專(zhuān)利名稱(chēng)：?jiǎn)涡倦娎|測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)高速傳輸系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過(guò)測(cè)井電纜在地面測(cè)井采集系統(tǒng)和井下儀器 之間高速傳輸數(shù)據(jù)的遙測(cè)系統(tǒng)，更具體地說(shuō)，把數(shù)據(jù)從井下儀器實(shí)時(shí) 高速地傳輸?shù)降孛鏈y(cè)井采集系統(tǒng)，同時(shí)，將命令從地面測(cè)井采集系統(tǒng) 下傳到測(cè)井儀器。
背景技術(shù)：
測(cè)井過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的測(cè)量控制工程，通過(guò)測(cè)井電纜將測(cè)井儀器 下放到油井的某個(gè)位置，測(cè)井儀器上的傳感器將井的地層信息、流體 信息、井況信息轉(zhuǎn)換成物理量(通常為電信號(hào))，組合編碼后通過(guò)電 纜發(fā)送到地面測(cè)井采集系統(tǒng)，地面井采集系統(tǒng)也可發(fā)送控制命令到井 下儀器。測(cè)井電纜不但用來(lái)懸掛儀器，作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，同時(shí)還 作為井下儀器的供電回路。測(cè)井使用的電纜一般為單芯，三芯和七芯。七芯電纜也稱(chēng)為多芯 電纜，通過(guò)纜芯復(fù)用技術(shù)可以獲得比單芯電纜和三芯電纜高得多的傳 輸數(shù)率。纜芯越少，可提供的傳輸通道越少。單芯電纜只有一根纜芯， 因此供電和信號(hào)傳輸都必須使用相同的通道。單芯電纜的纜芯和外鎧 構(gòu)成供電回路。由于電纜的特性分布不均勻，需要在電纜兩端設(shè)計(jì)阻 抗匹配電路。由于油井內(nèi)管柱內(nèi)徑和井內(nèi)工具的限制，生產(chǎn)測(cè)井的儀器外徑不
能超過(guò)42mm， 一般使用單芯電纜。在單芯電纜數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)用上， 國(guó)內(nèi)外大多使用基于曼徹斯特編碼的遙測(cè)技術(shù)，這種編碼通過(guò)判斷時(shí) 鐘周期內(nèi)的電平跳變來(lái)判斷碼元信號(hào)，由于存在碼間干擾，速率一般 不高，通常為5Kbps，20Kbps，最高不超過(guò)100Kbps。隨著多參數(shù)測(cè)量 和陣列式傳感器的應(yīng)用，以及信號(hào)采樣率的提高，需要更高的傳輸率 來(lái)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。
.通訊技術(shù)的發(fā)展為測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸提供了更多更快的技術(shù)平臺(tái)，但 由于測(cè)井條件的限制，電纜長(zhǎng)度變化帶來(lái)的電纜分布參數(shù)的不均勻， 以及油井內(nèi)高溫高壓環(huán)境的影響，使得這些技術(shù)在應(yīng)用在單芯電纜上 時(shí)傳輸率提高不多，難以達(dá)到1Mbps以上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題提供一種單芯電纜測(cè)井 數(shù)據(jù)高速傳輸系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在單芯測(cè)井電纜上遠(yuǎn)距離、高速率數(shù)據(jù) 實(shí)時(shí)傳輸。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
單芯電纜測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)高速傳輸系統(tǒng)，包括地面遙測(cè)單元和井下遙測(cè) 單元兩部分，地面遙測(cè)單元和井下遙測(cè)單元兩個(gè)部分通過(guò)單芯電纜連 接，每個(gè)部分都包含發(fā)送單元和接收單元兩個(gè)部分，所述的發(fā)送單元包括串并轉(zhuǎn)換器、OFDM編碼裝置、功率放大電路、輸出阻抗匹配電 路，信號(hào)經(jīng)串并轉(zhuǎn)換器后由OFDM編碼裝置調(diào)制到相互正交的多個(gè)子 載波上，經(jīng)功率放大電路放大，通過(guò)輸出阻抗匹配電路以頻分復(fù)用的 方式發(fā)送到單芯電纜上；所述的接收單元包括輸入阻抗匹配電路、信
