适用于多种类型电缆的高速测井遥传通讯方法与流程

本发明主要属于测井电缆高速遥传领域，具体涉及适用于石油行业的多种类型电缆的高速通讯方法。

背景技术：

石油测井业务主要包括裸眼井测井和套管井测井，井下仪器与地面系统的通讯现阶段普遍采用有线传输的方式，即将连接仪器的电缆作为通讯信道，完成井下仪器数据的上传和地面命令的下发。测井电缆根据缆芯数量的不同，主要分为七芯电缆，三芯电缆和单芯电缆。根据不同的测井业务和挂接仪器，使用不同缆芯数的电缆。

随着测井技术的发展，不管是裸眼井还是套管井，现在都面临一个问题急需解决，即井下仪器的数据量越来越大，遥传通讯的低速率已经严重制约了测井仪器的发展。如何提高测井电缆通讯的传输率是目前研究的热点。

在生产井测井业务中，由于测井仪器上传的数据量较少，供电采用直流供电，主要使用单芯和三芯电缆等作为测井电缆，其通讯方式普遍采用的是基带传输的曼侧斯特编码和ami编码方式，传输速率基本在几十kbps左右。但使用的单芯或者三芯电缆受制于缆芯数量的稀少，上行和下行只能使用同一个物理信道，使用基带传输的方式实现半双工通讯。即一问一答的方式完成地面命令的下发和井下数据的上传。在同一时刻，半双工模式要求发送信道和接收信道或者频域正交或者时域正交。这不仅造成数据传输速率至少降低50％，而且浪费了宝贵的通信资源，降低了现场测井作业的效率。

为了实现高速的全双工通讯，目前普遍使用正交频分复用技术(ofdm)作为信道调制方式，使用不同的缆芯组合模式作为上行和下行信道。测井中使用的离散多音频调制使用缆芯方式主要有两种：1、采用频分+物理信道分开的技术在测井遥传中实现全双工通讯。在七芯铠装电缆中使用模式5(2、3、5、6芯)作为上行信道(井下数据上传到地面系统)，频带占用25khz至276khz，使用模式7(7、10芯)作为下行信道(地面系统下发命令到井下仪器)，频带占用4khz至20khz，中间空出5khz作为缓冲带。这样上下行信道物理分开，而且在电缆七根缆芯缠绕的方式也保证了其互相不影响，从而避免了上下行信号在七芯铠装缆芯中的互绕。2、使用模式5作为上下行通道，即发送和接收占用同一信道，信号要进行频分复用实现全双工通讯，这种方式如果应用于测井电缆遥传通讯中，需要使用回波抵消技术加入频分滤波器和回波抵消器，在近端抵消发送的大功率回拨信号。第一种方式实现起来较简单，只需在独立的物理信道上实现离散多音频调制即可，但这种方式增加独立的信道，不可能在单芯或者三芯电缆上实现使用，且占用缆芯数量较多，以七芯铠装电缆为例，模式5需要4根缆芯，模式7需要两根。第二种方式缆芯使用较少，但实现起来较复杂，其中的回波抵消技术在测井业务中还没有可实用的成果。因此，很难在实际测井中利用正交频分复用技术实现全双工通讯。目前实际业务中，如遇到这种问题，普遍采用拆分仪器串，多次下井的方式，这样就不能实现一次下井取得全部数据的成果。从而增加了业务的时间和资金投入。

技术实现要素：

基于上述问题，本发明提供了一种适用于多种类型电缆的高速测井遥传通讯方法，在单芯和多芯电缆上均可实现全双工通讯。该方法在正交频分复用技术的基础上利用时分复用技术实现在单通道上的全双工通讯，使用于单芯电缆或者多芯电缆。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种适用于多种类型电缆的高速测井遥传通讯方法，所述方法基于正交频分复用技术，所述方法利用时分正交频分复用技术，所述时分正交频分复用技术中，同一信道分时接收上行数据和下行数据；

