CN106285649A - 地面信号发送装置、井下信号接收装置及数据传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地面信号发送装置、井下信号接收装置及数据传输系统，设置在地面端的地面信号发送装置包括地面控制器、地面发射电路和地面发射天线，控制指令依次经地面控制器和地面发射电路的处理后，通过地面发射天线发射出去。与常规脉冲遥控指令传输方式相比，本发明无须开停泵，不耽误钻进时间，不容易产生误操作，可靠性更高；数据帧结构更灵活、更复杂，能发出的控制命令更多样(传统开停泵只能发固定的几个指令)，可以在钻进过程中实时优化井下执行机构工况和控制其工作，对钻井安全高效有重大的积极意义。另外，本发明结构简单、可靠性高、在国内现有技术水平和加工工艺下容易实现，经现场应用证明，使用效果良好。

Description

地面信号发送装置、井下信号接收装置及数据传输系统

技术领域

本发明涉及油气开发钻井技术领域，尤其涉及一种地面信号发送装置和井下信号接收装置，还涉及一种具有该地面信号发送装置和井下信号接收装置的数据传输系统。

背景技术

随着钻井技术的发展，井下钻具组合中可挂接的工具(仪器)越来越多，为了使这些工具、仪器能按要求可靠稳定地工作，需要随时在地面对它们的执行机构实施远程遥控。如电磁随钻测量仪器，为了优化其工作性能，延长工作时间，可从地面向井下发送一些下行指令，来控制其发射机的工作启动/停止、工作模式、载波频率、延迟时间等；旋转导向工具也需要地面下传指令，控制底部钻具组合的钻进方向；分段压裂时需要控制多级分隔器在不同时间和井段工作等。

目前地面对井下执行机构的遥控方法主要是通过钻井液液压控制，地面司钻通过排列组合不同时间长度和次数的开停泵操作，来代表不同的指令，通过开停泵产生不同效果的钻井液脉冲，使管柱中液柱压力随之发生相应变化。井下执行机构通过监测管柱压力信号，接收脉冲信号，然后将脉冲信号恢复成电信号，从而判断指令的内容。

然而，上述地面对井下执行机构的遥控方法的缺陷在于：首先发送下行指令时操作复杂，对操作时序要求高，容易出现误操作；二是要下传指令时需要停止一切钻进工作，才不会对开停泵操作产生干扰，耽误钻进时间；三是只能依靠不同排列组合发送固定的几个简单指令，实现一些简单操作，指令种类少，结构简单，对井下执行机构的控制效果不好。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有技术中利用钻井液液压控制遥控井下执行机构，发送下行指令时操作复杂，易出现误操作；发送下行指令时会耽误钻进时间；只能实现简单的操作，不能精确控制井下执行机构。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种地面信号发送装置、井下信号接收装置及数据传输系统，能够在钻进过程中随时从地面向井下发送控制指令，控制井下执行机构按现场作业需要工作，而不影响正常的钻井作用，从而实现地面对井下执行机构的实时、可靠地控制。

根据本发明的第一个方面，提供了一种地面信号发送装置，其设置在地面端，其包括依次连接的地面控制器、地面发射电路和地面发射天线，控制指令依次经所述地面控制器和所述地面发射电路的处理后，通过所述地面发射天线发射出去。

优选的是，所述地面发射天线包括均与所述地面发射电路连接的第一埋地电极和第二埋地电极；其中，所述第一埋地电极与井筒的上部钻柱相连，所述第二埋地电极与所述第一埋地电极间隔预设距离。

优选的是，所述第二埋地电极沿所述井筒的井眼轨迹延伸方向设置。

优选的是，所述地面控制器包括：

指令接收单元，设置为接收所述控制指令；

信号编码单元，设置为对所述控制指令进行编码；以及

信号调制单元，设置为对编码后的控制指令进行调制。

优选的是，所述信号编码单元采用帧同步校验的方式对所述控制指令进行编码，并使所述编码后的控制指令包括12位帧同步校验位。

优选的是，所述地面发射电路包括光电隔离电路和功率放大电路；其中，所述地面控制器通过所述光电隔离电路和所述功率放大电路与所述地面发射天线连接。

优选的是，所述地面发射电路还包括连接在所述功率放大电路和所述地面发射天线之间的脉冲变压器。

根据本发明的第二个方面，提供了一种井下信号接收装置，其设置在井下端，其包括依次连接的井下接收天线、井下接收电路和井下控制器；所述井下接收天线接收地面信号发送装置发射的电磁波并将所述电磁波转换为电信号，所述电信号依次经所述井下接收电路和所述井下控制器的处理后输入至井下执行机构。