號(hào)放大電路、OFDM解碼裝置、并串轉(zhuǎn)換器，信號(hào)經(jīng)輸入阻抗匹配電 路、信號(hào)放大電路放大后，由OFDM解碼裝置進(jìn)行解碼，然后經(jīng)并串 轉(zhuǎn)換器恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。 進(jìn)一步的技術(shù)方案是-
所述的OFDM編碼裝置包括IFFT模塊、并串轉(zhuǎn)換器、組幀模塊、D/A 轉(zhuǎn)換器，IFFT模塊將待發(fā)送的串行位流調(diào)制到合適的載波上，經(jīng)并串 轉(zhuǎn)換器合成一個(gè)信號(hào)，并加CP以減少碼間串?dāng)_，通過(guò)組幀模塊加入同 步序列和信道估計(jì)序列。
所述的OFDM解碼裝置包括捕獲同步模塊、信道估計(jì)模塊、解幀模 塊、串并轉(zhuǎn)換器、FFT模塊、并串轉(zhuǎn)換器，捕獲同步模塊和信道估計(jì) 模塊首先對(duì)接收的OFDM信號(hào)進(jìn)行捕獲同步和信道估計(jì)，經(jīng)解幀模塊后 去CP，然后進(jìn)入FFT模塊解碼，最后經(jīng)并串轉(zhuǎn)換器恢復(fù)出原始位流信 號(hào)。
本發(fā)明基于正交頻分復(fù)用技術(shù)(0FDM)，在電纜上傳輸?shù)氖墙?jīng)過(guò)調(diào) 制的正交基帶模擬信號(hào)，傳輸只需要一根纜芯。在形成碼元時(shí)加入同 步序列和信道估計(jì)序列，接收端可進(jìn)行突發(fā)預(yù)測(cè)、同步和信道估計(jì)， 從而自適應(yīng)利用信道帶寬。在接收端和發(fā)送端都設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的阻抗匹 配電路，可很好地抑制反射波。因此，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)在單芯測(cè)井電 纜上遠(yuǎn)距離、高速率數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。
本系統(tǒng)可以應(yīng)用在直徑28mm以上的測(cè)井儀器中，不但可以使用單 芯電纜，也可在三芯電纜和七芯電纜上使用，傳輸距離大于5000米， 井下單元耐溫可達(dá)125"C，傳輸速率達(dá)到8Mbps。


圖1是本發(fā)明用于測(cè)井傳輸狀況示意圖。圖2是本發(fā)明井下發(fā)送/接受單元原理圖。 圖3是本發(fā)明地面發(fā)送/接受單元原理圖。 圖4是本發(fā)明中OFDM編解碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明用于測(cè)井傳輸狀況見(jiàn)圖l，地面遙測(cè)單元4、單芯電纜3、 井下遙測(cè)單元2依次連接，井下遙測(cè)單元2通過(guò)單芯電纜3下放到油 井套管或油管中1。井下遙測(cè)單元2下掛各種測(cè)量傳感器，將油井信 息變換為電信號(hào)，處理后統(tǒng)一發(fā)送到井下遙測(cè)單元儀器的井下發(fā)送單 元，編碼后經(jīng)單芯電纜3發(fā)送到地面遙測(cè)單元4。使用的傳感器有流 量、溫度、壓力、電阻率等。 .本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例見(jiàn)圖2至圖3，包括地面遙測(cè)單元4和井下 遙測(cè)單元2兩部分，地面遙測(cè)單元4和井下遙測(cè)單元2兩個(gè)部分通過(guò) 單芯電纜3連接。井下遙測(cè)單元2包括井下儀器控制器24、串行發(fā)送器25、井下發(fā) 送單元21、井下接收單元22、串行接收器23。井下發(fā)送數(shù)據(jù)流程為 由井下儀器控制器24對(duì)來(lái)自各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)串行轉(zhuǎn)化為比特流， 通過(guò)串行發(fā)送器25進(jìn)入井下發(fā)送單元21，編碼調(diào)制后傳輸?shù)絾涡倦?纜上3。井下接收發(fā)送數(shù)據(jù)流程為由井下接收單元22檢測(cè)到來(lái)自單 芯電纜3的數(shù)據(jù)信號(hào)到達(dá)時(shí)，進(jìn)行解碼得到傳輸數(shù)據(jù)比特流通過(guò)串行 接收器23由井下儀器控制器24轉(zhuǎn)化為字節(jié)數(shù)據(jù)。
地面遙測(cè)單元4包括地面測(cè)井系統(tǒng)46、 EtherNet接口 44、串行 發(fā)送器45、地面發(fā)送單元41、地面接收單元42、串行接收器43。 地面發(fā)送數(shù)據(jù)流程為由地面測(cè)井系統(tǒng)通過(guò)EtherNet接口發(fā)送命令， 通過(guò)串行發(fā)送器進(jìn)入地面發(fā)送單元41編碼調(diào)制后傳輸?shù)絾涡倦娎|上 3。地面接收數(shù)據(jù)流程為由地面接收單元42檢測(cè)到來(lái)自單芯電纜3的 數(shù)據(jù)信號(hào)到達(dá)時(shí)，進(jìn)行解碼得到傳輸數(shù)據(jù)比特流通過(guò)串行接收器43， 再通過(guò)EtherNet接口 44進(jìn)入地面測(cè)井系統(tǒng)46。
