CN103061755A - 一种井下近钻头无线电磁波信号短距离传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种井下近钻头无线电磁波信号短距离传输系统及方法，属于石油、矿山、地质勘探等行业中的地质导向系统和随钻测量仪器领域。本发明采用自动增益控制技术实现对井下微弱信号放大倍数的自动调节。所述系统包括接收短节总成和发射短节总成，在所述接收短节总成和发射短节总成分别装有接收天线和发射天线。本发明采用径向耦合天线，结构比较简单。同时，本发明的运算速度高，能满足大量信号实时传输的需求，且本发明使用了专门针对井下微弱信号的前端处理模块，能对采集到的信号进行自动增益调节，维持信号的稳定输出，降低后续信号的处理难度，从而大大提高了信号传输质量。

Description

一种井下近钻头无线电磁波信号短距离传输系统及方法

技术领域

本发明属于石油、矿山、地质勘探等行业中的地质导向系统和随钻测量仪器领域，具体涉及一种井下近钻头无线电磁波信号短距离传输系统及方法，用于实现在井下近钻头处利用电磁波进行数据短距离无线传输。

背景技术

当前我国剩余油资源的品味越来越差，石油勘探开发难度步步加大，各油田所持有的薄油层、低压低渗透低产储层、难产储层、非均质储层愈来愈多。这些油藏地质状况复杂，钻井施工难度大，钻井作业时需要及时地得到地层及钻具位置的即时信息，才能及时对钻具设计做出必要的调整，使钻头最大化地在油气藏中最有价值的地带钻进。

地质导向钻井技术的出现解决了这一问题，该技术通过对实时采集的随钻测量数据和随钻地层评价测井数据进行分析研究，以人机对话方式来控制底部钻具组合，从而实现根据地层情况实时调整井眼轨迹，提高油层的钻遇率。

通常使用MWD(随钻测量系统)为地质导向系统提供所需数据，MWD中由多个传感器构成的测量短节对钻井过程中井下工程参数和地质参数进行测量，然后MWD将数据发送至地面以便技术人员进行分析。

传统的MWD仪器通常安装在距离钻头10-30米处，仪器测量到的参数实际上是仪器所处位置的参数，而据此参数所采取的控制是一种滞后控制。因此需要将测量短节安装在尽可能靠近钻头的位置，以便更准确及时地掌握地层信息。此时测量短节和MWD被螺杆钻具(泥浆马达)隔开，因此需要一套短程传输系统来完成测量短节到MWD之间的井下信息的传输。

目前现有的近钻头短传技术包括有线传输、声波传输和电磁波传输三种，其中有线方式是对螺杆钻具的机械结构进行改造，使电缆穿过螺杆钻具连接MWD和测量短节，通过电缆对数据进行传输，如专利号为US5456106和US5725061等公开的技术。这种方式的机械结构复杂，实现起来非常困难，因此并未得到广泛应用。

声波和电磁波都属于无线传输方式，螺杆钻具下方的发射机将传感器采集到的数据发射输出，螺杆钻具上方的接收机接收数据进行处理后传输给MWD，实现测量短节到MWD之间的数据传输。如专利号为US5924499的专利使用了无线声波短传技术，但这种传输方式的发射机和接收机的机构非常复杂，同时由于靠近钻头和螺杆钻具，信号受干扰大，数据处理困难繁琐。

电磁无线传输方式在随钻遥测中使用的比较多，自1942年的专利US2354887首先提出可使用电磁波将数据从井下传送到地面时起，几十年来，电磁波随钻测量技术已相对发展得比较成熟，在近钻头无线短传中也有使用。如专利US5160925使用线圈天线进行电磁信号的发射和接收，这种天线是一个软磁材料制成的环状体，环上绕有导线，导线线段与发射、接收机的电缆线相连。专利CN200410004275.9使用两端加装绝缘环的线圈天线实现了近钻头数据无线传输。但是，专利US 5160925和CN200410004275.9使用的天线，为了安装时能与钻铤本体尺寸吻合，多使用扣环或开口环，外面覆盖绝缘保护层，再用钢壳保护，因此结构都比较复杂。

专利US6057784首先将多个外绕线圈的铁氧体磁棒径向嵌入中心轴内，每个磁棒外都有绝缘保护层，然后磁棒和轴作为一个整体再外包绝缘保护层和钢壳，以此作为天线进行数据传输，该天线的结构也比较复杂。US2009/0153355A1提出了一种专门用于电磁MWD的近钻头无线电磁短传系统，该系统螺杆钻具上方只有一个天线，既作为短传系统的接收天线，又作为电磁MWD向地面传输数据的发射天线)在一定程度上简化了仪器结构，但是该专利只适用于电磁MWD系统。但该专利的天线安装在钻铤外缘，钻铤壁内开了几个空腔，用来安放短传接收机和电磁MWD用的集成电路，这样做第一会降低钻铤壁厚，而钻进时钻铤受到的扭矩、拉力比较大，容易造成钻铤损毁，其次集成电路一旦固化到钻铤空腔内后很难更换，该专利中已经将短传接收机和电磁MWD集中固化到空腔内了，导致该系统只适合于电磁MW。

