專利名稱：一種井筒數(shù)據(jù)傳輸方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油鉆井領(lǐng)域，特別涉及一種井筒數(shù)據(jù)傳輸方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)欠平衡鉆井技術(shù)的應(yīng)用有了很大發(fā)展，但是許多欠平衡鉆井施工達(dá)不到預(yù)
期效果的一個(gè)很重要的原因就在于鉆井過(guò)程中沒有能夠保持全過(guò)程欠平衡，導(dǎo)致對(duì)地層的
傷害和其它復(fù)雜情況的發(fā)生，使得欠平衡技術(shù)發(fā)現(xiàn)和保護(hù)油油氣層、解決特殊問(wèn)題、降低成
本等方面的優(yōu)勢(shì)不能得到充分發(fā)揮，因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)欠平衡鉆井井底數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)全過(guò)程欠
平衡鉆井的必要條件，而井筒數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)就成了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的技術(shù)關(guān)鍵。
目前比較普及的無(wú)線隨鉆數(shù)據(jù)裝置是應(yīng)用在水平井、定向井中的麗D。該裝置通過(guò)
改變鉆柱內(nèi)的鉆井液壓力變化，利用壓力脈沖信號(hào)將井底數(shù)據(jù)傳輸至地面，但存在以下幾
個(gè)問(wèn)題 (1)該裝置只能應(yīng)用于純液相流體鉆井中，在氣體或氣液混相流體鉆井中，由于傳 輸介質(zhì)的可壓縮特性無(wú)法完成壓力脈沖方式傳輸數(shù)據(jù)而不能使用。
(2)傳輸速率較慢，只有0. 5-3bit/s。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種井筒數(shù)據(jù)傳輸方法及系統(tǒng)，該方法利用對(duì)壓電換能器 與鉆桿的耦合規(guī)律及鉆柱應(yīng)力波傳輸特性，通過(guò)鉆柱應(yīng)力波的發(fā)射和接收裝置，將井底的 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嫔?，從而提高?shù)據(jù)的傳輸速度，且不受鉆井流體介質(zhì)的影響。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為以應(yīng)力波作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，鉆柱 作為傳輸通道，該方法包括井底數(shù)據(jù)接收與處理、信號(hào)發(fā)送與傳輸、地面接收三個(gè)步驟，具 體如下 a.井底數(shù)據(jù)接收與處理步驟井底鉆柱上的數(shù)據(jù)采集裝置采集到包括井底數(shù)據(jù) 的模擬信號(hào)后，首先經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后將數(shù)字信號(hào)輸入 到DSP信號(hào)處理模塊進(jìn)行處理，即對(duì)數(shù)字信號(hào)以預(yù)定的編碼格式進(jìn)行編碼，得到編碼后的 數(shù)字信號(hào)； b.信號(hào)發(fā)送與傳輸步驟將編碼后的數(shù)字信號(hào)先通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信
號(hào)，然后將模擬信號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)發(fā)射模塊進(jìn)行信號(hào)放大處理，再驅(qū)動(dòng)壓電換能器，然后通過(guò)
壓電換能器將放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力波頻率信號(hào)，應(yīng)力波發(fā)射頻率選定在鉆柱的通
帶頻率上，并可根據(jù)鉆柱的不同組合和長(zhǎng)度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，沿鉆柱向地面?zhèn)鬏敚? c.地面數(shù)據(jù)接收步驟應(yīng)力波頻率信號(hào)傳輸至地面后，由安裝在方鉆桿上旋塞上
的數(shù)據(jù)接收模塊進(jìn)行接收，并由無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器將應(yīng)力波頻率信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到地面接收器，通過(guò)A/D
轉(zhuǎn)換模塊將應(yīng)力波頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸入地面計(jì)算機(jī)，將淹沒在強(qiáng)噪聲中的有用