井下遙測(cè)單元2的井下發(fā)送單元21與地面遙測(cè)單元的地面發(fā)送 單元41結(jié)構(gòu)完全一致，由串并轉(zhuǎn)換器211、 411、 OFDM編碼裝置212、 412、功率放犬電路213、 413、輸出阻抗匹配電路214、 414組成。
井下遙測(cè)單元2的井下接收單元22與地面遙測(cè)單元的地面接收 單元42結(jié)構(gòu)完全一致，由并串轉(zhuǎn)換器221、 421、 OFDM解碼裝置222、 422、信號(hào)放大電路223、 423、輸入阻抗匹配電路224、 424組成。
OFDM編碼裝置212、 412由IFFT模塊2121、 4121、并串轉(zhuǎn)換器 2122、 4122、加CP2123、 4123、同步序列2124、 4124、組幀模塊2125、 4125、信道估計(jì)序列2127、 4127、 D/A模塊2126、 4126組成。信號(hào) 經(jīng)IFFT模塊2121、 4121進(jìn)行IFFT變換，再通過(guò)并串轉(zhuǎn)換器2122、 4122將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)，由加CP2123、 4123加入循環(huán)前綴， 經(jīng)組幀模塊2125、 4125形成OFDM碼元。在組幀時(shí)，須加入同步序列 2124、 4124和信道估計(jì)序列2127、 4127，以便接收端進(jìn)行突發(fā)預(yù)測(cè)、 同步和信道估計(jì)，最后經(jīng)D/A模塊2126、 4126輸出正交的基帶信號(hào)。
0FDM解碼裝置222 、422由FFT模塊2221 、 4221 、串并轉(zhuǎn)換器2222、
4222、捕捉同步模塊2223、 4223、去CP2224、 4224、組幀模塊2225、 4225、信道估計(jì)模塊序列2226、4226組成。信號(hào)經(jīng)捕捉同步模塊2223、 4223同步和信道估計(jì)模塊序列2226、 4226進(jìn)行信道估計(jì)后，由去 CP2224、 4224去除循環(huán)前綴，然后經(jīng)過(guò)由FFT模塊2221、 4221進(jìn)行 FFT變換，進(jìn)行整數(shù)倍頻偏估計(jì)和糾正，得到傳輸數(shù)據(jù)比特流，最后 經(jīng)串并轉(zhuǎn)換器2222、 4222輸出到下一級(jí)。圖4為本發(fā)明中OFDM調(diào)制解調(diào)的主要硬件結(jié)構(gòu)，是集成OFDM編 碼裝置和OFDM解碼裝置的一個(gè)模塊。根據(jù)選用的芯片，實(shí)施的模塊 結(jié)構(gòu)可有不同。它由5個(gè)部分組成DSP、 FPGA、正交數(shù)字上變頻器 (Quadrature Digital Upconverter)、正交數(shù)字下變頻器(Quadrature Digital Do菌o匿rter)， FLASH存儲(chǔ)器。調(diào)制時(shí)由串行接收器，DSP1、 FLASH1、 FPGA、正交數(shù)字上變頻器 依次連接。DSP1完成IFFT變換，F(xiàn)PGA完成OFDM組幀，正交數(shù)字上 變頻器完成OFDM碼元的調(diào)制，F(xiàn)LASH1為DSP1存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。解調(diào)時(shí)由串行接收器，DSP2、 FLASH2、 FPGA、正交數(shù)字下變頻器 依次連接。DSP2完成FFT變換，F(xiàn)PGA完成信號(hào)的突發(fā)檢測(cè)和定時(shí)， 正交數(shù)字下變頻器完成OFDM碼元的解調(diào)，F(xiàn)LASH2為DSP2存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。選用的DSP具有以下特性最高工作頻率為300MHz， 3. 3ns指令 周期；6MB片內(nèi)SRAM; 2個(gè)計(jì)算模塊，每個(gè)模塊都有1個(gè)ALU、 1個(gè) 乘法器、1個(gè)移位寄存器和1個(gè)寄存器組；2個(gè)整型ALU,用來(lái)提供 尋址和指針操作；14個(gè)DMA控制器。進(jìn)行256點(diǎn)的復(fù)數(shù)FFT變換， 僅需3. 67us。