综上所述，目前的近钻头无线电磁短传系统采用的天线大多结构比较复杂，这就导致加工难度大，成本相对较高，同时复杂零件更容易对电磁信号造成干扰，降低数据传输的准确性。

另一方面，近钻头无线电磁短传系统的接收天线接收到的电磁信号比较微弱，一般为毫安级；而恶劣的井下环境、复杂的地层结构又很容易对电磁信号产生干扰。实验证明，当发射天线和接收天线都安装在钻铤内部，泥浆完全导电的情况下，信号发射功率为0.3W时，接收端信噪比为-60dB，此时接收信号受井筒周围地层电导率的影响比较大，在这种情况下，目前的近钻头无线短传系统使用的信号处理技术都无法很好地将接收到的信号进行还原，容易造成传输错误。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种井下近钻头无线电磁波信号短距离传输系统及方法，用于实现钻井过程中近钻头处测量短节和MWD之间的数据无线传输，其结构简单、拆装方便，能实现对井下微弱信号放大倍数的自动调节，降低传输误码率，并适用于多种MWD。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种井下近钻头处无线电磁波信号短距离传输系统，所述系统包括接收短节总成5和发射短节总成8；

所述接收短节总成5包括钻铤本体18和信号接收机，所述信号接收机包括信号接收处理器14和电池组11，所述信号接收处理器14和电池组11两部分用螺纹接头连接在一起，然后以座键的方式下放到所述钻铤本体18的内部；在钻铤本体18外面装有接收天线4；所述接收天线4通过电缆与信号接收处理器14连接；

所述发射短节总成8包括无磁钻铤本体20和信号发射机，所述信号发射机包括测量短节9、信号发射处理器12和电池组11，所述测量短节9、信号发射处理器12和电池组11三部分用螺纹接头连接在一起，然后以座键的方式下放到无磁钻铤本体20的内部，在无磁钻铤本体20外面装有发射天线7；所述发射天线7通过电缆与信号发射处理器12连接。

所述发射短节总成8和接收短节总成5都拥有上下调整接头，用于实现与上部和下部钻具的匹配连接，可根据现场使用的不同的钻柱扣型更换；所述测量短节9是将多组传感器集成到一个短节总成中，测量短节9中的传感器包括三轴磁场计、三轴加速度计、温度传感器、伽马传感器。

在所述钻铤本体18的外表面开有环状凹槽，将绝缘隔层17嵌入所述环状凹槽内并与钻铤本体18相粘结，然后在绝缘隔层17上镶嵌一圈环状金属薄带作为金属带电极16，所述金属带电极16与绝缘隔层17相粘结，金属带电极16和钻铤本体18构成接收天线4的两极；

在无磁钻铤本体20的外表面开有环状凹槽，将绝缘隔层17嵌入所述环状凹槽内并与无磁钻铤本体20相粘结，然后在绝缘隔层17上镶嵌一圈环状金属薄带作为金属带电极16，所述金属带电极16与绝缘隔层17相粘结，金属带电极16和无磁钻铤本体20构成发射天线7的两极。

所述金属带电极16采用钢或铁镍合金；所述绝缘隔层17采用高强度且具有较强粘结强度的玻璃钢、聚四氟乙烯或其它绝缘复合材料。

所述信号接收处理器14包括模拟信号前端处理模块、A/D转换模块和接收控制模块；所述接收控制模块包括带通滤波模块、解调解码模块和错误校验模块；所述接收控制模块采用FPGA版CPU；

所述模拟信号前端处理模块能够对接收天线4采集到的微弱电磁信号进行自动增益控制和低通滤波；所述A/D转换模块采用16位A/D转换器；所述带通滤波模块采用IIR椭圆带通滤波器。

所述模拟信号前端处理模块包括可编程增益放大器、模拟高通滤波器和SPI总线；一个可编程增益放大器和一个模拟高通滤波器构成一级放大滤波器，三个一级处理放大滤波器依次连接构成三级放大滤波器；FPGA分别通过三个SPI总线控制三个可编程增益放大器的放大倍数；来自信号发射处理器12的模拟信号经过三级放大处理、带通滤波后进入A/D转换模块转换成数字信号，所述数字信号再经过接收控制模块处理后传送给随钻测量系统。

所述模拟高通滤波器采用无线增益多级反馈滤波器。

所述信号发射处理器12包括前置放大模块、A/D转换模块、发射控制模块、信号发射电路和保护电路；

当信号发射处理器12接收到测量短节9采集到的数据后，由前置放大模块进行相应的放大、滤波处理后，然后使用A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号，交给发射控制模块进行信号编码、调制，然后由信号发射电路将数据通过发射天线7发射出去；所述保护电路对整个发射控制模块进行保护；