微弱信號(hào)從數(shù)字信號(hào)中檢測(cè)出來(lái)，并對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行解碼。 信號(hào)發(fā)送與傳輸過(guò)程中，如果傳輸井段較長(zhǎng)、信號(hào)衰減，還可以在鉆柱中安裝中繼系統(tǒng)，中繼系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)接收模塊接收井底傳輸來(lái)的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬 信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將信號(hào)傳送到數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊將淹沒在強(qiáng)噪聲中的 有用微弱信號(hào)檢測(cè)還原，得到還原后的數(shù)據(jù)信號(hào)，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換模塊將還原后的數(shù)據(jù)信號(hào) 轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，傳送給數(shù)據(jù)發(fā)射模塊，進(jìn)行功率放大后驅(qū)動(dòng)壓電換能器，壓電換能器將功 率放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成應(yīng)力波頻率信號(hào)繼續(xù)沿鉆柱向地面?zhèn)鬏敗?另外，井筒數(shù)據(jù)傳輸方法的信號(hào)發(fā)送與傳輸中發(fā)射頻率選定在鉆柱的通帶頻率 上，主要是考慮到鉆柱對(duì)應(yīng)力波的傳輸會(huì)產(chǎn)生通帶、阻帶交替變化的梳狀濾波器特性，在通 帶頻率上信號(hào)能夠有效傳輸，而在阻帶頻率上，信號(hào)衰減嚴(yán)重，信號(hào)不能有效傳輸。
DSP對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼采用"同步信號(hào)+數(shù)據(jù)信號(hào)"的編碼格式，每個(gè)完整的信號(hào)為8 個(gè)信息位，包括1個(gè)同步信號(hào)和7個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)。DSP編碼的同步信號(hào)為一個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)， 對(duì)鉆柱的通帶與阻帶進(jìn)行檢測(cè)，并結(jié)合鉆柱應(yīng)力波頻率方程計(jì)算確定的鉆柱通帶范圍進(jìn)行 分析，自動(dòng)選出不同結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)度的鉆柱的最優(yōu)通帶頻率作為傳輸信號(hào)的頻率，鉆柱應(yīng)力波 頻率方程如下 <formula>formula see original document page 6</formula><formula>formula see original document page 6</formula> 上述公式中， d「鉆桿長(zhǎng)度(中間部分) d2-接頭長(zhǎng)度(兩頭之和) c「鉆桿波速 C2-接頭波速 k = co /z z = z丄+Z2 z丄=a丄 P c0 z2 = a2 P c0 co = 2 Ji f d = ar鉆桿截面積 a2-接頭截面積 c。-鋼聲速 p-鋼密度 f-頻率 井底信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)噪聲的干擾，為檢測(cè)出淹沒在強(qiáng)噪聲中的微弱
而實(shí)際所需的有用信號(hào)，采用混沌振子檢測(cè)法從強(qiáng)背景噪聲中提取有用微弱信號(hào)。微弱信
號(hào)混沌檢測(cè)方法包括構(gòu)建以下Duffing方程
<formula>formula see original document page 6</formula> 上述方程中Y為策動(dòng)力，yAAc0S("t)為接收的有用信號(hào)，Zs為噪聲。 調(diào)節(jié)系統(tǒng)策動(dòng)力Y，使系統(tǒng)處于從混沌向大尺度周期過(guò)渡的臨界狀態(tài)。輸入含
有噪聲的待測(cè)信號(hào)，若系統(tǒng)從混沌狀態(tài)躍遷到大尺度周期狀態(tài)，則說(shuō)明輸入信號(hào)中含有待測(cè)信號(hào)，使用四階龍格庫(kù)塔法求解上述方程，計(jì)算系統(tǒng)的周期值，判斷信號(hào)有無(wú)。上述方式 能夠檢測(cè)的信噪比遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)檢測(cè)的-lOdB，達(dá)到-40dB以下，即噪聲功率大于信號(hào)功率 10000倍以上，系統(tǒng)依然能夠有效檢測(cè)有用微弱信號(hào)。 地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)與井底數(shù)據(jù)接收及發(fā)射系統(tǒng)能夠進(jìn)行雙向通信，井底數(shù)據(jù)接收 及發(fā)射系統(tǒng)隨鉆頭一起下入井底，當(dāng)開始鉆進(jìn)時(shí)，地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)向井底數(shù)據(jù)接收及發(fā) 射系統(tǒng)發(fā)出線性調(diào)頻信號(hào)，信號(hào)沿鉆柱向下傳輸至井底數(shù)據(jù)接收及發(fā)射系統(tǒng)，收到線性調(diào) 頻信號(hào)后，首先計(jì)算最優(yōu)的發(fā)射頻率，然后井底數(shù)據(jù)接收及發(fā)射系統(tǒng)開始對(duì)井底數(shù)據(jù)采集 裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收；提鉆時(shí)，地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)發(fā)出停止數(shù)據(jù)接收信號(hào)，井底數(shù)據(jù)接 收及發(fā)射系統(tǒng)收到信號(hào)后，停止接收井底數(shù)據(jù)。 