永置式智能井监测系统多层半双工通信技术

党 博,王新亚,刘长赞,任博文,杨 玲

(西安石油大学电子工程学院，陕西西安 710065)

0 引言

井上控制命令的下行传输和井下多层监测信息的上行传输是通过耦合变压器将信号耦合至单芯钢管电缆上，以直流载波的方式进行数据交互[12]。由于地面系统下发控制命令需要针对不同层、不同监测参数，所以井地之间首先需要建立稳定的数据通信，本文设计了一种适合井地之间数据传输的半双工通信的系统，通过地面系统广播训练码快速建立稳定的数据通信；井上控制命令下发只需要固定的命令数，井下多层多参数监测数据量较大，在数据上传的过程中可能会因井下复杂的环境和电缆阻容漂移造成数据传输不稳定甚至中断[9]，本文研究了井地间半双工通信数据自适应调节方法，可根据信号传输误码率实时调整传输系统的增益和滤波系数，实现了井地间数据实时、稳定双向传输，保证了永置式智能井分层注采系统工作的稳定性和可靠性，对提高产量和采收率有重要意义。

1 永置式智能井分层注采系统数据交互模型

永置式智能井监测系统是对井下多层参数进行长时间实时性监测，通过单芯钢管电缆将监测到的信息上传至地面系统，地面系统通过对井下信息评估后再将相关控制命令通过电缆传输到井下，从而完成整个系统的上行传输数据和下行传输命令的数据交互，实现永置式智能井分层注采。永置式智能井分层注采系统的数据上行传输和控制命令下行传输的核心是保证长时间数据交互的稳定性、实时性和可靠性。

永置式智能井分层注采系统示意图如图1所示，其中包括井下层间测试和地面控制系统2个部分，井下监测数据的上行传输和井上控制命令的下行传输是以单芯钢管电缆作为载体，具体包括井下配产器模块的流量测试部分、温度测试部分、压力测试部分，通讯模块，液量调节模块，主控器模块；地面系统主要有计算机、通讯模块、增益模块、解码模块、电源模块等。地面系统通过单芯钢管电缆将直流电供给井下监测系统，井下监测系统将井下监测的温度、压力、含水率等信息通过单芯钢管电缆传输到井上地面系统，地面监测控制系统可根据井下上传的储层信息判断智能井注采实际井况，在对上传的储层数据评定后再下传相应的控制命令，进而实现多储层的合理化、科学化、智能化开采，提高油田采收率和可靠性。

2 永置式智能井监测系统及数据自适应双向传输方法设计

地面系统通过单芯电缆将直流电供给井下监测系统，以保证井下系统的正常工作，电缆还作为井地之间数据交互的载体，井下系统将监测的多层信息经由井下变压器耦合至单芯电缆上传至地面系统[10]，地面系统通过对井下上传的储层信息进行解析处理，再将相应的控制命令经由井上变压器耦合至电缆下传至井下系统，进而完成工作人员对井下多层注采系统的实时控制。

2.1 永置式智能井监测系统

永置式智能井分层注采是通过地面系统对井下各储层配产器的不同传感器及控制阀进行实时监测和控制，进而完成对井下各储层油藏安全、合理、可靠性开发的系统。智能分层注采系统可以减少修井作业次数，改善储层开采方法，提高开采效率，节约开采成本，是新时代油田开采的必由之路。如图2所示，永置式智能井监测系统井下部分主要是由井下信息耦合系统、井下信息处理系统及井下信息采集系统组成。

井下信息耦合系统主要有2个作用：一是将井下配产器采集到的多储层信息，如温度、压力、配水嘴的开度等数据耦合到单芯钢管电缆上，进而传输至地面系统；二是将井上控制命令传输给井下信息处理系统进行控制命令的处理。井下信息处理系统是将地面下传的相应控制命令进行处理解析[12-13]，控制命令下传经由变压器和单芯钢管电缆会参杂许多噪声且信号幅值过低，不满足后端控制器需要[9]。井下信息处理系统通过对信号进行放大、滤波、解码处理，再由微控制器将下行的控制命令传输给配产器。井下信息采集系统主要是由各种传感器组成，其中包括温度传感器、压力传感器等，完成对井下温度、压力、流量和含水率等信息的实时性采集，井下系统电路如图3所示，井下属于高温高压的复杂环境，井下电路耐温需要达到125 ℃以上。

