徐彥凱，雙 凱，曲曉霞

（1中國石油大學（北京）信息學院電子系，北京102249；2山西省興縣教師進修校山西呂梁033600）

欠平衡鉆井能提高鉆井的機械鉆速，提高鉆頭使用壽命，可防止壓差卡鉆和減少井眼循環(huán)漏失，提高產(chǎn)量，減少地層損害。但是欠平衡鉆井成本高，存在不安全隱患，且地層壓力是決定是否欠平衡，欠多少的重要因素之一。為避免負壓條件喪失后油氣層受到傷害及安全作業(yè)，及時獲取和監(jiān)測地層壓力等作業(yè)參數(shù)就顯得尤其重要[1-2]。

但由于測量點離鉆頭較遠而無法獲取近鉆頭處的信息。因此，人們一直在尋求解決測量點滯后鉆頭的方法，其中的一種方法是采用近鉆頭測量系統(tǒng)測量近鉆頭參數(shù)，然后由近鉆頭信號傳輸系統(tǒng)傳輸給遠鉆頭端的有線隨鉆測量（MWD）系統(tǒng)，再由MWD將接收的數(shù)據(jù)傳輸至地面。近鉆頭信號傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)是這種方法的關鍵[3]。目前近鉆頭信息短距離傳輸?shù)姆椒ㄓ须娎|、聲學和電磁波。電纜傳輸需要在鉆具上打孔或開槽埋設電纜或設計專門的鉆具，前者安全性較低，后者成本高。聲傳輸時油氣井會產(chǎn)生強大的氣噪聲，對聲波傳輸?shù)母蓴_很大，且傳輸?shù)男畔⒘亢苄　ｋ姶挪ㄐ盘杺鬏斝阅苁苤車貙咏橘|的電阻率影響大，且信號衰減快，功耗高。本文采用電磁脈沖[4]為數(shù)據(jù)載體，設計了欠平衡鉆井的短距無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有傳輸速率高，且接收信號不受井下介質影響，整體系統(tǒng)功耗低的優(yōu)點。文中主要介紹了無線通信系統(tǒng)及發(fā)送和接收的各組成部分。

1 電磁脈沖無線傳輸系統(tǒng)框架

該欠平衡鉆井中短距電磁脈沖無線數(shù)字傳輸系統(tǒng)由電磁脈沖發(fā)送部分與電磁脈沖接收部分組成，其中電磁脈沖發(fā)送部分包括信源編碼電路和電磁脈沖發(fā)送電路；電磁脈沖接收部分包括接收線圈、前端調理電路、AD轉換電路、接收濾波器、整流抽樣判決器、數(shù)據(jù)校驗器以及存儲器。井下數(shù)字通信系統(tǒng)的結構如圖1所示。

圖1 井下數(shù)字通信系統(tǒng)結構圖

井下數(shù)字通信系統(tǒng)的工作過程為井下壓力傳感器采集的信號經(jīng)過編碼器編碼；以幀結構的異步通信方式將編碼信號送入電磁脈沖發(fā)送器，轉換為高頻電磁脈沖信號；電磁脈沖信號通過油氣井下鉆具傳輸?shù)浇邮站€圈；接收線圈接收該電磁脈沖信號并將其轉化為電壓信號；經(jīng)過前端調理電路盡量抑制噪聲并放大；對處理后的信號進行高速高精度AD轉換；由FIR匹配濾波器對該信號作相關，整流，抽樣判決；恢復井下溫度壓力信號并進行CRC數(shù)據(jù)校驗，若校驗無誤則解碼并存儲該數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)設計和實驗

在確定系統(tǒng)框架的基礎上，設計了系統(tǒng)中的各部分，并進行了相關的驗證。

2.1 電磁脈沖發(fā)送電路

電磁脈沖發(fā)送電路是將數(shù)字序列轉換成高壓電脈沖，考慮到井下只能采用電池，用可控硅電子開關的通斷在電感上產(chǎn)生瞬間高壓脈沖，如圖2所示。

圖2 可控硅電子開關產(chǎn)生電磁脈沖原理圖

2.2 前端調理電路

由于接收端有用信號的幅度較小，完全淹沒在噪聲中，為了降低噪聲，信號的前端調理電路擬采用差分放大結構，該結構電路可以有效抑制輸入噪聲，并可放大輸入的小信號[5]。

2.3 AD采樣電路

由于接收的信號是寬帶的窄脈沖信號，需要采樣頻率高，AD采樣單元選用模數(shù)轉換芯片AD7476[6]。AD7476是高速（采樣速率為1 MHz）、低功耗（36 mW Typ）的12位串行AD轉換器。該芯片體積和功耗都很小，與FPGA的硬件接口電路很簡單，芯片采用2.35 V to 4.25 V的VDD單電源供電。AD7476的模數(shù)轉換時序如圖3（a）所示。由時序圖為依據(jù)，采用Verilog HDL語言編程實現(xiàn)，在QuartusII8.1開發(fā)平臺上編譯、綜合、仿真波形如圖3（b）所示，設計了FPGA和AD7476的接口功能[7-9]。

