CN101873177B - 一种钻杆声波通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用钻杆进行声波通信的方法和装置，既充分利用可用传输通带，通过多频带同时传输声波信号，提高了系统的数据传输速率；又对声波传输的多途径传播加以分离并校正后综合利用，提高了信号质量、降低误码率，使得利用声波进行井下钻井数据的传递称为可能；同时通过周期性的测试定期跟踪实际获得声波传输效果，及时调整相关传输参数与方法，使得传输速度与质量最优化。

Description

一种钻杆声波通信方法

技术领域

本发明涉及声波的传输和处理技术领域，主要涉及一种利用钻杆声波通信的方法。

背景技术

在油田和天然气田钻井现场，需要将井下钻头的井斜、方位等运行轨迹、压力、温度、地层电阻率、伽马射线分析结果等工况数据及时的传送到地面以指导钻井工作的开展，对于提升钻井速度和质量都十分重要。井下信息传送到地面的方法主要有泥浆脉冲方法、低频电磁波方法、钻杆声传输方法。泥浆脉冲法是目前最主要的通信方法，其主要通过泥浆脉冲发生器产生叠加在泥浆上的压力波进行信号的传递，但其通信速率通常限制在10bps以内，对于钻井类型也有非常多的限制。电磁波法利用极低频率的电磁波进行信号的传递，由于传输距离和地层损耗的影响，其传输速度和质量也非常有限，适用于地层电阻率大于1Ω·m的陆地井测试。

利用钻杆进行声波信号的传递是提高通信速率和实时性的有效方法，因为声波沿钻杆或油管管壁传输不受地层影响，并可用于海洋井和陆地井。但由于整个钻杆是由一节节钻杆用连接器件拼接而成，信号的衰减是非常巨大的，可用的通信频段也非常有限，加上钻井时本身产生的振动干扰，使得这种通信方式的实现也非常困难。

由于井下钻杆是由长度固定的钻杆和管箍构成的周期性弹性刚体，声波传播时周期性地在钻杆和管箍的连接处受到不连续界面的反射、折射影响，从而其传输通道在频域上表现为通、阻带交替出现的特殊结构特性。钻杆上的声波传输通带的带宽都比较窄，只有几十赫兹，频率越高，声波衰减越大，通常可用的传输通带集中在1.5khz以下，这种非平坦的传输通道特性会对传输信号产生巨大的畸变和衰减。另外，在钻井过程中，钻头与地底岩石的激烈碰撞会产生巨大的振动信号，甚至引起钻杆本身的振动乃至跳动，这些振动信号的能量巨大，有用声波的传递会淹没在这些振动噪声中。由于200hz以下的信号受到噪声的抑制巨大并可能会引起钻杆的共振，故而一般为不可用频段。因此，在1.5khz以下仅存在4～5个可用的窄带传输通道。

声波除了会沿钻杆直接向地面传递外，同时也会向钻头方向传递，遇到钻头端面后产生反射波沿钻杆向上传播，因此在地面会接收到直接传播上来的直达声波及延迟到达的反射声波。另外，井下探测传输装置发出的声波也会在钻杆周围的钻井液中传播，由于声波在钻井液中的传播速度低于在钢性的钻杆中的传播速度，故其也会比钻杆中的直达波延迟到达地面传输处理装置。延迟到达的反射波及钻井液中的声波叠加对直接波产生严重的干扰，使得本已十分微弱的信号的分析识别更加困难，这也是声波传输难以实现的主要原因之一。

发明内容

本发明提供了一种利用钻杆进行声波通信的方法，通过该方法可以有效的利用可用通信频段并克服巨大的信号衰减，使井下数据通过钻杆声波传输商用成为可能。

一种利用钻杆进行声波通信的方法，包括以下步骤：

（1）由井下声波传输装置在若干个测试频带同时发送测试序列，采取调幅方式以5～100bps的传输速度上行传输，产生的测试调幅信号通过井下大功率固体介质发声器件把信号放大后加载到钻杆上；所述的传输方式采取调幅方式，以准确测试在各频点的传输衰减程度；

其中，所述的若干个测试频带的各中心频点是在200～800hz的测试频段范围内间隔30～300hz选取，所述的200～800hz的测试频段范围为经验衰减可接受的范围，测试频带的中心频点间隔可以根据测试经验调整，调整通过地面调校装置完成；由于测试频带间隔越大，每个频带可以采用的传输速率越高，同时又考虑到要防止相邻频带间的干扰与影响，优选测试频带的中心频点间隔为50hz，传输速度为5～15bps，优选10bps。