优选的是，所述井下接收天线包括上接头、下接头以及位于所述上接头和所述下接头之间的绝缘接头，所述上接头与井筒的上部钻柱连接，所述下接头与所述井筒的下部钻柱连接。

优选的是，所述下接头的侧面设置有用于容置的所述井下接收电路和所述井下控制器的凹槽。

优选的是，所述井下接收电路包括增益放大电路、模拟滤波电路和A/D转换电路；其中，所述井下接收天线依次通过所述增益放大电路、模拟滤波电路和A/D转换电路与所述井下控制器连接，所述增益放大电路与所述井下控制器连接。

优选的是，所述井下控制器包括：

数字滤波单元，设置为对所述A/D转换电路输出的数字信号进行滤波；

信号解调单元，设置为对所述数字滤波单元输出的信号进行解调；

信号解码单元，设置为对所述信号解调单元输出的信号进行解码；

数据回放及通信单元，设置为对所述信号解码单元输出的信号进行数据回放，并将所述信号解码单元输出的信号发送给所述井下执行机构；以及

增益控制单元，其与所述增益放大电路连接，设置为调节所述增益放大电路的增益系数。

优选的是，所述信号解码单元包括：

吻合程度获取子单元，设置为获取所述信号解调单元输出的信号中的12位帧同步校验位与预设的比对模板的吻合程度；

确定子单元，设置为在比较出所述吻合程度大于或者等于预设的吻合程度阈值时，确定所述信号解调单元输出的信号通过帧同步校验。

根据本发明的第三个方面，提供了一种具有上述地面信号发送装置和上述井下信号接收装置的数据传输系统。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明所提供的电磁无线传输的方式，与常规脉冲遥控指令传输方式相比，无须开停泵，不耽误钻进时间，不容易产生误操作，可靠性更高；数据帧结构更灵活、更复杂，能发出的控制命令更多样(传统开停泵只能发固定的几个指令)，可以在钻进过程中实时优化井下执行机构工况和控制其工作，对钻井安全高效有重大的积极意义。另外，本发明结构简单、可靠性高、在国内现有技术水平和加工工艺下容易实现，经现场应用证明，使用效果良好。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了本发明实施例数据传输系统的结构示意图；

图2示出了本发明实施例中井下接收天线的结构示意图；

图3示出了图2所示的井下接收天线的A-A向剖视图；

图4示出了本发明实施例地面信号发送装置的原理方框图；以及

图5示出了本发明实施例井下信号接收装置的原理方框图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

为了解决现有技术中利用钻井液液压控制遥控井下执行机构存在的以下缺陷：发送下行指令时操作复杂，易出现误操作；发送下行指令时会耽误钻进时间；只能实现简单的操作，不能精确控制井下执行机构，本发明实施例提供了一种数据传输系统。

图1示出了本发明实施例数据传输系统的结构示意图。参照图1，本实施例数据传输系统包括地面信号发送装置4和井下信号接收装置6。其中，地面信号发送装置4位于井场的地面端，从而能够根据技术人员的需要，随时从地面端向井下执行机构7发送控制指令。该地面信号发送装置4包括地面控制器、地面发射电路和地面发射天线。井下信号接收装置6位于井筒内靠近井下执行机构7的位置，该井下信号接收装置6包括井下接收天线、井下接收电路和井下控制器。

地面信号发送装置4具有的地面发射天线由两个完全相同的、具有导电性的柱状金属电极(即第一埋地电极43和第二埋地电极44)构成，这两个金属电极负责电磁信号的发送。其中，第一埋地电极43埋在钻台2下方的土地里，钻台2位于井架1的下方。该第一埋地电极43与钻台2相连，由于钻台2与井筒内的上部钻柱51相连，因此保证了第一埋地电极43与上部钻柱51的连接。第二埋地电极44埋在钻台2附近的土地里，并且第二埋地电极44与第一埋地电极43间隔预设距离(例如50米及以上)并且优选地沿井筒的井眼轨迹延伸的方向设置。

