CN109653735A - 一种基于电流回路的钻井信号下传装置及信号下传方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电流回路的钻井信号下传装置及信号下传方法，包括电源（1）、信号下传发送装置（2）、信源编码模块（3）、信道编码模块（4）、数字调制模块（5）、发射机（6）、钻具等效导线（9）、磁阻传感器（10）、信号调理模块（11）、数字解调模块（12）、信道译码模块（13）、信源译码模块（14）、信号下传接收装置（15）和多个钻井周围地层等效电阻（16）。通过信号调理、解码、解调处理后的携带有用控制信息的基带信号送入到信号下传接收装置,进而控制井下装备转向、转速等工作状态，实现智能钻井的信号有效实时下传，信号传输速度快、抗干扰能力强、传输差错可控、装置安装维护成本可控。

Description

一种基于电流回路的钻井信号下传装置及信号下传方法
技术领域
本发明涉及石油、天然气开采领域，尤其涉及一种基于电流回路的钻井信号下传装置及信号下传方法。
背景技术
随着石油工业地质开采技术的不断发展，开采钻井不可避免地进入自动化、信息化、智能化阶段。目前信号下传发送装置与信号下传接收装置有多种信号传输方式，例如泥浆脉冲传输方式、绝缘导线传输方式、电磁波传输方式、声波传输方式，但这些信息传输方式普遍地存在数据传输慢、传输信号易受噪声干扰、以及安装维护装置成本过高等难以解决的问题。
现有主要信号传输方式以及其存在的缺陷：
（1）泥浆脉冲传输方式
在泥浆脉冲系统中，压力波在泥浆中的传播速度约为1200m/s。由于脉冲的扩散、调速的限制和泥浆系统其它特性的局限性，使得数据的传输速度比较慢。
（2）绝缘导线传输方式
绝缘导线传输方式主要用于测井以及连续油管的钻井作业。在常规钻井条件下，电缆的连接和维护问题都很难满足使用容易、经济以及传输可靠的需要。Shell公司把导线作成钻杆的一部分，并采用特殊接头来实现导线间的连接。这种方法的缺点是需要昂贵的特殊钻杆，其价格为普通钻杆的三倍，并且需要许多可靠性高的电气插件。Exxon公司采用的方法是在钻杆内加入电缆。该方法不需要电气插件，但在钻杆中存放电缆会引起不少麻烦。另外，还有一种同轴导体系统可用于信号传输。它采用的是同轴布线方式，配以包有绝缘层的铜管式中心导体。将这种导体插人普通的钻杆内，液体压力可使之膨胀，从而与钻杆内壁贴紧密封。
（3）电磁波传输方式
有两种以电磁波方式传输信号的方法：以地层为传输介质和以钻柱为传输导体。在数据传输系统中，主要考虑的是在接收端有效信号的数量。在电磁波传输系统中，接收到的信号电平主要取决于两个因素：频率和电导率，其传输深度可以用趋肤深度来衡量。
（4）声波传输方式
这种传输方式是利用声波或地震波经过钻杆或地层来传输信号。这种传输方式的实现方法简单、投资少，但信号弱、不易接收。而且，由于钻柱接头处直径的变化和丝扣装配的影响，信号会因反射和折射而衰减。
以上各类传输方式普遍存在传输速度慢、信号易受噪声干扰、实时性差、信号传输装置安装、维护成本过高等问题。面临石油钻井信息通信技术提出的新挑战，研究和开发一种基于电流回路的钻井信号下传装置及信号下传方法，对于实现智能钻井中高效实时信息的下传起着举足轻重的作用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于电流回路的钻井信号下传装置及信号下传方法，通过信号调理、解码、解调处理后的携带有用控制信息的基带信号送入到信号下传接收装置,进而控制井下装备转向、转速等工作状态，实现智能钻井的信号有效实时下传。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于电流回路的钻井信号下传装置，包括电源、信号下传发送装置、信源编码模块、信道编码模块、数字调制模块、发射机、钻具等效导线、磁阻传感器、信号调理模块、数字解调模块、信道译码模块、信源译码模块、信号下传接收装置和多个钻井周围地层等效电阻；电源正极与信号下传发送装置连接，信号下传发送装置与信源编码模块连接，信源编码模块与信道编码模块连接，信道编码模块与数字调制模块连接，数字调制模块与发射机连接，发射机与钻具等效导线连接，钻具等效导线设置在井壁内部，钻具等效导线周围设有磁阻传感器，信道译码模块两端分别与数字解调模块和信源译码模块连接，数字解调模块和信号调理模块连接，信源译码模块和信号下传接收装置连接，信号调理模块和磁阻传感器连接，多个钻井周围地层等效电阻并联在电源负极与钻具等效导线之间。
