ADSL調制技術在石油測井系統的應用

王剛

（大慶鉆探工程公司測井公司市場管理中心，黑龍江大慶163412）

1 概述

隨著石油工業的不斷發展，對地層信息的采集和分析也有了越來越高要求，對測井技術來講，隨著成像技術的發展，對測井數據的傳輸速率、數據量、數據的可靠性等各方面提出了更高的要求。LOGIQ測井系統使用新一代快速鏈接(FASLINK)遙測系統,采用非對稱數字用戶線(ADSL)技術,應用以太網的模式進行數據傳輸。ADSL技術在LOGIQ測井系統中的應用,提高了測井儀器的集成化,大大減小了硬件占據的空間,提高了測井數據的傳輸速率、數據量、數據的可靠性和真實性。

2 ADSL技術介紹

多載波調制技術是建立在信道分割這一基本思想上的，早在20世紀50年代就已經開始運用在高頻通信中，到20世紀70年代，隨著利用離散傅里葉變換（DFT）及其反變換（IDFT）來進行多載波調制方式的運算這一理論的提出，使得多載波調制技術能夠以數字方式實現，多載波技術逐步走向工業實用化，已經被越來越多的通信系統采用。

最初的多載波調制技術是把信道的可用頻帶簡單地劃分為多個子信道，然后采用不同頻率的載波調制，為了避免信道干擾，子信道間留有一定的隔離信道（保護帶），其缺點是頻帶利用率和傳輸效率不如單載波調制，因此，在此理論基礎上，ADSL技術逐步發展起來。ADSL作為新一代的多頻載波技術，已經逐步運用到測井這一技術領域。ADSL是ASYMMETRIC DIGITAL SUBSCRIBER LINE的縮寫，中文翻譯為非對稱數字用戶線路。ADSL是一種利用現有的傳統電話線路高速傳輸數字信息的技術。

ADSL在數字信號上的調制采用了CAP和DMP技術，這一技術主要是利用一部分帶寬來傳輸下行信號，而剩余的則是進行上行信號的傳輸。但是上行與下行的信號帶寬是不均等的，這就是不對稱的傳輸。在整個頻帶上進行CAP的調制，其從0Hz到1.1MHz，包含了256個頻率指示帶寬為4.3kHz的正交信號通道。每一個頻帶都使用QAM調制技術，具體如圖1所示。

圖1 普通電話線頻譜圖

在圖1中顯示9～32道為上傳通道，33～256道為數據下傳通道。QAM調制方式將相鄰子信道的載波相位正交，實現兩路并行的數據傳輸，其調制方式通常有二進制QAM、四進制QAM、八進制QAM、……其空間信號矢量端點所對應的分布圖為星座圖，其包含了4、16、64…個矢量端點。

正交調幅信號包含了正弦信號和余弦信號的2個相同頻率載波。在發射過程中，這2種被調制載波就已經混和在一起。等待到達預定位置之后，就會彼此分離。

隨著星座點數的增多，其符號傳輸的信息量也會逐漸增大。但是在確保平均能量不變的前提下，星座點的增加，就會縮小星座點之間的距離，這樣會提升誤碼率。所以，高階的星座圖可靠性要低于低階星座圖。QAM接收器主要是通過自適應均衡器，從而對傳輸中信號的失真加以補償。利用ADSL系統本身的復雜性，就是因為其來源于自適應均衡器這一特點。

ADSL技術自發展以來，由于其較快的上網速度和組網的方便性，已經在全世界范圍內得到了廣泛的發展和應用。ADSL不需要撥號上網且一直在線，能擁有固定的IP地址，極大地改善了網絡的穩定性，因此，對于小型的網絡來說不失為一種最佳的組網方式。

3 ADSL技術在測井系統中的應用

對于整個測井系統來說，系統主機與各個模塊以及井下儀器等也構成了一個系統的網絡，該網絡要求數據傳輸穩定、傳輸速度快等，因此，采用ADSL技術來構建測井數據采集網絡是一種很好的方式，而且各大測井公司也在加大此方向的研究。