所述的测试序列为8～64位的正交序列编码，在所述的各测试频带发送的测试序列相互正交；优选所述的测试序列为16位的正交序列编码；

（2）经所述的钻杆传输的各测试频带的并行声波信号由地面传输处理装置接收并处理，得到各测试频带的解调后的数据序列；

将所述的各测试频带的解调后的数据序列与步骤（1）中在相应测试频带发送的测试序列（即井下探测传输装置的发送原始序列）进行对比：如果两者相同，判定在相应测试频带的传送是成功的，则相应的测试频带为可用频带；如果两者不同，则判定在相应测试频带的传送是失败的，则相应的测试频带为不可用频带；

在进行所述的对比和判定的同时，记录相应测试频带的衰减和延迟参数，并与设定的衰减和延迟参数的可接受范围进行比较，选择在可接受范围内的可用路径；

经过以上两步选择，可用子频带及可用路径被确定并标识下来，其具体参数决定了后续声波数据传输所采用的信道参数，即可用声波信道参数；

将所述的可用声波信道参数进行编码，并通过频段范围为800～1200hz内的下行频带采取调幅调制的方式将所述的编码信号向下传送至井下探测传输装置；

其中，所述的地面传输处理装置接收和处理经所述的钻杆传输的各测试频带的并行声波信号的过程如下：

（i）将所述的声波信号送入以各测试频带的中心频点为中心频率的第一级带通滤波器，滤除非相应频带的信号，得到各路纯净独立的调幅声波信号；所述的第一级带通滤波器的通带带宽为10～200hz，该通带带宽视测试频带的带宽进行调整；

（ii）将所述的每路调幅声波信号送入多路径分离环节，根据实时延时计算结果对各路径信号分别加以不同的时延，使得各路径信号对齐最迟到达的路径信号，并在最迟到达的路径信号到达后进行分离，分别进入后续信号校正环节；

由于声波信号的钻杆传输中传播路径会有多条，多路径的信号在接收时会因传输距离及速度不同而导致不同的延时及相位偏差，这些叠加在一起的信号会对信号的判决与恢复造成非常大困难。因此，在对接收信号进行处理同时考虑接收直达声波、延迟到达的反射波及钻井液中的声波，将各有效波进行综合利用以提高有效信号的接收强度，以对抗噪声和干扰的影响，并且根据当前钻井深度、井下探测传输装置及地面传输处理装置间的位置关系，计算各路径的传播时延差值。各路径信号到达时延的具体计算算法如下所述：

设井下探测传输装置与地面传输处理装置相距h米，并与钻头相距x米，声波在钢性钻杆中的传播速度为V_a，在钻井液中的传播速度为V_b。设直接沿钻杆传播至地面传输处理装置的直达波为1号波，沿钻杆传播到钻头又被反射传播到地面传输处理装置的反射波为2号波，在钻井液中传播至地面传输处理装置的声波为3号波。这三条路径传递的信号相同，延时及衰减会有所差异，三路声波信号的传播时延会随着钻井深度的变化而改变，需要动态计算传播时延以做出最佳合并。三路声波信号的传播时延计算如下：T1=h/V_a；T2=(h+2*x)/V_a；T3=h/V_b；

（iii）经过分离延迟后的每个路径信号都分为两路：一路信号与相应的测试频带中心频率信号相乘得到该路径信号的和频信号和差频信号，并经过以倍频为中心频率的窄带滤波器，滤除所述的差频信号、保留所述的和频信号；所述的和频信号与另一路信号相乘得到第二次和频信号和第二次差频信号，并进入第二级带通滤波器滤除所述的第二次和频信号，保留所述的第二次差频信号；所述的第二级带通滤波器的通带带宽为10～200hz，该通带带宽视测试频带的带宽进行调整；

（iv）同一测试频带的各路径的第二次差频信号在合并器中被合并，得到该测试频带的所有路径信号的和信号；所述的路径信号的和信号由合并器解调为测试序列，并同时获得该测试频带各路径信号的衰减和延时的参数。所述的解调方法可以是常规的包络检波法或相干解调法。

（3）井下探测传输装置把待传输的实时钻井参数数据分配到所述的多个可用频带同时进行调幅调制后传送，产生的调幅信号通过井下大功率固体介质发声器件放大后加载到钻杆上；经所述的钻杆传输的各可用频带的并行声波信号由地面传输处理装置接收，并依据相应的可用声波信道参数进行处理，得到在各可用频带的解调后的数据，完成钻井参数数据的传输；在该阶段传输的主要是井下的实时钻井参数，多个频带同时传送，接收时多路径综合接收；

其中，所述的依据相应的可用频带的声波信道参数进行处理的具体过程如下：

①将所述的声波信号送入以各可用频带中心频点为中心频率的第一级带通滤波器，滤除非相应频带的信号，得到各路纯净独立的调幅声波信号；所述的第一级带通滤波器的通带带宽为10～200hz，该通带带宽视测试频带的带宽进行调整；