永置式智能井监测系统井上部分主要是井上信息耦合系统和地面信息处理系统组成，如图4所示。井上信息耦合系统作用同井下耦合系统，主要是将井下采集的多储层信息和井上控制命令耦合至单芯钢管电缆上；地面信息处理系统主要是将井下采集的多储层信息进行处理，因为采集的井下数据通常附带很大噪声且幅值过低，所以井下采集的数据首先经过一级放大滤波的预处理，然后送入二级放大器，二级放大处理增益系数可通过程控电位器调节，因为不同的井下环境、不同的电缆长度等均会造成阻容参数不同，所以需要不同的增益电阻对信号进行放大处理，再经过比较器，最后经过解码器输出井下监测信息，利用上位机软解进行数据解析，工作人员对井下信息评定后再将相应的控制命令下传至井下，从而完成下行控制命令和上行监测数据的实时性交互，实现生产井的合理化、科学化开发。

地面系统数据调节可分为自适应调节和人工手动调节，自动调节是通过程控电位器根据单芯电缆的阻容参数以及初始上传的井下监测信号对测井信号的增益系数和滤波系数自适应调节，以便后端硬件电路解码和数据解析；人工手动调节是为防止自适应调节万一出现信号调整问题或者为人工做调试信号时使用。在双向数据通信时，下行传输命令只需要固定的命令数即可，数据量较小，故下传控制命令时间通常为2 min左右；井下监测信息上行传输时，由于各储层监测数据量较大且生产井的井深、井况不同，所以不同储层之间传输数据的时间略有差异，数据传输时间通常为3～6 min，地面系统电路板如图5所示。

同步碎石封层技术在长期应用于交通公路建设中逐步显现出性能高且成本较低的优点。该项技术的主要原料是沥青和颗粒性石料，用料简单且耗资较少，相较于传统的养路铺路技术来说，投入的总成本较低。并且通过专业车辆反复碾压后，使得养路材料与地面充分接触，养路效果较好，总体的使用寿命长，地面性能高。

2.2 双向传输协议及数据自适应方法

井下环境复杂且井况、井深不同，要保证井地之间长时间、稳定地数据交互就必须拟定数据通信协议[13]。永置式智能井分层采油系统的单芯电缆通信采用曼彻斯特编码解码方式，具体的编码定义如图6所示，在1个时间周期内，从高电平到低电平定义为1，从低电平变到高电平定义为0；在3个时间周期内，从高电平变到低电平定义为命令同步，从低电平变到高电平定义为数据同步。如图7所示，井地间信息交互过程中1个数据字或者命令字为20个时钟周期，同步头占3个，中间16个周期为这个字的16位，最后1个周期为奇校验位。

在井地之间建立数据通信时，首先地面系统向下广播固定训练码，通过对井下各层返回的数据进行判断，如果返回的数据正确，则进行下一层的数据测验，当某一层反馈的数据有误时，则地面系统重新进行训练码的广播，如此循环，直到所有层反馈的数据均正确无误为止。其流程图8所示：

如图9所示，在井上井下系统建立正常的数据通信后，地面系统首先进行各个模块的初始化设置，并进行系统自检，判断相关配置文件是否正常。若相关配置文件丢失，则进行系统重启并重新配置；若系统初始化正常，则向井下发送相关控制命令[14]，如压力、配水嘴的开度等。在数据传输过程中，通过单位时间内解码的误码率来判断解调系数是否合适。由于井下高温高压的环境，电路正常工作的温度要达到125 ℃以上，故采用DSPIC33EV作为井下控制器，通过串行通信方式控制数据的自适应调节和控制命令的解码等；地面系统通过STM32F407的两路SPI分别控制程控电阻来调节系统增益系数和滤波系数，待定时器中断后，计算系统的误码率。