所述发射控制模块包括带通滤波模块和编码调制模块，所述发射控制模块使用FPGA版CPU；

所述信号发射电路采用直接耦合的新型功率放大器；所述A/D转换模块采用16位A/D转换器；所述带通滤波模块采用IIR椭圆带通滤波器；

在测量短节9与前置放大模块之间还设置有多路复用模块，其从多个传感器发来的多组数据中根据需要选择一组模拟信号交给前置放大模块，保证每时每刻都有且只有一路模拟信号在被处理；在控制模块和信号发射电路之间还设置有隔离单元，来实现低压电路和功率放大器之间的有效隔离，来提高井下系统抗干扰能力。

一种使用所述井下近钻头无线电磁波信号短距离传输系统的方法，所述方法首先将所述发射短节总成8安装在钻头上方、将接收短节总成5安装在发射短节总成8上方、将随钻测量系统3安装在发射短节总成5的上方；在发射短节总成8和接收短节总成5之间为螺杆钻具或其它导线无法穿过的仪器或设备6；然后利用所述测量短节9对钻井作业所需的工程参数和地质参数进行测量，将采集到的数据传输给信号发射处理器12；所述信号发射处理器12对所述数据进行编码、调制后生成电磁信号，信号发射处理器12通过发射天线7发射电磁信号，所述信号接收处理器14对接收天线4接收到的所述电磁信号进行前置放大、滤波、解调解码的处理后得到还原后的信号，最后将所述还原后的信号传输给上方的随钻测量系统，由随钻测量系统将数据发送至地面接收机。

所述信号接收处理器14中使用自动增益控制和多级滤波相结合的数字前端处理技术实现对井下微弱信号放大倍数的自动调节，将输出信号维持在非常稳定的强度上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用由绝缘层隔开的金属带和钻铤本体作为两极的耦合天线进行数据发射和接收，天线结构简单，无需特殊材料，在国内现有材料与工艺水平条件下容易加工。

(2)本发明的信号发射/接收处理器总成皆采用座键式固定在发射/接收短节内部，拆装方便，便于部件更换和升级。

(3)本发明采用自动增益控制技术实现对井下微弱信号放大倍数的自动调节，即使地层环境改变，采集信号强弱发生变化，仍能维持稳定的放大信号输出，大大降低了传输误码率。

(4)本发明采用FPGA技术构建中央处理系统，可以大大提高计算速度，并且能够大大简化电路结构，减小电路体积。

(5)本发明能够在近钻头测量短节和MWD之间实现质量较好的电磁信号传输，对不同地层的适应能力较高。

(6)本发明与现今所用的MWD如电磁MWD、泥浆MWD等均可兼容，应用范围广泛。

附图说明

图1是本发明井下近钻头无线电磁波信号短距离传输系统的示意图。

图2是本发明系统中的发射短节总成的结构示意图。

图3是本发明系统中的接收短节总成的结构示意图。

图4是本发明系统中的信号发射处理器的结构框图。

图5是本发明系统中的信号接收处理器的结构框图。

图6是本发明系统中的模拟信号前端处理模块的结构框图。

图7是本发明系统所使用的可增益编程放大器的电路图。

图8-1是模拟信号前端处理模块输入弱信号时的波形图。

图8-2是模拟信号前端处理模块输入强信号时的波形图。

图9是模拟信号前端处理模块的频率响应特性。

其中，附图标号如下：1.井架、2.地面接收机、3.随钻测量系统(MWD)、4.接收天线、5.接收短节总成、6.螺杆钻具或其它导线无法穿过的仪器或设备、7.发射天线、8.发射短节总成、9.近钻头测量短节、10.钻头、11.电池组、12.信号发射处理器、13.仪器下座键、14.信号接收处理器、15.仪器上座键、16.金属带电极、17.绝缘隔层、18.钻铤本体、19.电缆、20.无磁钻铤本体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明提供了一种井下近钻头处无线电磁波信号短距离传输系统，如图1所示，所述发射短节总成8安装在钻头10上方、将接收短节总成5安装在发射短节总成8上方、将随钻测量系统3安装在发射短节总成5的上方；在发射短节总成8和接收短节总成5之间为螺杆钻具或其它导线无法穿过的仪器或设备6。

如图2和图3所示，信号发射处理器12采用座键式固定在发射短节总成8的内部，信号接收处理器14采用座键式固定在接收短节总成5的内部。发射短节总成8和接收短节总成5都拥有上下调整接头，用于实现与上部和下部钻具的匹配连接，可根据现场使用的不同的钻柱扣型更换。由于钻头到螺杆钻具之间距离非常短，体积有限，因此现有技术要么仪器尺寸很大，短传系统距离钻头超过2米，使用效果不好；要么传感器要安装在钻头后面的动力弯节上，这就需要对弯节机械结构进行改动，难度很大，成本高。本发明通过功耗管理、使用FPGA、光纤传感器等尽可能缩减电池组、信号处理器、和测量短节的长度，使他们能够连接在一起，用座键的方式安装在钻头到螺杆钻具之间的钻铤内部，不用改造弯节，易于拆卸、维修，又保证了使用效果。