②将所述的每路调幅声波信号送入多路径分离环节，按照步骤（2）中选定的声波信道参数进行延时处理和路径分离，得到各可用频带的各可用路径信号；

③经过分离延迟后的每个路径信号都分为两路：一路信号与相应的可用频带中心频率信号相乘得到该路径信号的和频信号和差频信号，并经过以倍频为中心频率的窄带滤波器，滤除所述的差频信号、保留所述的和频信号；所述的和频信号与另一路信号相乘得到第二次和频信号和第二次差频信号，并进入第二级带通滤波器滤除所述的第二次和频信号，保留所述的第二次差频信号；所述的第一级带通滤波器的通带带宽为10～200hz，该通带带宽视测试频带的带宽进行调整；

④同一可用频带的各可用路径的第二次差频信号在合并器中被合并，得到相应可用频带的可用路径的和信号，所述的和信号由合并器解调为井下探测参数；

（4）以1～30分钟为测试周期，周期性重复步骤（1）～（3），实现钻井参数数据的实时传输。

优选的技术方案中，在所述的步骤（3）之前，重复所述的步骤（1）和步骤（2）若干次，综合考虑以5～20次为佳，得到经由各测试频带成功传送测试序列的概率，如果成功传送的概率超过预设的可接受值，则经由该测试频带的传送是成功的，相应的测试频带为可用频带；在判定可用频带时，同时将各测试频带解调数据的准确度、成功的次数、误码率等参数视为成功传送的考察参数，与预设的可接受值进行比较；

同时还得到相应测试频带的衰减和延迟参数，与设定的衰减、延时的可接受范围进行比较，筛选出衰减、延时在可接受范围内的路径并标识为可用路径；所述的可用频带和可用路径构成后续声波数据传输中的可用声波信道参数；

将所述的可用的声波信道参数进行编码，并通过频段范围为800～1200hz内的下行频带采取调幅调制的方式将所述的编码信号向下传送至井下探测传输装置。

优选的技术方案中，在所述的步骤（3）之前，还包括地面传输处理装置与井下探测传输装置声波信道测试协商过程，其过程如下：

井下探测传输装置将从地面传输处理装置接收到的声波信道参数与发送测试序列上行传输时采用的参数对比后，可根据经验进行微调得到微调声波信道参数，所述的微调声波信道参数在所述的可用频带再次上行传输给地面传输处理装置；

地面传输处理装置接收到所述的微调声波信道参数后进行处理和解调，地面传输处理装置根据解调的微调信道参数调整其声波信道参数，并将调整后的声波信道参数再次下行传输给井下探测传输装置。

到此，地面传输处理装置与井下探测传输装置声波信道测试协商流程结束。

本发明还提供了一种用于本发明的利用钻杆进行声波通信的方法的装置。

一种利用钻杆进行声波通信的装置，包括井下探测传输装置和地面传输处理装置，还包括：用于所述的井下探测传输装置和地面传输处理装置之间数据通信的钻杆，钻杆的长度与井深相当，一般为3000米左右；

其中，所述的井下探测传输装置包括：用于探测井下钻井参数的若干探测部件，完成各种物理测井参数的测量工作，产生待传输的测试数据，钻井时常见的探测部件有：用于测量井斜角的重力加速度计、用于测量方位角的磁通门、用于测量钻井液状态的压力传感器、以及温度传感器和井下伽马射线探测器等，探测部件可根据实际需要进行配置和增减，主要负责检测各种井下状态参数，产生待传输的测试数据；

和用于将所述的测试序列和所述的井下钻井参数转换为声波信号并放大后进行上行传输、并接收经所述的钻杆传输的由所述的地面传输处理装置发出的指令的井下声波传输装置。

所述的井下声波传输装置，包括：井下声波传输模块、井下中心处理单元、井下大功率固体介质发生器和井下声波传感器；井下声波传输模块由中心处理单元控制在传输前后完成数据与声波信号的相互转换及存储，经大功率固体介质发生器进行信号放大后加载到钻杆上上行传输测试序列和所述的井下钻井参数、并接收经声波传感器获取的经所述的钻杆传输的由所述的地面传输处理装置发出的指令。

