摘要：本系統(tǒng)針對(duì)目前壓力測(cè)井系統(tǒng)井下交互操作難以實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套基于無線擴(kuò)頻調(diào)制方式進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)能浻布到y(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了地面控制系統(tǒng)和井下壓力計(jì)的實(shí)時(shí)交互通信。系統(tǒng)主要包括地面控制系統(tǒng)、下井控制器和井下控制器三部分，并采用了一種高精度和特定計(jì)算方法的壓力計(jì)模型。實(shí)際測(cè)量應(yīng)用表明能夠準(zhǔn)確地反映井下油氣儲(chǔ)存情況，滿足了遠(yuǎn)距離試井的實(shí)地操作需求，并在很大程度上提高了整個(gè)測(cè)井的實(shí)際效率。
關(guān)鍵詞：無線傳輸；擴(kuò)頻調(diào)試；雙向通信；地面控制；壓力計(jì)模型

0 引言
    對(duì)于井下油氣儲(chǔ)存量、油井生產(chǎn)狀況及壽命的評(píng)價(jià)，一個(gè)重要的依據(jù)即是能夠準(zhǔn)確有效地獲取待測(cè)井的壓力、溫度等參數(shù)數(shù)據(jù)及變化趨勢(shì)。目前油氣井測(cè)試采用的主要方式仍是基于井下存儲(chǔ)方式，即將測(cè)量參數(shù)設(shè)置好的井下探測(cè)器放置在待測(cè)地層段采集相關(guān)數(shù)據(jù)，待整個(gè)測(cè)試周期完成后回收至地面并讀取數(shù)據(jù)。鑒于上述方式無法有效提取油井實(shí)時(shí)信息，在一定程度上降低了對(duì)油井相關(guān)操作的效率。本文介紹的試井系統(tǒng)借助下井控制器與井下探測(cè)器，通過無線傳輸方式實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)的雙向交互通信，能夠?qū)崟r(shí)提取井下存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，有效提高測(cè)井的時(shí)效性和傳輸速率，并很好地滿足不同井深及井下各種惡劣環(huán)境的測(cè)試需要。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述

    硬件部分如圖1所示，主要包括地面控制系統(tǒng)、下井控制器和井下控制器三部分。地面控制系統(tǒng)有三種工作模式：地面模式、中轉(zhuǎn)模式、直接模式。地面模式下主要功能是進(jìn)行壓力計(jì)的地面配置和測(cè)試。中轉(zhuǎn)模式下，地面控制系統(tǒng)是PC機(jī)和井下控制器的連接單元，本身不主動(dòng)發(fā)送指令，但可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)顯示。直接模式下地面控制器可以獨(dú)立控制井下系統(tǒng)，無需PC機(jī)參與操作，大大提高了油井現(xiàn)場(chǎng)操作的便攜性，主要功能包括井下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算顯示，下井命令發(fā)送，井下命令接收和相應(yīng)井下數(shù)據(jù)的回傳存儲(chǔ)。下井控制器是針對(duì)下井壓力計(jì)的功能設(shè)計(jì)的，主要實(shí)現(xiàn)下井過程中的壓力實(shí)時(shí)跟蹤，完成壓力計(jì)的連接保持和壓力數(shù)據(jù)回傳。井下控制器是針對(duì)井下壓力計(jì)設(shè)計(jì)的，主要功能是接收并執(zhí)行地面控制系統(tǒng)發(fā)出的操作指令，完成壓力計(jì)的電源管理、模式切換、數(shù)據(jù)回讀等一系列功能。

2 遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸原理
    本文所述方法具有許多技術(shù)難點(diǎn)，其中之一是長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸。井下和下井壓力計(jì)、電路板工作于距離地面4000～6000m的油井中，井下壓力、溫度、濕度、噪聲與地面有很大不同，此外，由于傳輸距離太長(zhǎng)，傳輸線的分布電阻和分布電容較大，對(duì)所承載的信號(hào)衰減很大，另外還存在阻抗調(diào)制、脈沖噪聲、等幅震蕩波干擾等不利因素，難以達(dá)到高速傳輸。為此模擬長(zhǎng)線傳輸做了大量的實(shí)驗(yàn)，并在現(xiàn)場(chǎng)用實(shí)際電纜做實(shí)驗(yàn)，最終采用較為可靠的擴(kuò)頻通信(Spread Spectrum Conummicadon)作為傳送命令和數(shù)據(jù)的方式。
    擴(kuò)頻通信指?jìng)鬏斚到y(tǒng)中用于傳送信息的信號(hào)帶寬遠(yuǎn)大于信息本身帶寬的通信方式，即將待傳送基帶信號(hào)用擴(kuò)頻序列發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)編碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制從而將頻譜擴(kuò)展，形成擴(kuò)展帶寬的低功率譜密度信號(hào)進(jìn)行傳輸。接收端采用同樣偽隨機(jī)編碼通過相關(guān)處理恢復(fù)成窄帶信號(hào)，再解調(diào)數(shù)據(jù)恢復(fù)出原始信號(hào)數(shù)據(jù)。
    從香農(nóng)公式我們可以了解擴(kuò)頻通信的理論來源，在受到加性高斯白噪聲的信道中，信道容量由下式描述：
   