所述系统具体包括以下部件：

(1)测量短节9

测量短节9是将多组传感器集成到一个短节总成中，用来在钻进过程中测量作业所需的井下工程参数和地质参数，如井斜、方位、工具面、伽马射线、地层电阻率等。测量短节9中可以使用的传感器包括三轴磁场计、三轴加速度计、温度传感器、伽马传感器等，其具体结构请参考现有技术。为了能够实时获得地层信息，本系统中的测量短节9需安装在靠近钻头10的位置。现有技术中，大多数专利对于测量短节，也就是传感器的位置没有重点说明，比如US2009/0153355A1中就在天线下方的钻铤上打了个凹槽来安放传感器，但这种方法在现实里是无法使用的。还有一些技术中将传感器安装在钻头后面的动力弯节上以便节约空间，但由于工艺等方面的原因，这种方式实施起来非常困难，本发明通过功耗管理、使用FPGA、光纤传感器等技术手段整体缩减整套仪器的长度，使测量短节体积小到能够直接安放在发射短节总成内部。

(2)发射天线7和接收天线4

近钻头无线电磁短传系统中的发射天线7用于电磁信号的发射，安装在发射短节总成8的外表面，位于螺杆钻具下方；接收天线4实现电磁信号的接收，安装在接收短节总成5的外表面，位于螺杆钻具上方。所述发射天线7通过电缆19与信号发射处理器12连接，所述接收天线4通过电缆19与信号接收处理器14连接。

测量短节9将采集到的信号传输给信号发射处理器12后，信号发射处理器12根据要发射的信号向发射天线7施加不同的交变激励电压，这时天线两极间将产生相应的径向耦合感应电流，该电流信号通过钻柱、泥浆、地层所组成的电流通路使仪器周围电场发生改变，根据电磁感应原理在接收天线4上产生一个相应的感应电流信号，完成电磁信号的无线传输。

钻铤在井下受到的拉力和扭矩非常大，而安装天线的时候需要在钻铤外缘开凹槽以便嵌入天线，凹槽过深或者绝缘材料强度不够会导致天线所在的位置在作业时发生变形或损坏，导致需要浪费大量时间和金钱来修理仪器、打捞仪器，最严重的时候可能导致井报废。因此，发射天线7和接收天线4对信号传输的性能有很大影响，是本系统的关键装置，其既要保证具有良好的电气特性，又要保证加装了天线的那部分钻铤在井下的绝对安全，即其机械强度满足钻井工艺要求。

发射天线7和接收天线4的天线结构是相同的，均采用环状金属薄带作为一个电极，无磁钻铤本体20或钻铤本体18作为另一个电极，两者之间使用绝缘材料填充。以接收天线7为例，是在钻铤本体18的外表面开有环状凹槽，将绝缘隔层17嵌入所述环状凹槽内并与钻铤本体18相粘结，然后在绝缘隔层17上镶嵌一圈环状金属带作为金属带电极16，所述金属带电极16与绝缘隔层17相粘结，金属带电极16和钻铤本体18构成天线的两极。所有磁性测量仪器在测量井眼方向时，为了测量准确，仪器必须在无磁环境中，因此在测量短节9外，不能使用普通钻铤，要使用无磁钻铤，无磁钻铤也具有导电性，可以作为天线电极，只是和普通钻铤相比金属含量不同，应用锰铬镍钢等。

所述金属带电极16可以使用钢或铁镍合金等导体，避免钻井时出现冲蚀和磨损。绝缘隔层17可采用高强度且具有较强粘结强度的玻璃钢、聚四氟乙烯或其它绝缘复合材料。这种天线结构比较简单，对产生信号干扰较小；同时对钻铤本体伤害较小，能够保证短节的整体强度。整套天线无需特殊材料，在国内现有材料与工艺水平下容易加工。

(3)信号发射处理器12

信号发射处理器12主要负责将测量短节9采集到的数据发射出去，其硬件结构如图4所示，包括前置放大模块、A/D转换模块、发射控制模块、信号发射电路和保护电路。

当信号发射处理器12接收到测量短节9采集到的数据后，由前置放大模块进行相应的放大、滤波处理后，然后使用A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号，交给发射控制模块进行信号编码、调制，然后由信号发射电路将数据通过发射天线7发射出去。

其中发射控制模块包括带通滤波模块和编码调制模块，所述发射控制模块使用FPGA(现场可编程门阵列)作为处理器，依靠编程实现信号编码、调制、工作电流控制等。具体来说，发射控制模块采用XILINX的XC3SD1800A型FPGA作为硬件平台，通过硬件编程语言实现中继器信号处理需要的32位CPU系统，依靠编程实现信号编码、2DPSK(二进制差分相移键控，简称二相相对调相)信号调制、工作电流控制等。信号发射处理器12的调制信号频率范围可以在1K-100KHz之间选择。整个发射控制模块都在保护电路的保护下，保护电路主要实现过流控制、加电控制、调整限流电阻、过流保护、光电隔离等功能，为系统正常工作提供保障。

