一种双向远程控制试井系统的研究与实现

摘要：本系统针对目前压力测井系统井下交互操作难以实现的现状，设计了一套基于无线扩频调制方式进行信号传输的软硬件系统，成功实现了地面控制系统和井下压力计的实时交互通信。系统主要包括地面控制系统、下井控制器和井下控制器三部分，并采用了一种高精度和特定计算方法的压力计模型。实际测量应用表明能够准确地反映井下油气储存情况，满足了远距离试井的实地操作需求，并在很大程度上提高了整个测井的实际效率。
关键词：无线传输；扩频调试；双向通信；地面控制；压力计模型

0 引言
对于井下油气储存量、油井生产状况及寿命的评价，一个重要的依据即是能够准确有效地获取待测井的压力、温度等参数数据及变化趋势。目前油气井测试采用的主要方式仍是基于井下存储方式，即将测量参数设置好的井下探测器放置在待测地层段采集相关数据，待整个测试周期完成后回收至地面并读取数据。鉴于上述方式无法有效提取油井实时信息，在一定程度上降低了对油井相关操作的效率。本文介绍的试井系统借助下井控制器与井下探测器，通过无线传输方式实现无差错的双向交互通信，能够实时提取井下存储数据，有效提高测井的时效性和传输速率，并很好地满足不同井深及井下各种恶劣环境的测试需要。

1 系统硬件结构概述

硬件部分如图1所示，主要包括地面控制系统、下井控制器和井下控制器三部分。地面控制系统有三种工作模式：地面模式、中转模式、直接模式。地面模式下主要功能是进行压力计的地面配置和测试。中转模式下，地面控制系统是PC机和井下控制器的连接单元，本身不主动发送指令，但可以进行实时的数据显示。直接模式下地面控制器可以独立控制井下系统，无需PC机参与操作，大大提高了油井现场操作的便携性，主要功能包括井下实时数据计算显示，下井命令发送，井下命令接收和相应井下数据的回传存储。下井控制器是针对下井压力计的功能设计的，主要实现下井过程中的压力实时跟踪，完成压力计的连接保持和压力数据回传。井下控制器是针对井下压力计设计的，主要功能是接收并执行地面控制系统发出的操作指令，完成压力计的电源管理、模式切换、数据回读等一系列功能。

2 远距离数据传输原理
本文所述方法具有许多技术难点，其中之一是长距离数据传输。井下和下井压力计、电路板工作于距离地面4000～6000m的油井中，井下压力、温度、湿度、噪声与地面有很大不同，此外，由于传输距离太长，传输线的分布电阻和分布电容较大，对所承载的信号衰减很大，另外还存在阻抗调制、脉冲噪声、等幅震荡波干扰等不利因素，难以达到高速传输。为此模拟长线传输做了大量的实验，并在现场用实际电缆做实验，最终采用较为可靠的扩频通信(Spread Spectrum Conummicadon)作为传送命令和数据的方式。
扩频通信指传输系统中用于传送信息的信号带宽远大于信息本身带宽的通信方式，即将待传送基带信号用扩频序列发生器产生的伪随机编码进行扩频调制从而将频谱扩展，形成扩展带宽的低功率谱密度信号进行传输。接收端采用同样伪随机编码通过相关处理恢复成窄带信号，再解调数据恢复出原始信号数据。
从香农公式我们可以了解扩频通信的理论来源，在受到加性高斯白噪声的信道中，信道容量由下式描述：

在给定的信道容量下可以用不同带宽和信噪比的组合来传输，若减小其中一项则势必要增大另一项以平衡信道固有的容量。因此，当信噪比太小不能保证通信质量时，常采用宽带系统，即用增加带宽(展宽频谱)来提高信道容量，扩展信号频谱降低功率谱密度，从而使信号幅度降低且隐蔽性好以改善通信质量，这就是通常所谓用带宽换取功率的通信方法。