    在給定的信道容量下可以用不同帶寬和信噪比的組合來傳輸，若減小其中一項(xiàng)則勢(shì)必要增大另一項(xiàng)以平衡信道固有的容量。因此，當(dāng)信噪比太小不能保證通信質(zhì)量時(shí)，常采用寬帶系統(tǒng)，即用增加帶寬(展寬頻譜)來提高信道容量，擴(kuò)展信號(hào)頻譜降低功率譜密度，從而使信號(hào)幅度降低且隱蔽性好以改善通信質(zhì)量，這就是通常所謂用帶寬換取功率的通信方法。
    本文所述系統(tǒng)擴(kuò)頻信號(hào)采用一系列短促的、可自同步的掃描頻率chirps作為載波，每個(gè)chirps一般持續(xù)100 μs，代表最基本的通信符號(hào)時(shí)間。由于chirps信號(hào)的線性掃描帶寬比信號(hào)帶寬要大得多，其線性加速度較高，而等幅振蕩干擾的頻率加速度一般較穩(wěn)定，因此設(shè)計(jì)特定角加速度信號(hào)的濾波器可以將該干擾消除。此外chirps波形還具有很強(qiáng)的自相關(guān)特性，這種模糊邏輯相關(guān)性決定了所有通信系統(tǒng)中的設(shè)備，可以同時(shí)識(shí)別通信系統(tǒng)中任意設(shè)備發(fā)出的這種獨(dú)特波形，并且不需要在發(fā)送和接收設(shè)備間進(jìn)行同步。圖2所示為擴(kuò)頻載波chirps一個(gè)周期的波形圖。

    系統(tǒng)所選通訊接口控制器是一個(gè)高度集成化的收發(fā)器和信道存取接口，采用擴(kuò)頻載波(Spread Spectrum Carrier)技術(shù)，適用CEBus接口標(biāo)準(zhǔn)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。通信物理層采用振幅移位鍵控(ASK)和反相鍵控(PRK)兩種載波調(diào)制方式，如圖3所示，其中ASK調(diào)制用于信息包的前同步碼，分別由高電平、低電平表征chirps的有無。已編碼數(shù)據(jù)段采用PRK調(diào)制方式，利用相差180°的兩種相位S1、S2對(duì)所傳數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼表示。數(shù)據(jù)幀中“0”和“1”分別用與載波同相和反相的信號(hào)來調(diào)制、傳送，PRK調(diào)制能夠與信號(hào)標(biāo)志位保持良好的相關(guān)性并能很好地進(jìn)行跟蹤，在該環(huán)境下長(zhǎng)線傳輸性能明顯優(yōu)于ASK，實(shí)際可實(shí)現(xiàn)9．6kbps的傳輸速率，很好地滿足實(shí)際實(shí)時(shí)操作的需求。

    實(shí)際通信模塊實(shí)現(xiàn)原理及過程描述：模擬通信信號(hào)首先進(jìn)入擴(kuò)頻處理模塊，然后經(jīng)緩存放大及ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。對(duì)輸入信號(hào)的數(shù)字處理包括采用匹配濾波對(duì)擴(kuò)頻載波chirps進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，并追蹤已接收到的信號(hào)。將接收到的信號(hào)信息經(jīng)由特定數(shù)字信號(hào)處理電路傳輸至邏輯接口進(jìn)行解碼，按照已制定通信協(xié)議分配并最終分組傳輸至主處理模塊進(jìn)行處理。擴(kuò)頻處理后的模擬信號(hào)經(jīng)功率放大模塊放大輸出并最終耦合至無線發(fā)射天線，完成無線信號(hào)的發(fā)射和接收功能，圖4所示即為無線發(fā)射接收模塊示意圖。

