專利名稱：一種基于井下泥漿渦輪電機(jī)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井信號接收裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種泥漿鉆井液下傳指令的接收裝置，特別涉及一種基于井下泥漿渦 輪電機(jī)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井信號接收裝置。
背景技術(shù)：
在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井過程中，地面監(jiān)控系統(tǒng)和操作人員需要通過下行通訊通道給井下 工具發(fā)送控制指令。在鉆井工程及其相關(guān)研究領(lǐng)域中，常用的由地面向井下的數(shù)據(jù)傳輸有 電纜、聲波、電磁波和鉆井液排量或壓力脈沖等幾種方式。其中使用特殊鉆桿的電纜式傳輸 具有數(shù)據(jù)傳輸快、雙向通信簡單且可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但這種方式造價(jià)高、施工復(fù)雜、通信電 纜在鉆井過程中易受損壞。電磁波傳輸方式傳輸數(shù)據(jù)的速度較快，且不需要特殊的鉆桿，但 只能傳輸接近于大地傳輸頻率的低頻信號，傳輸信噪比差。聲波傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡 單、成本較低，其缺點(diǎn)是在鉆井時(shí)聲波受環(huán)境噪聲的干擾、信號弱、中繼裝置的可靠性差、成 本高。泥漿脈沖法雖然傳輸速度較慢，但對鉆井工藝無特殊限制和要求，信號的接收檢測相 對比較容易，而且便于與目前廣泛使用的泥漿脈沖方式的MWD相結(jié)合，從而形成地面與井 下雙向通信的閉環(huán)控制系統(tǒng)。綜合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)下行通訊傳輸?shù)纳疃?、速率、可靠性?實(shí)際需求及井下導(dǎo)向鉆井工具的工作特點(diǎn)等因素，采用鉆井液脈沖的方式實(shí)現(xiàn)下行數(shù)據(jù)傳 輸是一種較為合理的選擇。
鉆井液脈沖傳輸一般采用泥漿鉆井液壓力脈沖實(shí)現(xiàn)，鉆井液壓力脈沖傳輸時(shí)一般 需要在井下設(shè)置專門的壓力傳感器及其相應(yīng)的電路，這種方式在井底環(huán)境壓力異常時(shí)將受 到較大影響。采用井下流量傳感器的方法，在鉆井工程中實(shí)際檢測的可靠性和精度等方面 同樣也存在著一些不足之處。發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種基于井下泥漿渦輪電機(jī)的旋轉(zhuǎn) 導(dǎo)向鉆井信號接收裝置，利用導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)中已有的渦輪發(fā)電機(jī)在線檢測由泥漿鉆井液排 量變化所表示的下傳控制指令，并通過與之相連接的接收裝置的硬軟件完成鉆井下傳信號 的處理、識別和解釋任務(wù)，具有結(jié)構(gòu)簡單和使用方便的優(yōu)點(diǎn)。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為
一種基于井下泥漿渦輪電機(jī)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井信號接收裝置，包括采集電路2，采集 電路2的輸入端和泥漿發(fā)電機(jī)1的輸出供電電壓并聯(lián)連接，采集電路2的輸出端和模擬信 號處理3的輸入端連接，模擬信號處理3的輸出端和A/D轉(zhuǎn)換4的輸入端連接，A/D轉(zhuǎn)換4 的輸出通過井下微處理器的數(shù)字信號處理5為命令解釋6提供輸入數(shù)據(jù)，命令解釋6的輸 出通過數(shù)據(jù)傳輸7輸出下傳指令。
所述的泥漿發(fā)電機(jī)1安裝于井下近鉆頭處的導(dǎo)向鉆井工具內(nèi)慣導(dǎo)穩(wěn)定平臺的上 端，由鉆井液驅(qū)動(dòng)，采集電路2和模擬信號處理3的硬件電路部分安裝于導(dǎo)向鉆井工具內(nèi)的 密封電子倉11中，數(shù)字信號處理5及命令解釋6的程序嵌入在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向井下微處理器的數(shù)據(jù)采集程序中。
所述的采集電路2包括微型互感線器13，微型互感線器13的輸入端和泥漿發(fā)電 機(jī)1的輸出電壓并聯(lián)連接，微型互感線器13的輸出端和鉗位保護(hù)14的輸入端連接，鉗位保 護(hù)14的輸出端和有源放大15的第一輸入端連接，有源放大15的輸出端和有源濾波17的 輸入端連接，有源濾波17的輸出端和精密整流18的輸入端連接，精密整流18的輸出端和 模擬信號處理3的輸入端連接，溫度補(bǔ)償16的輸入端接入有源放大15的第二輸入端。