所述方法包括以下步骤：

单向训练：对信道发送多帧第一数据进行训练，使地面仪器和井下仪器建立一致的采样时钟和帧同步，同时完成初步的单向信道测量；

双向信道训练：所述双向信道训练包括n次循环的混合训练，所述混合训练为：

对信道先发送m帧第一数据训练帧序列进行训练，随后发送k帧第二数据训练帧序列进行训练；

交换：所述地面仪器和所述井下仪器按照m帧第一数据和k帧的第二数据的结构，经过p次的重复，实现地面仪器和井下仪器信息的交换；

通讯：地面和井下获取到相应信道的配置信息后，配置相对应的发送和接收ofdm调制和解调参数，从而转入正常传输模式；

所述第一数据为上行数据和下行数据中的其中之一，所述第二数据为上行数据和下行数据中的另一个；

其中n、m、k、p为正整数。

进一步地，所述混合训练具体为：

第一端设备先以发送状态发送m帧第一数据训练帧序列，随后转入接收状态；

第二端设备接收到m帧第一数据训练帧后，转入发送状态，发送k帧第二数据训练帧序列；

第一端设备或者第二端设备在接收状态下，根据收到的信息进行信道训练；

所述第一端设备为地面仪器或井下仪器其中之一，所述第二端设备为地面仪器或井下仪器中另一个。

进一步地，m、k的取值依据实际需要的传输速率：

进一步地，所述方法适用于七芯电缆，采用2、3、5、6缆芯组成的模式作为上下行的共用信道；

或所述方法适用于单芯电缆或三芯电缆。

进一步地，所述地面仪器和所述井下仪器在处理器的控制下实现时分正交频分复用技术；所述地面仪器和所述井下仪器分别通过模拟开关和测井电缆实现通信，所述模拟开关在处理器的控制下实现发送和接收模式的快速转换；

在发送模式下，所述处理器向数字/模拟转换器发出发送训练buffer和ofdm调制，数字/模拟转换器将发送训练buffer和ofdm调制转换为发送数据帧后发送至模拟电路，模拟电路一对发送数据帧频带滤波后发送至测井电缆；

在接收模式下，模拟电路二从测井电缆接收数据，将数据接收至模拟/数字转换器进行转换，转换后的数据至接收训练buffer和ofdm解调，随后传至处理器。

进一步地，所述ofdm调制和所述ofdm解调由fpga实现，所述发送buffer和接收训练buffer使用处理器内部的rom。

进一步地，所述n取5000-10000；所述p取1000-2000。

本发明的有益技术效果：

(1)本发明解决了测井电缆缆芯分配少的问题。电缆测井中，地面系统通过七芯铠装电缆挂接测井仪器，下放到裸眼井或者套管井中，实现井下仪器信息的上传。同时地面要通过电缆对井下仪器供电，包括交流电和直流电。采用本发明。在单一的信道上实现全双工的通信，可以留出部分缆芯作为电力传输。

(2)采用本发明，在单一的信道上实现地面和井下的全双工通信，较传统方法(如美国哈里伯顿公司的iq系统等)可以节省回波抵消电路，降低了系统实现的难度，提高系统工作的稳定性。因此本发明可以应用于单芯电缆或者三芯电缆等类型的测井电缆，提高系统传输速率的同时，节省缆芯等物理信道资源。

(3)使用本发明，在单一信道实现时分ofdm调制和解调，虽然下行信道占用了部分上行信道的时隙。但考虑到测井电缆遥传上下行通讯的不对称性。适当选择m和k的值，可以完全满足上行大数据传输和下行的命令发送功能。

附图说明

图1、本发明时分ofdm流程图；

图2、本发明时分ofdm调制和解调功能框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

本发明提供一种适用于多种类型电缆的高速测井遥传通讯方法，流程框架图如图1所示。本实施例用上行信道训练作为单向训练使地面仪器和井下仪器同步，相应的以井下仪器作为第一端设备；