上述井底數(shù)據(jù)采集裝置可以是常規(guī)的麗D儀器中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也可以是西部 鉆探克拉瑪依鉆井工藝研究院申請(qǐng)的實(shí)用新型-一種井底數(shù)據(jù)采集傳輸裝置(中國(guó)專利申 請(qǐng)?zhí)枮?008200063778)或其它井底數(shù)據(jù)采集裝置。 為實(shí)現(xiàn)上述方法，本發(fā)明提供了一種井筒數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其中包括井底數(shù)據(jù)接收 與發(fā)射系統(tǒng)、地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng) a.井底數(shù)據(jù)接收與發(fā)射系統(tǒng)，包括井底數(shù)據(jù)采集模塊、A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、DSP信 號(hào)處理模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)發(fā)射模塊，其中井底數(shù)據(jù)采集模塊采集井底數(shù)據(jù)生成模 擬信號(hào)；A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，將數(shù)字信號(hào)輸入DSP信號(hào)處理模 塊；DSP信號(hào)處理模塊對(duì)A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換好的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼得到編碼后的數(shù)字 信號(hào)；D/A轉(zhuǎn)換模塊將編碼后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)；數(shù)據(jù)發(fā)射模塊包括功率放大器 及壓電換能器，其中，功率放大器對(duì)由D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)進(jìn)行放大處理，壓電 換能器將放大后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力波頻率信號(hào)，將該應(yīng)力波頻率信號(hào)沿鉆柱向地面?zhèn)?輸； b.地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)包括設(shè)置在方鉆桿上旋塞上的數(shù)據(jù)接收模塊、無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器 和地面接收器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、地面計(jì)算機(jī)，其中，數(shù)據(jù)接收模塊接收到井底傳輸至地面的應(yīng) 力波頻率信號(hào)后，將應(yīng)力波頻率信號(hào)輸入到無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器中；無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器將應(yīng)力波頻率信號(hào) 轉(zhuǎn)發(fā)到地面接收器；A/D轉(zhuǎn)換模塊將應(yīng)力波頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸入地面計(jì)算機(jī)； 地面計(jì)算機(jī)將淹沒在強(qiáng)噪聲中的有用微弱信號(hào)從數(shù)字信號(hào)中檢測(cè)出來(lái)，并對(duì)有用微弱信號(hào) 進(jìn)行解碼。 C.井筒數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)還包括位于井底數(shù)據(jù)接收與發(fā)射系統(tǒng)和地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)
之間的中繼系統(tǒng)，中繼系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接收模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、
數(shù)據(jù)發(fā)射模塊與供電模塊組成，其中，數(shù)據(jù)接收模塊接收模擬信號(hào)；A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信
號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理還原，將還原后的數(shù)字信號(hào)輸入D/
