永置式智能井監測系統多層半雙工通信技術

黨 博,王新亞,劉長贊,任博文,楊 玲

(西安石油大學電子工程學院，陜西西安 710065)

0 引言

井上控制命令的下行傳輸和井下多層監測信息的上行傳輸是通過耦合變壓器將信號耦合至單芯鋼管電纜上，以直流載波的方式進行數據交互[12]。由于地面系統下發控制命令需要針對不同層、不同監測參數，所以井地之間首先需要建立穩定的數據通信，本文設計了一種適合井地之間數據傳輸的半雙工通信的系統，通過地面系統廣播訓練碼快速建立穩定的數據通信；井上控制命令下發只需要固定的命令數，井下多層多參數監測數據量較大，在數據上傳的過程中可能會因井下復雜的環境和電纜阻容漂移造成數據傳輸不穩定甚至中斷[9]，本文研究了井地間半雙工通信數據自適應調節方法，可根據信號傳輸誤碼率實時調整傳輸系統的增益和濾波系數，實現了井地間數據實時、穩定雙向傳輸，保證了永置式智能井分層注采系統工作的穩定性和可靠性，對提高產量和采收率有重要意義。

1 永置式智能井分層注采系統數據交互模型

永置式智能井監測系統是對井下多層參數進行長時間實時性監測，通過單芯鋼管電纜將監測到的信息上傳至地面系統，地面系統通過對井下信息評估后再將相關控制命令通過電纜傳輸到井下，從而完成整個系統的上行傳輸數據和下行傳輸命令的數據交互，實現永置式智能井分層注采。永置式智能井分層注采系統的數據上行傳輸和控制命令下行傳輸的核心是保證長時間數據交互的穩定性、實時性和可靠性。

永置式智能井分層注采系統示意圖如圖1所示，其中包括井下層間測試和地面控制系統2個部分，井下監測數據的上行傳輸和井上控制命令的下行傳輸是以單芯鋼管電纜作為載體，具體包括井下配產器模塊的流量測試部分、溫度測試部分、壓力測試部分，通訊模塊，液量調節模塊，主控器模塊；地面系統主要有計算機、通訊模塊、增益模塊、解碼模塊、電源模塊等。地面系統通過單芯鋼管電纜將直流電供給井下監測系統，井下監測系統將井下監測的溫度、壓力、含水率等信息通過單芯鋼管電纜傳輸到井上地面系統，地面監測控制系統可根據井下上傳的儲層信息判斷智能井注采實際井況，在對上傳的儲層數據評定后再下傳相應的控制命令，進而實現多儲層的合理化、科學化、智能化開采，提高油田采收率和可靠性。

2 永置式智能井監測系統及數據自適應雙向傳輸方法設計

地面系統通過單芯電纜將直流電供給井下監測系統，以保證井下系統的正常工作，電纜還作為井地之間數據交互的載體，井下系統將監測的多層信息經由井下變壓器耦合至單芯電纜上傳至地面系統[10]，地面系統通過對井下上傳的儲層信息進行解析處理，再將相應的控制命令經由井上變壓器耦合至電纜下傳至井下系統，進而完成工作人員對井下多層注采系統的實時控制。

2.1 永置式智能井監測系統

永置式智能井分層注采是通過地面系統對井下各儲層配產器的不同傳感器及控制閥進行實時監測和控制，進而完成對井下各儲層油藏安全、合理、可靠性開發的系統。智能分層注采系統可以減少修井作業次數，改善儲層開采方法，提高開采效率，節約開采成本，是新時代油田開采的必由之路。如圖2所示，永置式智能井監測系統井下部分主要是由井下信息耦合系統、井下信息處理系統及井下信息采集系統組成。

井下信息耦合系統主要有2個作用：一是將井下配產器采集到的多儲層信息，如溫度、壓力、配水嘴的開度等數據耦合到單芯鋼管電纜上，進而傳輸至地面系統；二是將井上控制命令傳輸給井下信息處理系統進行控制命令的處理。井下信息處理系統是將地面下傳的相應控制命令進行處理解析[12-13]，控制命令下傳經由變壓器和單芯鋼管電纜會參雜許多噪聲且信號幅值過低，不滿足后端控制器需要[9]。井下信息處理系統通過對信號進行放大、濾波、解碼處理，再由微控制器將下行的控制命令傳輸給配產器。井下信息采集系統主要是由各種傳感器組成，其中包括溫度傳感器、壓力傳感器等，完成對井下溫度、壓力、流量和含水率等信息的實時性采集，井下系統電路如圖3所示，井下屬于高溫高壓的復雜環境，井下電路耐溫需要達到125 ℃以上。

