CN202850989U - 一种基于单芯测井电缆的高速数据传输系统 - Google Patents
一种基于单芯测井电缆的高速数据传输系统 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种基于单芯测井电缆的高速数据传输系统,包括通过单芯测井电缆连接的地面部分和井下部分;地面部分包括地面用户数据接口、OFDM解调器、AMI编码器、地面模拟前端;井下部分包括井下模拟前端、AMI解码器、OFDM调制器、井下用户数据接口;高速数据传输系统的下行通道通过地面用户数据接口、AMI编码器、地面模拟前端、单芯测井电缆、井下模拟前端、AMI解码器、井下用户数据接口顺序连接形成,上行通道通过井下用户数据接口、OFDM调制器、井下模拟前端、单芯测井电缆、地面模拟前端、OFDM解调器和地面用户数据接口顺序连接形成。本实用新型能够在单芯测井电缆上实现双向高速的数据传输速率,满足生产测井的现场需求。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种石油测井技术,具体说,涉及一种用于单芯电缆进行石油勘探的高速数据传输系统。
背景技术
测井电缆一般有单芯、多芯。而在生产测井领域中,由于油井内管柱内径和井内工具等的限制,生产测井的仪器外径包括数据传输仪器的井下部分一般最大不能超过42毫米,因此在这种应用中,一般采用单芯电缆进行测井服务。
基于这种单芯电缆的测井遥测系统国内外大多采用曼彻斯特码进行信息传输,数据传输速率只有5kbps、20kbps,目前最高不超过100kbps,也有公司如Sondex公司,上行通道和下行通道均采用AMI码井下信息传输,其上行通道最高速率不超过200kbps,下行通道的速率仅300bps,无法适应新型测井仪器的数据传输要求,并且电路设计过于复杂,造成功耗过大、实际使用不可靠等缺点。而随着组合测井和成像测井的出现致使测井数据量非常大,特殊的井下环境又要求测井电缆遥测系统能够实时、准确地将这些数据传输到地面,目前众多基于单芯电缆的测井仪器还无法满足实际需要,从而制约了不断出现的一些高端测井仪器的使用。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种在单芯测井电缆上实现双向数据传输的系统,其能够在单芯测井电缆上大幅度提高数据传输速率,特别是上行通道的传输速率。
为了方便说明本实用新型,首先作如下的术语定义:
OFDM:指Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用;
AMI:指Alternative Mark Inversion,传号交替反转码,是通信编码中的一种,为极性交替翻转码;
CAN:指Controller Area Network,控制局域网络,一种现场总线;
IFFT:指Inverse Fast Fourier Transform,快速傅里叶逆变换;
FFT:指Fast Fourier Transform,快速傅里叶变换;
RS编码:指Reed-Solomon编码;
bps:指bits per second,每秒传送位数;
M-QAM:指多电平正交幅度调制;
SNR:指信号与噪声比;
PGA:指可编程增益放大器;
为了解决上述问题,本实用新型提供了一种基于单芯测井电缆的高速数据传输系统,包括地面部分和井下部分;地面部分包括地面用户数据接口、OFDM解调器、AMI编码器、地面模拟前端;井下部分包括井下模拟前端、AMI解码器、OFDM调制器、井下用户数据接口;地面部分和井下部分通过单芯测井电缆连接;高速数据传输系统包括下行通道和上行通道,下行通道通过地面用户数据接口、AMI编码器、地面模拟前端、单芯测井电缆、井下模拟前端、AMI解码器、井下用户数据接口顺序连接形成;上行通道通过井下用户数据接口、OFDM调制器、井下模拟前端、单芯测井电缆、地面模拟前端、OFDM解调器和地面用户数据接口顺序连接形成。
其中,地面用户数据接口与地面主机可以采用以太网接口进行数据交互,井下用户数据接口可以采用CAN总线与井下测井仪器进行数据交互。
优选地,OFDM调制器包括RS编码、随机化、映射器、同步帧、频域成帧、IFFT、保护间隔插入、比特分配表。AMI编码器包括边沿检测和AMI码脉冲生成。地面模拟前端包括AD转换器、PGA、带通滤波器、第一DA转换器、Bessel低通滤波器、功率放大器、LC高通滤波器、地面电缆耦合电路、第二DA转换器。