正交數(shù)字上變頻器工作頻率為200 MHz，內(nèi)部集成半帶濾波器、 CIC(CascadedIntegrator Cornb)濾波器，反SINC濾波器和高速的 14位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其核心是一個(gè)相位連續(xù)的直接數(shù)字頻率合成器 DDS(Direct Digital Synthesizer)。在本系統(tǒng)中，正交數(shù)字上變頻 器工作在正交調(diào)制模式。
正交數(shù)字下變頻器內(nèi)部集成了一個(gè)14位、92Msps的模/數(shù)轉(zhuǎn)換 器和4/6通道的數(shù)字下變頻器。每個(gè)通道可獨(dú)立配置。數(shù)字下變頻內(nèi) 部集成了頻率變換器、可編程級(jí)聯(lián)梳狀濾波器(CIC) 、 2個(gè)濾波器組 和數(shù)字自動(dòng)增益控制。其中頻率變換是通過(guò)32位數(shù)控振蕩器實(shí)現(xiàn) 的；CIC實(shí)現(xiàn)1 32倍的抽取；2個(gè)濾波器組包括FIR濾波器和2倍 抽取的半帶濾波器。輸入的中頻模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC和頻率變換后，使 用濾波器組進(jìn)行濾波和抽取，最后并行輸出正交基帶數(shù)字信號(hào)。
權(quán)利要求
1一種單芯電纜測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)高速傳輸系統(tǒng)，包括地面遙測(cè)單元和井下遙測(cè)單元，井下遙測(cè)單元和地面遙測(cè)單元通過(guò)單芯電纜連接，每個(gè)單元都包含發(fā)送單元和接收單元，其特征是所述的發(fā)送單元包括串并轉(zhuǎn)換器、OFDM編碼裝置、功率放大電路、輸出阻抗匹配電路，信號(hào)經(jīng)串并轉(zhuǎn)換器后由OFDM編碼裝置調(diào)制到相互正交的多個(gè)子載波上，經(jīng)功率放大電路放大，通過(guò)輸出阻抗匹配電路以頻分復(fù)用的方式發(fā)送到單芯電纜上；所述的接收單元包括輸入阻抗匹配電路、信號(hào)放大電路、OFDM解碼裝置、并串轉(zhuǎn)換器，信號(hào)經(jīng)輸入阻抗匹配電路、信號(hào)放大電路放大后，由OFDM解碼裝置進(jìn)行解碼，然后經(jīng)并串轉(zhuǎn)換器恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的單芯電纜測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)高速傳輸系統(tǒng)，其特 征是OFDM編碼裝置包括IFFT模塊々并串轉(zhuǎn)換器、組幀模塊、D/A轉(zhuǎn) 換器，首先IFFT模塊將待發(fā)送的串行位流調(diào)制到合適的載波上，經(jīng)并 串轉(zhuǎn)換器合成一個(gè)信號(hào)，并加CP插入循環(huán)前綴以減少碼間串?dāng)_，通過(guò) 組幀模塊加入同步序列和信道估計(jì)序列。
3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的單芯電纜測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)高速傳輸系統(tǒng)，其特 征是OFDM解碼裝置包括捕獲同步模塊、信道估計(jì)模塊、解幀模塊、 串并轉(zhuǎn)換器、FFT模塊、并串轉(zhuǎn)換器，捕獲同步模塊和信道估計(jì)模塊， 首先對(duì)接收的OFDM信號(hào)進(jìn)行捕獲同步和信道估計(jì)，經(jīng)解幀模塊、去CP 后，進(jìn)入FFT模塊解碼，最后經(jīng)并串轉(zhuǎn)換器恢復(fù)出原始位流信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種單芯電纜測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)高速傳輸系統(tǒng)，包括地面遙測(cè)單元和井下遙測(cè)單元，井下遙測(cè)單元和地面遙測(cè)單元通過(guò)單芯電纜連接，每個(gè)單元都包含發(fā)送單元和接收單元。本系統(tǒng)可以應(yīng)用在直徑28mm以上的測(cè)井儀器中，不但可以使用單芯電纜，也可在三芯電纜和七芯電纜上使用，傳輸距離大于5000米，井下單元耐溫可達(dá)125℃，傳輸速率達(dá)到8Mbps。
文檔編號(hào)E21B47/12GK101158284SQ20071003604
公開(kāi)日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2007年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月5日
發(fā)明者聶泳培, 郭翼義 申請(qǐng)人:聶泳培;郭翼義