A轉(zhuǎn)換模塊；D/A轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳送給數(shù)據(jù)發(fā)射模塊；數(shù)據(jù)發(fā)射
模塊包括功率放大器及壓電換能器，其中，功率放大器將模擬信號(hào)進(jìn)行放大處理；壓電換能
器模塊將放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力波頻率信號(hào)后，繼續(xù)向地面?zhèn)鬏敚还╇娔K對(duì)集成
電路進(jìn)行供電。 本發(fā)明的有益效果 (1)能廣泛用于液基、氣基流體介質(zhì)鉆井中； (2)數(shù)據(jù)傳輸、檢測(cè)速度快，其傳輸速度大于100bit/s。


圖1為本發(fā)明具體實(shí)施例中井筒數(shù)據(jù)傳輸流程圖；
圖2為本發(fā)明具體實(shí)施例中混沌檢測(cè)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施例作進(jìn)一步的說(shuō)明。 圖1為井筒數(shù)據(jù)傳輸流程圖，根據(jù)圖1所示的一種井筒數(shù)據(jù)傳輸方法分為井底數(shù) 據(jù)接收與處理、信號(hào)發(fā)送與傳輸、地面接收三個(gè)過(guò)程，具體如下 a.井底數(shù)據(jù)接收與處理步驟井底鉆柱上麗D儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、也可以是西 部鉆探克拉瑪依鉆井工藝研究院申請(qǐng)的實(shí)用新型-一種井底數(shù)據(jù)采集傳輸裝置(中國(guó)專利 申請(qǐng)?zhí)枮?008200063778)或其它井底數(shù)據(jù)采集裝置采集到的井底數(shù)據(jù)首先經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換 模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后將數(shù)字信號(hào)輸入到DSP信號(hào)處理模塊進(jìn)行處理，DSP 對(duì)數(shù)字信號(hào)采用"同步信號(hào)+數(shù)據(jù)信號(hào)"的編碼格式進(jìn)行編碼，每幀完整的數(shù)字信號(hào)為8個(gè) 信息位，包括1個(gè)對(duì)應(yīng)于同步信號(hào)的信息位和7個(gè)對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)信號(hào)的信息位，DSP按照以下 編碼格式進(jìn)行編碼 串行通訊系統(tǒng)中，必須要有同步信號(hào)，信號(hào)是一位接著一位、一組接著一組順序傳 輸?shù)模繋暾臄?shù)字信號(hào)包含8個(gè)信息位。其中，同步信號(hào)為一個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)，處于8 個(gè)信息位的首位，后7位信息位為對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)信號(hào)信息位，如圖2中數(shù)據(jù)信號(hào)中的"l"代表 優(yōu)選的頻率，信號(hào)為"O"時(shí)不發(fā)送。 DSP編碼的同步信號(hào)為一個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)，對(duì)鉆柱的通帶與阻帶進(jìn)行檢測(cè)，并結(jié)合 鉆柱應(yīng)力波頻率方程計(jì)算確定的鉆柱通帶范圍進(jìn)行分析，自動(dòng)對(duì)不同結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)度的鉆柱選 出其通帶傳輸效果最好的頻率作為傳輸信號(hào)的頻率，鉆柱應(yīng)力波頻率方程如下cos W =
「 < 、「 w2 ]1、i z，、「 w《]「 < 、
COSCOS--sinsin
L C2 J2、z2 &」L C2 J 上述公式中， d「鉆桿長(zhǎng)度(中間部分) d2_接頭長(zhǎng)度(兩頭之和) Cl_鉆桿波速 c2-接頭波速 k = co /z z = z丄+Z2 z丄=a丄 P c0 z2 = a2 P c0 co = 2 Ji f d = ar鉆桿截面積 a2_接頭截面積 c。-鋼聲速
p-鋼密度
f-頻率 圖2為同步信號(hào)檢測(cè)的鉆柱通帶圖。 b.信號(hào)發(fā)送與傳輸步驟經(jīng)過(guò)DSP編碼后的數(shù)字信號(hào)先通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成 模擬信號(hào)，然后將模擬信號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)發(fā)射模塊進(jìn)行信號(hào)放大處理，振動(dòng)壓電換能器，然后 通過(guò)壓電換能器將放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力波頻率信號(hào)，應(yīng)力波發(fā)射頻率選定在鉆柱 的通帶頻率上，并可根據(jù)鉆柱的不同組合和長(zhǎng)度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，沿鉆柱向地面?zhèn)鬏敚?