优选地,井下模拟前端包括DA转换器、功率放大器、上行通道信号消除电路、Bessel低通滤波器、信号判决器、判决门限产生电路和井下电缆耦合电路。地面电缆耦合电路和井下电缆耦合电路采用电容C、电阻R和电感L进行电路耦合。
地面部分的地面用户数据接口、OFDM解调器和AMI编码器三个模块可以用数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)配合完成。
井下部分的AMI解码器、OFDM调制器和井下用户数据接口三个模块也可以用数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)配合完成。
本实用新型根据生产测井中用到的单芯测井电缆的传输特性及实际工程需要,采用上行和下行不同的传输体制,上行通道采用自适应调制的OFDM技术及回音消除技术,实现了在单芯测井电缆上的高速数据传输;下行通道采用简单有效的AMI码。本实用新型的系统设计使得井下电路设计简单、高效、稳定,同时上下行通道的数据传输相互不受影响,可以在现有单芯测井电缆上大幅度提高数据传输速率,以满足井下仪器数据量传输要求。通过在7000米的Camesa铠装单芯测井电缆上进行实际测试,上行通道能达到400kbps以上的传输速率,下行通道速度为1.14kbps。
附图说明
图1是本实用新型中用于单芯石油测井的高速数据传输系统的总体结构框图;
图2是本实用新型中OFDM调制器109内部功能图;
图3是本实用新型中AMI编码器104的内部功能图;
图4是本实用新型中AMI编码器104中AMI编码示例;
图5是本实用新型中地面模拟前端105的内部结构图;
图6是本实用新型中井下模拟前端110的内部结构图;
图7是本实用新型中地面部分和井下部分与单芯测井电缆111进行耦合的电路结构图;
图8是本实用新型中上行通道和下行通道的频谱划分图。
具体实施方式
下面参照附图,对本实用新型技术方案做详细说明。
如图1所示,显示了基于单芯测井电缆的高速数据传输系统。该系统包括地面部分和井下部分,其中地面部分包括地面用户数据接口102、OFDM解调器103、AMI编码器104、地面模拟前端105;井下部分包括井下模拟前端110、AMI解码器108、OFDM调制器109、井下用户数据接口107。该系统的地面部分和井下部分通过单芯测井电缆111连接,地面部分与地面主机101采用以太网接口进行数据交互,井下部分采用CAN总线与井下测井仪器106进行数据交互。该高速数据传输系统实现双通道数据传输,即包括下行传输通道和上行传输通道。其中下行传输通道采用AMI码,该通道主要完成将地面主机101产生的测井仪器的命令或数据传至井下部分的相应的井下测井仪器内,使井下测井仪器按照地面主机的指令进行测井作业,即下行数据或者信号的传输顺序为:主机101→地面用户数据接口102→AMI编码器104→地面模拟前端105→单芯测井电缆111→井下模拟前端110→AMI解码器108→井下用户数据接口107→井下测井仪器106。;上行传输通道采用自适应的OFDM调制技术,该通道主要完成将井下测井仪器106产生的大量测井数据送至地面主机101,并通过地面主机101进行存储、处理、分析、显示、打印等各种数据操作,即上行数据的传输顺序为:井下测井仪器106→井下用户数据接口107→OFDM调制器109→井下模拟前端110→单芯测井电缆111→地面模拟前端105→OFDM解调器103→地面用户数据接口102→主机101。
如图2所示,OFDM调制器109包括RS编码201、随机化202、映射器203、同步帧204、频域成帧205、IFFT206、保护间隔插入207、比特分配表208。OFDM调制器109在接收到井下用户数据接口107输出的测井数据后经RS编码201后送入随机化202,随机化202是对输入的物理层数据包进行能量扩散,然后映射器203根据比特分配表208对随机化202后的数据进行M-QAM映射,采用M-QAM映射可以大大提高频谱的利用率,而比特分配表208是通过训练过程中对信道的SNR分析得到,以保证在给定的误码性能条件下实现传输速率的最大化,IFFT206即OFDM调制,将频域各个子信道的数据变换到时域,形成时域OFDM调制信号,最后在保护间隔插入207中插入保护间隔后送入井下模拟前端110通过单芯电缆发送至地面。
如图3所示,AMI编码器104包括边沿检测301和AMI码脉冲生成302。其中,边沿检测301用于提取出地面用户数据接口102输出的下行原始信号的上升沿和下降沿,AMI码脉冲生成302则在上升沿处产生一个正脉冲,下降沿处产生一个负脉冲。图4给出了一个AMI编码示例,在该示例中,下行原始信号的有效比特流是“10011100”。
