Статья посвящена результатам разработки системы регистрации геофизической информации, передаваемой с геофизических глубинных приборов по линии связи (каротажному кабелю). Представлены структура и принципиальные схемы некоторых узлов геофизического регистратора, программное обеспечение, алгоритмы работы и результаты компьютерного моделирования каротажного кабеля и телеметрии.

Геофизическая техника и аппаратура относится к числу тех производственных областей нефтегазового комплекса, без которой немыслимо не только его дальнейшее развитие, но и текущая рентабельная разработка любого месторождения. При этом невозможно добиться высокого качества и большей информативности получаемых при геофизических исследованиях данных совершенствованием только лишь глубинных приборов. Поэтому в последнее время все больше внимания уделяется автоматизации и повышению надежности процесса каротажа.

Важнейшую роль при этом играет совершенствование наземной регистрирующей аппаратуры и программного обеспечения. В качестве телеметрической линии передачи информации из скважины в наземную регистрирующую систему наибольшее распространение получил каротажный одножильный геофизический кабель, который является одной из разновидностей коаксиального кабеля с концентрическим расположением жилы (прямого провода) внутри брони (обратного провода). В качестве внешней оплетки каротажный кабель имеет броню без поверхностной изоляции. Следовательно, высокочастотный информационный сигнал, проходящий через каротажный кабель, подвергается искажению и ослаблению под действием сопротивления и емкости кабеля. При этом степень искажения зависит как от длины линии связи (каротажного кабеля), так и от частоты информационного сигнала. В [1, 2] приводится простая электрическая схема эквивалента кабеля, которая была смоделирована в программе Multisim 11.0, рис. 1.

 

Рис. 1. Имитатор каротажного кабеля длиной 3 км в программе Multisim 11.0 

Как видно на рис. 1, имитатор кабеля представляет собой каскадное соединение RC-цепочки, где каждый каскад соответствует 1 км реального кабеля. Пример искажения биполярного прямоугольного импульса на выходе имитатора каротажного кабеля показан на рис. 2.

 

Рис. 2. Форма биполярных прямоугольных импульсов на входе и на выходе имитатора каротажного кабеля  

Как видно на рис. 2, прямоугольный сигнал на выходе каротажного кабеля подвергся значительному искажению (уменьшился по амплитуде и исказились фронты), что обусловлено значительной реактивностью (емкостью) каротажного кабеля.

В данном случае имитатор кабеля представляет собой не что иное, как фильтр. На рис. 3 представлено АЧХ смоделированного имитатора кабеля.

Как видно из АЧХ имитатора кабеля, коэффициент затухания сигнала начинает увеличиваться от 10 кГц и при частоте порядка 100 кГц достигает степени, при которой его очень трудно восстановить. Таким образом, реальная скорость передачи информации (бит/с) современных кабелей в зависимости от их длины ограничивается диапазоном до 10–100 кГц.

С учетом этих факторов основное внимание при разработке информационной системы для приема и регистрации геофизической информации мы уделили компенсирующим фильтрам усиления

рис. 3

 

и восстановления формы сигнала при приеме сигнала с кабеля.

Методы передачи данных от скважинного прибора к наземной аппаратуре

Раньше для передачи данных из скважины в наземную аппаратуру использовался в основном аналоговый сигнал, который затем оцифровывался на поверхности. Но передача аналогового сигнала по грузонесущему геофизическому кабелю длиной порядка 5 000 м ввиду его значительной электрической емкости приводит к значительным трудно устранимым амплитудно- и фазочастотным искажениям, что затрудняет интерпретацию зарегистрированного геофизического материала, а также приводит к зашумливанию сигнала, что снижает общий динамический диапазон измерительного комплекса. В настоящее время наиболее распространенным методом передачи данных является цифровая телеметрия. Начиная с 80-х годов прошлого столетия основным методом кодирования сигнала является самосинхронизирующийся код «Манчестер-2», который, в отличие от других методов кодирования, не требует дополнительной линии синхронизации. Передача производится по одной линии, что позволяет использовать его при передаче данных по одножильному кабелю.

