CN106297223A - 地面信号收发装置、井下信号收发装置和数据传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地面信号收发装置、井下信号收发装置和数据传输系统，其中，地面信号收发装置设置在钻井的地面端，包括：地面天线模块，其用于将接收到的来自井下的电磁信号转换为电信号，以及将携带地面信息的电信号转换为电磁信号并向井下发送；收发切换模块，其与地面天线模块连接；第一信号接收电路和第一信号发送电路，其分别与收发切换模块连接；第一数据处理模块，其与第一信号接收电路和第一信号发送电路连接；其中，收发切换模块对第一信号接收电路和第一信号发送电路进行隔离。该系统能够实现地面设备与井下设备之间的数据双向传输，无须开停泵，不耽误钻进时间，不容易产生误操作。

Description

地面信号收发装置、井下信号收发装置和数据传输系统

技术领域

本发明涉及油气勘探开发技术领域，具体地说，涉及地面信号收发装置、井下信号收发装置和数据传输系统。

背景技术

随钻测量是定向井、水平井施工中一项关键技术手段。目前，普遍采用的随钻信息传输方法主要有钻井液压力脉冲编码式MWD(或称常规MWD)和电磁信号调制的方式(EM-MWD)，并且一般情况下只进行单向的信息传输，即将测量数据调制在钻井液压力脉冲波或电磁信号上由井下传输到地面，这一过程也称为上行传输。为了在钻井过程中改变井下仪器或执行机构的工作状态，现有的MWD或EM-MWD通常都配有辅助的下行传输链路，从而将地面的信息或指令传输到井下仪器或执行机构。

目前国内外普遍使用的MWD或EM-MWD随钻测量仪器，地面到井下的下行信息传输链路采用的传输方式主要有以下三种或他们的组合：

1)开停泵或改变泵速序列组合方式

这种方式是通过按预先规定的开停泵时间组合序列来控制钻机的钻井液循环泵的开泵和停泵，井下仪器则通过相应的传感器识别出开停泵序列来接收地面下传的信息获指令，达到控制井下仪器的目的。

但这种钻井液脉冲下传方式由于传输介质的限制，也和钻井液脉冲随钻测量仪器一样，在含砂量大、含堵漏材料、气体、泡沫、充气等钻井液环境中无法正常进行数据传输。同时，这种下传方式需要技术人员多次开停泵，并严格控制每次开停泵时间，存在操作复杂、单次操作时间长以及传输速度慢的缺点，并且这种方式的下行传输链路只能传递有限的几个指令，不能进行复杂指令或连续的信息传输。

2)钻井液压力脉冲编码方式

这种方式利用安装在地面钻井液循环管路立管上专用的压力脉冲发生器来有规律的改变钻柱中钻井液的压力波形，下传的信息或指令调制在压力波上，井下仪器通过加速度或压力等传感器来接收地面的信息或指令实现下行传输链路。此方式只能单独使用下行传输链路或采取其他方法先关闭井下上行传输链路的脉冲发生器才能正常工作，否则将相互干扰无法传递信息。

3)改变钻柱旋转速度的方式

这种下行传输链路的工作原理与开停泵、改变泵速序列组合方式的工作原理相同，只是传输信息的载体变成不同速度的钻柱转速而已，同样也只能传递有限的几个指令，不能进行复杂指令或连续的信息传输。

发明内容

为解决上述问题，本发明首先在一个实施例中提供了一种地面信号收发装置，所述地面信号收发装置设置在钻井的地面端，其包括：

地面天线模块，其用于将接收到的来自井下的电磁信号转换为电信号，以及将携带地面信息的电信号转换为电磁信号并向井下发送；

收发切换模块，其与所述地面天线模块连接；

第一信号接收电路和第一信号发送电路，其分别与所述收发切换模块连接；

第一数据处理模块，其与所述第一信号接收电路和第一信号发送电路连接；

其中，所述收发切换模块对所述第一信号接收电路和第一信号发送电路进行隔离，其在所述第一数据处理模块的控制下导通地面天线模块与第一信号接收电路之间的连接以完成信号的接收过程，或是导通地面天线模块与第一信号发送电路之间连接以完成信号的发送过程。

根据本发明的一个实施例，

当存在待发送地面数据时，所述第一数据处理模块产生发送切换信号，以控制所述收发切换模块将地面天线模块与第一信号发送电路之间的连接导通，所述第一数据处理模块将所述待发送地面数据进行处理后传输给所述第一信号发送电路，并由所述第一信号发送电路进一步处理后传输给所述地面天线模块；

当不存在待发送地面数据时，所述第一数据处理模块产生接收切换信号，以控制所述收发切换模块将地面天线模块与第一信号接收电路之间的连接导通，所述第一信号接收电路将来自地面天线模块的信号进行处理后传输给所述第一数据处理模块，以由所述第一数据处理模块分析得到所需要的井下数据。

根据本发明的一个实施例，所述地面天线模块包括与所述收发切换模块连接的第一埋地电极和第二埋地电极，其中，所述第一埋地电极设置在钻井的井口附近或连接到井口的相应装置上，所述第二埋地电极与所述第一埋地电极间隔预设距离。