在本实施例中，第一埋地电极43和第二埋地电极44可以选用但不是唯一能使用以钢或铁镍合金等导体制作的圆柱形金属电极。第一埋地电极43和第二埋地电极44的长度均为40cm、直径均为15mm。第二埋地电极44安装在第一埋地电极43的正北方，两者相隔距离为50m。当然，在本发明的其他实施例中，第一埋地电极43和第二埋地电极44的材质、相关参数及安装间距还可以采用其他方案，本发明不限于此。

此外，第一埋地电极43和第二埋地电极44的埋入地面以下的深度可以根据土壤的干湿程度来确定，从而确保两个埋地电极都具有较小的接地电阻。例如，在干燥土壤中，第一埋地电极43和第二埋地电极44就需要埋得深一些，并且在必要的情况下还可以浇上适量的盐水以降低埋地电极的接地电阻。

本实施例中，第一埋地电极43和第二埋地电极44分别通过同轴线缆与地面发射电路连接。当然，在本发明的其他实施例中，第一埋地电极43和/或第二埋地电极44还可以采用其他合理的方式来与地面发射电路连接，本发明不限于此。

井下信号接收装置6具有的井下接收天线为一个一体化短节，以接收地面信号发送装置4发射的电磁信号。图2和图3分别示出了本实施例中井下接收天线的结构示意图和A-A向剖视图。参照图2和图3，井下接收天线包括上接头611、下接头613以及位于上接头611与下接头613之间的绝缘接头612。上接头611与井筒的上部钻柱51连接，下接头613与井筒的下部钻柱52连接。此外，井下接收天线还包括沿轴向顺次贯通上接头611、绝缘接头612和下接头613的钻井液通道614。

具体地，绝缘接头612内部配装绝缘套管6121，外部覆绝缘固化层6124，丝扣6123之间用绝缘螺纹套6122进行连接。上接头611与上部钻柱51连接，下接头613与下部钻柱52连接。这样，当井下接收天线安装在井筒的钻柱上时，钻柱被井下接收天线的绝缘接头612分隔成上下互相绝缘的两截(即上部钻柱51和下部钻柱52)，从而形成耦合天线的两极。当地面信号发送装置4发射控制指令时，电磁信号通过地层、钻井液、钻柱构成的信道传输，井下接收天线的两极会产生相应的交变激励电压，井下接收天线监测天线两极的电压变化，从而接收到地面信号发送装置4发射的控制指令。

在本实施例中，井下接收天线采用和钻柱相同的材质进行加工，但绝缘接头612的本体外部和丝扣6123处要覆盖陶瓷喷涂层，然后再在外层加覆玻纤涂层，采用140℃高温固化后在表层形成结实的玻璃纤维层，钻井作业中，如果玻纤涂层磨损，可以重复更新固化，而有玻纤涂层保护，也不会伤害到下面的陶瓷绝缘喷涂层，从而有效确保绝缘接头612的可靠性，确保作业正常开展。陶瓷喷涂层和玻纤涂层构成绝缘接头612外部的绝缘固化层6124。

在本实施例中，井下接收天线的下接头613的侧面沿轴向方向开设有若干凹槽6125，凹槽6125用于容置安装井下集成电路(包括井下接收电路和井下控制器)和高温锂电池等。实际作业时，井下集成电路等通过螺丝固定后，使用灌封胶密封保护，然后凹槽6125外加装金属制耐压外壳保护，杜绝冲蚀或井下压力过高造成集成电路的损坏。

从上述描述中可以看出，本实施例中，地面发射天线和井下接收天线均采用了差分连接的方式。由于一般设备认为接地电平是0V的常量。但是实际上，在不同的接地位置处，常常存在不同的电平。两者位置越接近，接地电平就越接近于相同。但是将两者与地连接在一起的话，那么两者之间的电平差会引发一个大电流，即存在接地回路。这也就会使得地面发射天线使用单端连接方式来输入时出错。而利用差分连接的方式则与地无关，这也就能够解决单端模式下所存在的接地问题。

此外，单端模式的输入对噪声错误很敏感。而在差分模式下，如果天线存在噪声，那么两个天线端的噪声将会是相同的，那么通过二者的差值便可以消除噪声的干扰。

当然，在本发明的其他实施例中，在需要的情况下，地面发射天线和井下接收天线也可以采用单端连接的方式，本发明不限于此。

图4示出了本实施例地面信号发送装置4的结构示意图。如图4所示，本实施例所述的地面信号发送装置4主要包括地面控制器41、地面发射电路42和由第一埋地电极43和第二埋地电极44构成的地面发射天线。地面控制器41通过地面发射电路42连接地面发射天线。

