CN105026686B - 基于以同轴电缆作为发送介质的信号衰减实时表征的井下智能通讯系统 - Google Patents
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Abstract
本发明包括基于信号衰减的表征的实时井下智能通信，所述信号衰减的表征是以同轴电缆作为通信介质以及由井下作业环境而产生的发送器和接收器的电子元件的频率响应的变化引起。本发明涉及一种用于使用同轴电缆的双向通信系统的衰减响实时表征的方法，包括：产生发送和接收频段中双向通信系统的衰减响应的实时表征用的测试音；测量接收到的信号；评估噪音以及通信信号比；与参照响应进行比较；调整发送和接收频率以保持通信具有最大信噪比。本发明还涉及一种以同轴电缆作为连接设备的通信用自适应双向发送/接收系统，其由一通过双向通信系统的衰减响应的实时特征自动调整工作频段的发送器构成。本发明还涉及用于优化发送和接收频带的可调滤波耦合装置，以及一个可测量发送和接收衰减响应并确定工作频率和调制技术的控制模块。本发明还涉及一种可在数据接收中自动调节工作频段和调制技术的智能接收器。
Description
技术领域和背景技术
石油储备的热力学和地质物理学参数的井下测量是越来越深入且热门的，其在石油储备中是进行适当提炼的一个重要因素。这些参数的测量是使用经特殊设计以承受在不利环境中应用的使用工具来执行的。由这些工具提供的一些重要的参数是温度、压力、流速和震动等。这些参数的记录用于表征储量，因为这些工具都直接与地层接触。
油井的深度逐渐加深，如今在有些情况下其超过7000米。因此，在这些深度处，可存在高温高压的环境。温度可以超过200℃而压力可以超过20,000psi。可以认为高温是高于150℃而高压是高于10 000psi。
石油储量的表征的测量和记录带动了具有专业的电子设备和创新的通信系统的测量工具的设计和实施。通信系统的挑战，包括噪声干扰，电缆衰减和无源电子元件的热漂移等，在这些恶劣环境中会导致获得很差的信噪比(SNR)。
实践的状态是由使用线缆连接进行通信和电力发送的技术集成的。各种通信技术已被说明，例如：
专利US 4107644描述了一种井下测量信息的数字传输系统和方法；通过线缆传输的数字信号在基带上(没有调制)通过同步系统的相位编码执行。然而，这里介绍的智能通信系统没有用于以同轴电缆作为连接介质的双向通信系统的衰减响应的实时表征、调整发送和接收频率以保持通信具有最大信噪比、以及与参照衰减响应进行比较的电子电路或方法。
专利US 4355310描述了一个用于井下数据采集的通信系统系统，其使用通用互联和寻址的双向通信，基于寻址识别设备发出的控制指示。
然而，不同于本申请的智能通信系统，该专利没有公开用于以同轴电缆作为连接介质的双向通信系统的衰减响应的实时表征、调整发送和接收频率以保持通信具有最大信噪比、以及与参照衰减响应进行比较的电子电路或方法。
专利US 4415895描述数据发送传输系统，其通过PCM脉冲编码调制进行双向发送-接收。然而，该专利并未考虑到用于以同轴电缆作为连接介质的双向通信系统的衰减响应的实时表征、调整发送和接收频率以保持通信具有最大信噪比、以及与参照衰减响应进行比较的电子电路或方法。
专利US 5838727描述了一个在通信道上发送和接收数字数据的设备和方法。它包含用于发送和接收调幅和QAM调相相结合的方法和设备。然而，该专利并未考虑用于以同轴电缆作为连接介质的双向通信系统的衰减响应的实时表征、调整发送和接收频率以保持通信具有最大信噪比、以及与参照衰减响应进行比较的电子电路或方法。
专利US 2010/0052940以大于400kHz频率的切换电力线通信，并以低频率发送通信信号，使切换电力发送不干扰通信。然而，不同于本申请的智能通信系统，该专利没有公开用于以同轴电缆作为连接介质的双向通信系统的衰减响应的实时表征、调整发送和接收频率以保持通信具有最大信噪比、以及与参照衰减响应进行比较的电子电路或方法。
上述专利并未考虑到使用同轴电缆作为连接介质的通信用的合适的双向发送接收通信设备，其具有一发送器，所述发送器可基于数据发送用通信链路的实时频率响应和用于数据传输的信噪比评估的实时频率响应对操作波段进行自动调整；使用可调耦合滤波设备以发送和接收波段；一个控制模块，所述控制模块能够测量发送、接收中的衰减响应以确定工作频率；以及一个智能接收器，所述智能接收器具有工作波段自动调整功能，最适用于数据发送、接收中的调制技术。