c.地面數(shù)據(jù)接收步驟應(yīng)力波頻率信號(hào)傳輸至地面后，由安裝在方鉆桿上旋塞上 的數(shù)據(jù)接收模塊進(jìn)行接收，并由無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器將應(yīng)力波頻率信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到地面接收器，通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸入地面計(jì)算機(jī)，將淹沒在強(qiáng)噪聲中的有用微弱信 號(hào)從數(shù)字信號(hào)中檢測(cè)出來(lái)，并對(duì)有用微弱信號(hào)進(jìn)行解碼。 信號(hào)發(fā)送與傳輸過(guò)程中，如果傳輸井段較長(zhǎng)、信號(hào)衰減，還可以在鉆柱中安裝中繼 系統(tǒng)，中繼系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)接收模塊接收井底傳輸來(lái)的包括井底數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)傳送到數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊 將淹沒在強(qiáng)噪聲中的有用微弱信號(hào)檢測(cè)還原，得到還原后的數(shù)據(jù)信號(hào)，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換模塊 將還原后的數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，傳送給數(shù)據(jù)發(fā)射模塊，進(jìn)行功率放大后驅(qū)動(dòng)壓電換 能器，壓電換能器將功率放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成應(yīng)力波頻率信號(hào)繼續(xù)向地面?zhèn)鬏敗?
井底信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)噪聲的干擾，為檢測(cè)出淹沒在強(qiáng)噪聲中的微弱 而實(shí)際所需的有用信號(hào)，采用混沌振子檢測(cè)法從強(qiáng)背景噪聲中提取有用信號(hào)。有用信號(hào)混 沌檢測(cè)方法包括構(gòu)建以下Duffing方程<formula>formula see original document page 9</formula> 上述方程中Y為策動(dòng)力，yAAc0S("t)為接收的有用信號(hào)，Zs為噪聲。 調(diào)節(jié)系統(tǒng)策動(dòng)力Y，使系統(tǒng)處于從混沌向大尺度周期過(guò)渡的臨界狀態(tài)。輸入含有
噪聲的待測(cè)信號(hào)，若系統(tǒng)從混沌狀態(tài)躍遷到大尺度周期狀態(tài)，則說(shuō)明輸入信號(hào)中含有待測(cè)
信號(hào)，使用四階龍格庫(kù)塔法求解上述方程，計(jì)算系統(tǒng)的周期值，判斷信號(hào)有無(wú)。 地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)與井底數(shù)據(jù)接收及發(fā)射系統(tǒng)能夠進(jìn)行雙向通信，井底數(shù)據(jù)接收
及發(fā)射系統(tǒng)隨鉆頭一起下入井底，當(dāng)開始鉆進(jìn)時(shí)，地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)向井底數(shù)據(jù)接收及發(fā)
射系統(tǒng)發(fā)出接收井底數(shù)據(jù)的線性調(diào)頻信號(hào)，線性調(diào)頻信號(hào)沿鉆柱向下傳輸至井底數(shù)據(jù)接收
及發(fā)射系統(tǒng)，收到該線性調(diào)頻信號(hào)后，首先計(jì)算最優(yōu)的發(fā)射頻率，然后井底數(shù)據(jù)接收及發(fā)射
系統(tǒng)開始對(duì)井底數(shù)據(jù)采集裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收；提鉆時(shí)，地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)發(fā)出停止
數(shù)據(jù)接收信號(hào)，井底數(shù)據(jù)接收及發(fā)射系統(tǒng)收到停止數(shù)據(jù)接收信號(hào)后，停止接收井底數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
一種井筒數(shù)據(jù)傳輸方法，以應(yīng)力波作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，鉆柱作為傳輸通道，所述方法包括以下步驟井底數(shù)據(jù)接收與處理步驟井底鉆柱上的數(shù)據(jù)采集模塊采集到包括井底數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)后，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后將數(shù)字信號(hào)輸入到DSP信號(hào)處理模塊進(jìn)行處理，即對(duì)數(shù)字信號(hào)以預(yù)定的編碼格式進(jìn)行編碼，得到編碼后的數(shù)字信號(hào)；信號(hào)發(fā)送與傳輸步驟將編碼后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，然后將模擬信號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)發(fā)射模塊進(jìn)行信號(hào)放大處理，驅(qū)動(dòng)壓電換能器，然后通過(guò)壓電換能器將放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力波頻率信號(hào)，應(yīng)力波發(fā)射頻率選定在鉆柱的通帶頻率上，并可根據(jù)鉆柱的不同組合和長(zhǎng)度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，沿鉆柱向地面?zhèn)鬏?