游暢,張雄輝,徐迎新,韓靜靜,陽成軍,蔡志明,李宏

(1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司西南分公司,重慶 400021;2.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶井下工程技術(shù)發(fā)展研究中心,陜西 西安 710201)

0 引 言

油氣井的生產(chǎn)需要根據(jù)實(shí)際情況,設(shè)計(jì)出可以增加該油氣井產(chǎn)量的各種技術(shù)方案,并通過實(shí)驗(yàn)找出各種特定條件下最適合該井的采油采氣最佳方案。如果利用正在生產(chǎn)的油氣井做實(shí)驗(yàn),既不實(shí)際也不經(jīng)濟(jì)。因此,可利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)井,通過模擬各種條件下井內(nèi)流體的狀況[1],指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)方案。本文提出了井下多點(diǎn)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)需要在實(shí)驗(yàn)井的不同井深處安裝相應(yīng)的測(cè)量傳感器,如溫度、壓力等,以獲得可靠的井下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),這種實(shí)時(shí)高速可靠數(shù)據(jù)傳輸就成了整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

1 井下多點(diǎn)參數(shù)監(jiān)測(cè)儀通信技術(shù)難點(diǎn)

井下多點(diǎn)參數(shù)直讀監(jiān)測(cè)與傳統(tǒng)生產(chǎn)井井下監(jiān)測(cè)不同[2],傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)是在井下單點(diǎn)傳輸,信號(hào)傳輸?shù)木嚯x固定,對(duì)信號(hào)衰減也固定,因此,只需要在接收端把增益調(diào)整到某一合適的值,就可以穩(wěn)定地獲得井下儀器數(shù)據(jù)信號(hào)。井下多點(diǎn)參數(shù)直讀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3]的井下儀器是分布在距離不等的電纜上,各儀器信號(hào)傳輸距離相差10倍以上,到達(dá)地面的信號(hào)大小會(huì)相差幾倍至幾十倍,一般的信號(hào)恢復(fù)電路或模擬均衡處理很難勝任這種信號(hào)的恢復(fù)工作[4]。由于實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)高精度的要求,需要在單芯電纜上進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸,因?yàn)楦鱾€(gè)井下測(cè)量短節(jié)所處的深度不同,等效電纜長(zhǎng)度不同從而導(dǎo)致變形失真程度也不同,各個(gè)短節(jié)通信參數(shù)需要分別調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同短節(jié)的通信需要。如果針對(duì)每一個(gè)短節(jié)設(shè)計(jì)一個(gè)不同增益放大和均衡補(bǔ)償電路,則電路復(fù)雜,且不容易增加儀器的數(shù)量,更不能改變儀器在井下分布順序。針對(duì)以上技術(shù)難點(diǎn),本文提出了數(shù)字程控均衡處理系統(tǒng)[5]。

2 均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及方案

均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要完成2個(gè)方面的功能:地面系統(tǒng)對(duì)不同深度儀器的信號(hào)恢復(fù);井下儀器對(duì)可變參數(shù)的調(diào)節(jié),如增益、補(bǔ)償強(qiáng)度和補(bǔ)償頻率等,因此,均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為地面系統(tǒng)和井下儀器2部分。

2.1 地面系統(tǒng)的均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

由于井下多點(diǎn)參數(shù)直讀監(jiān)測(cè)儀在井下非均勻分布,測(cè)量短節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸始于不同的電纜位置,設(shè)計(jì)了數(shù)字程控均衡處理系統(tǒng),該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾和信號(hào)識(shí)別能力,數(shù)字處理系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)整以適應(yīng)不同長(zhǎng)度和類型的電纜,即使電纜或間距不同也能自動(dòng)調(diào)整至最佳狀態(tài),完全無需人工干預(yù),地面系統(tǒng)的信號(hào)處理流程見圖1。