在當前主流的測井系統中，LOGIQ測井系統采用ADSL技術，對測井數據進行傳輸，該技術給每種井下儀器分配一個IP地址，使得所有儀器按照統一的數據格式來上傳信號，理論上其最大傳輸數率能超過800kB/s，但由于測井采用的是很長的測井電纜，長度一般在5000～7000m之間，信號在電纜傳輸的過程中會隨著電纜的長度和信號頻率增加而衰減，電纜越長，信號衰減越厲害，而且隨著信號頻率的增加，信號嚴重失真，其衰減變化如圖2所示，一般說來，當信號頻率達到100kHz時，信號就會明顯衰減。

圖2 信號隨頻帶衰減圖

在圖2中當信號頻率達到300kHz時，信號衰減幅度近70%，也就是說信號嚴重失真，完全不可檢測。正因如此，LOGIQ系列數據傳輸只采用其64個通道，頻帶帶寬被限定在最大276kHz。

由于在實際測井過程中，上行的數據量是遠遠大于下行的數據量的，因此系統對于頻帶的分配是不一樣的，數據下行通道占用2個，數據上行通道占用56個，1號通道不用，2～3號通道為數據下行通道，4～7通道空，起到信號的保護作用，主要是為了防止上/下行信號的串擾，8～63通道為上傳通道，里面的12頻道不傳輸信號，它只用于井上和井下的MODEMS間的同步數據，64通道為空。在數據傳輸過程中，所有的頻帶傳輸的字數是不同的，低頻傳輸的字數多，高頻傳輸的字數少，這是由于QAM調制會自動根據不同的信噪比來決定每道傳輸的字數。為了避免頻帶的干擾，皮電腦和頻道之間會有分割頻帶的存在，其為0.3125kHz，按照電纜的實際特點來進行信號傳輸頻帶設定，直接分開上下頻帶，采用這種上/下行數據傳輸頻帶的分開設計，能最大限度地避免信號串擾，從而實現測井數據的高速傳輸。

LOGIQ測井系統采用7芯電纜進行供電和數據傳輸，不同長度的電纜，信號傳輸速率不一樣。以25Kft電纜為例，上傳速率為800kB/s,下傳速率為28kB/s。

在進行測井的時候，在ADSL之中用QAM的問題在于不同電纜性能的差異性應該如何去把握。為了能夠擁有理想的工作狀態，QAM接收器在解碼的時候，需要使用相同頻譜以及相位特性的信號。通過自適應均衡器，就可以對信號的失真進行傳輸補償。初始的傳輸信號有一個固定時間長度。但是按照電纜長度以及信號失真的特性，再加上傳輸之中信號出現的頻率響應，接收到的信號總時長可能會是原始信號的數倍，這就要求進行時間均衡，系統采用的同步幀達到這個目的。

4 LOG IQ測井系統的通訊結構

LOG IQ測井系統由測井主機、電纜、DIMP面板以及以太網交換機等組成通訊結構。其中，利用普通RJ45網線連接的是測井主機、DIMP面板以及以太網交換機；利用ADSL Modem方式的是電纜與DIMP面板，其數據傳輸是利用電纜外皮以及纜芯7來實現的；對于各種井下儀和GTET則是利用同軸電纜來順序的連接，通過以太網的TCP/IP協議就可以建立通訊。在通訊之中，井下儀器的核心是GTET。

在本系統中，測井儀器本身分配獨立的IP地址，可以實現與地面計算機之間數據的交換，其地址按照不同的分類，從10.10.1.129到10.10.1.255。之后，對于不同的儀器，分配不同的IP。為了建立通訊的絕對透明的點對點，還需要設計井下路由器和地面路由器，其中，GTET的IP地址是10.10.1.129，為井下路由器，DIMP的IP地址是10.10.1.12，為地面路由器。