此外，上述专利未提供用于以同轴电缆作为连接介质的双向通信系统的衰减响应的实时表征方法，该方法包括：测试具有已知的宽谱频段的音频或时域窄脉冲信号来表征覆盖发送和接收波段的所关注波段的扫频信号的生成、处理和测量所接收的信号、与参照响应进行比较、调整发送和接收频率以保持通信具有最大信噪比。
发明内容
本发明的目的是提供一基于受通信介质中温度变化的影响而产生的通信链路的信号衰减的表征的井下实时智能通信系统，所述通信系统包含一个作为连接介质的同轴电缆，以及用于执行发送、接收的功能的电子模块。
以同轴电缆作为连接介质的双向通信系统的衰减响应的实时表征方法，包含：测量通信链路实施频率响应和评估数据传输的信噪比；可调耦合滤波设备发送、接收频带的使用；一个控制模块，所述控制模块能够测量发送、接收中的衰减响应并确定工作频率；以及一个智能接收器，所述智能接收器具有工作波段自动调整功能，最适用于数据发送、接收中的调制技术。
此外，本发明的目的还在于提供一种所述方法的发展和电子电路的实现，以应用于执行发送和接收功能的单芯线缆和电子模块引起的信号衰减的特性的井下实时智能通信。
附图说明
图1是一个测量油井中温度和压力用的整个系统的图，其中11是移动单元,13是电缆,16是测量装置,17是牵引设备,18是井下，12是旋转线轴,14是机械吊臂以及15是井口。
图2是温度和压力测量系统的放大图，其中11是移动单元,100是电脑,50是采集和控制模块,40是PLC(电力线通信)发送器模块,30是PLC接收器,20是电源,16是测量模块,66是感应模块,90是处理单元,70是发送器,60是接收器,80是电源、17是牵引模块。
图3是示出智能通信系统的功能框图，其中11是一个地面测量模块，16是一个矿井测量系统，17是牵引设备,13是同轴电缆,20是高压电源,22是动力线源，80是井下高压降低源以及88是一个井下高压和大功率降低源，30是PLC接收器,40是PLC发送器模块,50是采集和控制模块,100是电脑,21、31和41滤波模块,110是存储模块，90是处理单元,66是感应模块，61、71和81年是滤波模块，60是接收器,70是发送器以及125是RS-485收发器模块。
图4锁定捕获频率响应，其中Fc A是从地面到井下的发送载波信号的中心频率，BWA是此类信号的带宽。实线表示滤波器在20℃的频率响应而虚线表示滤波器在200℃的频率响应。y轴表示分贝的幅值而x轴以赫兹显示频率。
图5表示发送、接收中带阻滤波器的频率响应。其中Fc A是从地面到井下的发送载波信号的中心频率,BW A是此类信号的带宽,Fc B从井下到地面的发送载波信号的中心频率,BW B是此类信号的带宽。实线表示滤波器在20℃的频率响应而虚线表示滤波器在200℃的频率响应。y轴表示分贝的幅值而x轴以赫兹显示频率。
图6是发送、接收中耦合滤波器的频率响应的过度曝光,以及滤波模块中包含的高通滤波器的频率响应。
图7是智能通信方法的流程图。
图8是时域测试信号的例子。
图9是频域测试信号响应的例子。
图10显示井下控制处理模块。其中，90是井下控制处理模块，340是PLC接收数字模块，330是PLC发送数字模块，350是存储数字模块，300是核心处理数字模块，320是测量数字模块以及310是UART收发器数字模块。
图11显示PLC接收数字模块。其中340是PLC接收数字模块,400是一个模拟数字转换器(ADC),410是数字滤波模块,420是解调模块,430是一个数据链路和信息检测模块。
图12示出PLC发送数字模块。其中330是PLC发送数字模块,500是信息构建和分段模块以及520是信号合成器模块。
图13示出采集和控制模块。其中50是采集和控制模块,650是数字存储块,640是PLC接收数字模块,630是PLC发送数字模块,660是PLC接收滤波数字控制模块,600是中央处理数字模块以及610是电源数字控制模块。
图14示出地面PLC接收数字模块。其中640是PLC接收数字模块,700是一个数模转换器(ADC),710是数字滤波模块,720是解调模块以及730是数据链路和信息检测模块。
