CN102251770A

CN102251770A - 一种气体钻井随钻地下信息无线传输方法

Info

Publication number: CN102251770A
Application number: CN2011101697955A
Authority: CN
Inventors: 罗仁泽; 易丹; 戈勇华
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2011-06-23
Filing date: 2011-06-23
Publication date: 2011-11-23

Abstract

本发明提出了一种实现气体钻井中井下信息与地面信息高速无线双工通信的方法，该方法在井下通过传感器采集信号，经过正交频分复用调制技术形成OFDM信号，通过OFDM无线网桥、无线网络中继器、双向天线和钻杆等基本结构单元传输信号到地面，再经过解调，获得井下所采集的信号，并由此判断井下压力、温度、地层出水、井眼倾角状况等，通过分析这些数据，形成地面控制指令，并通过该传输系统将指令信号传到井下，指导井下工作。该方法与目前的同类技术相比较而言，具有传输数据量大、传输速率高、实时性强、双向通信等优点。

Description

一种气体钻井随钻地下信息无线传输方法

技术领域

本发明属于油气开采领域，特别涉及油气开发工程中用于气体钻井随钻地下信息的无线传输方法。

背景技术

气体钻井比较突出的问题是井斜控制和测量，尤其是气体钻定向井、水平井的随钻测量，其数据传输是关键问题。目前，在气体钻井中用得比较成熟的传输技术是电磁波脉冲信号传输技术。这种技术是利用超低频电磁波直接穿过地层到达地面接收器，如果井深较深、地层阻抗较小，超低频电磁波在穿越地层的过程中被衰减，不能到达地面被有效接收，所以一般使用天线延长技术和中继技术，从而达到实际应用的传输距离，对于日益增加的井下随钻信息而言，该种技术下的数据传输速率较低，不能实时传输井下信息，也不能实现双向通信。

专利申请号为200810046435.4、名称为“气体钻井随钻地下数据无线传输方法”介绍了一种将井下数据上传到地面的无线传输方法，通过无线网桥和无线网络中继器来实现，该方法实现了数据的高速传输，保证了实时性，但数据的大量传输特性有待提高。

发明内容

本发明的目的是解决现有气体钻井中地下随钻测试数据不能大量传输问题，提供一种基于正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）调制方式的可应用于气体钻井随钻测试数据传输的无线方法，通过应用OFDM调制的特性——频谱的正交复用，提高频谱利用率，实现地下所得信息的高速大量传输，另外，无线网桥和无线网络中继器的使用，使得地下数据上传时允许更小的发射功率，从而减轻对地下供电系统的要求。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

气体钻井随钻地下数据OFDM无线传输方法包括如下步骤：

1.在钻头上方安装传感器、模数转换器、OFDM无线网桥，可发射接收的双向天线；

2.将传感器采集的信号经模数转换器转换为数字信号；

3.将数字信号通过OFDM无线网桥，成为OFDM数字信号；

4.将OFDM数字信号通过钻具传输到地面，由地面的OFDM无线网桥接收；

5.由地面的网桥将信号传输给计算机，由计算机对信号进行处理，并根据井下信息进行判断处理，确定控制指令，传到井下。

所述传感器包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器和重力加速度传感器。压力传感器测试井底压力，判断井眼净化情况；温度传感器测试钻具环空气体温度，如果井下发生了燃爆，环空气体温度会急剧增高，以此判断燃爆程度，并决策是否停气灭火(需要实时性)；湿度传感器测试地层出水情况；重力加速度传感器测量井眼倾角、方位角和工具面角，实现定向井轨迹实时测量和控制。

所述OFDM无线网桥的工作频率为5.8GHz，是基于OFDM调制方式。

所述OFDM无线网桥工作模块包括串并转换模块，快速傅里叶逆变换（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT），加循环前缀，并串转换，经过信道，再经串并转换，快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT），去循环前缀，并串转换模块到达接收端。

所述OFDM无线网桥的调制方式是在原始OFDM符号序列上叠加一组自相关性强的训练序列，首先将该组训练序列与待传输的OFDM信号按一定的功率分配因子进行叠加，然后，将叠加后序列随机分割成若干组，最后，将同样的一组训练序列作为相位旋转因子，与分割后的信号序列进行加权，以此减小OFDM调制方式固有的峰均比过高的弱点，从而提高OFDM的发射功率效率。