本实施例地面信号发送装置4工作时，首先PC机3将工作人员输入的控制指令发送给地面控制器41，该控制指令依次经地面控制器41和地面发射电路42的处理后输入至地面发射天线，由地面发射天线将处理后的控制指令转换为电磁信号，并将该电磁信号发送至井下信号接收装置6处。

本实施例利用无线传输的方式实时地将工作人员的控制指令发送给井下信号接收装置6，由井下信号接收装置6转发给井下执行机构7，以实时地控制井下执行机构7，具有实时性强、不占用钻井时间、操作方便等特点，并且能够及时优化井下执行机构7的工作状态，保持井下执行机构7始终工作在最佳状态，实现了对井下执行机构7的精确控制，提高了钻井效率。

本实施例中，地面信号发送装置4在向井下信号接收装置6发送信号时，还会确定信号的发射功率。由于仪器使用高温锂电池供电，因此天线的激励源是电压源，从而为了得到埋地电极在钻柱上产生的感应电流的分布情况，就需要利用埋地电极的输入阻抗来计算激励电流。

第一埋地电极43连接在钻台2上，也就相当于第一埋地电极43与上部钻柱52连接在一起，属于终端开路的情况。因此，第一埋地电极43的输入阻抗Z_T1可以根据表达式Z_T1＝Z₀₁·cth(γ·h)计算得到。其中，Z₀₁表示第一埋地电极43与上部钻柱51这一整体的单位长度的特性阻抗，γ表示传播常数，h表示井下信号接收装置6到地面的距离。

其中，特性阻抗Z₀₁可以根据如下表达式计算得到：

$Z_{01}={\left(\frac{\frac{{\mathrm{\ρ}}_m}{2\mathrm{\πb\ζ}(1-\frac{\mathrm{\ζ}}{2d})}+\mathrm{j\ω}\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\π}}\ln \left(\frac{d}{b}\right)}{j2\mathrm{\π\ω}{[{({\mathrm{\ϵ}}_1-j\frac{{\mathrm{\σ}}_1}{\mathrm{\ω}})}^{-1}\ln \left(\frac{b_1}{b}\right)+{({\mathrm{\ϵ}}_2-j\frac{{\mathrm{\σ}}_2}{\mathrm{\ω}})}^{-1}\ln \left(\frac{d}{b_1}\right)]}^{-1}}\right)}^{1/2}.$

其中μ₀为地层磁导率，σ₁为泥浆电导率，σ₂为地层电导率，b为钻柱的半径，b₁为钻柱加泥浆层的半径，为钻柱的壁厚，ρ_m为m层地层电阻率，ε₁为泥浆介电常数，ε₂为地层介电常数，ω是发射信号载波频率转换得到的角频率，d是第一埋地电极43与第二埋地电极44之间的距离。

第二埋地电极44插入地层中，其几何尺寸远小于地层媒质的趋肤深度，因此根据净静场法，第二埋地电极44的输入阻抗Z_T2可以根据计算得到。其中，l和r分别表示第二埋地电极44的长度和半径，σ₂表示地层电导率，K表示传播波数，同下文中的k₁。

整个地面天线模块的输入阻抗Z则可以根据Z＝Z_T1+Z_T2计算得到。

此时，埋地电极发射电磁信号时，在钻柱上的下行信号引起的激励电流分布为：其中，I₀表示施加在地面发射天线上的激励电流，其可以根据施加在地面发射天线上的电压V₀和地面发射天线的输入阻抗Z计算得到。

当地面发射天线在钻柱上施加一个激励信号后，通过表达式便可以知道钻柱上的电流分布。如果将钻柱视为若干最小化的小段的组合，那么每一小段就都可以等效为一个垂直的电偶极子。在井下信号接收装置6的位置处会产生一个感应电场，将每一小段的电流值沿钻柱积分可以得到井下信号接收装置6所处位置处的电场分量E。本实施例中，电场分量E可以根据如下表达式计算得到：