图15示出地面模块PLC发送数字模块。其中630是PLC发送数字模块,800是信息构建和分段模块以及820是信号合成器模块。
图16示出地面模块PLC接收数字模块。其中，900是可调节的带通滤波器模块，910是中心频率控制模块，920是低噪声放大器(LNA)以及930是信号调节模块。
具体实施方式
以同轴电缆作为连接介质的双向通信系统的衰减响应的实时表征方法具体描述如下。
图1示出了在油井中测量温度和压力的整个系统的图；其包括一移动单元11，其装配有测量、控制、电力供给以及通信设备，其中，所述移动单元11通过电缆13与测量设备16相连并通信，所述测量设备16与牵引设备17相连，所述牵引设备17又下降至矿坑18，所述电缆由旋转线轴12逐渐放出并在机械吊臂14的协助下从所述线轴的水平出口转到垂直进口进入到所述矿井15中。
图2示出了用于测量温度和压力以及其他物理参数测量系统的放大图，其中在上述移动单元11内部显示下述重点要素：一电脑100，其分别与采集和控制模块50、PLC发送模块40(电力线通信)、PLC接收器30相连，其中，PLC接收器30与电源20相连，PLC发送模块40和PLC接收模块30以及电源20通过耦合单元与所述线缆电缆13相连接，所述线缆电缆13又与测量模块16相连接，所述测量模块16包含感应模块66，处理单元90，发送器70以及接收器60,所述测量模块16通过RS-485收发器(推荐标准的收发器)125与所述牵引设备17相连并进行通信。
图3示出了智能通信系统的功能框图，所述智能通信系统可分为地面测量模块11和矿坑测量模块16，其中模块11和16通过电缆13互连。所述地面测量模块包含一向模块30、40、50以及100提供电力且是11的一部分的电源22，以及一通过电缆13提供井下模块16中所需的能源的电源20，且所述电源20还供给电压调节模块、电源80，所述电源80向模块70,60,90以及110提供电力，所述电源模块20还供给电压调节模块，电源88向牵引模块17施加电力。所述智能通信系统的操作包括在地面通过电缆13与井下的接收器Rf 60和Tf 70连接的发送器Ts 30和接收器Rs 40。需要在发送和接收中调节维持信号水平的调节工作由地面终端的滤波模块21、31、41和井下终端的61、71和81模块执行，且它们作用是：当发送器30以频率Ts发送一信号时，接收器60必须以最小衰减接收该信号，且接收器40必须接收最小信号(最大衰减)而不干扰所述发送器70和所述接收器40中间的通信信道。未经调节的电源对通信信号显示低阻抗，因此其需要插入锁定夹以确保在30和60之间以及70和40之间的双向通信链路的两条路上的发送和接收信号的低衰减，从而模块21和81在通信频率上显示高阻抗。
图4示出31、41、61和71的频率响应的例子，图5示出21和81的响应的例子。图4所示的频率响应的位移代表不同温度下模块61和71的频率响应的情况。其中，实线表示在室温下以FcA为中心频率并以BWA为带宽的滤波操作；另一方面，虚线对应于热漂移引起的位移。再有，图5所示的频率响应的位移代表不同温度下模块21的频率响应的情况。两种情况下，移位都在操作温度在20摄氏度到200摄氏度的范围内变化时发生。自动跟踪这些变化正是本专利申请的目的智能通信的一部分所在。
图6示出了图4和5中描述的滤波模块分别以FcA和FcB的频率及以BWA和BWB的带宽发送和接收的频率响应的重叠。
采集和控制模块50实施模块20、30和40的表征操作，规定了发送器30的发送功率及频率、规定接收器40的敏感度，对通信消息编码并决定所使用的操作中心频率；其还控制显示器和电脑100中的信息存储。处理单元90实施模块60、70和80的表征操作，规定发送器70发送的功率和频率并规定接收器60的敏感度，对通信消息编码并与50协作，调节发送和接收的工作频率，其探查并测量感应模块66的测量信号。在井下，模块90控制信息存储在存储模块110中，类似地，地面上，模块50控制信息存储在模块100中。通信机制建立在以消息的形式从地面模块11向井下模块16发送命令，井下模块16执行该指示并向地面模块11发送一响应消息。命令消息可包含一系列函数给出的执行要求，所述函数中含有与压力和温度变量的测量、牵引器17的动作的执行、操作参数的修改以及通信介质的表征工序的同步相关的信息要求。