信号发射电路包括发射驱动电路、功率放大模块、保护电路等多个电路，功率放大模块是其中比较重要的一个部分，功率放大模块采用直接耦合的新型功率放大器。为保护信号发射电路在过流情况下不被损坏，需要设计限流保护电路，通过硬件保护电路和在FPGA版CPU中编程相结合的方式对发射电路进行保护，确保中继器安全工作。

进一步，在测量短节9与前置放大模块之间还设置有多路复用模块，本发明使用了多路传感器，但AD转换器和FPGA一个时间内只能处理一路模拟信号。多路复用模块的作用就是从多个传感器发来的多组数据中根据需要选择一组模拟信号交给后面的AD和FPGA进行处理，保证每时每刻都有且只有一路模拟信号在被处理。在控制模块和功率放大器之间还设置有隔离单元，功率放大器使用的电压相对控制模块及其他电路来说电压较高，因此需要使用光电耦合器件构成隔离电路，来实现低压电路和功率放大器之间的有效隔离，来提高井下系统抗干扰能力。

(4)信号接收处理器14

本发明的信号接收处理器14中使用自动增益控制和多级滤波相结合的数字前端处理技术，即不论输入信号强弱，都将输出信号维持在非常稳定的强度上，使后期处理更准确，同时多级滤波有够有效降噪并防止信号失真。信号接收处理器14是近钻头无线电磁短传系统的核心部分，也是实现信号准确传输的关键部件，它负责接收信号发射处理器12发送的电磁信号，它要具备模拟信号采集、放大、A/D转换、数字信号处理等功能，即完成将数据传输给MWD前的所有信号处理任务。如图5所示，所述信号接收处理器14在硬件结构上包括模拟信号前端处理模块、A/D转换模块和接收控制模块，其中接收控制模块使用FPGA版CPU，结合软件编程实现数字信号滤波、信号解调、信号解码等数字信号处理任务。本发明中的信号接收处理器14中使用了专门针对井下微弱信号的模拟信号前端处理模块，能够对接收天线4采集到的微弱电磁信号进行自动增益控制和低通滤波，信号失真度低，分辨率好。

具体来说，所述信号接收处理器14具体包括：

①模拟信号前端处理模块：

接收天线4采集到的电磁信号通过与天线连接的电缆进入模拟信号前端处理模块进行前置放大和滤波处理。由于近钻头短传系统信号传输距离比较短，一般只有几米到十几米，因此信号可以使用1K-100KHz之间的某个频率作为载频，此载频远高于MWD使用的信号频率，因此采用带通滤波器对模拟信号进行滤波。模拟信号经过模拟信号前端处理模块的三级放大、滤波后才进入A/D转换模块转换成数字信号进行后续处理。

如图6所示，模拟信号前端处理模块的核心部分是自动增益控制器，它包括三级完全相同的可编程增益放大器、模拟高通滤波器以及SPI总线。

来自信号发射处理器12的模拟信号(测量短节采集到的是电压模拟信号，通过AD转换成数字信号交给发射处理器中的FPGA处理，然后FPGA将数字信号再次转换为模拟信号后交给发射天线发出，接收天线收到的还是模拟信号。)通过可编程增益放大器进行放大处理后进行带通滤波。经过三级放大、滤波后进入A/D转换模块转换成数字信号。其中放大器的放大倍数是可调的，由CPU负责对其放大倍数进行设置，通过SPI总线控制完成。

所述模拟高通滤波器采用无线增益多级反馈滤波器。

在进行井下信号短传时，随着地层环境不同，接收到的电磁信号幅值可能会发生较大变化，使用自动增益控制器的优点在于能够根据接收到的信号强度自动改变放大倍数，使处理后的信号幅值维持在一个比较稳定的范围内，降低了后续信号处理的难度，提高了传输的准确度。

模拟信号前端处理模块中使用的可编程增益放大器的放大倍数可以通过SLK\DIN\CS端输入的串行信号进行调节。FPGA对放大电路的输出信号进行检测，并通过SPI总线向可编程增益放大器提供所需信号来控制放大器增益。当输入的电磁信号增大时，放大电路的输出信号也随之增大，此时FPGA控制放大电路的增益下降，使输出信号的变化量显著小于输入信号的变化量；当输入电磁信号缩小时，放大电路的输出信号随之减小，此时FPGA控制放大电路增益升高，使输出信号的变化量大于输入信号的变化量，从而实现输出信号强度的稳定。

