一種雙向遠程控制試井系統的研究與實現

摘要：本系統針對目前壓力測井系統井下交互操作難以實現的現狀，設計了一套基于無線擴頻調制方式進行信號傳輸的軟硬件系統，成功實現了地面控制系統和井下壓力計的實時交互通信。系統主要包括地面控制系統、下井控制器和井下控制器三部分，并采用了一種高精度和特定計算方法的壓力計模型。實際測量應用表明能夠準確地反映井下油氣儲存情況，滿足了遠距離試井的實地操作需求，并在很大程度上提高了整個測井的實際效率。
關鍵詞：無線傳輸；擴頻調試；雙向通信；地面控制；壓力計模型

0 引言
對于井下油氣儲存量、油井生產狀況及壽命的評價，一個重要的依據即是能夠準確有效地獲取待測井的壓力、溫度等參數數據及變化趨勢。目前油氣井測試采用的主要方式仍是基于井下存儲方式，即將測量參數設置好的井下探測器放置在待測地層段采集相關數據，待整個測試周期完成后回收至地面并讀取數據。鑒于上述方式無法有效提取油井實時信息，在一定程度上降低了對油井相關操作的效率。本文介紹的試井系統借助下井控制器與井下探測器，通過無線傳輸方式實現無差錯的雙向交互通信，能夠實時提取井下存儲數據，有效提高測井的時效性和傳輸速率，并很好地滿足不同井深及井下各種惡劣環境的測試需要。

1 系統硬件結構概述

硬件部分如圖1所示，主要包括地面控制系統、下井控制器和井下控制器三部分。地面控制系統有三種工作模式：地面模式、中轉模式、直接模式。地面模式下主要功能是進行壓力計的地面配置和測試。中轉模式下，地面控制系統是PC機和井下控制器的連接單元，本身不主動發送指令，但可以進行實時的數據顯示。直接模式下地面控制器可以獨立控制井下系統，無需PC機參與操作，大大提高了油井現場操作的便攜性，主要功能包括井下實時數據計算顯示，下井命令發送，井下命令接收和相應井下數據的回傳存儲。下井控制器是針對下井壓力計的功能設計的，主要實現下井過程中的壓力實時跟蹤，完成壓力計的連接保持和壓力數據回傳。井下控制器是針對井下壓力計設計的，主要功能是接收并執行地面控制系統發出的操作指令，完成壓力計的電源管理、模式切換、數據回讀等一系列功能。

2 遠距離數據傳輸原理
本文所述方法具有許多技術難點，其中之一是長距離數據傳輸。井下和下井壓力計、電路板工作于距離地面4000～6000m的油井中，井下壓力、溫度、濕度、噪聲與地面有很大不同，此外，由于傳輸距離太長，傳輸線的分布電阻和分布電容較大，對所承載的信號衰減很大，另外還存在阻抗調制、脈沖噪聲、等幅震蕩波干擾等不利因素，難以達到高速傳輸。為此模擬長線傳輸做了大量的實驗，并在現場用實際電纜做實驗，最終采用較為可靠的擴頻通信(Spread Spectrum Conummicadon)作為傳送命令和數據的方式。
擴頻通信指傳輸系統中用于傳送信息的信號帶寬遠大于信息本身帶寬的通信方式，即將待傳送基帶信號用擴頻序列發生器產生的偽隨機編碼進行擴頻調制從而將頻譜擴展，形成擴展帶寬的低功率譜密度信號進行傳輸。接收端采用同樣偽隨機編碼通過相關處理恢復成窄帶信號，再解調數據恢復出原始信號數據。
從香農公式我們可以了解擴頻通信的理論來源，在受到加性高斯白噪聲的信道中，信道容量由下式描述：

在給定的信道容量下可以用不同帶寬和信噪比的組合來傳輸，若減小其中一項則勢必要增大另一項以平衡信道固有的容量。因此，當信噪比太小不能保證通信質量時，常采用寬帶系統，即用增加帶寬(展寬頻譜)來提高信道容量，擴展信號頻譜降低功率譜密度，從而使信號幅度降低且隱蔽性好以改善通信質量，這就是通常所謂用帶寬換取功率的通信方法。