如图5所示,地面模拟前端105包括AD转换器501、PGA502、带通滤波器503、DA转换器A504、Bessel低通滤波器505、功率放大器506、LC高通滤波器507、地面电缆耦合电路509、DA转换器B508。地面模拟前端105将下行通道的AMI信号通过DA转换器A变成模拟信号后送至Bessel低通滤波器505滤除下行脉冲信号的高频谐波以减小对上行信号的干扰,Bessel低通滤波器505输出的信号经过功率放大器506将下行输出信号放大后送至地面电缆耦合电路509,最终通过单芯测井电缆111输出至井下;同时从单芯测井电缆111的上行通道的信号经过地面电缆耦合电路509后通过LC高通滤波器507滤除下行信号的干扰,然后通过带通滤波器503进一步消除低频和高频信号的干扰,然后再OFDM解调器103的控制下,通过DA转换器B调节PGA502的放大增益,使得上行信号放大到一个最佳的电平后送至AD转换器501,将上行信号转换为数字信号后送至OFDM解调器103进行OFDM解调。
如图6所示,井下模拟前端110包括DA转换器601、功率放大器602、上行通道信号消除电路603、Bessel低通滤波器604、信号判决器605、判决门限产生电路607和井下电缆耦合电路606。井下模拟前端110将OFDM调制器109输出的信号经过DA转换器601后变成模拟信号,然后通过功率放大器602驱动放大,井下电缆耦合电路606进行信号隔离后最终通过单芯测井电缆111将上行信号送至地面;同时,通过单芯测井电缆111的下行通道信号经过井下电缆耦合电路606后通过上行通道信号消除电路603初步消除上行通道的信号干扰,然后再经过Bessel低通滤波器604进一步消除上行通道的信号干扰以及一些高频噪声,最后通过信号判决器605对Bessel低通滤波器604输出的信号进行判决,输出上行通道的原始信号,该原始信号送至AMI解码器108进行数据解码,信号判决器605的判决门限由判决门限产生电路607产生。
地面电缆耦合电路509和井下电缆耦合电路606采用电容C、电阻R和电感L按图7所示的连接方式进行电路耦合。
下面以7000米CAMESA公司的7000米的单芯测井电缆(电缆型号为1K22PTZ)为例,说明整个系统的主要参数设置。
图8为上行通道和下行通道的频谱划分图。由图8可知,单芯测井电缆的10kHz~114kHz频段被用于上行通道的数据传输,2kHz以下被用于下行通道的数据传输,2kHz~10kHz之间为过渡保护带。
完成下行通道的数据传输采用AMI码来实现,其传输波特率恒定为1.14kbps。
完成上行通道的数据传输采用OFDM调制技术来实现。根据单芯测井电缆传输特点,其OFDM主要参数设置如下:
(1)子信道间隔:1.2207kHz。
(2)子信道总数和FFT处理点数:128;
(3)可用子信道总数:89个;
(4)有效符号时间:819.2us
(5)保护间隔时间:204.8us
(6)FFT处理带宽:156.3kHz。
地面部分的地面用户数据接口102、OFDM解调器103、AMI编码器104这三个模块用数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)配合完成,其中DSP选用TI公司TMS320C6415,FPGA选用Actel公司的A3P060VQ100。DSP主要完成OFDM解调器的解调算法、AMI编码及编码数据的产生以及地面部分地面用户数据接口102中以太网上层协议的处理,FPGA主要完成整个地面部分的电路控制、接口时序转换等工作。AD转换器501选用TI公司的DA转换芯片THS1401,PGA502选用Analog公司的芯片AD603,DA转换器A504选用TI公司的DAC7571,功率放大器506选用APEX公司的PA-02,Bessel低通滤波器505设计为截止频率为1.2kHz的6阶Bessel低通滤波器,带通滤波器503设计为低频端截止频率为10kHz和高频端截止频率为200kHz的一个6阶带通滤波器。
井下部分的AMI解码器108、OFDM调制器109、井下用户数据接口107也选用DSP和FPGA配合来完成,其中DSP选用TI公司TMS320F28335,FPGA选用Actel公司的A3P060VQ100。此处DSP主要完成OFDM调制器的调制算法、井下用户数据接口107的接口上层协议,FPGA主要完成井下部分的各电路的控制,以及AMI解码。
通过实际测试,在CAMESA公司的7000米的单芯测井电缆(电缆型号为1K22PTZ)上该高速数据传输系统的上行通道的传输速率可达到400kbps以上,并且传输误码率均在1E-8以下,下行通道的传输速率为1.14kbps,因此大大提高了测井系统的传输速率。