$E_{\mathrm{\ρ}}\left(\mathrm{\ρ}\right)=\frac{\mathrm{j\ω}{\mathrm{\μ}}_{0}l{V}_0}{2\mathrm{\π}{k}_1^{2}Z(1-e^{-2\mathrm{\γh}})}\underset{0}{\overset{h_1}{\∫}}\left\{\right[e^{-\mathrm{\γz}}-e^{-\mathrm{\γ}(2h-z)}]\·e^{\mathrm{jbk}(h-z)}\·\frac{3\mathrm{a\ρ}(h-z)}{{({\mathrm{\ρ}}^2+a^2{(h-z)}^2)}^{5/2}}\}\mathrm{dz}.$

其中，k₁为传播波数，其可以根据表达式计算得到。

井下信号接收装置6接收到的感应电压则可以由电场分量E环绕其天线的闭合积分计算得到，即：

地面信号发送装置4由此可以确定出下行信号的发射功率，从而避免信号发射功率过低、发射的信号强度过弱、传输距离过短等问题，这样也就避免了井下信号接收装置6无法接收到地面的控制指令的情况出现。

本实施例中，地面信号发送装置4发射的电磁信号由于经过长距离的地层衰减，因此井下信号接收装置6能够接收到的信号强度非常微弱，通常为毫伏级。而为了尽可能增大下行指令的传输深度，地面信号发送装置4产生的发射信号的功率需要很大，通常为几十伏。这样，地面信号发送装置4在发射信号时产生的强电压和强电流就会对地面发射电路42造成冲击，导致地面发射电路42的电压和电流超出芯片的上限，使得装置无法正常工作甚至发生损坏。

为了解决上述问题，本实施例所提供的地面信号收发装置采用了有效的强、弱信号隔离措施，从而保证了装置内地面发射电路42的安全。具体地，如图4所示，地面发射电路42包括光电隔离电路421和功率放大电路422，地面控制器41通过光电隔离电路421和功率放大电路422与地面发射天线连接。本实施例在功率放大电路422(地面控制器41输出的弱信号经功率放大电路422才变成强信号的)和地面控制器41之间加入光电隔离电路421，避免了强信号对弱信号电路产生的感应干扰。具体实施过程中，光电隔离电路421可由光电耦合器组成。

本实施例所提供的地面信号发送装置4通过设置光电隔离电路421实现了强弱信号的隔离，从而避免了强信号电路与弱信号电路的直接接触，避免了强信号对弱信号电路的干扰和冲击，提高了系统的抗干扰能力的同时，保证了弱信号电路的可靠性和安全性。

另外，功率放大电路422可采用但不是唯一能使用IGBT器件，功率放大器将双极性脉冲输入至地面发射天线。初始状态时，两路脉冲输入为高电平，此时功率放大器为开路状态，无输出。由于第一埋地电极43和第二埋地电极44的输入阻抗会随地层电阻率的变化而变化，因此在本发明一优选的实施中，使用脉冲变压器423实现功率放大电路422与地面发射天线的匹配。即，地面发射电路42还包括连接在功率放大电路422和地面发射天线之间的脉冲变压器423。

本实施例中，仍参照图4，地面控制器41包括依次连接的指令接收单元411、信号编码单元412和信号调制单元413。指令接收单元411设置为接收PC机3发出的各种针对井下执行机构7的控制指令。信号编码单元412设置为对控制指令进行编码，信号编码单元412与井下信号接收装置6的信号解码单元相对应，两者共同完成数据传输的编码与解码。信号调制单元413设置为对编码后的控制指令进行调制，信号调制单元413与井下信号接收装置6的信号解调单元相对应，两者共同完成数据传输的调制与解调。

具体地，地面控制器41可使用高温单片机、DSP、FPGA等高温嵌入式芯片作类CPU处理器，依靠编程实现用户指令接收、信号编码和信号调制等工作。特别地，地面控制器41例如为Xilinx公司的Spartan6芯片。Spartan6为低功耗FPGA，最高工作温度125℃，数据处理能力和工作性能满足应用需求，支持SPI、串口、USB等多种总线结构。

为使井下信号接收装置6接收控制指令时能获取最大的信噪比增益信号，采用卷积码编码、帧同步校验和差分译码来保证数据传输的可靠性。卷积码编解码比较简单，并具有较好的纠错能力，被认为是最实用的最优编译码方式，非常适合下行信道使用。