所述的模擬信號處理3由低通濾波、電平轉(zhuǎn)換的基本電子線路部分組成。
所述的A/D轉(zhuǎn)換4采用12位A/D轉(zhuǎn)換。
所述的數(shù)字信號處理5采用滑動(dòng)平均濾波方法。
所述的命令解釋6包括閾值判斷和脈寬計(jì)時(shí)，通過兩次信號跳變之間的脈寬時(shí)間 計(jì)算下傳指令信號的每一位指令碼，5位指令碼接收完畢后將其拼為一個(gè)完整的指令字，算 法中采用了具有自適應(yīng)功能的信號閾值判斷，采用具有智能功能算法和時(shí)間裕量及取整功 能的脈寬識別技術(shù)，同時(shí)具有對檢測信號中超寬脈沖和高頻窄脈沖干擾的不同處理方法的 基本功能。
本發(fā)明的工作原理為
本裝置在工作時(shí)，采用脈沖時(shí)間間隔編碼方式的下傳指令信號由鉆井液泥漿8排 量的三降三升變化來表示。每個(gè)指令字由5位指令碼構(gòu)成，對應(yīng)不同的導(dǎo)向力大小及方向。 每位指令碼由一個(gè)脈沖寬度的時(shí)間來表示，該泥漿8脈寬序列信號通過鉆柱內(nèi)腔傳輸?shù)骄?下，驅(qū)動(dòng)泥漿渦輪12旋轉(zhuǎn)從而使泥漿發(fā)電機(jī)1的輸出電壓和頻率產(chǎn)生相應(yīng)的變化，采集電 路2將得到的電壓脈寬信號再傳輸至模擬信號處理3，模擬信號處理3將得到的模擬電壓信 號經(jīng)12位A/D轉(zhuǎn)換4處理得到采樣的數(shù)字信號傳輸至數(shù)字信號處理5，數(shù)字信號處理5再 進(jìn)行進(jìn)一步的處理，并將得到的信號傳輸至命令解釋6進(jìn)行由閾值判斷和脈寬計(jì)時(shí)計(jì)算為 主的指令字接收處理，該命令解釋6可為信號中的每一個(gè)脈寬時(shí)間得到相應(yīng)命令位對應(yīng)的 編碼，并在5位指令碼接收完畢后拼為一個(gè)完整的指令字，通過數(shù)據(jù)傳輸7送出作為導(dǎo)向鉆 井工具中導(dǎo)向控制程序的最新控制命令，從而實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)控系統(tǒng)對導(dǎo)向鉆井過程的實(shí)時(shí)控 制過程。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為
由于本發(fā)明可以在保證工程可靠性要求、不改變現(xiàn)有鉆井工藝并對實(shí)際鉆井導(dǎo)向 操作影響較少的前提下，為井下工具傳輸?shù)孛姹O(jiān)控命令，不需要在井下再設(shè)置壓力或流量 傳感器，也不需要螺桿鉆具等其它輔助設(shè)備，在井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具中已有的渦輪發(fā)電機(jī)的 基礎(chǔ)上，配合一定的硬件電路和軟件程序完成由泥漿排量脈寬序列所表示的導(dǎo)向鉆井下傳 指令接收任務(wù)，所以本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單和操作方便的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成框圖。
圖2為本發(fā)明的硬件安裝位置示意圖。
圖3為本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集電路2的電氣原理框圖。
圖4為本發(fā)明的數(shù)字信號處理5和命令解釋6的程序原理框圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細(xì)描述。
參見圖1，一種基于井下泥漿渦輪電機(jī)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井信號接收裝置，包括采集電 路2，采集電路2的輸入端和泥漿發(fā)電機(jī)1的輸出供電電壓并聯(lián)連接，采集電路2的輸出端 和模擬信號處理3的輸入端連接，模擬信號處理3的輸出端和A/D轉(zhuǎn)換4的輸入端連接，A/ D轉(zhuǎn)換4的輸出端通過井下微處理器的數(shù)字信號處理5為命令解釋6提供輸入數(shù)據(jù)，命令解 釋6的輸出端通過數(shù)據(jù)傳輸7輸出下傳指令。
參見圖2，所述的泥漿發(fā)電機(jī)1安裝于井下近鉆頭處的導(dǎo)向鉆井工具內(nèi)慣導(dǎo)穩(wěn)定 平臺的上端，由鉆井液驅(qū)動(dòng)，采集電路2和模擬信號處理3的硬件電路部分安裝于導(dǎo)向鉆井 工具內(nèi)的密封電子倉11中，鉆鋌10位于井筒9的內(nèi)腔，泥漿發(fā)電機(jī)1位于鉆鋌10的內(nèi)腔， 泥漿發(fā)電機(jī)1的一端為渦輪12，另一端為密封電子倉11。