永置式智能井監測系統井上部分主要是井上信息耦合系統和地面信息處理系統組成，如圖4所示。井上信息耦合系統作用同井下耦合系統，主要是將井下采集的多儲層信息和井上控制命令耦合至單芯鋼管電纜上；地面信息處理系統主要是將井下采集的多儲層信息進行處理，因為采集的井下數據通常附帶很大噪聲且幅值過低，所以井下采集的數據首先經過一級放大濾波的預處理，然后送入二級放大器，二級放大處理增益系數可通過程控電位器調節，因為不同的井下環境、不同的電纜長度等均會造成阻容參數不同，所以需要不同的增益電阻對信號進行放大處理，再經過比較器，最后經過解碼器輸出井下監測信息，利用上位機軟解進行數據解析，工作人員對井下信息評定后再將相應的控制命令下傳至井下，從而完成下行控制命令和上行監測數據的實時性交互，實現生產井的合理化、科學化開發。

地面系統數據調節可分為自適應調節和人工手動調節，自動調節是通過程控電位器根據單芯電纜的阻容參數以及初始上傳的井下監測信號對測井信號的增益系數和濾波系數自適應調節，以便后端硬件電路解碼和數據解析；人工手動調節是為防止自適應調節萬一出現信號調整問題或者為人工做調試信號時使用。在雙向數據通信時，下行傳輸命令只需要固定的命令數即可，數據量較小，故下傳控制命令時間通常為2 min左右；井下監測信息上行傳輸時，由于各儲層監測數據量較大且生產井的井深、井況不同，所以不同儲層之間傳輸數據的時間略有差異，數據傳輸時間通常為3～6 min，地面系統電路板如圖5所示。

同步碎石封層技術在長期應用于交通公路建設中逐步顯現出性能高且成本較低的優點。該項技術的主要原料是瀝青和顆粒性石料，用料簡單且耗資較少，相較于傳統的養路鋪路技術來說，投入的總成本較低。并且通過專業車輛反復碾壓后，使得養路材料與地面充分接觸，養路效果較好，總體的使用壽命長，地面性能高。

2.2 雙向傳輸協議及數據自適應方法

井下環境復雜且井況、井深不同，要保證井地之間長時間、穩定地數據交互就必須擬定數據通信協議[13]。永置式智能井分層采油系統的單芯電纜通信采用曼徹斯特編碼解碼方式，具體的編碼定義如圖6所示，在1個時間周期內，從高電平到低電平定義為1，從低電平變到高電平定義為0；在3個時間周期內，從高電平變到低電平定義為命令同步，從低電平變到高電平定義為數據同步。如圖7所示，井地間信息交互過程中1個數據字或者命令字為20個時鐘周期，同步頭占3個，中間16個周期為這個字的16位，最后1個周期為奇校驗位。

在井地之間建立數據通信時，首先地面系統向下廣播固定訓練碼，通過對井下各層返回的數據進行判斷，如果返回的數據正確，則進行下一層的數據測驗，當某一層反饋的數據有誤時，則地面系統重新進行訓練碼的廣播，如此循環，直到所有層反饋的數據均正確無誤為止。其流程圖8所示：

如圖9所示，在井上井下系統建立正常的數據通信后，地面系統首先進行各個模塊的初始化設置，并進行系統自檢，判斷相關配置文件是否正常。若相關配置文件丟失，則進行系統重啟并重新配置；若系統初始化正常，則向井下發送相關控制命令[14]，如壓力、配水嘴的開度等。在數據傳輸過程中，通過單位時間內解碼的誤碼率來判斷解調系數是否合適。由于井下高溫高壓的環境，電路正常工作的溫度要達到125 ℃以上，故采用DSPIC33EV作為井下控制器，通過串行通信方式控制數據的自適應調節和控制命令的解碼等；地面系統通過STM32F407的兩路SPI分別控制程控電阻來調節系統增益系數和濾波系數，待定時器中斷后，計算系統的誤碼率。