运用于测井谣传通讯具体包括以下步骤：

1、系统上电后，首先进行上行信道训练。井下仪器通过控制发送训练buffer，按照预定帧结构，顺序发送训练帧序列。同时井下仪器处理器控制模拟开关，将其设定为发送模式。

2、地面系统上电后，等待井下发送的训练帧序列。按照预定结构，完成对上行信道的握手、测量、同步、信道测量和比特分配。

3、经过特定数量的帧数据后，系统转入双向信道训练阶段，此时地面和井下已初步完成上行信道训练，建立了一致的采样时钟和帧同步机制。井下仪器首先发送m数量的帧数据，此过程控制模拟开关为发送模式。同时地面系统控制本地模拟开关为接收模式。

4、m数量的上行数据帧结束后，井下仪器转入接收模式状态，地面系统转为发射模式状态，地面系统控制发射训练buffer，按照预定的帧结构，顺序发送下行训练帧序列。预定每次发送k帧训练序列。此过程重复进行n次。此过程中，井下仪器可以获得当前下行信道的测量信息，从而确定下行比特分配方案。同时地面系统可以获得当前上行信道的测量信息，从而进一步完善在上一步(单向信道训练)过程中取得的上行信道测量结果。

5、经过n次(m+k)帧的过程，地面和井下仪器都已经获得相应的信道测量结果，同时确定了子信道的比特分配方案。系统转入交换过程。地面和井下仪器按照m帧上行数据和k帧的下行数据的结构，经过p次的重复，实现地面和井下信息的交换。

6、地面和井下获取到相应信道的配置信息后，配置相对应的发送和接收ofdm调制和解调参数，从而转入正常传输模式。

如图2所示，为测井遥传地面系统的时分ofdm调制和解调功能框图，其在处理器的控制下，按照图1的流程实现时分ofdm技术的测井遥传通讯。井下仪器与此类似。其中ofdm调制和解调由fpga实现，发送和接收训练buffer可使用处理器内部的rom即可。模拟电路一和模拟电路二分别实现发送和接收频带滤波。模拟开关在处理器的控制下实现发送和接收模式的快速转换。

其中n和p的选择：由于信道测量需要根据接收到的大量的数据帧进行计算，其是一个统计的过程，在实际环境下，n的选择理论来说，越大越好，n的值越大，对信道的各种干扰因素设计的越充分，测量得到的结果越真实，但是相应的测量时间越长。n的值越小，测量时间可以很短，但是对信道影响的各种因素越不充分，不能真实反映实际的信道特性。本发明在实际测量中选用5000至10000的数值范围，可以使得多次信道的测量结果具有较好的一致性。超过10000，信道测量结果趋于一致，没有明显变化。p的选择根据实际工作过程中需要交换的信息量选择，基本控制在1000-2000左右。n和p的这样选择，可以保证整个训练耗时在60秒内。

将上述方法应用于七芯铠装电缆：

本发明提出后，在原有使用ofdm技术实现的测井遥传系统上经过改进后测试实际效果。

原有测井遥传系统使用ofdm技术，在七芯铠装测井电缆上，使用独立的两个物理通道实现上下行的全双工通讯。其中上行使用2、3、5、6缆芯组成的模式5的频带25khz至276khz，下行使用7、10缆芯组成的模式7的频带4khz至20khz。经过前期测试，如上行使用模式5的全部频带(4khz至276khz)，实测最高传输速率为1.20mbps。为测试本发明的效果，改进系统结构为时分ofdm调制方式，使用2、3、5、6缆芯组成的模式5作为上下行的共用信道。

设定m＝20，k＝1，在电缆1.2mbps的基础上,理论计算，上行最大速率1.2mbps*20/21＝1.14mbps，下行最大速率1.2mbps*1/21＝57.1kbps，完全可以满足电缆测井过程中，上下行数据传输的要求。