进一步的，磁阻传感器为一个或多个。
进一步的，磁阻传感器为八个，八个磁阻传感器形状、大小和型号参数完全一样，紧贴钻具四周。
一种基于电流回路的钻井信号下传方法，包括以下步骤：
S101：信号下传发送装置将来自计算机的用户指令送入信源编码模块，将信号变换成二进制序列；再将信号送入信道编码模块，增强数字信号的抗干扰能力；再将信号送入数字调制模块，按照发送要求对信号进行调制处理；
S102：将步骤S101处理后的已调信号送入发射机，经过滤波去噪、功率放大处理后，发送到钻具等效导线；
S103：信号经钻具等效导线、钻井周围地层等效电阻、电源、信源编码模块、信道编码模块和数字调制模块构成多条并联回路；
S104：信号在闭合并联回路中传输，电流通过钻具等效导线时，在钻具等效导线周围产生磁场，通过磁阻传感器采集磁场信号，并将采集到的信号采用数据融合手段处理，提高信号采集装置的灵敏度和精确度；
S105：磁阻传感器采集融合处理的信号后，将信号送入信号调理模块，对信号滤波去噪和功率放大；再将信号送入数字解调模块、信道译码模块和信源译码模块将信号解调解码为基带信号；
S106：将处理后携带有控制信息的基带信号送入到信号下传接收装置，进而控制钻头工作状态，实现智能钻井的信号有效实时下传。
进一步的，步骤S104所述的数据融合手段为卡尔曼滤波算法。当磁阻传感器采集到多个测量值后，首先根据判别式将不可信的目标测量值剔除掉；再建立时间更新方程来对当前系统的多个传感器的状态进行一个先验估计，及时向前推算当前状态变量和误差协方差估计的值，以便为下一个时间状态构造先验估计值;然后校正过程负责反馈，利用测量更新方程在预估过程的先验估计值及当前测量变量的基础上，建立起对多个传感器当前状态测量值改进的后验估计。通过上述预估－校正算法的反复迭代计算，可以将多个磁阻传感器输出值进行融合，进而找到系统测量的最佳输出值。
进一步的，钻头工作状态包括转向和转速。
本发明的有益效果是：通过信号调理、解码、解调处理后的携带有用控制信息的基带信号送入到信号下传接收装置,进而控制井下装备转向、转速等工作状态，实现智能钻井的信号有效实时下传，信号传输速度快、抗干扰能力强、传输差错可控、装置安装维护成本可控。
附图说明
图1为本发明实例提供的信号下传装置整体结构图；
图2为本发明实例提供的并联电流回路示意图；
图3为本发明实例提供的磁阻传感器结构示意图；
图4为本发明实例提供的钻具与周围八个磁阻传感器截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1-4所示，一种基于电流回路的钻井信号下传装置，包括电源1、信号下传发送装置2、信源编码模块3、信道编码模块4、数字调制模块5、发射机6、钻具等效导线9、磁阻传感器10、信号调理模块11、数字解调模块12、信道译码模块13、信源译码模块14、信号下传接收装置15和八个钻井周围地层等效电阻16；电源1正极与信号下传发送装置2连接，信号下传发送装置2与信源编码模块3连接，信源编码模块3与信道编码模块4连接，信道编码模块4与数字调制模块5连接，数字调制模块5与发射机6连接，发射机6与钻具等效导线9连接，钻具等效导线9设置在井壁8内部，钻具等效导线9周围设有磁阻传感器10，信道译码模块13两端分别与数字解调模块12和信源译码模块14连接，数字解调模块12和信号调理模块11连接，信源译码模块14和信号下传接收装置15连接，信号调理模块11和磁阻传感器10连接，多个钻井周围地层等效电阻16并联在电源1负极与钻具等效导线9之间。
八个磁阻传感器10形状、大小和型号参数完全一样，紧贴钻具四周。
一种基于电流回路的钻井信号下传方法，包括以下步骤：
S101：信号下传发送装置2将来自计算机的用户指令送入信源编码模块3，将信号变换成二进制序列；再将信号送入信道编码模块4，增强数字信号的抗干扰能力；再将信号送入数字调制模块5，按照发送要求对信号进行调制处理；
S102：将步骤S101处理后的已调信号送入发射机6，经过滤波去噪、功率放大处理后，发送到钻具等效导线9；
S103：信号经钻具等效导线9、钻井周围地层等效电阻16、电源1、信源编码模块3、信道编码模块4和数字调制模块5构成多条并联回路；