所述的地面传输处理装置包括：地面声波传输装置、信息处理和显示模块和调校模块，所述的地面声波传输装置包括：地面声波传输模块、地面大功率固体介质发生器和地面声波传感器，由井下探测传输装置发出的测试序列和所述的井下钻井参数经钻杆传输至地面声波传输装置，由地面声波传感器获取该信号，并传送至地面声波传输模块进行接收和处理并转换为数字信号传送到信息处理及显示模块，由信息处理及显示模块提供系统的人机使用界面，处理、显示和存储测试数据，方便钻井作业的监测和调整；信息处理及显示模块与调校模块相连，调校模块负责进行测试调整，完成初始钻杆声波传输信道可用频带相关参数的测试，在声波传输过程中监测并优化调整声波传输信道相关传输参数，保证井下探测传输装置与地面传输处理装置的通信畅通；由调校模块发出的调校指令由地面声波传输模块转换为声波信号并通过地面大功率固体介质发生器信号放大后下行传输至井下探测传输装置。

本发明的利用钻杆声波通信的方法主要是针对油气田钻井过程的井下数据传输设计的。在油田和天然气田，钻井时需要将井下钻头的工作轨迹、倾斜度、地层参数如电阻率等工况数据传送到地面，供地面工作人员判断钻井的工作进程，为钻井提供决策依据。利用钻杆本身构成的声波传输通道，相比钻井液脉冲和电磁波传递两种传输方式，其特点是声波沿钻杆传播速度快，一般有2000m/s以上的传播速度，井下数据可以实时地传递到地面，同时声波传递数据具有传输速率高等特点。

本发明利用钻杆声波通信的方法，既充分利用可用传输通带，通过多频带同时传输声波信号，有利于提高系统的数据传输速率；又对声波传输的多途径传播加以分离并校正后综合利用，有利于提高信号质量、降低误码率，使得利用声波进行井下钻井数据的传递称为可能；同时通过周期性的测试定期跟踪实际获得声波传输效果，以便及时调整相关传输参数与方法，使得传输速度与质量最优化。

综上所述，本发明的利用钻杆声波通信的方法和装置系统可视为新型的钻井通信方法和设备，具有非常良好的市场前景。

附图说明

图1是钻杆声波传输系统结构图；

图2是井下探测传输装置结构图；

图3是地面传输处理装置结构图；

图4是声波传输总体流程图；

图5是多频带多路径声波传输测试流程图；

图6是钻杆声波传输路径计算图；

图7是声波波接收处理框图。

具体实施方式：

以下将结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明不仅限于此。

如图1所示，一种利用钻杆进行声波通信的装置，包括：由地面声波传输装置1、信息处理和显示模块2和调校模块3构成的地面传输处理装置7，钻杆4、井下探测传输装置5和钻头6。钻杆4的长度与井深相当，为3000米左右，用于井下探测传输装置5和地面传输处理装置7之间的数据通信。

如图2所示，井下探测传输装置5包括：

各种探测部件，用于探测井下钻井参数的若干探测部件，完成各种物理测井参数的测量工作，产生待传输的测试数据，如：用于测量井斜角的三轴加速度计、用于测量方位角的三轴磁通计、用于测量钻井液状态的压力传感器、以及温度传感器和井下伽马射线探测器等；各种探测部件可根据实际需要进行配置和增减；

井下声波传输装置，包括：井下声波传输模块、井下中心处理单元、井下大功率固体介质发生器和井下声波传感器；井下声波传输模块由中心处理单元控制在传输前后完成数据与声波信号的相互转换及存储，经大功率固体介质发生器进行信号放大后上行传输测试序列和所述的井下钻井参数、并接收经声波传感器获取的经所述的钻杆传输的由所述的地面传输处理装置发出的指令；

如图3所示，地面传输处理装置7包括：

地面声波传输装置1、信息处理和显示模块2和调校模块3，地面声波传输装置1包括：地面声波传输模块、地面大功率固体介质发生器和地面声波传感器，由井下探测传输装置5发出的测试序列和所述的井下钻井参数经钻杆4传输至地面声波传输装置1，由地面声波传感器获取该信号，并传送至地面声波传输模块进行接收和处理并转换为数字信号传送到信息处理及显示模块，由信息处理及显示模块提供系统的人机使用界面，处理、显示和存储测试数据，方便钻井作业的监测和调整；信息处理及显示模块与调校模块相连，调校模块负责进行测试调整，完成初始钻杆声波传输信道相关参数的测试，在声波传输过程中监测并优化调整相关传输参数，保证井下探测传输装置与地面传输处理装置的通信畅通；由调校模块发出的调校指令由地面声波传输模块转换为声波信号并通过地面大功率固体介质发生器信号放大后下行传输至井下探测传输装置5。

如图4所示，一种利用钻杆进行声波通信的方法，包括以下步骤：

（一）初始化：

设定声波传输测试的频段范围、测试序列、测试周期及测试数据缓冲区分配等，为后续的测试做准备工作。

测试的频段范围以经验衰减可接受范围为界，由井下向上传递的声波采用800hz为上界，下界设为200hz，间隔50hz为测试频带的中心频点，并在多个测试频带产生声波信号。对于每个频点承载的测试序列来讲，频点间的50hz间隔可以防止彼此间的干扰与影响。测试序列采用预设的16位的正交序列编码，各频点序列相互正交，以方便多频点同时传输与测试。