3 數(shù)據(jù)采集與處理
3．1 壓力計(jì)理論模型
    壓力計(jì)作為井下油氣參數(shù)數(shù)據(jù)的主要采集單元，其特性會(huì)對(duì)試井分析產(chǎn)生直接的影響，為了確定和評(píng)價(jià)這種影響的程度，現(xiàn)在比較常用的方法是采用計(jì)算機(jī)模擬分析法(也稱轉(zhuǎn)換函數(shù)法)，在本文介紹的方法中建立了一個(gè)壓力計(jì)的理論模型。該模型是基于已有的壓力計(jì)性能規(guī)格、測(cè)試質(zhì)量控制和通用壓力傳感器的基本物理學(xué)原理，主要應(yīng)用于評(píng)估包括溫度響應(yīng)、噪聲和非理想電子壓力設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)處理的影響。
3．1．1 壓力計(jì)轉(zhuǎn)換函數(shù)
    壓力計(jì)轉(zhuǎn)換函數(shù)從數(shù)學(xué)上描述了壓力計(jì)測(cè)試的全過程，建立了壓力溫度輸出響應(yīng)與輸入壓力溫度間的關(guān)系。如果壓力計(jì)傳感器和數(shù)據(jù)處理都是理想的，就會(huì)產(chǎn)生精確代表每時(shí)刻被測(cè)壓力P(t)所對(duì)應(yīng)的輸出r(t)；如果壓力計(jì)不是理想的，那么，測(cè)量值就會(huì)含有短期漂移、長(zhǎng)期漂移和噪聲等誤差。
    對(duì)于壓力計(jì)，其輸出r(t)與已知的壓力和溫度之間的關(guān)系可以表示為：
    r(t)=g[P(t)，T(t)，壓力計(jì)參數(shù)]
    這里g[]為壓力計(jì)轉(zhuǎn)換函數(shù)，它提供了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)描述，即它給出了已知輸入和壓力計(jì)參數(shù)去計(jì)算壓力計(jì)輸出的規(guī)則，另外它還可以用一種一致合理的方法來定義壓力計(jì)規(guī)格和質(zhì)量控制參數(shù)。
3．1．2 壓力計(jì)數(shù)據(jù)處理模型
    壓力轉(zhuǎn)換函數(shù)可以根據(jù)壓力計(jì)規(guī)格、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)及質(zhì)量控制測(cè)試結(jié)果來確定。一般的壓力計(jì)模型包括下列特性參數(shù)：r1=短期漂移(小于24hr)，MPa；r2=長(zhǎng)期漂移(大于24hr)，MPa；r3=溫度梯度引起的壓力誤差，MPa；r4=壓力測(cè)試噪聲誤差，MPa。
    可用下面的方程來模擬給定壓力和溫度步長(zhǎng)下的壓力計(jì)響應(yīng)：
   
    rr為壓力計(jì)總響應(yīng)壓力值，MPa；t0為響應(yīng)初始時(shí)間，hr；△t為壓力變化時(shí)間增量，hr。
    實(shí)際壓力計(jì)計(jì)算模型針對(duì)實(shí)際溫度壓力的不同變化趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了各自不同的特定分段擬合方式，并通過Matlab仿真工具取得了很好的效果，具體仿真結(jié)果如下：

    從圖5所示可以看出，壓力．計(jì)輸出溫度數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確地表現(xiàn)了實(shí)際情況，且采用的溫度計(jì)算模型方法所得出的溫度值具有很高的精度。
圖6壓力數(shù)據(jù)仿真圖

    從圖6顯示數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，壓力計(jì)溫漂引起的壓力誤差得到了補(bǔ)償，壓力計(jì)算模型所得值和實(shí)際外界條件值基本吻合。
3．2 壓力計(jì)實(shí)際設(shè)計(jì)
    電子壓力計(jì)是一類比較有特點(diǎn)的測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)際上它屬于信號(hào)采集系統(tǒng)，其輸入是壓力溫度模擬信號(hào)，輸出則是量化后的數(shù)字量。實(shí)際模塊大致可分為三塊：模擬部分、數(shù)字部分和電源管理部分。大致框圖如下：