；地面?shù)據(jù)接收步驟應(yīng)力波頻率信號(hào)傳輸至地面后，由安裝在方鉆桿上旋塞上的數(shù)據(jù)接收模塊進(jìn)行接收，并由無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器將應(yīng)力波頻率信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到地面接收器，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸入地面計(jì)算機(jī)，將淹沒在強(qiáng)噪聲中的有用微弱信號(hào)從數(shù)字信號(hào)中檢測(cè)出來(lái)，并對(duì)有用微弱信號(hào)進(jìn)行解碼。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的井筒數(shù)據(jù)傳輸方法，所述方法還包括在鉆柱中安裝中繼系統(tǒng)，中繼系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)接收模塊接收井底傳輸來(lái)的包括井底數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)傳送到數(shù)據(jù)處 理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊將淹沒在強(qiáng)噪聲中的有用微弱信號(hào)檢測(cè)還原，得到還原后的數(shù)據(jù)信 號(hào)，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換模塊將還原后的數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，傳送給數(shù)據(jù)發(fā)射模塊，進(jìn)行功 率放大后驅(qū)動(dòng)壓電換能器，壓電換能器將放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成應(yīng)力波頻率信號(hào)繼續(xù)向 地面?zhèn)鬏敗?br> 3. 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的井筒數(shù)據(jù)傳輸方法，采用混沌振子檢測(cè)法檢測(cè) 淹沒在強(qiáng)噪聲中的有用微弱信號(hào)，包括采用Duffing方程<formula>formula see original document page 2</formula>使用四階龍格庫(kù)塔法求解上述微分方程，計(jì)算系統(tǒng)的周期性，判斷信號(hào)有無(wú)。 上述方程中，Y為策動(dòng)力，PAAC0S("t)為接收的有用信號(hào)，Zs為噪聲。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的井筒數(shù)據(jù)傳輸方法，所述對(duì)數(shù)字信號(hào)以預(yù)定編碼格式進(jìn)行編 碼，包括，采用"同步信號(hào)+數(shù)據(jù)信號(hào)"的編碼格式對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼，每個(gè)完整的編碼后 的數(shù)字信號(hào)為8個(gè)信息位，包括1個(gè)對(duì)應(yīng)于同步信號(hào)的信息位和7個(gè)對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)信號(hào)的信 息位。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求4所述的井筒數(shù)據(jù)傳輸方法，同步信號(hào)為一個(gè)線性調(diào)頻 信號(hào)，用于對(duì)鉆柱的通帶與阻帶進(jìn)行檢測(cè)，并結(jié)合鉆柱應(yīng)力波頻率方程計(jì)算確定的鉆柱通 帶范圍進(jìn)行分析，自動(dòng)選出通帶傳輸效果最好的頻率作為傳輸信號(hào)的頻率，鉆柱應(yīng)力波頻 率方程如下<formula>formula see original document page 2</formula>上述公式中，d「鉆桿長(zhǎng)度(中間部分)d2_接頭長(zhǎng)度(兩頭之和)cr鉆桿波速c2_接頭波速<formula>formula see original document page 3</formula>d = 4+4 A-鉆桿截面積a2_接頭截面積 c。-鋼聲速 P _鋼密度 f-頻率
6. 用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的井筒數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，包括井底數(shù)據(jù)接收與發(fā)射系統(tǒng) 和地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，其中井底數(shù)據(jù)接收與發(fā)射系統(tǒng)，包括井底數(shù)據(jù)采集模塊、A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、DSP信號(hào)處理 模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)發(fā)射模塊，其中，井底數(shù)據(jù)采集模塊采集井底數(shù)據(jù)生成模擬信號(hào)；A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，將數(shù)字信號(hào)輸入DSP信號(hào)處理模塊； DSP信號(hào)處理模塊對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼得到編碼后的數(shù)字信號(hào)； D/A轉(zhuǎn)換模塊將編碼后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)； 數(shù)據(jù)發(fā)射模塊中包括功率放大器及壓電換能器，其中， 功率放大器對(duì)由D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)進(jìn)行放大處理； 壓電換能器將放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力波頻率信號(hào)，將應(yīng)力波頻率信號(hào)沿鉆柱向 地面?zhèn)鬏?