（二）声波信道测试

如图5所示，由井下探测传输装置在设定的多频点同时以调幅方式传输10bps的测试序列（为准确测试在各频点的传输衰减程度，故采用调幅方式作为测试时的传输方法。调幅方式传送信号为通信领域非常普遍的常规方法，可参见相关通信书籍，本发明在此不作详述）。各频点产生的测试调幅信号直接在时域相加后，再通过大功率固体介质发声器件把信号放大后加载到钻杆上，通过钻杆声波传输。

井下探测传输装置通过钻杆向上重复发送测试多频点声波序列10次，使得地面传输处理装置有充分的机率可以测得测试序列。井下探测传输装置在测试序列10次发送完成后处于等待状态，等待地面传输装置通过下行频带传送的声波信道参数。

地面传输处理装置接收到经所述的钻杆传输的各测试频带的并行声波信号后会进行一系列的处理（多径分离与信号校正、信号合并），得到各测试频带的解调后的数据序列；并将所述的各测试频带的解调后的数据序列与初始化中设定的测试序列（即井下探测传输装置的发送原始序列）进行对比（判决处理）：如果两者相同，判定在相应测试频带的传送是成功的，则相应的测试频带为可用频带；如果两者不同，则判定在相应测试频带的传送是失败的，则相应的测试频带为不可用频带；在进行所述的对比和判定的同时，记录相应测试频带的衰减和延迟参数，形成相应的声波信道参数，并与设定的衰减和延迟参数的可接受范围进行比较，选择在可接受范围内的可用路径；经过以上两步选择，可用子频带及可用路径被确定并标识下来，其具体参数决定了后续声波数据传输所采用的信道参数，即可用的声波信道参数；将所述的可用的声波信道参数进行编码，并通过频段范围为800～1200hz内的下行频带采取调幅调制的方式将所述的编码信号向下传送至井下探测传输装置5（向下传送信道参数）。由于地面传输处理装置向下传送给井下探测传输装置的数据量远小于反向传输的数据量。因此，在本发明中，向下的数据传输只需要根据经验选择一个频段进行数据传递，调制方法仍为调幅调制，井下探测传输装置的具体接收实现方法可以采取与地面传输处理装置相同的方法。井下探测传输装置在800hz以上的频段进行接收处理，得到地面传输处理装置反馈回的信道参数，包括可用频带、可用路径等，将这些参数配置到自己的运行空间中，然后将这些参数与向上发送测试序列时所采用的参数对比，根据经验微调信道参数后，将其作为后续向上传递声波信号时采用的信道参数使用。微调后的信道参数的信息通过选定的多个可用子频带再次向上传送给地面传输处理装置。地面传输处理装置在选定的可用的子频带上接收和处理并解调得到微调信道参数的信息。地面传输处理装置根据微调信道参数调整自己的信道配置。到此，地面传输处理装置与井下探测传输装置声波信道测试协商流程结束。

其中，所述的地面传输处理装置处理经所述的钻杆传输的各测试频带的并行声波信号并选定可用声波信道参数的过程如图7所示。由于井下探测传输装置发送的测试信号为多频点并行传输的调幅信号，本发明中在接收处理时把这些信号同样以频带为划分并行处理，故各子频带的信号处理流程相同，图7中详细列出了最低和最高两个子频带的处理流程。下面就结合图7以最低和最高两个子频带的处理为例，详细说明其处理过程：

将所述的声波信号10送入以相应测试频带的中心频点为中心频率的第一级带通滤波器11、20，滤除非相应频带的信号，得到各路纯净独立的调幅声波信号；所述的第一级带通滤波器11、20的通带带宽为20hz；

各路调幅声波信号在钻杆传输中会受到各种干扰、噪声的影响及传输路径带来的叠加、延时等，后续的处理流程则主要是为了减小这些不利影响，使得测试序列能够不失真地恢复，完成数据传输的目标。由于干扰和噪声与调幅声波信号是非相关的，本发明中对干扰和噪声进行了多次滤波和相关计算处理，以降低其影响。

由于声波信号的钻杆传输中传播路径会有多条，多路径的信号在接收时会因传输距离及速度不同而导致不同的延时及相位偏差，这些叠加在一起的信号会对信号的判决与恢复造成非常大困难。因此，在对接收信号进行处理同时考虑接收直达声波、延迟到达的反射波及钻井液中的声波，将各有效波进行综合利用以提高有效信号的接收强度，以对抗噪声和干扰的影响，并且根据当前钻井深度、井下探测传输装置及地面传输处理装置间的位置关系，计算各路径的传播时延差值。各路径信号到达时延的具体计算算法如下所述：