在建立正常的井地雙向通信后，永置式智能井監測系統長期受到高溫、高壓以及電力泵振動等不穩定因素影響[9]，單芯鋼管電纜長時間工作也會引起阻容參數的變化，長時間的數據傳輸會導致誤碼率增加。本文設計了一種長時間數據自適應傳輸方法，以單位時間內數據成功傳輸的幀數為原則，通過計算誤碼率來不斷調整程控電位器的增益和濾波系數，確保永置式智能井監測系統的數據長時間穩定傳輸，保證油氣井的穩定開發。流程如圖10所示。

永置式智能井監測長時間自適應數據傳輸方法是在盡量保證數據穩定傳輸的前提下，在合適的范圍內進行阻值掃描[12]。以單位時間內數據成功傳輸的幀數為原則，獲取實時誤碼率，進而實現數據自適應調節。其方法是首先判斷當前數組中的阻值是否滿足數據穩定傳輸的要求，若滿足，則以當前數組中的阻值分別設為為增益和濾波系數；若不滿足，則在更大一級范圍內進行阻值掃描，判斷數據是否穩定傳輸，如此循環往復直到滿足井地之間數據穩定雙向傳輸為止。井地之間數據雙向通信是在保證數據傳輸不中斷的前提下，逐步調節增益和濾波系數，目的是保證井下數據傳輸的穩定性和連續性。

3 實驗分析

為了驗證程控電位器的實用性和自適應快速解碼算法的效率和準確度，分別模擬5種不同長度和種類的電纜連接井地系統，電纜等效電阻，電容參數如表1所示。

表1 直徑5.6 mm實驗電纜參數

對上述5種電纜分別采用傳統人工調節方法和自適應快速解碼算法進行12次數據監測實驗，以調整時間和誤碼率為判斷準則，實驗結果如圖11所示。

由圖11可知，傳統人工調節方式數據傳輸不穩定，數據傳輸誤碼率整體相對較高，調整時間長且受調整人員的影響；自適應快速解碼算法的調整時間短，數據傳輸誤碼率波動范圍較小，誤碼率整體比傳統人工調節低。故自適應快速解碼算法對于增益系數和濾波系數的選取更加精確，數據傳輸過程更加穩定、可靠。

為了驗證系統通信是否正常，分別測試了3 km、5 km以及6 km電纜條件下不同儲層上行傳輸監測數據和3 km條件下下行傳輸控制命令的井地之間建立雙向通信的時間，通信時間變化結果如圖12所示。

由圖12可知，隨著單芯鋼管電纜長度的增加，地面系統和生產井第一儲層建立正常的雙向通信時間在80～100 s之間，以3 km生產井為例，其余各儲層和不同井況之間建立通信的時間也略有差別，在各儲層完全建立通信需要4～6 min。由于下行命令傳輸是由固定的命令數組成的，其數據量較小，傳輸速率和準確度相對于井下監測數據的上行傳輸較高，下行傳輸命令通信建立時間大約需要2 min。

永置式智能井分層采油半雙工通信系統控制頁面如圖13所示，為了驗證下行傳輸控制命令和上行傳輸數據雙向通信的有效性和可靠性，分別對不同生產井和同一生產井不同儲層的各個參數進行數據傳輸實驗。

由圖13顯示界面可知，當前是生產1號井的第1儲層的監測信息，在地面系統下發流量、溫度和含水率控制命令后，左側圖形界面顯示了井下采集系統監測的儲層實時信息，通過地面控制系統面板反饋的數據信息可對井下控制系統進行實時控制，比如流量過大時，可進行控制電機對配水嘴的開度進行實時調節，以便對不同生產井和不同儲層進行流量控制，相對于傳統單次測井大大提高了生產井持續開發的合理性、穩定性和可靠性。

4 結束語

為提高永置式智能井監測系統井地之間數據交互的穩定性、實時性和可靠性，設計了基于單芯電纜的井地間數據傳輸通信系統，該系統通過地面系統向下廣播訓練碼的方式與井下多層監測系統逐一建立雙向數據通信，可以由地面系統實時控制、更新井下多層監測數據，提出了一種長時間數據自適應雙向傳輸方法，該方法以數據傳輸的誤碼率為判斷準則，利用兩路程控電位器對增益系數和濾波系數進行微調，解決了井地間數據傳輸不穩定、實時性差的問題。實驗結果表明該系統可以快速建立井地間穩定的數據通信，實現了井上控制命令和井下各層監測數據穩定、可靠的數據交互，大大提高了永置式智能井監測系統數據傳輸的效率和穩定性，對實際生產井的合理開發具有重大意義。