    其中模擬電路部分的主要功能為經(jīng)低通濾波處理濾除經(jīng)電纜傳輸后壓力計(jì)信號(hào)中的高頻分量，并將模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。
    數(shù)字電路部分考慮到長(zhǎng)線傳輸?shù)南到y(tǒng)頻帶限制，及壓力計(jì)信號(hào)輸出采用的部分響應(yīng)基帶傳輸方式，所以原始信號(hào)需經(jīng)過硬件電路處理恢復(fù)出數(shù)據(jù)信號(hào)供主處理器處理。
    數(shù)字信號(hào)首先經(jīng)過去除毛刺后分成兩路，一路未進(jìn)行任何處理，另一路經(jīng)過由兩片F(xiàn)IFO寄存器和一片移位寄存器構(gòu)成的移位電路，經(jīng)過精確位移的信號(hào)與原信號(hào)進(jìn)行異或操作，恢復(fù)出數(shù)據(jù)信號(hào)，再經(jīng)過濾波處理然后直接送給主處理器進(jìn)行相關(guān)處理，并在指定端口處發(fā)送出去。該電路中配備一定頻率的振蕩器，經(jīng)分頻后作為隊(duì)列寄存器和移位寄存器的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)。
    電源管理模塊提供了系統(tǒng)各個(gè)模塊所需的工作電壓，并具有高溫保護(hù)功能，當(dāng)溫度過高時(shí)電源自動(dòng)斷電，并在掉電時(shí)將濾波電路的反饋回路切斷，當(dāng)溫度降低時(shí)可自動(dòng)恢復(fù)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波電路的溫度控制。
    壓力計(jì)控制系統(tǒng)采用一套完備的壓力計(jì)管理通信協(xié)議集，規(guī)定了數(shù)據(jù)的具體格式，包括幀分類方式、幀長(zhǎng)度判定格式、幀數(shù)據(jù)意義定位等。該套通信協(xié)議集支撐了整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作，充分滿足了井上井下交互通信及實(shí)際油井測(cè)試工作的需要。

4 應(yīng)用實(shí)測(cè)
    本文所述的遠(yuǎn)程控制試井測(cè)試系統(tǒng)已在渤海鉆井平臺(tái)得到多次實(shí)際應(yīng)用。其中最新一次測(cè)試為2010年7月，測(cè)試井深2253．79m，測(cè)試井段2104．0～2109．0m，產(chǎn)量：油114．3m3／d，氣11104m3／d，流壓16．02Mpa，生產(chǎn)壓差1．90Mpa，地層最大壓力17．92Mpa，測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度82．7℃。井下探測(cè)系統(tǒng)位于井深2045．42m處，測(cè)得數(shù)據(jù)經(jīng)無線發(fā)射接收模塊傳至下井控制器，由地面計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，同時(shí)借助下井控制器完成對(duì)井下探測(cè)器的實(shí)時(shí)控制。整個(gè)試井作業(yè)所記錄的壓力和溫度變化過程曲線圖如圖8所示。

    該系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量曲線圖，較準(zhǔn)確地反映了該井整個(gè)操作流程所對(duì)應(yīng)的變化趨勢(shì)，并通過專用分析軟件對(duì)該過程中初關(guān)井至二開井段壓力曲線圖進(jìn)行了理論值擬合，如圖9所示。
    從圖中可以看到，擬合結(jié)果如實(shí)地反映了實(shí)際測(cè)量壓力的變化趨勢(shì)，與實(shí)際油井相關(guān)操作基本吻合。包括初次關(guān)井壓力值產(chǎn)生跳變并急速下降，之后迅速恢復(fù)接近靜態(tài)壓力。此后進(jìn)行的一系列油井操作均如實(shí)地反映了在壓力變化圖中，直至二次開井壓力值迅速抬高并馬上恢復(fù)到最初壓力值，隨著油井采油作業(yè)直至結(jié)束，壓力值逐漸恢復(fù)至零。

5 結(jié)論
    本文所述系統(tǒng)在渤海多個(gè)平臺(tái)實(shí)際應(yīng)用，準(zhǔn)確提取了井下石油的參數(shù)數(shù)據(jù)，并已申請(qǐng)受理了國(guó)家專利。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及應(yīng)用表明，所設(shè)計(jì)的用于長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)的擴(kuò)頻通信方式，能夠成功地將井下數(shù)據(jù)無誤地傳到井上，并同時(shí)將井上控制命令傳至井下，完成井上井下雙向遠(yuǎn)程控制操作。本文介紹系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的最遠(yuǎn)傳輸距離基本滿足國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的所有井深，傳輸方式可靠穩(wěn)定。此外所采用的壓力計(jì)實(shí)際模型及分段擬合等計(jì)算方式，通過實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)表明能夠如實(shí)準(zhǔn)確地反映井下實(shí)際情況，且測(cè)量量程和精度很好地滿足了實(shí)際需要。
    由于不同油井的環(huán)境差異較大，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的通信帶來不可預(yù)知的影響，因而對(duì)其抗干擾性等方面需通過多次的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)一步改進(jìn)提高。另外由于實(shí)際測(cè)井周期需要，對(duì)系統(tǒng)供電要求較為苛刻，因此整個(gè)系統(tǒng)的功耗節(jié)能等也是今后需提高的主要方面。