本发明所使用的可编程增益放大器与FPGA的连接如图7所示，图7方框中的内容是所使用的可编程增益放大器芯片的内部结构，其主要技术参数设计如下：

可编程增益：0.2V/V～157V/V；

低功耗关闭模式：13μA；

温度范围：-40℃～+125℃；

输入电压：±16V；

输入电压偏移补偿。

通过该电路实现对电磁输入信号的前置放大，放大倍数可编程控制，最大到157倍(输入1V输出157V)。

最大增益计算：

信号接收处理器中若采用三级放大，则可获得的最大增益：

增益＝157×157×157＝3869893＝131dB。

图8为输入信号幅值改变后模拟信号前端处理模块输出信号的波形情况，比较图8-1和图8-2的输入信号可以看出，一个比较强，一个比较弱，而它们的输出信号幅度是一样的，这就证明了无论输入信号幅度如何变化，输出信号仍能维持一个比较稳定的幅值。图9为模拟信号前端处理模块的频率响应特性，短传的信号频率在1KHZ左右，电磁MWD向地表传输信号频率在10HZ左右，工频噪声频率在50HZ左右，由于接收到的信号非常微弱，而且混杂了大量干扰，要准确对信号进行后续编解码处理，那必须在诸多干扰信号中准确提取出有用信号。带通滤波器作用就是滤除干扰信号，它只允许限定频带内的信号通过。比如带通滤波器通带频率在990～1100HZ之间的话，那么其他频率的信号就会被滤除，只剩下频率为1KHZ的有用信号，通带越窄，滤波器性能越好。图9中输入的信号在990～1020HZ之间，可以看出，滤波器输出信号在990和1020HZ的时候幅度已经出现了衰减，证明这时候已经有部分信号被滤掉了，低于950和高于1020HZ中的信号会被越滤越多，很快全部被滤掉。而中间1KHZ处的有用信号没有衰减，全被保留了，滤波器通带很窄，滤波性能很好，可见三级带通滤波能获得比较好的效果。

②A/D转换：

采用16位A/D转换器，(图4和图5中都是采用这种16位A/D转换器)其技术参数为：

数据传输宽度：16-Bit；

采样频率：250ksps；

电源：5V；

低功耗：850μA，在1ksps状态下工作电流最低可达到2μA；

输入方式：差分输入；

I/O：SPI/MICROWIRE(TM)兼容的串口I/O

温度：+125℃。

③数字滤波器：

采用IIR椭圆带通滤波器(图4和图5中的带通滤波都是采用这个滤波器这个是通过FPGA编程实现的数字滤波器)。由于椭圆滤波器在通带和阻带内都有等波纹的振幅特性，并且过渡带比较窄，因此本发明采用IIR椭圆带通滤波器对A/D转换后的数字信号进行滤波处理。椭圆滤波器振幅平方函数和系统传输函数分别为

${\left|H\left(\mathrm{\Ω}\right)\right|}^2=\frac{1}{1+{\mathrm{\ϵ}}^2{J}_N^2\left(\mathrm{\Ω}\right)}$

$H\left(z\right)=\frac{\underset{N=0}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{b}_N{z}^{-N}}{1+\underset{N=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{a}_N{z}^{-N}}$

其中

是雅可比椭圆函数，N为滤波器阶数。将IIR椭圆滤波器的系统函数H(z)拆分为多个二阶子系统H_k(z)级联的形式后通过FPGA实现。

$H\left(z\right)=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{H}_k\left(z\right)=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}\frac{b_{k0}+b_{k1}{z}^{-1}+b_{k2}{z}^{-2}}{1+a_{k1}{z}^{-1}+a_{k2}{z}^{-2}}$

根据实际需求确定带通滤波器所需的通带频率、过渡带宽、阻带衰减、采样频率等参数后，能够对N、a、b等参数进行求解。

本系统由于阻带衰减需大于131dB，因此使用8阶IIR椭圆滤波器，传输函数为

$H\left(z\right)=\frac{0.1236-0.0929z^{-1}+...+0.1234z^{-8}}{1.0000-0.9921z^{-1}+...+0.3671z^{-8}}$

最终FPGA实现的IIR滤波器传输函数为

$H\left(z\right)=H\left(z_1\right)\×H\left(z_2\right)\×H\left(z_3\right)\×H\left(z_4\right)$

$=\frac{0.5743+0.7845z^{-1}+0.5743z^{-2}}{1+0.0443z^{-1}+\mathrm{0,6650}{z}^{-2}}\×...\×\frac{0.6580+0.7498z^{-1}+0.6580z^{-2}}{1+0.8431z^{-1}+\mathrm{0,9082}{z}^{-2}}$

④接收控制模块：

所述接收控制模块包括带通滤波模块、解调解码模块和错误校验模块。近钻头无线电磁短传系统的信号接收处理器14要完成接收信号至将数据传输给MWD前的所有信号处理任务，其中包含大量数学运算，对CPU的运算速度有极高要求，因此接收控制模块采用FPGA版CPU。FPGA的外频和主频远高于单片机和DSP，运算速度快，能达到信号处理计算的要求，同时FPGA内部程序可实现并行运行，与单片机相比具有能处理更复杂功能的能力。另一方面，近钻头无线电磁短传系统安装在井下，运行空间狭小，工作环境恶劣。FPGA采用硬件描述语言，能形式化地抽象表示电路的行为和结构，可以借用高级语言的精巧结构对复杂硬件电路进行简化。使用FPGA能够在不影响电路功能的前提下大大缩小集成电路的体积，更适用于井下狭小空间。

通过FPGA编程实现的功能包括：自动增益控制、数字滤波、信号同步运算、数据帧匹配、状态设置、解码、错误校验、SPI总线控制、数据通信等。使用FPGA作为数据处理平台可以大大提高计算速度，并且能够大大简化电路结构，减小电路体积。