根据本发明的一个实施例，所述第一信号接收电路包括：

第一信号放大电路，其用于对来自所述收发切换模块的电信号进行调理放大；

第一模拟滤波电路，其用于对来自所述第一功率放大电路的电信号进行滤波；

第一模数转换电路，其用于将来自所述第一模拟滤波电路的电信号进行模数转换，并将转换得到的数字信号传输给所述第一数据处理模块。

根据本发明的一个实施例，所述第一信号放大电路在所述第一数据处理模块的控制下调整信号的放大倍数。

根据本发明的一个实施例，所述第一信号发送电路包括：

第一光电隔离电路，其与所述第一数据处理模块连接；

第一功率放大电路，其连接在所述第一光电隔离电路与收发切换模块之间。

根据本发明的一个实施例，所述第一数据处理模块包括：

第一信号解调单元，其用于对来自所述第一信号接收电路的信号进行解调；

第一数据解码单元，其用于对来自所述第一信号解调模块的信号进行解码，得到所需要的井下数据；

第一数据编码单元，其用于对待发送地面数据进行编码；

第一信号调制单元，其用于对编码后的待发送地面数据进行调制，并将调制后的信号传输到所述第一信号发送电路。

本发明还提供了一种井下信号收发装置，所述井下信号收发装置包括：

井下天线模块，其用于将接收到的的电磁信号转换为电信号，以及将接收到的电信转换为电磁信号并向外发送；

天线耦合器，其与所述井下天线模块连接，用于对天线耦合器两端的电信号进行阻抗匹配及隔离；

第二信号接收电路，其与所述天线耦合器连接；

第二信号发送电路，其与所述井下天线模块连接；

第二数据处理模块，其与所述第二信号接收电路和第二信号发送电路连接，用于对来自所述第二信号接收电路的信号进行分析处理以得到所需要的地面数据，还用于对待发送井下数据进行处理后传输给所述第二信号发送电路，并由所述第二信号发送电路进行进一步处理后传输给所述井下天线模块。

根据本发明的一个实施例，所述井下天线模块包括：上接头、下接头以及位于所述上接头和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。

根据本发明的一个实施例，所述第二信号接收电路包括：

第二信号放大电路，其用于对来自所述天线耦合器的电信号进行调理放大；

第二模拟滤波电路，其用于对来自所述第二信号放大电路的电信号进行滤波；

第二模数转换电路，其用于将来自所述第二模拟滤波电路的电信号进行模数转换，并将转换得到的数字信号传输给所述第二数据处理模块。

根据本发明的一个实施例，所述第二信号放大电路在所述第二数据处理模块的控制下调整自身的输出功率。

根据本发明的一个实施例，所述第二信号发送电路包括：

第二光电隔离电路，其与所述第二数据处理模块连接；

第二功率放大电路，其连接在所述第二光电隔离电路与井下天线模块之间。

根据本发明的一个实施例，所述第二数据处理模块包括：

第二信号解调模块，其用于对来自所述第二信号接收电路的信号进行解调；

第二数据解码模块，其用于对来自所述第二信号解调模块的信号进行解码，得到所需要的地面数据；

第二数据编码模块，其用于对待发送井下数据进行编码；

第二信号调制模块，其用于对编码后的待发送井下数据进行调制，并将调制后的信号传输到所述第二信号发送电路。

本发明还提供了一种数据传输系统，所述数据传输系统包括：

如上任一项所述的地面信号收发装置；

如上任一项所述的井下信号收发装置。

本发明所提供的数据传输系统能够实现地面设备与井下设备之间的数据双向传输，可以使得地面设备在钻井作业过程中实时接收井下测量到的工程、地质信息，并实时显示给现场技术人员。该方法还可以根据技术人员的需要，随时从地面向井下仪器发送电磁指令。

本发明所提供的数据传输系统采用电磁无线传输的方式，与常规脉冲传输方式相比，无须开停泵，不耽误钻进时间，不容易产生误操作。此外，本发明所提供的数据传输方法传输数据的数据帧结构更灵活、更复杂，能发出的控制命令更多样，能够在钻进过程中实时优化井眼轨迹和井下仪器工况，对井眼轨迹控制精度和钻井安全有重大的积极意义。

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

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的数据传输系统的示意图；

图2是根据本发明一个实施例的地面天线模块的分布示意图；

图3是根据本发明一个实施例的地面信号收发装置的结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的井下信号收发装置的结构示意图。

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。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

定向井、水平井钻井是目前油气勘探开发的主要手段，对于这些钻井来说，检测井眼轨迹的随钻测量仪器是必须的设备，目前国内外主要使用的是MWD或EM-MWD这两种随钻测量仪器。在钻井施工过程中，一般随钻测量仪器每次入井都需要在井下工作几十到几百小时，在此过程中随钻测量仪器不断地通过上行传输链路将井下的测量数据传递到地面，定向钻井工程师依据这些数据才能控制井眼轨迹。

随着井深的加大或地层的变化，有时需要改变井下仪器的工作状态或参数才能更好的适应随钻测量的需要，此时就需要停止钻井工作，利用现有的三种或其组合的下行传输链路向井下仪器传递新的工作指令和相关信息。此类方法需要占用钻井时间并依赖钻机设备的性能才能将地面信息下传到井下仪器，指令或信息传输需要的时间少则十几分钟多则几十分钟，实时性较差。