В качестве примера рассмотрим модель передатчика сигнала в кодировке «Манчестер-2». Модель собрана на микроконтроллере PIC18F4420 в среде компьютерного моделирования Proteus 7.0 (рис. 4).

 

Рис. 4. Схема получения двуполярного кода «Манчестер-2»

 

 

Рис. 5. Примеры кодировки сигналов и форма сигналов на выходе кабеля.

Передаваемое слово 0x9999. Скорость передачи 20 кБит/сек  

На рис. 5 показан пример кодирования с помощью «Манчестер-2». Кодирование с использованием «манчестерского» кода осуществляется за счет положительных и отрицательных переходов уровня потенциала, осуществляемых посередине битового интервала. Нулю исходных данных соответствует положительный переход, а единице – отрицательный. За счет наличия переходов потенциала «манчестерский» код обладает самосинхронизацией.

 

Структура информационной системы регистрации сигналов с геофизических приборов

В самом общем виде структура системы регистрации представлена на рис. 6.

На этом рисунке скважинный прибор может иметь различные методы измерения геофизических параметров для самых разных типов нефтегазовых скважин. Также могут использоваться различные устройства телеметрии. Система питания обеспечивает скважинный прибор электроэнергией требуемого вида: постоянным напряжением стабильного тока и напряжения, переменным напряжением частотой 50 и 400 Гц регулируемого уровня тока и напряжения, а также энергоснабжение наземных датчиков (глубины, магнитных меток и натяжения каротажного кабеля) и всех элементов регистратора (блока сопряжения с различными устройства-

ми телеметрии, платы процессора с памятью, схемы интерфейса с ЭВМ). Указанная обобщенная структура компьютеризированной геофизической лаборатории естественным образом вписывается в состав каротажного подъемника, преобразуя его в геофизическую станцию. В таком совмещенном варианте в настоящее время выпускается большинство серийных каротажных подъемников. Именно такая структура современной геофизической станции позволяет в полной мере реализовать основные цифровые технологии ГИС.

Основными техническими задачами при подключении к регистратору скважинных приборов различных производителей являются: – коммутация жил кабеля для энергоснабжения от соответствующих источников питания и для информационной совместимости с сигнальными и управляющими входами регистратора; – преобразование выходных сигналов систем телеметрии с различными видами модуляции в цифровой код на вход процессора.

Поэтому при разработке системы регистрации мы выбрали вариант блочной структуры, где каждый блок выполняет свои задачи (рис. 7).

Блок восстановления формы сигнала (БВС) нормализует и усиливает форму информационного сигнала, а также осуществляет коммутацию блока питания с прибором через блок реле. Так как питания

 

 

Рис. 6. Структура системы регистрации 

Рис. 7. Структура системы регистрации 

тание и информационный сигнал передаются по одной жиле для выделения информационного сигнала на фоне питания, мы используем трансформатор с определенной добротностью (в качестве высокочастотного фильтра). Далее сигнал, пройдя через схему ограничения, поступает на вход усилителя с программируемым коэффициентом усиления (AD8320), коэффициент усиления которого, задаваемый пользователем с компьютера, поступает на вход блока цифровой обработки (БЦО) (рис. 8).

Далее сигнал поступает на вход быстрого одноканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) ADS800U (время преобразования 25 нсек (40 МГц)) блока цифровой обработки. Оцифрованный сигнал с выхода АЦП по параллельному интерфейсу поступает на вход быстродействующей

программируемой логической матрицы (ПЛИС), которая позволяет пропускать через себя сигнал, лежащий в заданном диапазоне (верхний и нижний уровень). ПЛИС также позволяет производить пере-коммутацию жил каротажного кабеля и источника питания непосредственно с помощью программного обеспечения геофизического регистратора (рис. 9).

Восстановленный сигнал поступает на вход цифрового сигнального процессора ADSP-2189M по выводу IRQL0/PF5 порта внешних прерываний (рис. 10).