如图6所示，井下探测传输装置5与地面传输处理装置7相距h米，并与钻头6相距x米，声波在钢性钻杆4中的传播速度为V_a，在钻井液中的传播速度为V_b。设直接沿钻杆传播至地面传输处理装置的直达波为1号波，沿钻杆传播到钻头又被反射传播到地面传输处理装置的反射波为2号波，在钻井液中传播至地面传输处理装置的声波为3号波。这三条路径传递的信号相同，延时及衰减会有所差异，三路声波信号的传播时延会随着钻井深度的变化而改变，需要动态计算传播时延以做出最佳合并。三路声波信号的传播时延计算如下：T1=h/V_a；T2=(h+2*x)/V_a；T3=h/V_b。

根据上述的时延计算计算结果，经第一级带通滤波处理得到纯净的单路调幅信号进入多路径分离环节12、21后，被分离为多个路径信号并分别加以不同的时延，最先到达的信号人为增加的延时时间最长，最迟到达的信号增加的延迟时间最短，增加人为延时的策略可以采用设立独立延时缓冲区等方法。这样增加人为延时后，使得各路径信号对齐最迟到达的路径信号，并在最迟到达的路径信号到达后分别进入后续信号校正环节；

在信号校正环节中，经过分离延迟后的每个路径信号均分为两路：一路与相应的测试频带中心频率信号27、28、29、30相乘，第一个子频段的中心频率信号27、28为

最后一个子频段的中心频率信号29、30为

第i个子频带的第j径信号为相乘后得到相应路径信号的和频信号和差频信号

相乘运算的结果然后经过以倍频为中心频率的窄带滤波器13、14、22、23，滤波的结果是丢弃到前面得到的差频信号，保留和频项

所述的和频项与另一路信号再次执行相乘操作，得到第二次和频信号

和第二次差频信号

然后和频信号和差频信号进入第二级带通滤波器15、16、24、25，第二级带通滤波器以w_i为中心频率，因此，经过带通滤波器15、16、24、25后，和频信号

被滤除，仅差频信号

被保留下来。

经过带通滤波器15、16、24、25后，各路径信号在合并器17、26中被合并，得到所有路径信号的和信号

其中i为子频带编号，j为该子频带中的路径编号。同时，合并器17、26还执行信号的解调工作，即由和信号V_i(t)解调为测试序列。解调的方法可以是常规的包络检波法或相干解调法，这些方法可以在通信书籍中都有详述。解调出的序列以及该子频带各路径信号的衰减、延时等参数之后被合并器送入后续的判决选择环节18。

各子频带的解调结果以及相应子频带内各路径信号的衰减、延时等参数送入判决选择环节18以确定有哪些子频带可以作为后续声波数据传输的信道使用。判决选择环节18把前面解调出的序列与预设的测试序列（即井下探测传输装置的发送原始序列）对比。如果对比两者相同，则判定在相应频点的本次传送是成功的，否则为失败的。由于井下探测传输装置会重复传送10次，最终得出成功传送的概率。如果成功传送的概率超过根据经验设定的可接受值，则认为此频点的传送是成功的，可以作为后续声波传输的可用频带利用。地面传输处理装置中的声波传输模块在此判别过程中同时记录相应频点的衰减等参数，形成对应的声波信道参数。判决选择环节将各子频带解调数据的准确度、成功的次数、误码率等参数与预设的可接受值比较，选择并标记落入可接受范围的子频带。然后在选择好的子频带内进一步对该子频带各路径信号进行比较，筛选出衰减、延时在可接受范围内的路径并加以标识。经过两步选择，可用子频带及可用路径被确定并标识下来，其具体参数决定了后续声波数据传输所采用的信道参数，并由地面传输处理装置通过下行通道反馈给井下探测传输装置。

（三）声波信道传输

地面传输处理装置7与井下探测传输装置5的声波信道测试流程结束后，进入声波数据传输阶段。

井下探测传输装置5把待传输的实时钻井参数数据分配到多个可用频带同时进行调幅调制后传送，产生的调幅信号通过井下大功率固体介质发声器件放大后加载到钻杆上；经所述的钻杆传输的各可用频带的并行声波信号由地面传输处理装置接收，并依据相应的可用声波信道参数进行处理，得到在各可用频带的解调后的数据，完成钻井参数数据的传输；在该阶段传输的主要是井下的实时钻井参数，多个频带同时传送，接收时多路径综合接收；

其中，所述的依据相应的可用声波信道参数进行处理的具体过程，与声波信道测试过程中测试序列的声波信号处理过程相同，只是该传输和处理均是依据在测试过程中选定的声波信道参数在可用频带的可用路径下进行。以下也是结合图7以最低和最高两个子频带的处理为例，详细说明其处理过程：