另一类需要地面到井下传输信息或指令的仪器是具有井下执行机构的随钻测量仪器，如旋转导向设备等。这类仪器通常需要根据井下地层情况修改设定的井眼轨迹参数、造斜率等参数，再由井下仪器自动编程实现井眼轨迹自动导向，以适应地层的变化，采用目前的下行传输方法效率较低，也无法保证指令下达的实时性。

针对现有方法存在的问题，本发明提出了一种以电磁信号为载体的地面和井下设备之间的双向数据传输系统，以在钻井过程中实现井下工具仪器与地面仪器之间的的实时双向信息传输，具有的实时性强、不占用钻井时间、操作方便、不受钻井介质影响等特点，并且能够及时优化井下工具仪器的状态，从而保持井下仪器始终工作在最佳状态，提高钻井效率。

图1示出了本实施例所提供的信号收发系统的结构示意图。

如图1所示，本实施例所提供的信号收发系统包括地面信号收发装置和井下信号收发装置。其中，地面信号收发装置设置在井场的地面处，其包括地面天线模块和地面信号处理模块102。井下信号收发装置设置在井筒105靠近钻头的位置处，其包括井下天线模块和井下信号处理模块106。

地面天线模块由两个完全相同的、具有导电性的柱状金属电极(即第一埋地电极103和第二埋地电极104)构成，这两个金属电极既负责电磁信号信号的发送，也负责电磁信号信号的接收。

其中，本实施例中，为了现场操作的方便，第一埋地电极103设置在井架101的井口附近的地面上(例如与井口之间的距离小于20米)，第二埋地电极104与第一埋地电极103间隔预设距离(例如30米以上)并且沿钻井的井眼轨迹延伸的方向设置。需要说明的是，在本发明的其他实施例中，第一埋地电极和/或第二埋地电极还可以设置在其他合理位置处，本发明不限于此。例如在本发明的一个实施例中，第一埋地电极也可以直接连接到井口的相应装置(例如防喷器组或钻机井架)上。

本实施例中，第一埋地电极104和第二埋地电极的长度均大于40cm、直径均大于10mm。当然，在本发明的其他实施例中，第一埋地电极103和第二埋地电极104的相关参数还可以采用其他合理值，本发明不限于此。

此外，第一埋地电极103和第二埋地电极104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103和第二埋地电极104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103和第二埋地电极104分别通过同轴线缆与地面信号处理模块102连接。当然，在本发明的其他实施例中，第一埋地电极103和/或第二埋地电极104还可以采用其他合理的方式来与地面信号处理模块102连接，本发明不限于此。

本实施例中，地面信号处理模块102装配在一个工程塑料仪器箱中，仪器箱的面板上安装有与地面天线模块、工控计算机、司钻显示器连接的电气连接插座。当然，在本发明的其他实施例中，地面信号处理模块102还可以采用其他合理的装配方式，本发明同样不限于此。

图2示出了本实施例中地面天线模块的分布示意图。从图2中可以看出，这两个埋地电极之间距离d。需要说明的是，如果地面天线模块包含有2个以上埋地电极的话，那么还要使得第一埋地电极与钻柱之间呈一角度θ。

井下信号收发装置所包含的井下天线模块能够将接收到的电磁信号转换为电信号，其还能够将来自井下信号处理模块106的电信号转换为电磁信号并向外发送。其中，本实施例中，井下天线模块包括了上接头107、下接头109以及位于上接头107与下接头109之间的绝缘接头108。上接头107与井筒110的上部钻柱110连接，下接头109与井筒110的下部钻柱111连接。

本实施例中，上接头107和下接头109的制造按照石油工具标准要求进行加工，包括材料选择、扣型和强度均要符合API标准要求。中间的绝缘接头108的本体采用了与上接头107和/或下接头109相同的金属材料，其本体的内外表面喷涂有绝缘涂层以实现电气绝缘。具体地，本实施例中，绝缘接头108两端的电阻大于50k欧姆。当然，在本发明的其他实施例中，绝缘接头108还可以采用其他合理的方式来实现，本发明不限于此。

从上述描述中可以看出，本实施例中，地面天线模块和井下天线模块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。但是将两者的地连接在一起的话，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。这也就会使得天线模块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，地面天线模块和井下井下天线模块也可以采用单端连接的方式，本发明不限于此。

本实施例中，井下信号处理模块106装配在仪器总成内部，仪器总成则由能够承受井下压力的金属耐压筒组成并选骨干在井下收发天线短节中，并分别与天线短节的上下两端电气耦合。当然，在本发明的其他实施例中，井下信号处理模块106还可以采用其他合理的装配方式，本发明不限于此。

图3示出了本实施例所提供的地面信号收发装置的结构示意图。

如图3所示，本实施例所提供的地面信号收发装置301包括地面天线模块、收发切换模块302、第一信号接收电路303、第一信号发送电路304和第一数据处理模块305。其中，天线模块包括第一埋地电极103和第二埋地电极104。收发切换模块302分别与第一埋地电极和第二埋地电极连接，同时，收发切换模块302还同时与第一信号接收电路303和第一信号发送电路304连接。第一信号接收电路303和第一信号发送电路304还与第一数据处理模块305连接。