；地面?shù)據(jù)接收系統(tǒng)，包括設(shè)置在方鉆桿上旋塞上的數(shù)據(jù)接收模塊、無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器、地面接收器、A/D轉(zhuǎn)換模塊和地面計(jì)算機(jī)；其中，數(shù)據(jù)接收模塊接收到井底傳輸至地面的應(yīng)力波頻率信號(hào)后，將應(yīng)力波頻率信號(hào)輸入到無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器；無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器將應(yīng)力波頻率信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到地面接收器；A/D轉(zhuǎn)換模塊將應(yīng)力波頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸入地面計(jì)算機(jī)；地面計(jì)算機(jī)將有用微弱信號(hào)從數(shù)字信號(hào)中檢測(cè)出來(lái)，并對(duì)有用微弱信號(hào)進(jìn)行解碼。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的井筒數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，還包括位于井底數(shù)據(jù)接收與發(fā)射系統(tǒng)和地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)之間的中繼系統(tǒng)，中繼系統(tǒng)包括數(shù) 據(jù)接收模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)發(fā)射模塊和供電模塊，其中， 數(shù)據(jù)接收模塊接收模擬信號(hào)；A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并傳送給數(shù)據(jù)發(fā)射模塊； 數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理還原，將還原后的數(shù)字信號(hào)輸入D/A轉(zhuǎn)換模塊；D/A轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)發(fā)射模塊； 數(shù)據(jù)發(fā)射模塊包括功率放大器和壓電換能器，其中， 功率放大器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大處理生成放大后的模擬信號(hào)； 壓電換能器將放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力波頻率信號(hào)，繼續(xù)向地面?zhèn)鬏敚?供電模塊對(duì)中繼系統(tǒng)中的集成電路進(jìn)行供電。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井筒數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)與井底數(shù)據(jù)接收及發(fā) 射系統(tǒng)能夠進(jìn)行雙向通信，井底數(shù)據(jù)接收及發(fā)射系統(tǒng)隨鉆頭一起下入井底，當(dāng)開始鉆進(jìn)時(shí)， 地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)向井底數(shù)據(jù)接收及發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出線性調(diào)頻信號(hào)，線性調(diào)頻信號(hào)沿鉆柱向 下傳輸至井底數(shù)據(jù)接收及發(fā)射系統(tǒng)，收到線性調(diào)頻信號(hào)后，首先計(jì)算最優(yōu)的發(fā)射頻率，然后 井底數(shù)據(jù)接收及發(fā)射系統(tǒng)開始對(duì)井底數(shù)據(jù)采集裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收；提鉆時(shí)，地面數(shù) 據(jù)接收系統(tǒng)發(fā)出停止數(shù)據(jù)接收信號(hào)，井底數(shù)據(jù)接收及發(fā)射系統(tǒng)收到停止數(shù)據(jù)接收信號(hào)后， 停止接收井底數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及石油鉆井領(lǐng)域在鉆井過(guò)程中的一種井筒數(shù)據(jù)傳輸方法及系統(tǒng)，該方法包括井底數(shù)據(jù)接收與處理、信號(hào)發(fā)送與傳輸、地面接收三個(gè)步驟，還可在鉆柱中安裝中繼系統(tǒng)還原信號(hào)，利用對(duì)壓電換能器與鉆柱的耦合規(guī)律及鉆桿應(yīng)力波傳輸特性，通過(guò)檢測(cè)自動(dòng)選出最優(yōu)頻率沿鉆柱傳輸直至地面接收，信號(hào)傳輸中采用混沌振子檢測(cè)法，利用四階龍庫(kù)塔法求解Duffing方程，由系統(tǒng)的周期值判斷信號(hào)有無(wú)，從而提取有用的微弱信號(hào)；該系統(tǒng)由井底數(shù)據(jù)接收與發(fā)射系統(tǒng)、地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)組成，還包括中繼系統(tǒng)；可以實(shí)現(xiàn)雙向傳輸信號(hào)；本發(fā)明能廣泛用于液基、氣基流體介質(zhì)鉆井中，數(shù)據(jù)傳輸、檢測(cè)速度快。
文檔編號(hào)E21B47/12GK101737034SQ200910225328
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月22日
發(fā)明者周強(qiáng), 唐亮, 宋朝暉, 羅維, 許樹謙, 陳若銘 申請(qǐng)人:西部鉆探克拉瑪依鉆井工藝研究院