S104：信号在闭合并联回路中传输，电流通过钻具等效导线9时，在钻具等效导线9周围产生磁场，通过磁阻传感器10采集磁场信号，并将采集到的信号采用卡尔曼滤波算法处理；
S105：磁阻传感器10采集融合处理的信号后，将信号送入信号调理模块11，对信号滤波去噪和功率放大；再将信号送入数字解调模块12、信道译码模块13和信源译码模块14将信号解调解码为基带信号；
S106：将处理后携带有控制信息的基带信号送入到信号下传接收装置15，进而控制钻头的转向、转速等工作状态。
本发明所提出的基于油压传感器的测压智能鞋及测压方法，利用鞋底的两根充满液压油并安装有油压传感器的油压管采集人体主要脚底压力，接触面积大，可检测面积也大，结构简单可靠，成本较低；对穿戴者下蹲、站立、行走、上下楼梯时所处的不同模式进行划分，以此作为外骨骼在主动或被动模式下的控制依据，避免了使用大量传感器对数据的处理难度较大和不稳定的缺点。

Claims (6)

1.一种基于电流回路的钻井信号下传装置，其特征在于：包括电源（1）、信号下传发送装置（2）、信源编码模块（3）、信道编码模块（4）、数字调制模块（5）、发射机（6）、钻具等效导线（9）、磁阻传感器（10）、信号调理模块（11）、数字解调模块（12）、信道译码模块（13）、信源译码模块（14）、信号下传接收装置（15）和多个钻井周围地层等效电阻（16）；电源（1）正极与信号下传发送装置（2）连接，信号下传发送装置（2）与信源编码模块（3）连接，信源编码模块（3）与信道编码模块（4）连接，信道编码模块（4）与数字调制模块（5）连接，数字调制模块（5）与发射机（6）连接，发射机（6）与钻具等效导线（9）连接，钻具等效导线（9）设置在井壁（8）内部，钻具等效导线（9）周围设有磁阻传感器（10），信道译码模块（13）两端分别与数字解调模块（12）和信源译码模块（14）连接，数字解调模块（12）和信号调理模块（11）连接，信源译码模块（14）和信号下传接收装置（15）连接，信号调理模块（11）和磁阻传感器（10）连接，多个钻井周围地层等效电阻（16）并联在电源（1）负极与钻具等效导线（9）之间。
2.根据权利要求1所述的一种基于电流回路的钻井信号下传装置，其特征在于：所述磁阻传感器（10）为一个或多个。
3.根据权利要求2所述的一种基于电流回路的钻井信号下传装置，其特征在于：所述磁阻传感器（10）为八个，八个磁阻传感器（10）形状、大小和型号参数完全一样，紧贴钻具四周。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于电流回路的钻井信号下传装置应用于信号下传的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101：信号下传发送装置（2）将来自计算机的用户指令送入信源编码模块（3），将信号变换成二进制序列；再将信号送入信道编码模块（4），增强数字信号的抗干扰能力；再将信号送入数字调制模块（5），按照发送要求对信号进行调制处理；
S102：将步骤S101处理后的已调信号送入发射机（6），经过滤波去噪、功率放大处理后，发送到钻具等效导线（9）；
S103：信号经钻具等效导线（9）、钻井周围地层等效电阻（16）、电源（1）、信源编码模块（3）、信道编码模块（4）和数字调制模块（5）构成多条并联回路；
S104：信号在闭合并联回路中传输，电流通过钻具等效导线（9）时，在钻具等效导线（9）周围产生磁场，通过磁阻传感器（10）采集磁场信号，并将采集到的信号采用数据融合手段处理；
S105：磁阻传感器（10）采集融合处理的信号后，将信号送入信号调理模块（11），对信号滤波去噪和功率放大；再将信号送入数字解调模块（12）、信道译码模块（13）和信源译码模块（14）将信号解调解码为基带信号；
S106：将处理后携带有控制信息的基带信号送入到信号下传接收装置（15），进而控制钻头工作状态。
5.根据权利要求4所述的一种基于电流回路的钻井信号下传方法，其特征在于：步骤S104所述的数据融合手段为卡尔曼滤波算法。
6.根据权利要求4所述的一种基于电流回路的钻井信号下传方法，其特征在于：所述钻头工作状态包括转向和转速。
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