当地面信号收发装置301处于信号接收状态时，地面天线模块能够将产生的电信号通过收发切换模块302传输给第一信号接收电路303；当地面信号收发装置301处于信号发送状态时，第一信号发送电路304能够将含有待发送地面数据的电信号通过收发切换模块302传输给地面天线模块，以由地面天线模块向外发送。

在工作的过程中，第一数据处理模块305首先判断是否存在待发送数据。如果存在，则向收发切换模块302输出发送切换指令；否则向收发切换模块302输出接收切换指令。

收发切换模块302根据发送切换指令将地面天线模块与第一信号发送电路304之间的连接闭合，并同时断开地面天线模块与第一信号接收电路303之间的连接。这样，第一数据处理模块305便可以将待发送地面数据进行处理后传输给第一信号发送电路304，第一信号发送电路304对接收到的电信号做进一步处理后将电信号经由收发切换模块302传输给地面天线模块来由地面天线模块将电信号转换为电磁信号信号向外发送。

当不存在待发送数据时，收发切换模块302会根据接收切换指令持续地将地面天线模块与第一信号接收电路303之间的连接导通，并断开地面天线模块与第一信号发送电路304之间的连接。即地面信号收发装置301通常是一直处于信号接收状态的，当存在待发送地面数据时才转换为信号发送状态。

当地面信号收发装置301处于信号接收状态时，地面天线模块会将接收到的电磁信号信号转换为电信号，并将得到的电信号经由收发切换模块302传输给第一信号接收电路303。第一信号接收电路303将收发切换模块302传输来的电信号进行处理后传输给第一数据处理模块305来进行进一步处理，从而得到井下信号收发装置发送来的井下数据。

本实施例中，地面信号收发装置301在向井下信号收发装置发送数据时，还会确定信号的发射功率。由于天线的激励源是电压源，因此为了得到埋地电极在钻杆上产生的感应电流的分布情况，就需要利用发射电极的输入阻抗来计算激励电流。

第一埋地电极103连接在钻台上，也就相当于第一埋地电极103与钻杆连接在一起，属于终端开路的情况。因此，第一埋地电极103的输入阻抗Z_T1可以根据如下表达式计算得到：

Z_T1＝Z₀₁·cth(γ·h) (1)

其中，Z₀₁表示第一埋地电极与钻杆这一整体的单位长度的特性阻抗，γ表示传播常数，h表示井下信号收发装置到地面的距离。

其中，特性阻抗Z₀₁可以根据如下表达式计算得到：

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

其中，ρ_m表示m层地层电阻率，b和ζ分别表示钻杆半径和钻杆壁厚，ω表示发射信号载波频率转换得到的角频率，μ₀表示地层磁导率，d表示第一接地电极与第二接地电极的间隔距离，ε₁和ε₂分别表示泥浆介电常数和地层介电常数，σ₁和σ₂分别表示泥浆导电率和地层导电率，b₁表示钻杆加泥浆层的半径。

第二埋地电极104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104的输入阻抗Z_T2可以根据如下表达式计算得到：

$Z_{T2}=\frac{1}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\σ}}_{2}l}\ln (\frac{2l}{r}-k_1)---\left(3\right)$

其中，l和r分别表示第二埋地电极的长度和半径，k₁表示传播波数。

整个地面天线模块的输入阻抗Z则可以根据如下表达式计算得到：

Z＝Z_T1+Z_T2

此时，处于地面的埋地电极发射电磁信号时，在钻杆上下行信号引起的激励电流I₁(z)分布为：

$I_1\left(z\right)=\frac{I_0}{1-e^{-2\mathrm{\γh}}}[e^{-\mathrm{\γz}}-e^{-\mathrm{\γ}(2h-z)}]---\left(4\right)$

其中，z表示在沿钻杆方向的坐标轴上的分量，I₀表示施加在地面天线模块上的激励电流，其可以根据施加在地面天线模块上的电压V₀和地面天线模块的输入阻抗Z计算得到，即：

$I_0=\frac{V_0}{Z}---\left(5\right)$

当地面天线模块在钻杆上施加一个激励信号时，通过表达式(4)便可以知道钻杆上的电流分布。如果将钻杆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。在井下信号收发装置的位置处会产生一个感应电场，将每一小段的电流值沿钻杆积分可以得到井下信号收发装置所处位置处的电场分量E。本实施例中，电场分量E(ρ)可以根据如下表达式计算得到：

$E\left(\mathrm{\ρ}\right)=\frac{\mathrm{j\ω}{\mathrm{\μ}}_{0}l{V}_0}{2\mathrm{\π}{k}_1^{2}Z(1-e^{-2\mathrm{\γh}})}\underset{0}{\overset{h}{\∫}}\left\{\right[e^{-\mathrm{\γz}}-e^{-\mathrm{\γ}(2h-z)}]\·e^{\mathrm{jb}{k}_1(h-z)}\·\frac{3\mathrm{a\ρ}(h-z)}{{({\mathrm{\ρ}}^2+a^2{(h-z)}^2)}^{5/2}}\}\mathrm{dz}---\left(6\right)$

其中，a表示电磁信号在地层中传输时的趋肤效应经验系数(通常取值为0.96)，ρ表示地层电阻率。k₁为传播波数，其可以根据表达式计算得到：

$k_1=\sqrt{{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\μ}}_0({\mathrm{\ϵ}}_1+j\frac{{\mathrm{\σ}}_1}{\mathrm{\ω}})}---\left(7\right)$