传输时采用的帧结构为：帧同步校验位(12位)+数据1/指令1(8位)+数据2/指令2+数据3/指令3……+CRC校验(3位)+帧结束位(1位)。其中，帧同步校验位是一个12位的、由码元0和1组成的固定数列，在地面信号发送装置4和井下信号接收装置6中都已预设了相同数列组成的比对模板，当接收到传输来的电磁信号时，将数据帧的前12位和预设的比对模板进行比较，如果吻合程度超过预设的阈值，那就认为通过了帧同步校验。通过帧同步校验后，将继续比对CRC校验位，两个校验同时通过，才证明数据传输的时候没有出现误码或漏码，传输的控制指令是准确可靠的。

帧同步校验位过多，会造成数据处理量过大，超过CPU芯片处理能力，帧同步校验位过少，会造成校验不准，有时即使存在误码也能通过校验。通过多次反复试验，最终确定12位的同步校验模板是合适的。

当然，在本发明的其他实施例中，帧同步校验位的个数还可以采用其他合理值，例如10～15范围内的其他值等，本发明不限于此。此外，需要说明的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，帧的结构还可以采用其他合理形式，本发明同样不限于此。

电磁波在地层中传输时很容易发生幅度衰减和频散现象，使用幅度和频移键控的调制方式容易发生干扰。针对上述问题，本实施例中，信号调制单元413采用差分移相键控(即2DPSK)的方式进行调制，并且解调方式采用差分相干解调。与2PSK相比，2DPSK消除了2PSK中的“л”现象。而从其差分相干解调的误比特率曲线来看，由于2DPSK的差分相干解调不需要恢复载波，其相对2PSK的差分相干解调更容易实现，有助于降低系统的复杂程度。因此，本实施例中，调制方式采用2DPSK作为信号调制方式，解调采用差分相干解调。这种调制方式只有两个码元值0和1，依靠不同的排列组合方式来构成不同的指令。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，还可以采用其他合理的方式来进行调制和解调，本发明不限于此。

为了尽可能增加信号的传输深度并减小电磁信号在地层中的衰减，本实施例中，根据趋肤效应和电磁波的特性，采用极低频来作为控制指令传输的载波频率。其中，载波频率可以在3～20Hz之间选择。

另外，由于地面信号发送装置4设置在井场的地面端，因此地面信号发送装置4可以采用220V交流电进行供电，其也就不存在功耗和供电的问题。因此，地面信号发送装置4可以选择较大的发射功率(例如200W)，以便下行信号强度尽可能大，从而增大下行信号的传输距离。

需要说明的是，地面信号发送装置4的发射功率还可以根据实际的井场和钻井情况进行确定，本发明不限于此。

综上所述，地面信号发送装置4的工作原理如下：当地面控制器41的CPU芯片接收到PC机3发出的各种针对井下执行机构7的遥控指令后，通过编程实现对应指令的编码、调制和工作电流控制将其转化为电信号，然后通过功率放大电路422将地面控制器41输出的电信号放大到适合的强度，随后通过第一埋地电极43和第二埋地电极44将放大后的电信号转化为电磁信号，并将该电磁信号向井下发送出去。

至此地面信号发送装置4便完成了控制指令及相关数据的下行传输。

图5示出了本实施例所提供的井下信号接收装置6的结构示意图。如图5所示，本实施例所提供的井下信号接收装置6包括井下接收天线61、井下接收电路62和井下控制器63。井下接收天线61依次通过井下接收电路62和井下控制器63与井下执行机构7连接。井下接收天线61接收地面信号发送装置4发射的电磁波并将电磁波转换为电信号，电信号依次经井下接收电路62和井下控制器63的处理后输入至井下执行机构7。

本实施例井下信号接收装置6工作时，首先井下接收天线61接收地面信号发送装置4发射的电磁信号，并将该电磁信号转换为电信号；然后该电信号依次经井下接收电路62和井下控制器63的处理后，得到用于控制井下执行机构7的控制信号。

本实施例利用无线传输的方式实时地接收来自地面信号发送装置4发射的电磁信号，并利用根据该电磁信号得到的控制信号实时地控制井下执行机构7，具有实时性强、不占用钻井时间、操作方便等特点，并且能够及时优化井下执行机构7的工作状态，保持井下执行机构7始终工作在最佳状态，实现了对井下执行机构7的精确控制，提高了钻井效率。