采用XILINX的XC3SD1800A作为硬件平台，通过硬件编程语言实现中继器信号处理需要的32位CPU系统，将嵌入式操作系统移植到该CPU中，通过编程实现自动增益控制、数字滤波、信号同步运算、数据帧匹配、状态设置、2DPSK解码、错误校验、SPI总线控制、数据通信等功能。

在实际应用时，所述发射短节总成8安装在钻头上方，接收短节总成5安装在发射短节总成8上方，在发射短节总成8和接收短节总成5之间为螺杆钻具或其它导线无法穿过的仪器或设备6；本发明系统的信号发射机总成和信号接收机总成皆采用座键式固定在发射短节总成8和接收短节总成5内部，仪器上座键15和仪器下座键13不同，仪器上座键15弹簧固定，仪器下座键13安装有定位栓固定仪器防止仪器转动。座键式拆装方便，便于部件更换和升级。所述测量短节9对钻井作业所需的工程参数和地质参数进行测量，然后将采集到的数据传输给信号发射处理器12；所述信号发射处理器12对所述数据进行编码、调制后生成电磁信号，然后通过发射天线7将所述电磁信号输出；所述信号接收处理器14对接收天线4接收到的所述电磁信号进行前置放大、滤波、解调解码的处理后得到还原后的信号，然后将所述还原后的信号传输给上方的随钻测量系统，由随钻测量系统将数据发送至地面接收机2，在地面上还设置有井架1。

本发明使用2DPSK调制信号，误码率更低，同时使用自动增益控制技术实现对井下微弱信号放大倍数的自动调节，即使地层环境改变，采集信号强弱发生变化，仍能维持稳定的放大信号输出，大大提高了传输性能，对不同地层的适应能力较高。

短传是指从钻头的位置到螺杆钻具上方，MWD下方这一段距离之间的信号传输，这部分传输使用电磁无线传输；电磁MWD和泥浆MWD都是用来接收到短传数据后，将数据从井下MWD位置处发给地面的仪器，无论是泥浆还是电磁波，此时都是一种传输方式，目的是向地面长距离传输，和短传不是一个概念。本发明也是螺杆钻具上方只有一个天线，既可供短传系统接收信号，又可以作为电磁MWD的发射天线向地面传输数据。本发明系统中的电源、发射机、接收机、MWD都使用螺纹接头连接在一起，各个仪器非常容易拆卸和更换。如果想用电磁传输，则连接电磁MWD，和接收短节总成使用同一个天线完成短传信号接收和向地面转发；如果想用泥浆脉冲MWD，则拆掉电磁MWD，这个天线只用于接收短传信号，再加装一个泥浆脉冲发生器来产生泥浆脉冲向地面发送信号即可，不用对短传系统进行任何结构上的修改，可以直接接上目前常见的电磁MWD或泥浆脉冲MWD使用，因此本发明的这套短传系统灵活性比较高。

综上所述，本发明系统的体积小、功耗低、功能运行稳定可靠，且与现今所用的MWD如电磁MWD、泥浆MWD等均可兼容，应用范围广泛。本发明应用于油气勘探、开发及煤气层开发中实施定向井、水平井钻井过程中的地质导向或随钻测量，实现井眼轨迹控制。本发明的测量短节安装在靠近钻头位置，能够将近钻头测量短节采集到的真实数据实时传输给MWD，使技术人员时刻掌握地层的真实情况，及时对钻井设计做必要的调整，控制钻头最大化地在油气藏中最有价值的地带钻进，因此该近钻头无线电磁短传系统的应用前景广泛。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种井下近钻头无线电磁波信号短距离传输系统，其特征在于：所述系统包括接收短节总成(5)和发射短节总成(8)；

所述接收短节总成(5)包括钻铤本体(18)和信号接收机，所述信号接收机包括信号接收处理器(14)和电池组(11)，所述信号接收处理器(14)和电池组(11)两部分用螺纹接头连接在一起，然后以座键的方式下放到所述钻铤本体(18)的内部；在钻铤本体(18)外面装有接收天线(4)；所述接收天线(4)通过电缆与信号接收处理器(14)连接；

所述发射短节总成(8)包括无磁钻铤本体(20)和信号发射机，所述信号发射机包括测量短节(9)、信号发射处理器(12)和电池组(11)，所述测量短节(9)、信号发射处理器(12)和电池组(11)三部分用螺纹接头连接在一起，然后以座键的方式下放到无磁钻铤本体(20)的内部，在无磁钻铤本体(20)外面装有发射天线(7)；所述发射天线(7)通过电缆与信号发射处理器(12)连接。

2.根据权利要求1所述井下近钻头无线电磁波信号短距离传输系统，其特征在于：所述发射短节总成(8)和接收短节总成(5)都拥有上下调整接头，用于实现与上部和下部钻具的匹配连接，可根据现场使用的不同的钻柱扣型更换；所述测量短节(9)是将多组传感器集成到一个短节总成中，测量短节(9)中的传感器包括三轴磁场计、三轴加速度计、温度传感器、伽马传感器。

