间用于上、下行信号的频段隔离。

本传输系统中，对于上行通信，井下的传输仪器为OFDM的调制端，地面采集系统为数据解码端。对于下行通信，井下传输仪器为解码端，地面采集系统为调制端。上行信号和下信号均需要通过模拟处理端口进行滤波、驱动放大，通信系统的总体结构图如图1所示。

图1 数据通信系统总体框图

本系统中，单芯电缆数据传输网络由三级总线连接，数据逐级封装和转发。其中地面遥传仪器和井下遥传仪器完成数据隧道协议，最终实现地面主机与井下测井仪器之间透明的传输上行采集数据和下行测井控制命令。多级总线的整体结构如图2所示。测井电缆上数据传输采用OFDM编码方法，OFDM编码方法可以提高电缆信道的传输速率和提高抗干扰、抗衰减等问题。地面网络采用以太网及TCP/IP技术可以使得测井仪器之间互联互通更加便利，最大限度地共享测井数据，推动测井仪器朝开放式标准接口方向发展，促进网络化测井传输系统的研究、开发和应用。井下仪器采用CAN总线进行数据传输。

图2 通信系统多级总线

地面OFDM解码器以TMS320C6415 DSP为核心，DSP完成OFDM信号的解调、DBPSK编码、下行信号耦合电路的群时延均衡等功能。低通滤波器实现DBPSK信号的发送滤波，该滤波器具有通带内的最佳等群时延特性。线路驱动器对DBPSK信号进行功率放大。线路接收器接收上行OFDM信号，接收滤波器实现上行信号的接收滤波以及自动增益控制。混合网络将下行DBPSK信号并入单芯电缆进行传输，同时分离出上行OFDM信号。

地面模拟处理接口电路通过隔直流电容将电芯电缆上的信号与电源隔离。上行信号与下行信号的频带不同，有1 kHz和2 kHz两个频率，而上行信号使用10 KHz以上的频率，通过截止频率不同的滤波器可分离上行信号与下行信号。下行信号使用数模转换芯片DAC7571输出，并通过缓冲器增强驱动能力。上行信号经过滤波后通过模数转换芯片THS1408M采集后，传送给DSP进行解码。

以太网数据接口由单片网络接口芯片W5100实现，它内部集成有10/100M以太网控制器，主要应用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统中。使用W5100可以实现没有操作系统的Internet连接。W5100与IEEE802.3 10BASE-T和802.3u 100BASETX兼容。W5100提供3种接口：直接并行总线、间接并行总线和SPI总线。W5100与MCU接口非常简单，就像访问外部存储器一样。在本设计中，W5100与DSP的连接采用直接并行总线的方式，W5100挂接在DSP的EMIF B总线的CE0片选的地址空间上。

对于井下通信仪器，OFDM数据调制在井下采集数据中加入冗余纠错码，降低了信号在电缆传输过程中的出错率。建立OFDM通信时，首先对信道进行训练，根据电缆状态确定比特分配表和调制、解调参数，确定电缆通信的速率。井下OFDM通信电路使用TI公司的32位处理器芯片TMS320F28335，该芯片具备32浮点处理功能，最高工作频率为150 MHz，在运行快速傅里叶变化和数字滤波器等算法时，速度比指标相当的定点DSP速度提升50%以上，可以满足OFDM的数据调制需要。井下通信仪器接收下行DBPSK信号时，接收滤波器滤除上行数据信号，同时对下行信号进行自动增益调节，最后传送给ADC芯片转化为数字信号，在FPGA内实现数据解码。

井下通信电路包括井下仪器总线控制电路和井下通讯主板电路，两块电路使用相同的DSP芯片，不同点主要在于井下仪器总线控制电路需要使用到DSP的CAN总线。井下通信模块与测井仪器的接口通过CAN总线实现，井下仪器总线控制电路通过CAN总线传至相应的井下测井仪器，完成井下测井仪器的控制。而井下测井仪器采集的数据则首先通过CAN总线将数据送至井下仪器总线板处理后送至井下通讯主板进行OFDM调制。

井下模拟处理接口工作模块与地面模拟处理接口类似，通过隔直流电容和不同截止频率的滤波器实现供电、上行信号和下行信号的分离。上行信号经DAC转换后变成模拟信号，送至井下驱动板进行驱动放大，最后送至单芯电缆。

2 通信系统测试

中海油田服务股份有限公司利用OPDM技术自主研制了单芯电缆传输系统，速率为200 Kbps，并进行了实验井通信测试，测试时，使用的单芯电缆型号为T1N32P，长度约7 600 m，测试时地面接入200 V左右的直流电压，井下挂接使用多臂井径仪，地面采集系统以766 Kbps的下行速率发命令，测井仪器将测量数据通过上行信道传输至地面系统，如图3所示。

图3 实验井通信测试

根据测试结果，上行物理层传输速率为238Kbps，在测试过程中，传输速度有20 Kbps左右的波动，属于正常现象。下行速度固定为766 Kbps。

3 结语

基于OFDM技术的单芯电路通信系统，传输速率高，稳定的传输速度在200 Kbps以上，信道稳定，克服了传统基带信号速率低，受干扰严重的问题，可以满足大数据成像测井仪器的需要，为单芯电缆测井仪器的发展提供了更广阔的空间。