在本实施例中，仍参照图4，井下接收电路62包括增益放大电路621、模拟滤波电路622和A/D转换电路623。其中，井下接收天线61依次通过增益放大电路621、模拟滤波电路622和A/D转换电路623与井下控制器63连接，增益放大电路621与井下控制器63连接。这样，当井下接收天线61接收到地面信号发送装置4发射的电磁信号并将该电磁信号转换为电信号时，由井下接收电路62对该电信号进行相应的放大、模拟滤波处理后，使用A/D转换电路623将信号转换为数字信号，并将该数字信号发送给井下控制器63做进一步处理。

在本实施例中，井下控制器63包括依次连接的数字滤波单元631、信号解调单元632、信号解码单元633、数据回放及通信单元634和增益控制单元635。其中，数字滤波单元631设置为对A/D转换电路623输出的数字信号进行数字滤波。信号解调单元632设置为对数字滤波单元631输出的信号进行解调。信号解码单元633设置为对信号解调单元632输出的信号进行解码。数据回放及通信单元634，设置为对信号解码单元633输出的信号进行数据回放，并将信号解码单元633输出的信号发送给井下执行机构7。增益控制单元635与增益放大电路621连接，该增益控制单元635设置为调节增益放大电路621的增益系数。

这样，当井下控制器63接收到井下接收电路62发送的数字信号时，井下控制模块的CPU芯片对该数字信号进行数字滤波、信号解调、信号解码校验等处理，以将该数字信号还原为地面原始指令，然后通过数据回放及通信单元634将还原后的指令发送给各井下执行机构7。需要指出的是，如果传输到井下的电磁信号强度过小而导致井下控制器63无法正确还原出地面信号发送装置4发送来的原始指令的话，井下控制器63则会通过总线来控制井下接收电路62中的增益放大电路621对其自身的功率放大倍数进行调整，以使得井下接收电路62接收到的信号得以进一步增大，从而正确还原出地面原始指令。

在本实施例中，井下控制器63可使用高温单片机、DSP、FPGA等高温嵌入式芯片作为CPU处理器，依靠编程实现数字滤波、信号解码、信号解调校验和增益控制等工作。特别地，井下控制器63例如为Xilinx公司的Spartan6芯片。Spartan6为低功耗FPGA，最高工作温度125℃，数据处理能力和工作性能满足应用需求，支持SPI、串口、USB等多种总线结构。

与地面信号发送装置4的信号编码单元412相对应地，本实施例中，信号解码单元633采用差分译码的方式来对数据进行译码。类似地，与地面信号发送装置4的信号调制单元413相对应地，信号解调单元632采用差分相干解调的方式对数据进行解调。

至此，井下信号接收装置6便完成了对来自地面的电磁信号的接收。

从上述描述中可以看出，本实施例所提供的数据传输系统能够实现地面信号发送装置4与井下信号接收装置6之间的数据无线传输，可以根据技术人员的需要，随时从地面向井下执行机构7发送控制指令。

另外，本发明涉及的装置结构简单，实现容易，可靠性高，在国内现有技术和加工条件下非常容易实现，已通过现场应用验证其性能和可靠性。通过现场应用，成功的使用该方法控制了井下电磁随钻测量仪的关停和载波频率修改和井下冲击器的关停。当然，该发明可控制的井下执行机构7并不仅限于电磁随钻测量仪和冲击器的执行机构，可以涵盖。验证结果表明，本发明够根据需要随时实现地面向井下的下行电磁遥控信号发射，从而实现井下执行机构7工作性能优化和工况调整。

综上所述，本发明所提供的电磁无线传输的方式，与常规脉冲遥控指令传输方式相比，无须开停泵，不耽误钻进时间，不容易产生误操作，可靠性更高；数据帧结构更灵活、更复杂，能发出的控制命令更多样(传统开停泵只能发固定的几个指令)，可以在钻进过程中实时优化井下执行机构7工况和控制其工作，对钻井安全高效有重大的积极意义。另外，本发明结构简单、可靠性高、在国内现有技术水平和加工工艺下容易实现，经现场应用证明，使用效果良好。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

为了方便，在此使用的多个项目、结构单元、组成单元和/或材料可出现在共同列表中。然而，这些列表应解释为该列表中的每个元素分别识别为单独唯一的成员。因此，在没有反面说明的情况下，该列表中没有一个成员可仅基于它们出现在共同列表中便被解释为相同列表的任何其它成员的实际等同物。另外，在此还可以连同针对各元件的替代一起来参照本发明的各种实施例和示例。应当理解的是，这些实施例、示例和替代并不解释为彼此的等同物，而被认为是本发明的单独自主的代表。