3.根据权利要求2所述井下近钻头无线电磁波信号短距离传输系统，其特征在于：在所述钻铤本体(18)的外表面开有环状凹槽，将绝缘隔层(17)嵌入所述环状凹槽内并与钻铤本体(18)相粘结，然后在绝缘隔层(17)上镶嵌一圈环状金属薄带作为金属带电极(16)，所述金属带电极(16)与绝缘隔层(17)相粘结，金属带电极(16)和钻铤本体(18)构成接收天线(4)的两极；

在无磁钻铤本体(20)的外表面开有环状凹槽，将绝缘隔层(17)嵌入所述环状凹槽内并与无磁钻铤本体(20)相粘结，然后在绝缘隔层(17)上镶嵌一圈环状金属薄带作为金属带电极(16)，所述金属带电极(16)与绝缘隔层(17)相粘结，金属带电极(16)和无磁钻铤本体(20)构成发射天线(7)的两极。

4.根据权利要求3所述井下近钻头无线电磁波信号短距离传输系统，其特征在于：所述金属带电极(16)采用钢或铁镍合金；所述绝缘隔层(17)采用高强度且具有较强粘结强度的玻璃钢、聚四氟乙烯或其它绝缘复合材料。

5.根据权利要求1所述井下近钻头无线电磁波信号短距离传输系统，其特征在于：所述信号接收处理器(14)包括模拟信号前端处理模块、A/D转换模块和接收控制模块；所述接收控制模块包括带通滤波模块、解调解码模块和错误校验模块；所述接收控制模块采用FPGA版CPU；

所述模拟信号前端处理模块能够对接收天线(4)采集到的微弱电磁信号进行自动增益控制和低通滤波；所述A/D转换模块采用16位A/D转换器；所述带通滤波模块采用IIR椭圆带通滤波器。

6.根据权利要求5所述井下近钻头无线电磁波信号短距离传输系统，其特征在于：所述模拟信号前端处理模块包括可编程增益放大器、模拟高通滤波器和SPI总线；一个可编程增益放大器和一个模拟高通滤波器构成一级放大滤波器，三个一级处理放大滤波器依次连接构成三级放大滤波器；FPGA分别通过三个SPI总线控制三个可编程增益放大器的放大倍数；来自信号发射处理器(12)的模拟信号经过三级放大处理、带通滤波后进入A/D转换模块转换成数字信号，所述数字信号再经过接收控制模块处理后传送给随钻测量系统。

7.根据权利要求6所述井下近钻头无线电磁波信号短距离传输系统，其特征在于：所述模拟高通滤波器采用无线增益多级反馈滤波器。

8.根据权利要求1所述井下近钻头无线电磁波信号短距离传输系统，其特征在于：所述信号发射处理器(12)包括前置放大模块、A/D转换模块、发射控制模块、信号发射电路和保护电路；

当信号发射处理器(12)接收到测量短节(9)采集到的数据后，由前置放大模块进行相应的放大、滤波处理后，然后使用A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号，交给发射控制模块进行信号编码、调制，然后由信号发射电路将数据通过发射天线(7)发射出去；所述保护电路对整个发射控制模块进行保护；

所述发射控制模块包括带通滤波模块和编码调制模块，所述发射控制模块使用FPGA版CPU；

所述信号发射电路采用直接耦合的新型功率放大器；所述A/D转换模块采用16位A/D转换器；所述带通滤波模块采用IIR椭圆带通滤波器；

在测量短节(9)与前置放大模块之间还设置有多路复用模块，其从多个传感器发来的多组数据中根据需要选择一组模拟信号交给前置放大模块，保证每时每刻都有且只有一路模拟信号在被处理；在控制模块和信号发射电路之间还设置有隔离单元，来实现低压电路和功率放大器之间的有效隔离，来提高井下系统抗干扰能力。

9.一种使用权利要求1所述井下近钻头无线电磁波信号短距离传输系统的方法，其特征在于：所述方法首先将所述发射短节总成(8)安装在钻头上方、将接收短节总成(5)安装在发射短节总成(8)上方、将随钻测量系统(3)安装在发射短节总成(5)的上方；在发射短节总成(8)和接收短节总成(5)之间为螺杆钻具或其它导线无法穿过的仪器或设备(6)；然后利用所述测量短节(9)对钻井作业所需的工程参数和地质参数进行测量，将采集到的数据传输给信号发射处理器(12)；所述信号发射处理器(12)对所述数据进行编码、调制后生成电磁信号，信号发射处理器(12)通过发射天线(7)发射电磁信号，所述信号接收处理器(14)对接收天线(4)接收到的所述电磁信号进行前置放大、滤波、解调解码的处理后得到还原后的信号，最后将所述还原后的信号传输给上方的随钻测量系统，由随钻测量系统将数据发送至地面接收机。

10.根据权利要求9所述的使用方法，其特征在于：所述信号接收处理器(14)中使用自动增益控制和多级滤波相结合的数字前端处理技术实现对井下微弱信号放大倍数的自动调节，将输出信号维持在非常稳定的强度上。

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