Этот процессор, работающий на частоте 66 МГц, позволяет производить декодировку информационного сигнала, передаваемого с геофизического прибора, по следующему алгоритму (рис. 11): 1. Алгоритм начинается с поиска синхроимпульса. Цифровой сигнальный процессор ждет любого 

 

Рис. 8. Входной каскад блока восстановления сигнала (БВС)

Рис. 9. Окно настройки коэффициента усиления и порога срабатывания ПЛИС и восстановленный сигнал с выхода быстрой АЦП и ПЛИС  

перепада на выводе PF5, по полученному перепаду запускаем временной счетчик T и ждем следующего. 2. Когда придет второй перепад, мы сравниваем содержимое временного счетчика T с заданной временной константой Tstart, значение которой определяет длительность синхроимпульса (длительность

равна трем периодам синхронизации (при скорости, равной 20 кБот, Tstart = 36 мксек)). Если значение оказывается равным Tstart, то обнуляем счетчик и ждем третьего перепада, если T не равно Tstart, то переходим к пункту (1). При получении третьего перепада сравниваем значение временного счетчика 

 

 

с Tstart. Если значение счетчика больше половины такта синхронизации и меньше Tstart, то обнуляем счетчик и ждем второго перепада. Если нет, то сравниваем значение счетчика с Tstart + 1 импульс синхронизации. Если значение оказывается больше, то переходим к пункту (1). 3. Далее начинаем поиск перепадов. Если был переход из 0 в 1, то считается, что принят ноль, если из 1 в 0, то принята единица, и т. д. 4. Повторяем пункт (3), пока не придет 16 бит данных.

Подобным образом можно декодировать не только кодоимпульсные, но и частотно- и времяимпульсные методы кодирования. Использование ЦСП ADSP-2189M позволяет перепрограммировать его «на лету» через порт прямого доступа к памяти DMA. А загрузка процессора осуществляется через блок связи и загрузки (БСЗ). Основным элементом БСЗ является микроконтроллер фирмы «Microchip» PIC18F4550 (рис. 12). Мы выбрали этот процессор, так как он имеет блок работы с USB-портом персонального компьютера, с использованием драйверов, предоставляемых фирмой-производителем.

После написания программы для ADSP-2189M (драйвера) в среде программирования VisualDSP 3.0 мы производим ее загрузку через порт USB с использованием технологии виртуального COM-порта в ЦСП, который начинает свою работу в соответствии с программой. Внешний вид программы регистрации показан на рис. 13. Она была написана нами в среде программирования Delphi 7.0.

Полученные данные с глубинного прибора необходимо привязать к глубине, на которой находится прибор. Для привязки данных используется фотоэлектронный датчик, который вращается вместе с лебедкой и отсчитывает ее обороты при спуске и подъеме. Эти данные в виде импульсов поступают в блок контроля каротажа (БКК) регистратора, где они фиксируются специальным программным счетчиком в микроконтроллере PIC18F4520, который связан с БСЗ и выдает эти данные на персональный компьютер.

 

 

Рис. 11. Алгоритм приема кодоимпульсного сигнала «Манчестер-2» ЦСП ADSP-2189M 

Вывод

На основе изученной нами информации мы сделали ряд выводов. Разработка систем регистрации геофизических данных на сегодняшний день является весьма актуальной задачей, особенно на фоне неуклонного роста количества разрабатываемой различными производителями геофизической аппаратуры. При этом растет и объем информации, которую необходимо передавать из скважины в наземную станцию.

Поэтому растет и количество методов передачи данных (частотные, кодоимпульсные, квадратурные и др.). Все это требует совершенствования систем регистрации данных, чтобы системы 

 

Рис. 12. Блок связи и загрузки программ в ЦСП по USB 

Рис. 13. Внешний вид программы регистрации  

регистрации успевали обрабатывать эту информацию. Нами была сделана попытка создания современной системы регистрации. Конечно, с течением времени данная система должна модернизироваться как в плане совершенствования электроники, так и в плане программного обеспечения.