井下信号信号收发装置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：

地面信号收发装置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收发装置无法接收到地面的控制指令的情况出现。

本实施例中，由井下信号收发装置发送来的电磁信号经过长距离的地层衰减，地面信号收发电源所能够接受到的信号强度将十分微弱(通常为毫伏级)。而为了尽可能增大下行指令的传输深度，地面信号收发装置产生的发射信号的功率需要很大(通常为几十伏)。对于地面信号收发单元来说，其发射与接收电磁信号信号均使用同一地面天线模块(即第一埋地电极103和第二埋地电极104)。这样，地面信号收发装置在发射信号时产生的强电压和强电流就会对信号接收电路造成冲击，导致信号接收电路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，从而保证了装置内信号发送电路和信号接收电路的安全。具体地，如图3所示，在默认状态下，收发切换模块302将地面天线模块与第一信号接收电路303之间的连接导通，并断开地面天线模块与第一信号发送电路304之间的连接，从而实现对井下信号发送装置发送来的电磁信号的接收。当第一数据处理模块305接收到PC机307发送来的需要发送下行指令的请求后，会产生发送切换指令来控制收发切换模块302将地面天线模块与第一信号发送电路304之间的连接导通，并断开地面天线模块与第一信号接收电路303之间的连接，从而实现下行指令的发送。

本实施例所提供的地面信号收发装置通过设置收发切换模块302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，保证了弱信号电路的可靠性和安全性。

本实施例中，收发切换模块302采用了两个DPST继电器来实现。当然，在本发明的其他实施例中，收发切换模块还可以采用其他合理的电路形式或元器件来实现，本发明不限于此。

在进行信号接收的过程中，由于地面天线模块与第一信号接收电路303之间的连接是导通的，因此地面天线模块转换得到的电信号将通过收发切换模块302传输到第一信号接收电路303，以由第一信号接收电路303进行处理。

如图3所示，本实施例中，第一信号接收电路303包括第一信号耦合前置放大电路401、第一信号放大电路402、第一模拟滤波电路403和第一模数转换电路404。第一信号耦合前置放大电路401连接在收发切换模块302与第一信号放大电路402之间，这样可以避免第一信号放大电路402产生的强信号对地面天线模块产生的弱信号的感应干扰。

第一信号放大电路402能够对来自收发切换模块302的电信号进行调理放大，并将放大得到的电信号传输给第一模拟滤波电路403进行滤波。本实施例中，由于第一数据处理模块305接收的信号需要为数据信号，因此在第一模拟滤波电路403与第一数据处理模块305之间还设置了第一模数转换电路404，第一模数转换电路404能够将第一模拟滤波电路403传来的模拟信号转换为数字信号后传输给第一数据处理模块305。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，第一模数转换电路404还可以集成在第一数据处理模块305中，本发明不限于此。同时，第一信号耦合前置放大电路401和/或第一模拟滤波电路305也可以根据实际需要进行选配，本发明同样不限于此。

第一数据处理模块305包括第一信号解调单元405、第一数据解码单元406和控制单元407。在本发明的其他实施例中，在需要的情况下，还可以在第一信号接收电路303与第一信号解调单元405之间设置第一数据滤波电路，以对第一信号接收电路303传输来的数字信号进行进一步地滤波，并将滤波后的数字信号进行解调。

电磁信号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，第一数据处理模块305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。

第一数据解码单元406与第一数据解调单元405连接，其能够根据第一数据解调单元405传输来的数据解码得到所需要的数据(即井下信号收发装置发送来的井下状态数据)。信道编码和解码应使井下以及地面接收指令时能够获取最大的信噪比增益。因此本实施例中采用卷积编解码的方式来保证数据传输的可靠性。卷积编解码比较简单，并且其具有较好的纠错能力。

如图3所示，本实施例中，第一数据解码单元406将解码得到的数据传输给控制单元407，以由控制单元407进行数据回放及分析。此外，为了方便与外部设备之间进行连接，本实施例所提供的地面信号收发装置301还配置有接口转换模块306。具体地，接口转换模块306包括USBHUB408和USB-串口转换单元409。其中，控制单元407通过USBHUB408与PC机307连接，同时，控制单元407还通过USBHUB408和USB-串口转换单元409与井下仪器配置接口308以及其他配件309连接。

当然，在本发明的其他实施例中，还可以根据实际需要对USBHUB以及USB-串口转换单元进行选配，本发明不限于此。此外，在本发明的其他实施例中，接口转换模块还可以采用其他合理的电路形式，本发明同样不限于此。

本实施例中，如果传输到地面的电磁信号强度过小而导致第一数据处理模块305无法正确还原出井下信号收发装置发送来的数据的话，控制单元407则会通过总线来控制第一信号放大电路402对其自身的功率放大倍数进行调整，以使得第一数据处理模块接收到的信号得以进一步增大，从而正确还原出井下数据。

至此便完成了接收来自井下信号收发装置的电磁信号的过程。

由于随着井深的加大或地层的变化，有时需要改变井下仪器的工作状态才能更好的适应随钻测量的需要，因此就需要利用下行传输链路给井下仪器传递新的工作指令和相关信息。如图3所示，本实施例中，第一数据处理模块305通过第一信号发送电路304和地面天线模块来向井下信号收发装置发送工作指令和相关信息。