DIMP面板就是一個地面系統路由器，而GTET為井下路由器，它們所負責的是收集與分發數據。在測井中，數據需要在地面、電纜以及井下儀器之間相互的傳輸，作為操作人員就可以做好數據的采集、傳輸與處理。

在通訊處理中，系統主機首先向井下發送指令，這一個指令包含了IP地址，等待GTET接收之后，利用GTET的處理器板、總控制、介質訪問單元，就可以直接發送給井下的總線。等待總線接收到指令之后，就會進行相對應的工作。利用井下總線，采集的數據會直接傳輸到GTET控制板中。利用內部的調制解調模塊，就可以調制測井信號，并且做好放大與濾波等處理。通過電纜，信號就會直接傳輸到DIMP面板之后，再利用解調、放大和濾波，就會直接進入到測井主機之中。

機制訪問單元是通過同軸收發器接口所組成的，其本身屬于以太網驅動器/接收器，這一個接收器接口直接與數據終端設備以及同軸電纜相互的連接，也就是處理器板與總控制。通過獨立的變壓器就可以直接連接到處理器板和總控制，其本身是接收器、發送器、定時器以及沖突檢測器來組成的。發送器直接連接50Ω的同軸電纜。在數據發送過程中，會直接初始化定時器。如果傳輸數據包的長度長于額定長度，就無法進行CTI發送；沖突檢測器是在同軸的電纜上進行監測信號的采集，這樣就可以對是否有數據包沖突來加以監控。一旦出現數據包沖突，就會直接告知處理器板和總控制。介質訪問單元在連接其以太網控制器后，就能夠與以太網的控制芯片完成滿足IEEE802.3標準的網絡節點電子技術，利用以太橋接控制器，CS8900就能夠提供解碼功能和曼側斯特編碼，并且做好緩沖塊管理任務以及介質訪問協議的妥善處理。

作為信號傳輸的一個重要載體，時鐘同步是非常重要的，它給數據的傳輸提供控制信號，能保證在信號傳輸過程中質量。在測井系統中，時鐘的同步是井下儀器時鐘和測井西面系統之間的同步。在LOG IQ系統之中，主要包含了地面主機與GTET之間的同步，同時也包含了其余井下儀器與GTET之間的同步。每間隔10s，地面的調制解調器和井下的調制解調器就會直接給地面主機和GTET發送44個信號包，在GTET接受之后，就會獲取當前時段系統的時序，并且將其看成第45個信號包，將其發送給地面主機。地面主機就可以利用其直接計算井下儀器與地面主機之間的不同時序，之后，作為第46個信號，發送給GTET，當接受之后，按照不同的時序，來對系統時鐘進行調整。在進行交換后，就可以基本同步地面主機與井下儀器時鐘。

另外，通過簡單的時間網絡協議，就可以滿足GTET與其余井下儀器的翅中同步。通過GTET是使用這一協議的服務器編碼，而至于其他儀器，則是選擇用戶編碼。每間隔15s就會進行依次的更新，最終滿足同步的要求。

LOGIQ測井系統在ADSL技術應用方面相應的軟件設計簡潔實用。在地面系統測井軟件中，工程師可以在軟件窗口中檢測和診斷信號的傳輸。在軟件窗口可以了解到實時數據包傳輸誤碼率、數據包大小以及發送和接收的增益等信息。工程師根據軟件提示的信息，很清楚地了解施工過程中通訊和數據傳輸的實時信息，給施工和設備維護、維修帶來很多便利。

5 結論

ADSL充分利用現有的銅線網絡以及雙絞線上的帶寬，以先進的調制技術產生更大更快的通路。LOGIQ測井系統利用其傳輸速率高、可靠性強、速度快等優點，提高了測井儀器的集成化,大大減小了硬件占據的空間,也促進了成像和陣列測井技術的快速發展，對我們的儀器開發有很多可借鑒的地方，也是測井儀器研究的一個方向。

[1]HALLIBURTTON LOGIQ-B Logging System Service Manual.USA,2008.

[2]HALLIBURTTON.GTET-I Service Manual.USA,2008.

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