井间电磁成像测井仪收发同步技术研究

2014-12-13周凯波莫德欠陈寰刘颉曹攀辉

测井技术 2014年5期

周凯波，莫德欠，陈寰，刘颉，曹攀辉

（1．华中科技大学自动化学院，湖北武汉430074；2．华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉430074；3．图像信息处理与智能控制教育部重点实验室，湖北武汉430074）

0 引言

井间电磁成像测井将发射机置于一口井中向地层发射电磁波（频率5Hz～1kHz），将接收机置于另一口井中接收经过地层传播过来的电磁波，通过对接收数据进行反演得到反映井间油气分布的电阻率成像，实现对井间地层结构的描述，是探测井间地层信息最直接的测井方式［1］。井间电磁成像测井系统在测量技术上的优越性，其测量结果与其他地球物理系统相比，精度和分辨地层的能力较高，具有较大的应用前景［2－4］。

井间电磁成像测井仪接收信号与发射信号的相位差与地层电导率密切相关。为了精确测量接收与发射信号相位差，需要保证收发同步。20世纪90年代EMI公司推出了井间电磁成像测井仪XBH 2000，其收发同步是通过电缆把发射机和接收机相连实现的［5］。随着井间距的增加，同步精度会受到影响，需要提出一种较少受到井间距影响的收发同步方法。Schlumberger公司推出的DeepLook－EM井间电磁成像测井仪使用GPS进行收发同步，其接收机与发射机同步精度为3μs［1］。GPS发布系统可以使精确时间在不同设备之间进行时间同步。GPS同步在电力系统［6］、同步数据采集［7］、电网状态监测［8］等场合有广泛应用。传统的应用场合是在可以直接接收到GPS信号的地面，但是测井仪器处在离地面几千米的井下，直接在井下使用GPS并不可行。时间同步的方法有应用于计算机网络中的NTP［9］、IEEE 1588协议［10］。本文在2种时间同步方法的基础上提出了一种应用于井间电磁成像测井仪的基于GPS的收发同步方法，在井下发射机和接收机内实现实时时钟系统，参考GPS提供的精确时间，采用一定同步方法，对井下接收机和发射机时间系统进行同步授时，进而实现井下发射与接收系统的时间同步。在井下接收与发射系统时间同步的条件下，可以在一个确定的时间点同步触发发射机发射信号和接收机接收信号，实现收发同步。

1 基于GPS的收发同步方法

1．1 同步系统总体框架设计

系统总体框架设计如图1所示，主要由2套GPS接收机、地面发射和接收控制台、井下发射和接收控制器构成，在地面和井下实现时钟模块。地面时钟模块能在GPS失锁的情况下保证地面时间系统稳定运行。

同步系统的GPS接收机采用Trimble导航公司的Resolution T授时型GPS接收机。Resolution T接收机提供的高精度1PPS与UTC同步误差小于15ns（1σ）。地面控制台和井下仪器系统使用DSP作为控制器，采用ADI公司的ADSP－BF506F。地面系统和井下系统的时钟模块在DSP内实现，采用其片内32bit定时器，外接高精度高稳定的10MHz晶振。地面系统和井下通讯使用RS－485总线（波特率为38400bit／s）。

1．2 传输时延测量

图1 同步系统总体框架图

地面控制台与井下部分相隔几千米，上下通讯有较大传输时延；地面系统与井下数据传输时底层硬件在进行数据交换时也存在不确定时延［11－13］。地面系统对井下系统精确时间校准的关键在于测量出这个总时延。地面系统通过地面到井下通讯总线向井下系统发送时间数据包，井下系统接收到时间数据包后，加上本地时间值后返回时间数据包。这个时间数据包包含了发送时刻和接收时刻，通过这个时间数据包确定一路时延。时间数据包发送过程见图2。

图2 改进的NTP协议过程

图2所示，地面系统发送的时间数据包的时刻是T1，井下系统接收到的时刻是T2。返回时间数据包时刻是T3，地面系统接收到返回时间数据包的时刻是T4。根据这4个时刻值得出一路时延Tdelay

当地面发射控制平台准备同步地面系统与井下时钟时，地面系统在某个时间点T发送同步数据包命令（包含同步时间值Td）给井下控制器，对其进行时间校准

井下系统接收到这个同步数据包后，修改本地时间为Td，即可实现地面与井下的时间同步，即实现了与UTC时间的同步。为了得到更加准确的时延，重复进行上述过程，多次测量取平均值；接收部分和发射部分的同步过程相同；接收部分和发射部分与其地面系统的时间同步，即都与GPS时间同步，最后可实现发射和接收的同步。

2 接收与发射同步过程

2．1 GPS时间解码

GPS接收机（Resolution T）每1s输出1个占空比为1／1000的秒脉冲，即1脉冲／s。随后通过串口，以波特率9600bit／s的速率按照Trimble标准接口协议（Trimble Standard Interface Protocol，TSIP）输出包含有秒脉冲上升沿对应时刻的时间数据包［14］；地面系统需及时接收GPS时间数据包并解析出所需的时间信息。

2．2 地面对井下系统控制策略

首先地面控制台及时解码GPS提供的时间信息，校准其实时时钟模块。采用8个字节记录时间值，高4个字节记秒值，低4个字节记录秒以下时间值。高4个字节由GPS接收机提供，因为其只能提供秒以上时间值。秒以下的刻度值由高精度的10MHz晶振计数得到。在得到GPS提供的精确时间信息后，地面控制台将包含发送时刻的精确时间的时间数据包通过数据总线发送给井下仪器系统。随后井下仪器系统加上接收和反馈时刻精确时间的包含3个时刻的精确时间信息的时间数据包反馈给地面控制台，地面控制台记录下接收时刻时间值，计算出发送接收回路的时延Tdelay，重复多次取平均值。经过多次测量取平均可以得到相对准确的传输时延Tdelay，提高校时精度。最后地面控制台发送同步数据包给井下仪器系统，发送时刻选在整秒时刻前的Tdelay时刻点，井下仪器系统接收到同步数据包后，重启定时器，修改秒计数值。

3 实验结果与结论

井下接收与发射系统输出1个占空比为50%、周期为1Hz的秒脉冲。对比2个方波的上升时延差即可知接收与发射的时间差。对比GPS的秒脉冲，即可知井下时钟与地面系统的时间差。这仅仅是确定了秒以下同步误差，秒以上的误差通过上位机读取井下仪器系统反馈的时间数据包确定（经过反复测量，秒以上不存在误差，即同步误差在秒以下）。时延结果可以通过Analog DSP开发环境VisualDSP＋＋5．0从DSP读取。1脉冲／s、井下接收与发射系统输出的方波波形以及接收与发射同步误差由安捷伦MSO7014A示波器测量得到。