测井电缆通信系统简述及对比

国内外测井电缆通信系统简述及对比一、国际三大测井公司电缆通信系统本节对国际三大测井公司BAKERATLAS(贝克.阿特拉斯)、Haliburton（哈里伯顿）和Schlumberger（斯伦贝谢）的电缆传输通信系统特点进行了较详细介绍。1．BAKERATLAS电缆通信系统ATLAS公司的电缆通信系统发展可分三个阶段:AMIPCM(3502/03,3506),ManchesterPCM(3504/3508,2222),WTS(AMIManchester3510,3514)。第一代的PCM代表为3502,它使用AMI(AlternateMaskInversion)方式编码,它只能用来与双侧向仪器组合测井,传输速率为4kb/s,包含10个数据道(4个脉冲道,6个模拟道)。3503为其升级后的代表,它包含15个数据道,传输速率提升到8kb/s。下一代就是3504,3508,2222,使用Manchester编码方式进行通讯,传输速率有了进一步的提高,达到20kb/s。20世纪在80年代末、90年代初开发了新一代通讯系统WTS(WirelineTelemetrySystem)。WTS使用的编码方式为AMIManchester,数据传输总和达到了230kb/s。1.1AMI通讯系统(PCM3506)PCM3506是CLS3700系统主要运用的电缆通信短节。它采用的是AMI脉冲编码调制技术,PCM数据的发送和接收是由地面计算机来控制的,更确切地说是由地面计算机利用声波测井的的逻辑信号启动的。计算机按一定的深度间隔,控制3700系统内3752面板的声波逻辑电路,产生声波逻辑脉冲。该逻辑脉冲沿电缆缆芯2#、5#送至井下仪器PCM3506内的逻辑解码电路。逻辑解码电路一方面把声波逻辑脉冲送至井下声波测井仪器;另一方面产生启动脉冲,令PCM短节向地面发送数据。声波信号经缆芯7#传送,编码数据由缆芯2#,5#传送。3506数据通讯格式:使用低电平代表“0”数据位,高电平代表“1”数据位,脉冲的极性交替改变,使得电缆上传输的极性为零。一帧PCM数据有16个数据道,1个模拟地道。第一道是同步道,它由16位1组成,使同步道与数据道区别,便于地面系统检测出来。紧接着是6个脉冲数据道和10个模拟数据道。每一道占宽2ms,含16个数据位。基本时钟频率为8kHz,数据位宽125μs。每道实际携带的测井信息为12位,其余4位为特征码。1.2Manchester通讯系统(PCM3508)Manchester通讯系统工作在命令响应模式。当它接收到地面采集系统命令后开始采集传输数据,与AMI3506不同的是其数据编码方式。在Manchester数据编码中,将每个周期中心上升沿表示为“1”,每个周期中心下降沿表示为“0”,这样,它便具有消除长串“1”或“0”时直流成分的优点。在远距离的接收器内,可利用再生发生器时钟的变化,使发射数据同步成为可能。一帧Manchester码包含20位,前3位是同步码,有数据同步和命令同步。定义:周期中心上升沿表示数据,周期中心下降沿表示命令;中间16位是数据;最后一位奇偶校验位。若数据中“1”的个数是偶数,则用周期中心下降沿表示,若数据中“1”的个数是奇数,则用周期中心上升沿表示。地面系统接收解码数据后,它会给出两个检查结果来确保所传输的数据已被正确解码。第一是要检查确保传输的数据位总和是奇数,若不是,就给出一个标志NVM;第二是检查每个数据位,确保电平变化发生在位的中间,若有两个或更多的跃迁错误,则也会给出一个NVM标志。1.3WTS(AMIManchester)WTS电缆遥传系统结合了AMI和Manchester两种方式,被称作AMIManchester或ManchesterII。它仍然用电平的由高到低的变化代表“1”,用电平由低到高的变化代表“0”,但它由正负交替的脉冲组成数据,使用了3种传输模式M2、M5、M7(TM7)。M2为双向传输模式,既可向井下传输命令,又可向地面传输数据;M5、M7则只用来向地面传输数据。