圖1 信號(hào)處理流程圖

前級(jí)處理為簡(jiǎn)單的模擬濾波電路,主要是去除電纜信號(hào)中的噪聲,提高信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力,AGC電路對(duì)信號(hào)的幅度進(jìn)行均衡處理[6],使信號(hào)幅度大致相同,ADC電路對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理[7],將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的數(shù)字序列,數(shù)字自適應(yīng)濾波器由DSP和FPGA協(xié)處理器組成[8-9],對(duì)輸入的數(shù)字序列進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算處理,使之轉(zhuǎn)化為容易識(shí)別的數(shù)字序列,再由數(shù)字信號(hào)鑒別器處理成測(cè)量短節(jié)的測(cè)量數(shù)據(jù),經(jīng)格式變換后由USB輸出。

2.2 井下儀器的均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

井下儀器處于井筒內(nèi)不同的位置,電纜長(zhǎng)度不同,再加上各個(gè)儀器之間電路信號(hào)的互相影響,所以每支井下儀器的接收增益、補(bǔ)償強(qiáng)度和補(bǔ)償頻率都需要單獨(dú)調(diào)節(jié),以滿足不同深度的儀器信號(hào)傳輸和通信要求。要完成這個(gè)目標(biāo)目前只有2種方案可行:①針對(duì)每一個(gè)短節(jié)設(shè)計(jì)一個(gè)均衡補(bǔ)償模塊;②設(shè)計(jì)一個(gè)參數(shù)可變的均衡補(bǔ)償模塊,針對(duì)不同測(cè)量短節(jié)調(diào)整不同的參數(shù)。

2.3 均衡系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

針對(duì)井下儀器均衡系統(tǒng)的2種設(shè)計(jì)方案:①每一個(gè)短節(jié)設(shè)計(jì)一個(gè)均衡補(bǔ)償模塊,需要為每支儀器的接收分別制作1套放大和補(bǔ)償電路,假設(shè)接收10組測(cè)量數(shù)據(jù),就需要10個(gè)相似的電路,太復(fù)雜,而且不容易增加儀器的數(shù)量。②設(shè)計(jì)一個(gè)參數(shù)可變的均衡補(bǔ)償模塊,電路簡(jiǎn)單,改變儀器的數(shù)量比較容易,但是調(diào)整參數(shù)需要穩(wěn)定時(shí)間,同時(shí)需要同步命令,才能準(zhǔn)確檢測(cè)到短節(jié)的標(biāo)記,調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用和系統(tǒng)需求,采用參數(shù)可變均衡補(bǔ)償方案更優(yōu)(見圖2)。圖2中命令表示地面發(fā)送的傳輸命令;儀器1、儀器2……儀器10表示儀器在不同增益下的接收數(shù)據(jù)。

圖2 命令和數(shù)據(jù)波形幅度示意圖

參數(shù)可變均衡補(bǔ)償系統(tǒng)的工作原理見圖3。信號(hào)接收的核心是可控增益放大器和可調(diào)均衡器。可控增益放大器將接收信號(hào)放大到合適的幅度,方便接收;可調(diào)均衡器補(bǔ)償電纜的特性,恢復(fù)接收信號(hào),使其能夠被正確解碼。同步發(fā)生產(chǎn)生一井下與地面的時(shí)間同步信號(hào),觸發(fā)后,井下按照約定的時(shí)間順序發(fā)送數(shù)據(jù),地面按照約定的時(shí)間順序接收信號(hào),地面程序按照約定的時(shí)間順序調(diào)節(jié)均衡器的參數(shù)(預(yù)調(diào)參數(shù))恢復(fù)信號(hào)波形,同時(shí)按照約定的時(shí)間順序檢測(cè)幅度并調(diào)節(jié)增益(自動(dòng)增益),完成信號(hào)的接收恢復(fù)。另外,由于參數(shù)調(diào)節(jié)后需要穩(wěn)定時(shí)間,所以在每個(gè)通道之間插入足夠的時(shí)間空隙。由于接收的通道比較多,預(yù)調(diào)參數(shù)獲取比較麻煩,因此,加上必要的狀態(tài)指示以便調(diào)節(jié)。