显然,本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样,倘若对本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内,则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种基于单芯测井电缆的高速数据传输系统,包括地面部分和井下部分;其特征在于,所述地面部分包括地面用户数据接口、OFDM解调器、AMI编码器、地面模拟前端;所述井下部分包括井下模拟前端、AMI解码器、OFDM调制器、井下用户数据接口;所述地面部分和所述井下部分通过单芯测井电缆连接;所述高速数据传输系统包括下行通道和上行通道,所述下行通道通过所述地面用户数据接口、所述AMI编码器、所述地面模拟前端、所述单芯测井电缆、所述井下模拟前端、所述AMI解码器、所述井下用户数据接口顺序连接形成;所述上行通道通过所述井下用户数据接口、所述OFDM调制器、所述井下模拟前端、所述单芯测井电缆、所述地面模拟前端、所述OFDM解调器和所述地面用户数据接口顺序连接形成。
2.根据权利要求1所述的高速数据传输系统,其特征在于,所述地面用户数据接口与地面主机采用以太网接口进行数据交互,所述井下用户数据接口采用CAN总线与井下测井仪器进行数据交互。
3.根据权利要求1所述的高速数据传输系统,其特征在于,所述OFDM调制器包括RS编码、随机化、映射器、同步帧、频域成帧、IFFT、保护间隔插入、比特分配表。
4.根据权利要求1所述的高速数据传输系统,其特征在于,所述AMI编码器包括边沿检测和AMI码脉冲生成。
5.根据权利要求1所述的高速数据传输系统,其特征在于,所述地面模拟前端包括AD转换器、PGA、带通滤波器、第一DA转换器、Bessel低通滤波器、功率放大器、LC高通滤波器、地面电缆耦合电路、第二DA转换器。
6.根据权利要求1所述的高速数据传输系统,其特征在于,所述井下模拟前端包括DA转换器、功率放大器、上行通道信号消除电路、Bessel低通滤波器、信号判决器、判决门限产生电路和井下电缆耦合电路。
7.根据权利要求5所述的高速数据传输系统,其特征在于,所述地面电缆耦合电路采用电容C、电阻R和电感L进行电路耦合。
8.根据权利要求6所述的高速数据传输系统,其特征在于,所述井下电缆耦合电路采用电容C、电阻R和电感L进行电路耦合。
9.根据权利要求1所述的高速数据传输系统,其特征在于,所述地面部分的所述地面用户数据接口、所述OFDM解调器和所述AMI编码器三个模块用数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)配合完成。
10.根据权利要求1所述的高速数据传输系统,其特征在于,所述井下部分的所述AMI解码器、所述OFDM调制器和所述井下用户数据接口三个模块用数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)配合完成。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 100010 Chaoyangmen North Street, Dongcheng District, Dongcheng District, Beijing Co-patentee after: CHINA OILFIELD SERVICES Ltd. Patentee after: CHINA NATIONAL OFFSHORE OIL Corp. Address before: 100010 Chaoyangmen North Street, Dongcheng District, Dongcheng District, Beijing Co-patentee before: CHINA OILFIELD SERVICES Ltd. Patentee before: CHINA NATIONAL OFFSHORE OIL Corp. |
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CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20130403 |
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CX01 | Expiry of patent term |