參見圖3，所述的采集電路2包括微型互感線器13，微型互感線器13的輸入端和 泥漿發(fā)電機(jī)1的輸出電壓并聯(lián)連接，微型互感線器13的輸出端和鉗位保護(hù)14的輸入端連 接，鉗位保護(hù)14的輸出端和有源放大15的第一輸入端連接，有源放大15的輸出端和有源 濾波17的輸入端連接，有源濾波17的輸出端和精密整流18的輸入端連接，精密整流18的 輸出端和模擬信號處理3的輸入端連接，溫度補(bǔ)償16的輸入端接入有源放大15的第二輸 入端，通過采用互感原理實(shí)現(xiàn)對電壓變化的檢測，電流互感器13感應(yīng)電流為毫安級，由其 后的硬件電路得到伏特級的輸出電壓并保證對渦輪交流電機(jī)的準(zhǔn)確測量。
所述的模擬信號處理3由低通濾波、電平轉(zhuǎn)換的基本電子線路部分組成。
所述的A/D轉(zhuǎn)換4采用12位A/D轉(zhuǎn)換。
參見圖4，考慮到井下永磁交式的交流泥漿渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的強(qiáng)磁場對互感線圈 檢測信號的電磁干擾，采樣得到的數(shù)字信號需經(jīng)數(shù)字濾波處理后再送命令解釋6進(jìn)行處 理，數(shù)字信號處理5采用滑動(dòng)平均濾波方法進(jìn)行處理，命令解釋6首先通過閾值判斷分別 找到鉆井液排量變化所對應(yīng)的下傳信號上升或下降沿，下行接收處理以脈寬計(jì)時(shí)為核心， 通過兩次信號跳變之間的脈寬時(shí)間計(jì)算下傳指令信號的每一位指令碼，并在5位指令碼接 收完畢后將其拼為一個(gè)完整的指令字，所得的指令字通過數(shù)據(jù)傳輸7送出作為導(dǎo)向鉆井工 具中導(dǎo)向控制程序的最新控制命令，從而實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)控系統(tǒng)對導(dǎo)向鉆井過程的實(shí)時(shí)控制過 程。
本發(fā)明的工作原理為
本裝置在工作時(shí)，含數(shù)字編碼控制指令的鉆井液泥漿8排量負(fù)脈沖脈寬序列信號 通過鉆桿10傳輸?shù)骄?，?qū)動(dòng)泥漿渦輪12旋轉(zhuǎn)從而使泥漿發(fā)電機(jī)1的輸出電壓和頻率產(chǎn) 生相應(yīng)的變化，數(shù)據(jù)采集電路2將得到的電壓脈寬信號再傳輸至模擬信號處理電路3，模擬 信號處理電路3將得到的模擬電壓信號經(jīng)12位A/D轉(zhuǎn)換4處理得到采樣的數(shù)字信號傳輸 至數(shù)字信號處理5，數(shù)字信號處理5再進(jìn)行進(jìn)一步的處理，并將得到的信號傳輸至命令解釋 6進(jìn)行由閾值判斷和脈寬計(jì)時(shí)運(yùn)算為主的指令字接收處理，該命令解釋6可為信號中的每 一個(gè)脈寬時(shí)間得到相應(yīng)命令位對應(yīng)的編碼，并在5位指令碼接收完畢后拼為一個(gè)完整的指 令字，通過數(shù)據(jù)傳輸7送出作為導(dǎo)向鉆井工具中導(dǎo)向控制程序的最新控制命令，從而實(shí)現(xiàn) 地面監(jiān)控系統(tǒng)對導(dǎo)向鉆井過程的實(shí)時(shí)控制過程。
附圖中1為泥漿發(fā)電機(jī)；2為數(shù)據(jù)采集電路；3為模擬信號處理電路；4為A/D轉(zhuǎn)換；5為數(shù)字信號處理；6為命令解釋；7為數(shù)據(jù)傳輸；8為泥漿；9為井筒；10為鉆鋌；11為 密封電子倉；12為渦輪；13為微型互感線器；14為鉗位保護(hù)；15為有源放大；16為溫度補(bǔ) 償；17為有源濾波；18為精密整流。
權(quán)利要求
1.一種基于井下泥漿渦輪電機(jī)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井信號接收裝置，包括采集電路O)，其 特征在于采集電路⑵的輸入端和泥漿發(fā)電機(jī)⑴的輸出供電電壓并聯(lián)連接，采集電路 (2)的輸出端和模擬信號處理(3)的輸入端連接，模擬信號處理(3)的輸出端和A/D轉(zhuǎn)換 (4)的輸入端連接，A/D轉(zhuǎn)換(4)的輸出端通過井下微處理器的數(shù)字信號處理( 為命令解 釋(6)提供數(shù)據(jù)，命令解釋(6)的輸出端通過數(shù)據(jù)傳輸(7)輸出下傳指令。