如图3所示，本实施例中，第一数据处理模块305还包括第一数据编码单元410和第一信号调制单元411。第一数据编码单元410采用卷积编码的方式对待发送的工作指令或相关信息进行编码，并将产生的数据传输给第一信号调制单元411进行调制。第一信号调制单元411对编码后的数据采用差分移相键控的方式进行调制，并将调制得到的信号传输给第一信号发送电路304来进行进一步处理。

本实施例中，第一信号发送电路304包括第一光电隔离电路412和第一功率放大电路413。第一功率放大电路413能够将第一信号调制单元411产生的弱信号进行放大而得到强信号。为了避免强信号对弱信号电路产生的感应干扰，本实施例中，第一光电隔离电路412连接在第一信号调制单元411与第一功率放大电路413之间。

当地面信号收发装置处于发送状态时，收发切换模块302将地面天线模块与第一功率放大电路413之间的连接导通，并断开了地面天线模块与第一信号耦合前置放大电路401之间的连接。因此，第一功率放大电路413产生的电信号(该电信号包括两路信号)可以经由收发切换模块302传输到地面天线模块(即第一埋地电极103和第二埋地电极104)，地面天线模块能够对接收到的电信号转换得到第一电磁信号和第二电磁信号，并将第一电磁信号和第二电磁信号分别通过第一埋地电极和第二埋地电极向井下信号收发装置发送。

至此地面信号收发装置便完成了工作指令以及相关数据的下行传输。

图4示出了本实施例所提供的井下信号收发装置的结构示意图。

如图4所示，本实施例所提供的井下信号收发装置501包括井下天线模块、天线耦合器502、第二信号接收电路503、第二信号发送电路504和第二数据处理模块505。天线耦合器502连接在井下天线模块与第二信号接收电路503之间，第二信号接收电路503还与第二数据处理模块505连接。第二信号发送电路504连接在井下天线模块与第二数据处理模块505之间。

由于井下信号收发装置501通常采用锂电池组供电，因此电磁信号发射时的电压和接收信号时的电压是相同的，只有电流比接收信号时电流略大，但也不会像地面信号发射时的电流值差距一样明显。因此，本实施例中，井下电磁发射时虽然也要采用强、弱信号隔离保护，但保护方式与地面信号收发装置相比略有不同。

如图4所示，作为天线两极的上接头107和下接头109后连接一个天线耦合器502。天线耦合器502能够对强弱电信号进行隔离，从而避免强信号对弱信号电路的干扰和冲击。此外，电线耦合器502还能够实现阻抗的匹配。具体地，本实施例中，天线耦合器502采用耦合变压器来实现。当然，在本发明的其他实施例中，天线耦合器还可以采用其他合理的电路形式或元器件(例如继电器)来实现，本发明不限于此。

本实施例中，井下信号收发装置501默认地处于信号发送状态，即该装置持续地向地面信号发送装置发送电磁信号。如图4所示，与井下信号收发装置501中的第二数据处理模块505连接的传感器506会将采集到的井下的相关数据(例如井下工程信息和地质信息等)经由第二数据处理模块505进行处理后传输给第二信号发送电路504，并由第二信号发送电路504进行进一步处理后发送给井下天线模块，以由井下天线模块将电信号转换为电磁信号发送给地面信号收发装置。

具体地，如图4所示，本实施例中，第二数据处理模块505包括传感器数据接收单元601、第二数据编码单元602和第二信号调制单元603。传感器数据接收单元601将来自传感器506的数据传输给第二数据编码单元602。与地面信号收发装置相对应地，本实施例中，第二数据编码单元602采用卷积编码的方式来对数据进行编码，并将编码后的数据传输给第二信号调制单元603。同样，与地面信号收发装置相对应地，本实施例中，第二信号调制单元603采用2DPSK的方式来进行信号调制。第二信号调制模单元603将调制后的信号传输给第二信号发送电路504。

第二信号发送电路504包括第二光电隔离电路604和第二功率放大电路605。由于第二功率放大电路605能够将弱信号转换为强信号，因此为了避免强信号对弱信号电路产生的感应干扰，第二光电隔离电路604连接在了第二功率放大电路605与第二数据处理模块505之间。

第二功率放大电路605与井下天线模块连接，其能够将放大得到的电信号传输给井下天线模块，以由井下天线模块根据电信号转换得到第三电磁信号和第四电磁信号，并将这两个电磁信号分别通过上接口和下接口发送给地面信号收发装置。

至此，井下信号收发装置便实现了井下数据的上传。

当地面信号收发装置向井下发送工作指令或相关信息时，井下信号收发装置将暂停数据的发送过程并转为信号接收状态，待完成数据接收后，再恢复为信号发送状态。

如图4所示，本实施例中，井下信号收发装置501在接收地面信号收发装置发送来的信号时，首先通过井下天线模块(即上接口107和下接口109)将地面信号收发装置传输来的电磁信号转换为电信号。