所述训练序列与待传输的OFDM符号叠加时，功率分配因子，其中，表示分配给训练序列的功率，

表示分配给OFDM符号的功率。

所述钻具内部设置有无线网络中继器，以在OFDM数字信号衰减到不能有效接收时，被中继转发，继续有效传输。

所述钻具内每500米左右安装1个无线网络中继器。

所述传感器、模数转换器、OFDM无线网桥和双向天线装配在井下钻铤内，井下钻铤内还设置有给上述部件供电的电池供电系统。

本发明采用上述方法，在钻头上方安装各种类型的传感器采集所需信号，并通过模数转换器、OFDM无线网桥和双向天线将采集到的信号转换为数字信号再转换为OFDM信号，通过钻具定向传输到地面的接收装置，最后传给计算机进行处理并确定控制指令传回井下；应用OFDM调制传输信号，首先，一方面解决了信号衰减快的问题，另一方面也提高了无线信道的频谱利用率，抗干扰能力强，从而实现数据的实时大量传输；其次，在应用OFDM调制技术的时候，按一定方式产生的自相关性强的训练序列同时与OFDM符号叠加以及用同一组训练序列与叠加后的混合序列加权，具有如下的效果：

1.不用泥浆波传输信号，可以实现气体钻井条件下随钻测试数据的实时传输；

2.可以实现54Mbit/S的双向通信速率；

3.OFDM调制的弱点之一峰均比过高得到了很好的缓解；

4.叠加训练序列可有效解决系统的同步及信道估计问题，这为数据的正确传输提供了条件。

通过这种方法，可实现井下设备的控制和数据采集，另外，将OFDM信号通过钻具进行传输，进一步解决了无线器件定向传输距离较短的问题。

附图说明

图1是气体钻井随钻地下数据OFDM无线传输改进方法的总体框图；

图2是OFDM的调制解调框图；

该图表示在基本的OFDM调制解调模块组中的IFFT模块后，在传输信号上叠加了一组训练序列；

图3是训练序列与OFDM符号叠加示意图；

该图表示训练序列与OFDM符号按照功率分配因子为的比例进行叠加，得到一个叠加信号；

图4是训练序列作为相位旋转因子的示意图；

该图中的初始信号X，即图3中的叠加信号与未作叠加的OFDM符号组合而成的混合序列，作为待发送信号，在完成串并变换后，分割成若干组，将每一组经过快速傅里叶逆变换后，与同一组训练序列加权，从得到的序列中选出符合条件的一组信号来传输。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，气体钻井随钻地下数据OFDM无线传输改进方法所采用的装置包括传感器101，A/D转换器102，OFDM无线网桥103和107，双向天线104和106，无线网络中继器105，计算机108：

1.传感器101包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器和重力加速度传感器。这几种传感器用以采集不同性质的信号，压力传感器测试井底压力，判断井眼净化情况；温度传感器测试钻具环空气体温度，如果井下发生了燃爆，环空气体温度会急剧增高，以此判断燃爆程度，并决策是否停气灭火；湿度传感器测试地层出水情况；重力加速度传感器测量井眼倾角、方位角和工具面角，实现定向井轨迹实时测量和控制；

2.A/D转换器102用以将传感器采集得到的模拟信号转换成数字信号，便于传输和其他处理；

3.OFDM无线网桥103，工作频段是5.8GHz，用以将A/D转换器得来的数字信号调制成OFDM信号，OFDM无线网桥107，工作频段是5.8GHz，用以将接收到的OFDM信号解调成普通的数字信号；

4.天线104，在井下数据上传过程中，用以将OFDM无线网桥调制得到的OFDM信号沿钻具发送到地面，天线106接收相应信号并转发，在地面控制指令的下传过程中，104和106分别行使接收和发送的功用，无线网桥103和107要与天线104和106发送接收的信号相匹配；