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于井下泥漿渦輪電機(jī)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井信號接收裝置， 其特征在于所述的泥漿發(fā)電機(jī)(1)安裝于井下近鉆頭處的導(dǎo)向鉆井工具內(nèi)慣導(dǎo)穩(wěn)定平臺 的上端，由鉆井液驅(qū)動(dòng)，采集電路( 和模擬信號處理C3)的硬件電路部分安裝于導(dǎo)向鉆井 工具內(nèi)的密封電子倉(11)中，數(shù)字信號處理( 及命令解釋(6)的程序嵌入在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向井 下微處理器的數(shù)據(jù)采集程序中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于井下泥漿渦輪電機(jī)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井信號接收裝置， 其特征在于所述的采集電路( 包括微型互感線器(13)，微型互感線器(1 的輸入端和 泥漿發(fā)電機(jī)(1)的輸出電壓并聯(lián)連接，微型互感線器(13)的輸出端和鉗位保護(hù)(14)的輸 入端連接，鉗位保護(hù)(14)的輸出端和有源放大(1 的第一輸入端連接，有源放大(15)的 輸出端和有源濾波(17)的輸入端連接，有源濾波(17)的輸出端和精密整流(18)的輸入端 連接，精密整流(18)的輸出端和模擬信號處理C3)的輸入端連接，溫度補(bǔ)償(16)的輸入端 接入有源放大(1 的第二輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于井下泥漿渦輪電機(jī)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井信號接收裝置， 其特征在于所述的模擬信號處理(3)由低通濾波、電平轉(zhuǎn)換的基本電子線路部分組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于井下泥漿渦輪電機(jī)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井信號接收裝置， 其特征在于所述的A/D轉(zhuǎn)換(4)采用12位A/D轉(zhuǎn)換。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于井下泥漿渦輪電機(jī)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井信號接收裝置， 其特征在于所述的數(shù)字信號處理( 采用滑動(dòng)平均濾波方法。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于井下泥漿渦輪電機(jī)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井信號接收裝置， 其特征在于所述的命令解釋(6)包括閾值判斷和脈寬計(jì)時(shí)，通過兩次信號跳變之間的脈 寬時(shí)間計(jì)算下傳指令信號的每一位指令碼，5位指令碼接收完畢后將其拼為一個(gè)完整的指 令字，算法中采用了具有自適應(yīng)功能的信號閾值判斷，采用具有智能功能算法和時(shí)間裕量 及取整功能的脈寬識別技術(shù)，同時(shí)具有對檢測信號中超寬脈沖和高頻窄脈沖干擾的不同處 理方法的基本功能。
全文摘要
一種基于井下泥漿渦輪電機(jī)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井信號接收裝置，包括采集電路，采集電路和泥漿發(fā)電機(jī)連接，采集電路依次和模擬信號處理、A/D轉(zhuǎn)換連接、井下微處理器的數(shù)字信號處理軟件、命令解釋軟件和數(shù)據(jù)傳輸連接，鉆井液泥漿排量負(fù)脈沖脈寬序列信號通過鉆桿傳輸?shù)骄?，?qū)動(dòng)泥漿渦輪旋轉(zhuǎn)從而使泥漿發(fā)電機(jī)的輸出電壓和頻率產(chǎn)生相應(yīng)的變化，采集電路將得到的電壓脈寬信號再傳輸至信號處理，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換處理，再經(jīng)數(shù)字信號處理進(jìn)一步處理，并將信號傳輸至命令解釋進(jìn)行指令字接收解釋處理，從而實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)控系統(tǒng)對導(dǎo)向鉆井過程的實(shí)時(shí)控制過程，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單和使用方便的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H04B1/06GK102031957SQ20101052982
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月1日
發(fā)明者湯楠, 汪躍龍, 程為彬, 霍愛清 申請人:西安石油大學(xué)