2.4 接收濾波器

為了獲得最小誤碼率，接收濾波器采用了匹配濾波器[10-11]，其單位沖擊響應h（t），與接收端輸入信號s（t）的關系為：

對（2）式并離散化，得到數(shù)字匹配濾波器為：

式（3）表明，設計的匹配濾波器為n階FIR數(shù)字濾波器。

輸入輸出信號的差分方程為：

式中hi為濾波系數(shù)，x（n）為輸入信號，

經(jīng)推導得：

圖3 AD7476時序圖和波形仿真圖

由于AD轉換采用串行輸入，首先將串行數(shù)據(jù)轉換為并行數(shù)據(jù)，再由（4）得到分布式算法的n階FIR濾波器的FPGA結構示意如圖4所示。

圖4 分布式算法的N階FIR濾波器的FPGA結構示意圖

根據(jù)有符號數(shù)DA算法對h（n）合理分段，對每段設計查找表，并在FPGA[12-15]上實現(xiàn)了50階FIR濾波器，匹配濾波器的電路頂層設計如圖5所示。

圖5中主要由3個fir16模塊、1個fir2模塊、3個數(shù)據(jù)格式轉換模塊和2個加法器模塊組成。其中fir16為16階濾波器，fir2為2階濾波器濾波器，根據(jù)接受到的信號已經(jīng)設計的濾波器系數(shù)存放到對應的查找表中。

為了驗證濾波器設計的正確與否我們將如圖6（CH1）所示井下實際接收的位元信號通過設計的FPGA匹配濾波器濾波，輸出結果如圖6（CH2）所示。顯然，經(jīng)過處理的信號較直接接收信號的信噪比提高了5 dB。

2.5 CRC校驗

為了保證通信的可靠性，該傳輸系統(tǒng)設計了循環(huán)校驗碼（Cyclic Redundancy Check碼）的校驗電路，本設計選用CRC16-CCITT型碼字，根據(jù)CRC的設計規(guī)則，基于FPGA設計了發(fā)送CRC校驗模塊和接收CRC校驗模塊。

2.6 高溫數(shù)據(jù)存儲

井下測量數(shù)據(jù)需要存儲在井下存儲器中，儀器提升到地面后，通過通訊模塊將存儲器中的數(shù)據(jù)讀出，因此需要大存儲量的芯片，另外考慮井下為高溫環(huán)境，數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)擬選用ALTER公司的工作最高溫度為135℃的16 Mbits高容量存儲芯片EPCS16。EPCS16的讀寫實現(xiàn)原理相同，下面以讀實現(xiàn)為例，EPCS16讀時序如圖7（a）所示。

由EPCS16的讀時序為依據(jù)，設計了EPCS讀操作。存儲在EPCS的數(shù)據(jù)為“10110001”，圖7（b）為讀數(shù)據(jù)仿真，波形表明，基于FPGA的存儲器的讀功能正確。

2.7 主控單元

圖5 FPGA實現(xiàn)匹配濾波器的頂層設計

圖6 接收線圈接收的信號（CH1）和匹配濾波器輸出（CH2）

主控單元采用SOPC技術[16-19]，SOPC主控框架如圖8所示，控制發(fā)送、接收、校驗、存儲、與上位機通信。主處理器采用ALTERA公司的32位NIOS處理器軟核，系統(tǒng)總線采用AVALON總線，外圍擴展：AD接口、自定義匹配濾波模塊，抽樣判決模塊、CRC校驗模塊，EPCS數(shù)據(jù)存儲，控制發(fā)送接收PIO、與上位機的UART串行通訊。

由于井下無線數(shù)據(jù)傳輸是點對點的通信，采用的通信流程為：1）發(fā)送端發(fā)送測試數(shù)據(jù)，接收端處于接收狀態(tài)測試數(shù)據(jù)正確后通知發(fā)送方數(shù)據(jù)鏈路建立。2）發(fā)送方發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，接收方接收數(shù)據(jù)并校驗。3）發(fā)送方接收，接收方發(fā)送反饋信號。4）由發(fā)送方接收到的反饋信號決定數(shù)據(jù)重發(fā)或下一幀數(shù)據(jù)。5）發(fā)送方或接收方需通信中斷，則通信結束。

圖7 EPCS16的讀時序和仿真波形

圖8 SOPC主控框架圖

3 結束語

短距電磁脈沖無線數(shù)字傳輸是以油氣井下的鉆井鉆具為媒介來傳輸電磁脈沖信號的方法，設計的電磁脈沖無線數(shù)字傳輸系統(tǒng)以SOPC為核心，實現(xiàn)了欠平衡鉆井中短距無線數(shù)據(jù)采集、傳輸、接收、存儲功能，現(xiàn)場實驗表明：該系統(tǒng)具有傳輸速率高達200 bit/s，且整體系統(tǒng)功耗低的優(yōu)點。