通信介质的实时表征的优选方法通过图7的流程图示出；该方法开始是从地面模块11向井下模块16发送一消息，所述消息包含通信介质的一个特定指示或命令，井下模块16使其控制模块90做准备以捕获由地面模块11发送的广谱测试信号。所述测试信号从地面模块11穿过整个通信介质到达井下模块16，由井下模块16的控制模块90采集并存储用于后续处理。然后地面模块11停止发送广谱测试信号而使井下模块16有机会捕获出现的本底噪声信号，所述本底噪声信号也被存储用于后续处理。
在接下来的步骤中，地面模块11使其采集和控制模块50做准备以捕获由井下模块16发出的广谱测试信号。井下模块16发送该测试信号，该测试信号从井下穿过整个通信介质到达地面。接收到的信号由采集和控制模块50存储以用于后续处理。然后，井下模块16停止发送广谱测试信号而使地面模块11有机会捕获出现的背景噪声信号，所述背景噪声信号也被存储用于后续处理。
在接下来的步骤中，地面模块11和井下模块16执行分别由它们的采集和控制模块50和90实时获取的信号的处理。处理涉及广谱和本底噪声测试信号的快速傅立叶变换(FFT)的获取。结果每个都产生一个以表示它们的频率函数的信号幅度的数据矢量。分析由井下模块16的控制模块90获得的两个数据矢量以便找到具有最佳信噪比的接收频率，其作为一响应消息发给地面模块11。
地面模块11执行相同工序，使用由其控制模块50获取的数据矢量来决定从井下模块16到地面模块11具有最佳信噪比的发送频率。
作为下一个步骤，地面模块11向井下模块11发送一具有通信参数重置指令或命令的消息。该消息告知该井下模块将要使用的新的发送和接收频率。然后井下模块16的控制模块90重新指定图12的数字滤波模块相关的系数的量。另外，来自于地面模块11发出的消息中所指示的新频率值被分配给的图13的解调参数和图15的调制参数。在完成该任务时，井下模块16向地面模块11发送一响应消息以确认图12、13和15的通信模块的参数的变化。
另一方面，地面模块11通过其采集和控制模块50将其图17的数字滤波模块、图18的解调模块、图20的调制模块调节到新频率。
图7所示的用于通信介质的实时表征的优选方法不是限定性的，可以考虑进行补充，对发送和接收参数的调节进行记录作为频率和温度的一个函数，以便通信系统操作开始可选择以室温的参数启动、以上次测量中使用的参数启动或根据之前的测量中存储的或校准运行的参数列表自动调节。
控制处理模块90如图10所示，由PLC接收数字模块340、PLC发送数字模块330、测量数字模块320、存储数字模块350、UART(通用异步收发器)收发器数字模块310以及中央处理数字模块300构成。来自接收模块60的模拟信号在PLC接收数字模块的输入端显示，其与中央处理数字模块相连以处理来自地面模块11的命令消息。中央处理数字模块300与测量数字模块320相连以捕获测量模块66的物理参数，其与UART收发器数字模块310相连以通过RS-485模块125从牵引器17传送命令接收响应。其还与PLC发送数字模块相连以发送地面模块的结果。
图11的PLC接收数字模块由一数模转换器(ADC)400、数字滤波模块410、一解调模块420、一数据链路和消息检测模块430构成。ADC 400接收来自PLC接收模块60的模拟信号，ADC 400将这样的模拟信号转换为一数字形式，并输入到将频带限定在接受频谱内的数字滤波模块410，该数字滤波器的输出端与恢复命令消息的数字帧的解调模块420相连，其中所述数字帧被发送给数据链路和消息检测模块430，数据链路和消息检测模块430将恢复的信息发送给中央处理数字模块300。
图12的PLC发送数字模块由一消息构建和分段模块500以及一合成模块(DAC)520构成。该消息构建和数据分段模块500接收中央处理数字模块300发出的信息，对该信息进行编码和分段，该分段的信息被发送给信号合成模块520，该信号合成模块520将一发送频带调制模拟信号发送给发送模块70。