传输模式M2、M5、M7的接法示意图如图1所示。1.3.1WTSM2模式M2使用缆芯2,3相对于缆芯5,6来传输命令和数据。传输命令时速率为20kb/s,传输数据时为41kb/s。典型的数据字同Manchester数据字具有一样的格式:占宽20位,包括3位同步,16位数据和1位校验位。1.3.2WTSM5模式M5使用缆芯2,5相对于缆芯3,6传输数据。这种接法使得传输数据的速率达到93.75kb/s。M5可与M2同时传送数据,它们之间的交叉干扰非常小。M5只用来向地面传输数据,用于采集数据量大的仪器,如阵列声波等仪器。M5的数据格式与M2略有不同,先是3位同步,然后是16位数据,一个字一个字地连续传送,中间没有间断,也没有奇偶校验位,只作数据传输错误检测,若有错误,则给出一个NVM字。1.3.3WTSM7M7是利用缆芯7相对于电缆外皮来传输数据的。数据格式同M5一样,传输数据的速率也可达到93.75kb/s,可与M2、M5同时工作,交叉干扰非常小。通常用于采集数据量大的仪器,如阵列感应等仪器。TRUEM7(TM7)是在M7模式的基础上改进而来的一种传输模式。它较M7模式有如下改进:(1)使得运用M2、M5、TM7与直流供电和直流马达的仪器同时测井成为可能;(2)RCI仪器与WTS、RCI与MRIL组合测井;(3)M7与双侧向组合测井;(4)3514XA中Channel8提供了数字井径信号;(5)解决了ECLIPS-S系统使用3506测井时“SP”信号的衰减问题;(6)提供了PCL测井时的电压保护;WTS通讯模式在数据传输上效率很高,总的向上传输速率达到228kb/s,完全满足了成像测井系统数据量大的要求。2Schlumberger电缆通信系统2.1CTS遥测系统原理CTS是一种高速数据传输系统,数据传输速率达到100kb/s,CTS是所有井下仪器与地面计算机测井系统之间的统一的数据传输系统。在井下采用了类似计算机系统的设计思想,即在CTS与各井下仪器之间安排了3条串行总线(DTB),由3根56Ω的同轴电缆组成,进行信息交换。这3条总线是:下行信号线DSIG,上行时钟线UCLK和上行数据线UDATA/GO。这样地面的中央处理机把每个井下仪器(包括CTS)看成是它的外部设备,在电缆上传送的信息有中央处理机给井下发送的指令和井下仪器向上传送的数据,但二者在时间上是隔开的,即地面与井下之间的信息传递是采用半双工方式进行的。CTS是在计算机指令的控制下进行数据的采集、格式编排和传输的,每一帧的上行数据和下行指令中均含有帧同步字FSP(在一帧之首)和循环冗余校验码CRC(在一帧之尾)。CTS由井下遥测单元TCC-A和地面遥测模块TCM-A两部分组成。各井下仪器均与井下总线相连,分别有规定的地址码。计算机首先向井下发送指令,指令中含有井下仪器的地址码,当井下仪器从指令中识别出自己的地址码后,即执行该指令,并把数据送至井下总线上,编成一定格式后,经测井电缆传输至地面。在地面遥测模块中,上行数据经解调后,由总线送至中央处理机处理。CTS遥测系统原理框图如图2所示。2.2CTS遥测系统数据格式CTS采用双相位码制。双相位码的电平变化发生在位的边界处,如果在位的中间有电平变化则代表数据1,无变化则代表数据0,每位边界之间的时间间隔为10μs,所以全“0”数据的视频率为50kHz方波,全“1”数据视频率为100kHz方波。CTS采用双相位码制的优点:(1)数据信息可以与时钟的时间信息合在一起传输;(2)能有效地利用电缆的频带宽度;(3)双相位码中无直流成分,便于电缆传输和变压器耦合。CTS遥测系统数据格式如图所示。2.2.1帧格式(上行线)上行数据由帧同步字FSP、2个状态字、2N个井下数据字和循环6校验码组成,字长16位。在FSP前有8个0是为了便于接收设备确定位的边界。FSP为固定字,值为003152(8)。状态字1的含义是:低8位代表帧长的N值,B8位为指令接收位CMDREC,B9为指令错误位CMDERROR,B10为超时位,B11、B12未用,B13为波形允许位WFMEN,B14为现在位NOW,B15为指令等待位WAIT。