由于地面信号收发装置发送的电磁信号需要经过长距离的地层衰减，因此井下信号收发装置501接收到的信号强度会非常微弱。而井下信号收发装置501在向地面发送信号时所产生的信号强度较强。因此，为了避免信号对弱信号电路的干扰，本实施例中，天线耦合器502设置在了井下天线模块与第二信号接收电路503之间。天线耦合器502能够对强、弱信号进行隔离，从而避免强信号对弱信号电路的干扰和冲击。

本实施例中，第二信号收发电路503包括第二信号耦合前置放大电路606、第二信号放大电路607、第二模拟滤波电路608和第二模数转换电路609。其中，第二信号耦合前置放大电路606连接在天线耦合器与第二信号放大电路607之间，这样可以避免强信号对弱信号电路产生的感应干扰。由于第二信号耦合前置放大电路606传输来的电信号十分微弱，因此为了方便后续的分析处理，就需要由第二信号放大电路607对其进行放大。此外，为了方便第二数据处理模块505对信号进行分析处理，本实施例中，第二信号放大电路607产生的电信号会通过第二模拟滤波电路608进行滤波后传输给第二模数转换电路609，并由第二模数转换电路609转换为数字信号后传输给第二数据处理模块505。

当然，在本发明的其他实施例中，第二模数转换电路609还可以集成在第二数据处理模块505中，本发明不限于此。同时，第二信号耦合前置放大电路606和第三模拟模拟滤波电路608也可以根据实际需要进行选配，本发明同样不限于此。

本实施例中，第二数据处理模块505还包括第二信号解调单元610、第二数据解码单元611和控制分析单元612，这些组成单元的连接关系以及工作原理与地面信号收发装置中的第一信号解调单元、第一数据解码电源和控制单元相同，在此不再赘述。当然，在需要的情况下，在第二信号解调单元610与第二模数转换电路609之间还可以配置第二数字滤波电路，本发明不限于此。

控制分析单元612能够根据得到的地面发送来的信息(例如工作控制指令等)来对井下工具507的工作状态进行控制，从而实现在不需要停止钻井工作的情况下对井下工作的工作状态进行调节。

至此，井下信号信号收发装置便完成了对来自地面的电磁信号的接收。

此外，为了保证数据传输的可靠性，本实施例中，在进行数据的双向传输时还进行帧同步校验和CRC校验。所采用的帧结构为：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+……+收发状态位(1位)+CRC校验(3位)+帧结束位(1位)。收发状态位是标准此时的传输方向，井下向地面上行传输时，该位为0，地面向井下下行传输时，该位为1。

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。在地面信号收发装置的接收模块和井下信号收发装置的接收模块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，传输的数据或指令是准确可靠的。

如果帧同步校验位过多，那么就会造成数据处理量过大，超过CPU芯片处理能力；如果帧同步校验位过少，那么就会造成校验不准，有时即使存在误码也能通过校验。本实施例中，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。

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信号的特性，采用极低频来作为双向传输的载波频率。其中，载波频率可以在3～200Hz之间选择。需要指出的是，为了避免上行信号与下行信号产生混淆，本实施例中，上行信号的载波频率与下行信号的载波频率不同。当然，在本发明的其他实施例中，上行信号和下行信号的载波频率还可以在其他合理范围内进行选取，本发明不限于此。

由于地面信号收发装置设置在井场的地面出，因此地面信号收发装置也就可以采用220V等电源进行供电，其也就不存在工号和供电的问题。因此，地面信号收发装置可以选择较大的发送功率(例如40V*5A共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。

井下信号收发装置是由电池(例如锂电池)进行供电，而更换电池需要停转并将装置从井下取出，这样会浪费大量时间。因此，井下信号收发装置发射上行信号时需要考虑发射功率的问题，以确保发射出的信号强度足够大来使得地面信号收发装置能够接收得到。但是，井下信号收发装置发射上行信号时需要考虑发射功率又不能过大，这样会导致装置的功耗过大，从而使得装置的电池寿命缩短。本实施例中，经过反复试验，将井下发射功率选择在20W左右。

需要说明的是，地面信号收发装置和/或井下信号收发装置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。

从上述描述中可以看出，本实施例所提供的数据传输方法能够实现地面设备与井下设备之间的数据双向传输，可以使得地面设备在钻井作业过程中实时接收井下测量到的工程、地质信息，并实时显示给现场技术人员。该方法还可以根据技术人员的需要，随时从地面向井下仪器发送电磁指令。

本发明所提供的的双向传输方法采用电磁无线传输的方式，与常规脉冲传输方式相比，无须开停泵，不耽误钻进时间，不容易产生误操作。此外，本发明所提供的数据传输系统传输数据的数据帧结构更灵活、更复杂，能发出的控制命令更多样，能够在钻进过程中实时优化井眼轨迹和井下仪器工况，对井眼轨迹控制精度和钻井安全有重大的积极意义。

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)

1.一种地面信号收发装置，其特征在于，所述地面信号收发装置设置在钻井的地面端，其包括：

地面天线模块，其用于将接收到的来自井下的电磁信号转换为电信号，以及将携带地面信息的电信号转换为电磁信号并向井下发送；

收发切换模块，其与所述地面天线模块连接；

第一信号接收电路和第一信号发送电路，其分别与所述收发切换模块连接；

第一数据处理模块，其与所述第一信号接收电路和第一信号发送电路连接；

其中，所述收发切换模块对所述第一信号接收电路和第一信号发送电路进行隔离，其在所述第一数据处理模块的控制下导通地面天线模块与第一信号接收电路之间的连接以完成信号的接收过程，或是导通地面天线模块与第一信号发送电路之间连接以完成信号的发送过程。