①将待传输数据的声波信号10送入以各可用频带中心频点为中心频率的第一级带通滤波器11、20，滤除非相应频带的信号，得到各路纯净独立的调幅声波信号；所述的第一级带通滤波器11、20的通带带宽为20hz；

②将所述的每路调幅声波信号送入多路径分离环节12、21，按照声波信道测试中选定的声波信道参数进行延时处理和路径分离，得到各可用频带的各可用路径信号；

③经过分离延迟后的每个路径信号均分为两路：一路与相应的可用频带中心频率信号27、28、29、30相乘得到该路径信号的和频信号和差频信号，并经过以倍频为中心频率的窄带滤波器13、14、22、23，滤除所述的差频信号、保留所述的和频信号；

所述的和频信号与另一路信号相乘，得到第二次和频信号和第二次差频信号，并进入第二级带通滤波器15、16、24、25滤除所述的第二次和频信号，保留所述的第二次差频信号；

④同一可用频带的各可用路径的第二次差频信号在合并器17、26中被合并，得到相应可用频带的可用路径的和信号，所述的和信号由合并器17、26解调为井下探测参数。

本发明中，上述的声波信道测试与声波数据传输周期性的轮流进行，周期设为5分钟。即每5分钟就需要重新测试钻杆声波传输信道，及时地调整相关信道参数，以使得声波数据传输最优化，从而实现高质量高速度的井下钻井数据的实时声波传输。

Claims (6)

1.一种利用钻杆进行声波通信的方法，包括以下步骤：

（1）由井下声波传输装置在若干个测试频带同时发送测试序列，采取调幅方式以5～100bps的传输速度上行传输，产生的测试调幅信号通过井下大功率固体介质发声器件信号放大后加载到钻杆上；

其中，所述的若干个测试频带的中心频点是在200～800hz的测试频段范围内间隔30～300hz选取；所述的测试序列为8～64位的正交序列编码，在所述的各测试频带发送的测试序列相互正交；

（2）经所述的钻杆传输的各测试频带的声波信号由地面传输处理装置接收并处理，得到各测试频带的解调后的数据序列；

将所述的各测试频带的解调后的数据序列与步骤（1）中在相应测试频带发送的测试序列进行对比：如果两者相同，判定在相应测试频带的传送是成功的，则相应的测试频带为可用频带；如果两者不同，则判定在相应测试频带的传送是失败的，则相应的测试频带为不可用频带；

在进行所述的对比和判定的同时，记录相应测试频带的衰减和延迟参数，并与设定的衰减和延迟参数的可接受范围进行比较，选择在可接受范围内的可用路径；所述的可用路径与所述的可用频带一起构成可用声波信道参数；

将所述的可用的声波信道参数进行编码，并通过频段范围为800～1200hz内的下行频带采取调幅调制的方式将所述的编码信号向下传送至井下探测传输装置；

经所述的钻杆传输的各测试频带的声波信号由地面传输处理装置接收并处理的过程如下：

（i）将所述的声波信号送入以各测试频带的中心频点为中心频率的第一级带通滤波器，滤除非相应频带的信号，得到各路纯净独立的调幅声波信号；所述的第一级带通滤波器的通带带宽为10～200hz；

（ii）将所述的每路调幅声波信号送入多路径分离环节，根据实时延时计算结果对各路径信号分别加以不同的时延，使得各路径信号对齐最迟到达的路径信号，并在最迟到达的路径信号到达后进行分离，分别进入后续信号校正环节；

（iii）经过分离延迟后的每个路径信号都分为两路：一路信号与相应的测试频带中心频率信号相乘得到该路径信号的和频信号和差频信号，并经过以倍频为中心频率的窄带滤波器，滤除所述的差频信号、保留所述的和频信号；所述的和频信号与另一路信号相乘得到第二次和频信号和第二次差频信号，并进入第二级带通滤波器滤除所述的第二次和频信号，保留所述的第二次差频信号；所述的第二级带通滤波器的通带带宽为10～200hz；

（iv）同一测试频带的各路径的第二次差频信号在合并器中被合并，得到该测试频带的所有路径信号的和信号；所述的路径信号的和信号由合并器解调为测试序列，并同时获得该测试频带各路径信号的衰减和延时的参数；

（3）井下探测传输装置把待传输的实时钻井参数数据分配到所述的若干个可用频带同时进行调幅调制后传送，产生的调幅信号通过井下大功率固体介质发声器件放大后加载到钻杆上；经所述的钻杆传输的各可用频带的并行声波信号由地面传输处理装置接收，并依据相应的可用声波信道参数进行处理，得到在各可用频带的解调后的数据，完成钻井参数数据的传输；