此外，所描述的特征、结构或特性可以任何其他合适的方式结合到一个或多个实施例中。在上面的描述中，提供一些具体的细节，例如长度、宽度、形状等，以提供对本发明的实施例的全面理解。然而，相关领域的技术人员将明白，本发明无需上述一个或多个具体的细节便可实现，或者也可采用其它方法、组件、材料等实现。在其它示例中，周知的结构、材料或操作并未详细示出或描述以免模糊本发明的各个方面。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (14)

1.一种地面信号发送装置，其特征在于，所述地面信号发送装置设置在地面端，其包括依次连接的地面控制器、地面发射电路和地面发射天线，控制指令依次经所述地面控制器和所述地面发射电路的处理后，通过所述地面发射天线发射出去。

2.根据权利要求1所述的地面信号发送装置，其特征在于，所述地面发射天线包括均与所述地面发射电路连接的第一埋地电极和第二埋地电极；其中，所述第一埋地电极与井筒的上部钻柱相连，所述第二埋地电极与所述第一埋地电极间隔预设距离。

3.如权利要求2所述的地面信号发送装置，其特征在于，所述第二埋地电极沿所述井筒的井眼轨迹延伸方向设置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的地面信号发送装置，其特征在于，所述地面控制器包括：

指令接收单元，设置为接收所述控制指令；

信号编码单元，设置为对所述控制指令进行编码；以及

信号调制单元，设置为对编码后的控制指令进行调制。

5.根据权利要求4所述的地面信号发送装置，其特征在于，所述信号编码单元采用帧同步校验的方式对所述控制指令进行编码，并使所述编码后的控制指令包括12位帧同步校验位。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的地面信号发送装置，其特征在于，所述地面发射电路包括光电隔离电路和功率放大电路；其中，所述地面控制器通过所述光电隔离电路和所述功率放大电路与所述地面发射天线连接。

7.根据权利要求6所述的地面信号发送装置，其特征在于，所述地面发射电路还包括连接在所述功率放大电路和所述地面发射天线之间的脉冲变压器。

8.一种井下信号接收装置，其特征在于，所述井下信号接收装置设置在井下端，其包括依次连接的井下接收天线、井下接收电路和井下控制器；所述井下接收天线接收地面信号发送装置发射的电磁波并将所述电磁波转换为电信号，所述电信号依次经所述井下接收电路和所述井下控制器的处理后输入至井下执行机构。

9.根据权利要求8所述的井下信号接收装置，其特征在于，所述井下接收天线包括上接头、下接头以及位于所述上接头和所述下接头之间的绝缘接头，所述上接头与井筒的上部钻柱连接，所述下接头与所述井筒的下部钻柱连接。

10.根据权利要求9所述的井下信号接收装置，其特征在于，所述下接头的侧面设置有用于容置的所述井下接收电路和所述井下控制器的凹槽。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的井下信号接收装置，其特征在于，所述井下接收电路包括增益放大电路、模拟滤波电路和A/D转换电路；其中，所述井下接收天线依次通过所述增益放大电路、模拟滤波电路和A/D转换电路与所述井下控制器连接，所述增益放大电路与所述井下控制器连接。

12.根据权利要求11所述的井下信号接收装置，其特征在于，所述井下控制器包括：

数字滤波单元，设置为对所述A/D转换电路输出的数字信号进行滤波；

信号解调单元，设置为对所述数字滤波单元输出的信号进行解调；

信号解码单元，设置为对所述信号解调单元输出的信号进行解码；

数据回放及通信单元，设置为对所述信号解码单元输出的信号进行数据回放，并将所述信号解码单元输出的信号发送给所述井下执行机构；以及

增益控制单元，其与所述增益放大电路连接，设置为调节所述增益放大电路的增益系数。

13.根据权利要求12所述的井下信号接收装置，其特征在于，所述信号解码单元包括：

吻合程度获取子单元，设置为获取所述信号解调单元输出的信号中的12位帧同步校验位与预设的比对模板的吻合程度；

确定子单元，设置为在比较出所述吻合程度大于或者等于预设的吻合程度阈值时，确定所述信号解调单元输出的信号通过帧同步校验。

14.一种数据传输系统，其特征在于，包括：

如权利要求1至7中任一项所述的地面信号发送装置；以及

如权利要求8至13中任一项所述的井下信号接收装置。