状态字2的唯一信息是电缆头电压,它由高字节的B15-B11给出。井下数据字是井下遥测单元TCC-A从上至下对各井下仪器依次采集的。上行帧的最后16位是CRC字。在上行帧中,高位数据先传送。2.2.2指令格式(下行线)同帧格式一样,它也由8位0开头,然后是8位FSP,16位用户字UW,16位基本指令字BIW,8位CRC字,最后是尾随的8位0。与上行帧格式相反,它由低位线传送。指令中的FSP和CRC不送至井下仪器。Schlumberger公司目前所有测井设备都配备了多任务采集和成像系统,MAXIS500是其最新一代产品。这种基于PC的模块式平台大量采用了可从市场上购买的硬件和操作系统,所以适用性更广泛。其数据传输速率达到500kb/s,成像测井仪采集数据的能力有了突飞猛进的进步。3Halliburton测井通信系统EXCELL-2000成像测井系统使用的数字通信系统为DITS,它包括远程通信设备(RTU)、1553仪器总线、数字井下通信模块(D4TG)和地面通信接口(D2MP)。RTU是仪器电子测量部分和井下通信系统之间的接口。每一种仪器都有自己的RTU地址,通过1553总线与D4TG连接,进行双向通讯。D4TG作为仪器总线控制器可在地面和RTU之间进行双向通信连接,它由井下调制解调器(SSM)和总线控制单元(BCU)组成。BCU根据总线命令表从仪器串中采集数据,编译成上传数据格式,然后以50ms一帧上传到地面系统。D2MP将上传的信号译码成串行数据,以便进一步处理,而且放大从D2MP到D4TG的信号,使信号能与测井电缆相匹配。EXCELL-2000成像测井系统使用模式传输方式,此模式通过7芯电缆实现最小的交叉干扰,来传输信号和电源。共有4种模式。模式W2利用电缆1、2和4、5为高压仪器或井径马达提供辅助电源;模式W5利用1、2和4、5为井下仪供电;模式W6利用2组3芯电缆1、3、5和2、4、6传输数据,其缆芯电阻低,传输速度高,波段宽;模式W7利用缆芯7和电缆外皮上传通信信号,如自然电位SP信号。目前Halliburton公司推出的新型测井系统IQ快速测井平台,使用了ADSL通讯方式,该通讯方式对所有外设均分配IP地址,通过网络进行传输,大大提高了性能。4以上通信方式的比较无论那种通信方式,面临的问题都是传输速度、传输效率以及传输数据的准确性。几种通信方式对比见表1。二、国内常用到的测井电缆通信系统1.基于Manchester码的通讯系统1.1Manchester码简述曼彻斯特码，也叫数字双相码或分相码，是一个同步时钟技术，被物理层用来编码一个同步位流的时钟和数据。它是一种超越传统数字传输的信道编码技术，由于其具有隐含时钟、去除了零频率信号的特性使得它在石油勘探测井中得到广泛的应用。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示1，从低到高跳变表示0。曼彻斯特编码是将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中有一跳变，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。但每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。相比于二进制码的优点：由于曼码采用跳变沿表示0和1，波形在每一位元中间都有跳变，因此具有丰富的定时信息，便于接收端提取定时信号。而二进制传输，当出现连续的0或1时，无法区分丙位元之边界。由于曼码在每一位元都有电平的转变，因此传输时无直流分量，可降低系统功耗。而二进制波形，当出现连续的1时，将有直流分量产生。曼码的传输非常适合多路数据的快速切换。1.2Manchester码数据传输格式Manchester码传输广泛采用的数据帧格式，一帧共20位，其中3位同步头，16位数据位，1位