经所述的钻杆传输的各可用频带的并行声波信号由地面传输处理装置接收，并依据相应的可用声波信道参数进行处理的过程如下：

①将所述的声波信号送入以各可用频带中心频点为中心频率的第一级带通滤波器，滤除非相应频带的信号，得到各路纯净独立的调幅声波信号；所述的第一级带通滤波器的通带带宽为10～200hz；

②将所述的每路调幅声波信号送入多路径分离环节，按照步骤（2）中选定的声波信道参数进行延时处理和路径分离，得到各可用频带的各可用路径信号；

③经过分离延迟后的每个路径信号都分为两路：一路信号与相应的可用频带中心频率信号相乘得到该路径信号的和频信号和差频信号，并经过以倍频为中心频率的窄带滤波器，滤除所述的差频信号、保留所述的和频信号；所述的和频信号与另一路信号相乘得到第二次和频信号和第二次差频信号，并进入第二级带通滤波器滤除所述的第二次和频信号，保留所述的第二次差频信号；

④同一可用频带的各可用路径得到的第二次差频信号在合并器中被合并，得到相应可用频带的可用路径的和信号，所述的和信号由合并器解调为井下探测参数；

（4）以1～30分钟为测试周期，周期性重复步骤（1）～（3），实现钻井参数数据的实时传输。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述的步骤（3）之前，重复所述的步骤（1）和步骤（2）若干次，得到经由各测试频带成功传送测试序列的概率，如果成功传送的概率超过预设的可接受值，则经由该测试频带的传送是成功的，相应的测试频带为可用频带；同时还得到相应测试频带的衰减和延迟参数，与设定的衰减、延时的可接受范围进行比较，得到可接受范围内的路径作为可用路径；所述的可用频带和可用路径构成后续声波数据传输中的可用声波信道参数；

将所述的可用的声波信道参数进行编码，并通过频段范围为800～1200hz内的下行频带采取调幅调制的方式将所述的编码信号向下传送至井下探测传输装置。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述的步骤（3）之前，还包括地面传输处理装置与井下探测传输装置声波信道测试协商过程，其过程如下：

井下探测传输装置将从地面传输处理装置接收到的声波信道参数与发送测试序列上行传输时采用的参数对比后进行微调得到微调声波信道参数，所述的微调声波信道参数在所述的可用频带再次上行传输给地面传输处理装置；

地面传输处理装置接收到所述的微调声波信道参数后进行处理和解调，地面传输处理装置根据解调的微调信道参数调整其声波信道参数，并将调整后的声波信道参数再次下行传输给井下探测传输装置。

4.如权利要求1～3任一所述的方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，由井下声波传输装置在若干个测试频带同时发送测试序列，采取调幅方式以5～15bps的传输速度上行传输，产生的测试调幅信号通过井下大功率固体介质发声器件信号放大后加载到钻杆上；

其中，所述的若干个测试频带的中心频点是在200～800hz的测试频段范围内间隔50hz选取；所述的测试序列为16位的正交序列编码，在所述的各测试频带发送的测试序列相互正交。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的传输速度为10bps。

6.用于如权利要求1～5任一所述的利用钻杆进行声波通信的方法的装置，包括井下探测传输装置和地面传输处理装置，其特征在于：

还包括：用于所述的井下探测传输装置和地面传输处理装置之间数据通信的钻杆；

所述的井下探测传输装置包括：用于探测井下钻井参数的若干探测部件；和用于将所述的测试序列和所述的井下钻井参数转换为声波信号并放大后进行上行传输、并接收经所述的钻杆传输的由所述的地面传输处理装置发出的指令的井下声波传输装置；

所述的地面传输处理装置包括：地面声波传输装置、信息处理和显示模块和调校模块，所述的地面声波传输装置包括：地面声波传输模块、地面大功率固体介质发生器和地面声波传感器，由井下探测传输装置发出的测试序列和所述的井下钻井参数经钻杆传输至地面声波传输装置，由地面声波传感器获取该信号，并传送至地面声波传输模块进行接收和处理并转换为数字信号传送到信息处理及显示模块，由信息处理及显示模块提供系统的人机使用界面，处理、显示和存储测试数据，方便钻井作业的监测和调整；信息处理及显示模块与调校模块相连，调校模块负责进行测试调整，完成初始钻杆声波传输信道可用频带相关参数的测试，在声波传输过程中监测并优化调整声波传输信道相关传输参数，保证井下探测传输装置与地面传输处理装置的通信畅通；由调校模块发出的调校指令由地面声波传输模块转换为声波信号并通过地面大功率固体介质发生器信号放大后下行传输至井下探测传输装置。

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