5.无线网络中继器105，用以放大并承接传输过程中衰落的信号，整个信号传输过程中，每500米使用1个中继器105及天线104；

6.计算机108，用以处理接收到的数字信号。

如图2所示，气体钻井随钻地下数据OFDM无线传输改进方法所涉及到的OFDM调制解调过程，包括从接收端收到数据后，将数据进行串并转换201、IFFT202、加循环前缀203、并串转换204，经过信道205、串并转换206、FFT207、去循环前缀208、并串转换209，到达接收端：

1.串并转换201，通过将接收到的数据从一路串行传输变换到多路并行传输的形式，以提高数据的传输速率；

2.IFFT202，即快速傅里叶逆变换，这是OFDM多载波调制过程，且频率正交；

3.加循环前缀203，用以消除无线信道的多径效应带来的符号间干扰（Inter-Symbol Interference，ISI）和载波间干扰（Inter-Channel Interference，ICI）；

4.并串转换204，用以将数据从并行传输形式改变成串行传输形式，以适应数据在信道205中的传输；

5.串并转换206，将数据传输由串行形式变换到并行形式，作为傅氏变换的输入，适应其变换要求；

6. FFT207，即快速傅里叶变换，这是OFDM多载波解调的过程；

7.去循环前缀208，用以还原数据，去除冗余信息；

8.并串转换209，用以将数据还原到串行传输的形式。

图3和图4是气体钻井随钻地下数据OFDM无线传输方法中用以改进OFDM调制解调过程的峰均比过高的方法示意图。通过一定的步骤产生自相关性强的训练序列，该组训练序列既与OFDM符号按比例叠加又作为相位旋转因子，这就通过同时运用两种峰均比减小的方法来实现了峰均比的优化：

1.图3表示把按一定方式产生的自相关性强的训练序列与OFDM符号按照一定的比例进行叠加，得到一个叠加信号，此处的比例分配是由功率分配因子

来表现的，由，即是将

的功率分配给训练序列，

的功率分配给OFDM符号，所以得到的叠加信号是由

部分的训练序列和

部分的OFDM符号复合而成，一般而言，以叠加训练序列对系统性能的影响来确定

的取值；

2.图4表示把训练序列作为相位旋转因子与叠加后的混合序列进行加权，最终得到峰均比最优序列组。叠加后的混合序列X经过串并变换和信号分割，分成了V组并行传输的信号

，每一组信号各自经过IFFT，得到信号组

，与训练序列加权后，得到信号组

，最后从信号组里选出符合条件的最优组y。

Claims

1.一种气体钻井随钻地下信息无线传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

在钻头上方安装传感器、模数转换器、OFDM无线网桥，双向天线；

将传感器采集的信号经模数转换器转换为数字信号；

将数字信号通过OFDM无线网桥，成为OFDM数字信号；

将OFDM数字信号通过钻具传输到地面，由地面的OFDM无线网桥接收；

由地面的网桥将信号传输给计算机，由计算机对信号进行处理，并根据井下信息进行判断处理，确定控制指令，传到井下。

2.如权利要求1所述一种气体钻井随钻地下信息无线传输方法，其特征在于，所述OFDM无线网桥工作方式有以下特征：

信号从发送端发出后，经过的基本模块包括串并转换模块、快速傅里叶逆变换（IFFT）、循环前缀、并串转换，然后经过信道，再经串并转换、快速傅里叶变换（FFT）、去循环前缀、并串转换模块到达接收端；

在IFFT模块之后和加循环前缀之前，在信号序列上叠加一组自相关性强的训练序列，首先将该训练序列与待传输的OFDM符号按一定的功率分配因子进行叠加，然后，将叠加后序列随机分割成若干组，最后，将同样的一组训练序列作为相位旋转因子，与分割后的信号序列进行加权。

3.如权利要求1所述一种气体钻井随钻地下信息无线传输方法，其特征在于，所述钻具内部设置有无线网络中继器，以在OFDM数字信号衰减到不能有效接收时，被中继转发，继续有效传输。

4.如权利要求1所述一种气体钻井随钻地下信息无线传输方法，其特征在于，所述钻具内每500米安装1个无线网络中继器。

5.如权利要求1所述一种气体钻井随钻地下信息无线传输方法，其特征在于，所述传感器、模数转换器、OFDM无线网桥和双向天线装配在井下钻铤内，井下钻铤内还设置有给上述部件供电的电池供电系统。