圖3 均衡系統(tǒng)工作原理框圖

3 均衡系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)分析及處理結(jié)果

3.1 信號(hào)恢復(fù)處理

井下儀器與地面數(shù)據(jù)采集控制存儲(chǔ)系統(tǒng)通過單芯測(cè)井電纜進(jìn)行通信,地面數(shù)據(jù)采集控制存儲(chǔ)系統(tǒng)為主動(dòng)的半雙工通信模式[10],定時(shí)(0.1 s)向井下儀器發(fā)送1個(gè)非常簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集命令,井下儀器按照預(yù)定好的順序1次向地面發(fā)送數(shù)據(jù)。波形如圖4(a)所示,前面2個(gè)負(fù)脈沖(間隔3 ms,寬度200 μs)為采集命令也叫同步,后面的10個(gè)黑塊就對(duì)應(yīng)10個(gè)井下儀器的數(shù)據(jù)。每組井下數(shù)據(jù)持續(xù)時(shí)間約6 ms,間距大約3 ms。圖4(b)是數(shù)據(jù)組中數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)顯示。

圖4 數(shù)據(jù)波形圖

數(shù)據(jù)開始是0.5位交替變換的“0”和“1”,稱為導(dǎo)碼,后面是1.5位寬的“1”和“0”稱為同步,再后面是0.5位寬“1”和0.5位寬“0”,表示數(shù)據(jù)位1,或是0.5位寬“0”和0.5位寬“1”表示數(shù)據(jù)位0。

從圖4(b)可見,通過單芯電纜傳輸?shù)男盘?hào)已經(jīng)有些變形(主要是高低不平),需要恢復(fù)信號(hào)波形,才能正確解碼。恢復(fù)主要通過放大、均衡補(bǔ)償、比較鑒別和解碼。放大目的是使被電纜衰減的信號(hào)恢復(fù)幅度,并通過調(diào)節(jié)增益得到合適的幅度;均衡補(bǔ)償?shù)淖饔檬羌m正變形的信號(hào),通過調(diào)節(jié)補(bǔ)償強(qiáng)度和補(bǔ)償頻率,使信號(hào)恢復(fù);比較鑒別是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào);最后進(jìn)行解碼,完成接收。

系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)一個(gè)參數(shù)可變放大和補(bǔ)償電路,實(shí)時(shí)改變其參數(shù)以達(dá)到匹配不同井下儀器的目的。將接收的參數(shù)組(包含增益、補(bǔ)償強(qiáng)度、補(bǔ)償頻率)參數(shù)1到參數(shù)10分別對(duì)應(yīng)到不同的10支井下儀器[見圖5(a)]。發(fā)送后,經(jīng)過2.5 ms用參數(shù)10的參數(shù)設(shè)置接收電路特性,使其適合井下儀器10的接收。再經(jīng)過9 ms,用參數(shù)9的參數(shù)設(shè)置接收電路特性,使其適合井下儀器9的接收……直到參數(shù)1匹配井下儀器1,完成一次循環(huán)。這樣,系統(tǒng)自動(dòng)適應(yīng)了不同井下儀器的接收均衡功能,將接收的圖5(a)中的不規(guī)則信號(hào)恢復(fù)成如圖5(b)所示的規(guī)則信號(hào),其細(xì)節(jié)見圖5(c)。

圖5 信號(hào)恢復(fù)處理

不論從細(xì)節(jié)還是整體看,信號(hào)都得以恢復(fù)并完成數(shù)據(jù)的接收。接收信號(hào)經(jīng)過模擬電路處理恢復(fù)后,進(jìn)一步提高接收性能,增加可靠性。將信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后,用數(shù)字信號(hào)處理方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理,主要是對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波,濾除無用的頻率分量,留下有用的頻率分量。處理后不能產(chǎn)生相位失真,因?yàn)橄辔皇д鏁?huì)導(dǎo)致已經(jīng)通過模擬電路恢復(fù)的信號(hào)再次失真。數(shù)字信號(hào)中FIR(有限沖擊響應(yīng))濾波器有線性相位特性[11],不產(chǎn)生相位失真。所以,用FIR濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)一步處理,提高接收性能。經(jīng)過模擬和數(shù)字處理的接收信號(hào),波形基本恢復(fù),幅度達(dá)到合適范圍,變換成數(shù)字邏輯信號(hào)進(jìn)行解碼。