2.如权利要求1所述的地面信号收发装置，其特征在于，

当存在待发送地面数据时，所述第一数据处理模块产生发送切换信号，以控制所述收发切换模块将地面天线模块与第一信号发送电路之间的连接导通，所述第一数据处理模块将所述待发送地面数据进行处理后传输给所述第一信号发送电路，并由所述第一信号发送电路进一步处理后传输给所述地面天线模块；

当不存在待发送地面数据时，所述第一数据处理模块产生接收切换信号，以控制所述收发切换模块将地面天线模块与第一信号接收电路之间的连接导通，所述第一信号接收电路将来自地面天线模块的信号进行处理后传输给所述第一数据处理模块，以由所述第一数据处理模块分析得到所需要的井下数据。

3.如权利要求1或2所述的地面信号收发装置，其特征在于，所述地面天线模块包括与所述收发切换模块连接的第一埋地电极和第二埋地电极，其中，所述第一埋地电极设置在钻井的井口附近或连接到井口的相应装置上，所述第二埋地电极与所述第一埋地电极间隔预设距离。

4.如权利要求1～3中任一项所述的地面信号收发装置，其特征在于，所述第一信号接收电路包括：

第一信号放大电路，其用于对来自所述收发切换模块的电信号进行调理放大；

第一模拟滤波电路，其用于对来自所述第一功率放大电路的电信号进行滤波；

第一模数转换电路，其用于将来自所述第一模拟滤波电路的电信号进行模数转换，并将转换得到的数字信号传输给所述第一数据处理模块。

5.如权利要求4所述的地面信号收发装置，其特征在于，所述第一信号放大电路在所述第一数据处理模块的控制下调整信号的放大倍数。

6.如权利要求1～5中任一项所述的地面信号收发装置，其特征在于，所述第一信号发送电路包括：

第一光电隔离电路，其与所述第一数据处理模块连接；

第一功率放大电路，其连接在所述第一光电隔离电路与收发切换模块之间。

7.如权利要求1～6中任一项所述的地面信号收发装置，其特征在于，所述第一数据处理模块包括：

第一信号解调单元，其用于对来自所述第一信号接收电路的信号进行解调；

第一数据解码单元，其用于对来自所述第一信号解调模块的信号进行解码，得到所需要的井下数据；

第一数据编码单元，其用于对待发送地面数据进行编码；

第一信号调制单元，其用于对编码后的待发送地面数据进行调制，并将调制后的信号传输给所述第一信号发送电路。

8.一种井下信号收发装置，其特征在于，所述井下信号收发装置包括：

井下天线模块，其用于将接收到的的电磁信号转换为电信号，以及将接收到的电信转换为电磁信号并向外发送；

天线耦合器，其与所述井下天线模块连接，用于对天线耦合器两端的电信号进行阻抗匹配及隔离；

第二信号接收电路，其与所述天线耦合器连接；

第二信号发送电路，其与所述井下天线模块连接；

第二数据处理模块，其与所述第二信号接收电路和第二信号发送电路连接，用于对来自所述第二信号接收电路的信号进行分析处理以得到所需要的地面数据，还用于对待发送井下数据进行处理后传输给所述第二信号发送电路，并由所述第二信号发送电路进行进一步处理后传输给所述井下天线模块。

9.如权利要求8所述的井下信号收发装置，其特征在于，所述井下天线模块包括：上接头、下接头以及位于所述上接头和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.如权利要求8或9所述的井下信号收发装置，其特征在于，所述第二信号接收电路包括：

第二信号放大电路，其用于对来自所述天线耦合器的电信号进行调理放大；

第二模拟滤波电路，其用于对来自所述第二信号放大电路的电信号进行滤波；

第二模数转换电路，其用于将来自所述第二模拟滤波电路的电信号进行模数转换，并将转换得到的数字信号传输给所述第二数据处理模块。

11.如权利要求10所述的井下信号收发装置，其特征在于，所述第二信号放大电路在所述第二数据处理模块的控制下调整自身的输出功率。

12.如权利要求8～11中任一项所述的井下信号收发装置，其特征在于，所述第二信号发送电路包括：

第二光电隔离电路，其与所述第二数据处理模块连接；

第二功率放大电路，其连接在所述第二光电隔离电路与井下天线模块之间。

13.如权利要求8～12中任一项所述的井下信号收发装置，其特征在于，所述第二数据处理模块包括：

第二信号解调模块，其用于对来自所述第二信号接收电路的信号进行解调；

第二数据解码模块，其用于对来自所述第二信号解调模块的信号进行解码，得到所需要的地面数据；

第二数据编码模块，其用于对待发送井下数据进行编码；

第二信号调制模块，其用于对编码后的待发送井下数据进行调制，并将调制后的信号传输到所述第二信号发送电路。

14.一种数据传输系统，其特征在于，所述数据传输系统包括：

如权利要求1～7中任一项所述的地面信号收发装置；

如权利要求8～13中任一项所述的井下信号收发装置。