一種雙向遠程控制試井系統(tǒng)的研究與實現

摘要：本系統(tǒng)針對目前壓力測井系統(tǒng)井下交互操作難以實現的現狀，設計了一套基于無線擴頻調制方式進行信號傳輸的軟硬件系統(tǒng)，成功實現了地面控制系統(tǒng)和井下壓力計的實時交互通信。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算方法的壓力計模型。實際測量應用表明能夠準確地反映井下油氣儲存情況，滿足了遠距離試井的實地操作需求，并在很大程度上提高了整個測井的實際效率。
關鍵詞：無線傳輸；擴頻調試；雙向通信；地面控制；壓力計模型

0 引言
對于井下油氣儲存量、油井生產狀況及壽命的評價，一個重要的依據即是能夠準確有效地獲取待測井的壓力、溫度等參數數據及變化趨勢。目前油氣井測試采用的主要方式仍是基于井下存儲方式，即將測量參數設置好的井下探測器放置在待測地層段采集相關數據，待整個測試周期完成后回收至地面并讀取數據。鑒于上述方式無法有效提取油井實時信息，在一定程度上降低了對油井相關操作的效率。本文介紹的試井系統(tǒng)借助下井控制器與井下探測器，通過無線傳輸方式實現無差錯的雙向交互通信，能夠實時提取井下存儲數據，有效提高測井的時效性和傳輸速率，并很好地滿足不同井深及井下各種惡劣環(huán)境的測試需要。

1 系統(tǒng)硬件結構概述

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、中轉模式、直接模式。地面模式下主要功能是進行壓力計的地面配置和測試。中轉模式下，地面控制系統(tǒng)是PC機和井下控制器的連接單元，本身不主動發(fā)送指令，但可以進行實時的數據顯示。直接模式下地面控制器可以獨立控制井下系統(tǒng)，無需PC機參與操作，大大提高了油井現場操作的便攜性，主要功能包括井下實時數據計算顯示，下井命令發(fā)送，井下命令接收和相應井下數據的回傳存儲。下井控制器是針對下井壓力計的功能設計的，主要實現下井過程中的壓力實時跟蹤，完成壓力計的連接保持和壓力數據回傳。井下控制器是針對井下壓力計設計的，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，完成壓力計的電源管理、模式切換、數據回讀等一系列功能。

2 遠距離數據傳輸原理
本文所述方法具有許多技術難點，其中之一是長距離數據傳輸。井下和下井壓力計、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，傳輸線的分布電阻和分布電容較大，對所承載的信號衰減很大，另外還存在阻抗調制、脈沖噪聲、等幅震蕩波干擾等不利因素，難以達到高速傳輸。為此模擬長線傳輸做了大量的實驗，并在現場用實際電纜做實驗，最終采用較為可靠的擴頻通信(Spread Spectrum Conummicadon)作為傳送命令和數據的方式。
擴頻通信指傳輸系統(tǒng)中用于傳送信息的信號帶寬遠大于信息本身帶寬的通信方式，即將待傳送基帶信號用擴頻序列發(fā)生器產生的偽隨機編碼進行擴頻調制從而將頻譜擴展，形成擴展帶寬的低功率譜密度信號進行傳輸。接收端采用同樣偽隨機編碼通過相關處理恢復成窄帶信號，再解調數據恢復出原始信號數據。
從香農公式我們可以了解擴頻通信的理論來源，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，若減小其中一項則勢必要增大另一項以平衡信道固有的容量。因此，當信噪比太小不能保證通信質量時，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，擴展信號頻譜降低功率譜密度，從而使信號幅度降低且隱蔽性好以改善通信質量，這就是通常所謂用帶寬換取功率的通信方法。