在建立正常的井地双向通信后，永置式智能井监测系统长期受到高温、高压以及电力泵振动等不稳定因素影响[9]，单芯钢管电缆长时间工作也会引起阻容参数的变化，长时间的数据传输会导致误码率增加。本文设计了一种长时间数据自适应传输方法，以单位时间内数据成功传输的帧数为原则，通过计算误码率来不断调整程控电位器的增益和滤波系数，确保永置式智能井监测系统的数据长时间稳定传输，保证油气井的稳定开发。流程如图10所示。

永置式智能井监测长时间自适应数据传输方法是在尽量保证数据稳定传输的前提下，在合适的范围内进行阻值扫描[12]。以单位时间内数据成功传输的帧数为原则，获取实时误码率，进而实现数据自适应调节。其方法是首先判断当前数组中的阻值是否满足数据稳定传输的要求，若满足，则以当前数组中的阻值分别设为为增益和滤波系数；若不满足，则在更大一级范围内进行阻值扫描，判断数据是否稳定传输，如此循环往复直到满足井地之间数据稳定双向传输为止。井地之间数据双向通信是在保证数据传输不中断的前提下，逐步调节增益和滤波系数，目的是保证井下数据传输的稳定性和连续性。

3 实验分析

为了验证程控电位器的实用性和自适应快速解码算法的效率和准确度，分别模拟5种不同长度和种类的电缆连接井地系统，电缆等效电阻，电容参数如表1所示。

表1 直径5.6 mm实验电缆参数

对上述5种电缆分别采用传统人工调节方法和自适应快速解码算法进行12次数据监测实验，以调整时间和误码率为判断准则，实验结果如图11所示。

由图11可知，传统人工调节方式数据传输不稳定，数据传输误码率整体相对较高，调整时间长且受调整人员的影响；自适应快速解码算法的调整时间短，数据传输误码率波动范围较小，误码率整体比传统人工调节低。故自适应快速解码算法对于增益系数和滤波系数的选取更加精确，数据传输过程更加稳定、可靠。

为了验证系统通信是否正常，分别测试了3 km、5 km以及6 km电缆条件下不同储层上行传输监测数据和3 km条件下下行传输控制命令的井地之间建立双向通信的时间，通信时间变化结果如图12所示。

由图12可知，随着单芯钢管电缆长度的增加，地面系统和生产井第一储层建立正常的双向通信时间在80～100 s之间，以3 km生产井为例，其余各储层和不同井况之间建立通信的时间也略有差别，在各储层完全建立通信需要4～6 min。由于下行命令传输是由固定的命令数组成的，其数据量较小，传输速率和准确度相对于井下监测数据的上行传输较高，下行传输命令通信建立时间大约需要2 min。

永置式智能井分层采油半双工通信系统控制页面如图13所示，为了验证下行传输控制命令和上行传输数据双向通信的有效性和可靠性，分别对不同生产井和同一生产井不同储层的各个参数进行数据传输实验。

由图13显示界面可知，当前是生产1号井的第1储层的监测信息，在地面系统下发流量、温度和含水率控制命令后，左侧图形界面显示了井下采集系统监测的储层实时信息，通过地面控制系统面板反馈的数据信息可对井下控制系统进行实时控制，比如流量过大时，可进行控制电机对配水嘴的开度进行实时调节，以便对不同生产井和不同储层进行流量控制，相对于传统单次测井大大提高了生产井持续开发的合理性、稳定性和可靠性。

4 结束语

为提高永置式智能井监测系统井地之间数据交互的稳定性、实时性和可靠性，设计了基于单芯电缆的井地间数据传输通信系统，该系统通过地面系统向下广播训练码的方式与井下多层监测系统逐一建立双向数据通信，可以由地面系统实时控制、更新井下多层监测数据，提出了一种长时间数据自适应双向传输方法，该方法以数据传输的误码率为判断准则，利用两路程控电位器对增益系数和滤波系数进行微调，解决了井地间数据传输不稳定、实时性差的问题。实验结果表明该系统可以快速建立井地间稳定的数据通信，实现了井上控制命令和井下各层监测数据稳定、可靠的数据交互，大大提高了永置式智能井监测系统数据传输的效率和稳定性，对实际生产井的合理开发具有重大意义。