3.2 數(shù)據(jù)位邊沿定時(shí)修正解碼處理

接收解碼模塊將曼徹斯特編碼信號(hào)變換成字節(jié)數(shù)據(jù)。檢測(cè)到同步位后定時(shí)采集數(shù)據(jù)位,每8 bit輸出1 B數(shù)據(jù)。但是,由于同步位后的數(shù)據(jù)位很長(zhǎng)(>3 000 bit),地面和井下儀器時(shí)鐘偏差、同步位傳輸過程中的寬度改變,這些因素的累積會(huì)使按定時(shí)采集數(shù)據(jù)位的位置發(fā)生錯(cuò)位,導(dǎo)致接收錯(cuò)誤[見圖6(a)]。

解碼模塊有自動(dòng)微調(diào)的功能,使定時(shí)采集數(shù)據(jù)位的位置自動(dòng)根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)整。由于曼徹斯特碼在數(shù)據(jù)位中間肯定會(huì)有邊沿產(chǎn)生,所以利用數(shù)據(jù)位中間的邊沿[見圖6(b)中下面的箭頭位置]定時(shí)進(jìn)行修正,從而糾正了采集位置,保證正確地接收解碼。

3.3 誤碼率測(cè)試

系統(tǒng)為滿足實(shí)時(shí)傳輸要求,同時(shí)結(jié)合地面解碼系統(tǒng)器件特性、地面軟件數(shù)據(jù)記錄等多方面因素,選取100 ms的傳輸周期,即地面系統(tǒng)每100 ms下發(fā)一次同步信號(hào),10只測(cè)量短節(jié)依據(jù)地址順序依次上傳數(shù)據(jù),每個(gè)測(cè)量短節(jié)占據(jù)約10 ms的傳輸時(shí)間,傳輸約60 B。系統(tǒng)每100 ms傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量為600 B,現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了連續(xù)3 d的數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試,地面沒有顯示通信錯(cuò)誤信息,共測(cè)試字節(jié)12 Gbits,誤碼率小于1×10-10(見表1)。

圖6 解碼校正前后波形圖

表1 誤碼率測(cè)試

4 應(yīng)用效果

井下多點(diǎn)參數(shù)直讀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能模擬現(xiàn)場(chǎng)油氣井全生命周期的采油采氣過程,并獲取先導(dǎo)性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),為油氣井開采工藝提供技術(shù)支撐?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定,取得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。地面軟件能夠通過管柱圖實(shí)時(shí)顯示10個(gè)短節(jié)位置及其測(cè)量到的井筒實(shí)時(shí)溫度、壓力變化,同時(shí)能夠通過10個(gè)短節(jié)測(cè)量到的井筒參數(shù)計(jì)算任意兩短節(jié)間流體管路摩阻,能夠分析井筒氣液兩相流流型(見表2)。系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性已通過測(cè)試,滿足使用要求。

表2 氣液兩相流流型分析

續(xù)表2

5 結(jié) 論

(1) 程控均衡系統(tǒng)解決了多點(diǎn)參數(shù)直讀監(jiān)測(cè)儀通信中的2個(gè)難題:井下監(jiān)測(cè)儀器非等距分布的信號(hào)恢復(fù);單芯電纜上數(shù)據(jù)高速傳輸時(shí),由于各短節(jié)等效電纜長(zhǎng)度不同,信號(hào)波形失真程度不同,需要為每支儀器調(diào)節(jié)不同參數(shù)以適應(yīng)穩(wěn)定通信。

(2) 針對(duì)井下儀器的均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了2種方案:針對(duì)每一個(gè)短節(jié)設(shè)計(jì)1個(gè)均衡補(bǔ)償模塊;設(shè)計(jì)1個(gè)參數(shù)可變的均衡補(bǔ)償模塊,針對(duì)不同的短節(jié)調(diào)整不同的參數(shù)。由于第2種方案電路簡(jiǎn)單,改變儀器的數(shù)量比較容易,故選擇了該設(shè)計(jì)方案。

(3) 通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試,通訊誤碼率低于1×10-10,證明了程控均衡系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性較高。該系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中,取得了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),能提供必要的流體力學(xué)參數(shù),分析井筒氣液兩相流流型,為現(xiàn)場(chǎng)氣井的排水采氣方案的制定提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。