在实验环境下，连接7500米的华能七芯铠装电缆，进行5次连接，实际获得最后的速率结果如表下：

表1、实施例1实际获得最后的速率结果

上行速率稳定在1mbps以上，下行速率稳定在48kbps以上。满足成像测井和常规测井的要求。

分析实测结果(1mbps)与理论结果(1.14mbps)有差距的原因是：在模式切换的时刻，由于循环前缀(cp)长度选择的问题，造成在切换时候的最后一帧与下一个模式的第一帧有拖尾干扰，对于当前模式的传输能力有影响。因此降低了上下行的速率。

实施例2

将实施例1的方法应用于camesa防硫化氢单芯电缆

防硫化氢单芯电缆的频带较七芯铠装电缆窄得多，实测单芯频带从2khz至150khz的最高传输速率为115kbps。为测试本发明的效果，改进系统结构为时分ofdm调制方式，使用单芯电缆作为上下行的共用信道。

设定m＝20，k＝1，在电缆115kbps的基础上,理论计算，上行最大速率115kbps*20/21＝109.5kbps，下行最大速率115kbps*1/21＝5.48kbps，完全可以满足生产井测井过程中使用单芯电缆对于上下行数据传输的要求。

在实验环境下，连接7500米的camesa单芯防硫化氢电缆，进行5次连接，实际获得最后的速率结果如表2：

表2、实施例2实际获得最后的速率结果

上行速率稳定在90kbps以上，下行速率稳定在5kbps以上。满足生产井测井对于单芯电缆的传输率要求。

现阶段的技术，对于生产井使用的单芯电缆遥传通讯，普遍使用曼彻斯特编码或者ami编码技术，普遍速率在十几kbps或者几十kbps，电缆越长，传输速率越低。对于7500米长的电缆，速率只能再十几kbps左右，而且地面需要经过很长时间的人为干预的解调波参数配置，才可实现，而且使用过程中也不太稳定。

使用本发明的时分ofdm技术应用于单芯电缆遥传通讯中，可以充分利用单芯电缆的带宽，在极窄的频带下，实现上行90kbps以上，下行5kbps以上的全双工通讯。而且鉴于ofdm技术的特点，使用此项发明的测井电缆遥传系统具有自适应信道，自适应均衡和一定的纠错能力。从而提高了遥传系统的稳定性和可靠性。

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，区别在于，本实施例采用下行信道训练进行单向信道训练，相应的以地面系统的仪器作为第一端设备，具体方式为：

1、系统上电后，首先进行下行信道训练。地面系统通过控制发送训练buffer，按照预定帧结构，顺序发送训练帧序列。同时地面系统处理器控制模拟开关，将其设定为发送模式。

2、井下仪器上电后，等待地面发送的训练帧序列。按照预定结构，完成对下行信道的握手、测量、同步、信道测量和比特分配。

3、经过特定数量的帧数据后，系统转入双向信道训练阶段，此时地面和井下已初步完成下行训练，建立了一致的采样时钟和帧同步机制。地面系统首先发送m数量的帧数据，此过程控制模拟开关为发送模式。同时井下仪器控制本地模拟开关为接收模式。

4、m数量的下行数据帧结束后，地面系统转入接收模式状态，井下仪器转为发射模式状态，井下仪器控制发射训练buffer，按照预定的帧结构，顺序发送上行训练帧序列。预定每次发送k帧训练序列。此过程重复进行n次。此过程中，地面系统可以获得当前上行信道的测量信息，从而确定上行比特分配方案。井下仪器在接收状态下，根据收到的信息在前一阶段单向信道训练过程中完成信道训练的基础上，进一步对信道测量结果进行完善。

5、经过n次(m+k)帧的过程，地面和井下仪器都已经获得相应的信道测量结果，同时确定了子信道的比特分配方案。系统转入交换过程。地面和井下仪器按照m帧下行数据和k帧的上行数据的结构，经过p次的重复，实现地面和井下信息的交换。

6、地面和井下获取到相应信道的配置信息后，配置相对应的发送和接收ofdm调制和解调参数，从而转入正常传输模式。