如图13所示，采集和控制模块50包含PLC接收数字模块640、PLC发送数字模块630、显示及存储数字模块650、PLC接收滤波控制数字模块660以及中央处理数字模块600。接收模块40发出的模拟信号在PLC接收数字模块640的输入端显示，所述PLC接收数字模块640与控制处理模块600相连以处理来自井下模块16的响应消息。控制处理模块600与显示及存储模块650相连以显示并存储由井下模块16测量的物理参数。再有，其还与一PLC发送数字模块630相连以将命令消息发送给井下模块16。中央处理数字模块600与PLC接收滤波控制数字模块660相连以调整PLC接收器30的频率响应作为井下模块16的发送响应的一个函数。
图14的PLC发送数字模块640包含一数模转换器(ADC)700、一数字滤波模块710、一解调模块720、一数据链路以及一消息检测模块730。ADC 700接收由接收模块40发出的模拟信号，其中ADC 700将这样的模拟信号转换为一数字形式，并输入到将频带限定在接受频谱内的数字滤波模块710，该数字滤波器710的输出端与恢复命令消息的数字帧的解调模块720相连，其中所述数字帧被发送给数据链路和消息检测模块730，数据链路和消息检测模块730将恢复的信息发送给处理控制模块600。
图15的PLC发送数字模块630包含一信息构建和分段模块800以及一基于DAC 820的信号拟合模块。该信息构建和数据分段模块800接收由处理控制模块600发出的信息，对该消息进行编码和分段，该分段的信息被发送给信号拟合模块820，该信号拟合模块820将一发送频带调制模拟信号发送给PLC发送模块30。
地面接收模块40如图16所示，包含一可调带通滤波模块900、一中心频率控制模块910、一低噪声放大器(LNA)920以及一信号调节模块930。可调带通滤波模块900接收由井下模块16发出的通信信号，根据中心频率控制模块910发出的频率校准在频率上对其进行滤波，所述中心频率控制模块910从采集和控制模块50接收该频率校准值。可调带通滤波模块900将处理后的通信信号发送给低噪声放大器模块(LNA)920，所述低噪声放大器模块(LNA)920将振幅衰减的信号放大到信号调节模块930所要求的水平，所述信号调节模块930测量并耦合输出阻抗以将通信信号发送给PLC接受数字模块640。
Claims (4)
1.一种用于在井下智能系统中以同轴电缆作为连接介质的双向通信系统的衰减响应的实时表征方法，其中，所述井下智能系统包括地面模块和井下模块，其特征在于：所述方法包括下述步骤：
a)基于能生成所关注的发送和接收频带内的频率信号的时域中的电压脉冲，从地面模块向井下模块发送从频域的地面模块广谱测试信号中产生的表征命令；
b)获取并存储沿着包括滤波模块的整个通信介质传送的测试信号；
c)在井下接收器的输入端获取并存储背景噪声信号；
d)通过快速傅立叶变换(FFT)处理步骤(b)和(c)获取的信号；
e)从测试信号以及井下接收器的输入端处的噪声信号得到的FFT评估具有最佳信噪比的传输频率；
f)调整与数字滤波模块相关的系数以及地面的解调模块的参数，以根据所评估的传输频率将所述井下接收器调整到新的接收频率；以及
g)根据所评估的传输频率调整地面的解调模块的参数，将井下模块的发送器调整到新的传输频率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述地面模块由基于具有数字信号处理能力的设备的数据采集系统组成；
所述井下模块由基于数字信号处理器以及牵引设备的测量模块组成；
所述地面模块的数据采集系统具有生成、接收并处理用于表征通信介质的广谱测试信号的能力，其包括采集和控制模块、计算机、具有地面滤波模块的PLC发送器和具有地面滤波模块的PLC接收器；以及
所述井下模块的测量模块基于具有生产、接收并处理用于表征通信介质的广谱测试信号的能力的数字信号处理器，其包括与控制处理模块相连的感应模块、连接有井下滤波模块的井下接收器、以及井下电源，其中，所述井下电源包括用于向所述井下模块的测量模块供电的高压降压电源。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法从井下模块向地面模块启动并操作。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述数字滤波模块的系数以及地面的解调模块的参数存储在非易失性存储器中，并与温度变化相关。
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