CN111101933B - 信道自适应钻井通信中继短节、钻柱和频率自适应调节器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及数据传输技术领域，公开了一种信道自适应钻井通信中继短节、钻柱和频率自适应调节器，利用中继短节接收井下传输来的信号，经过解调、调制、放大等处理后，将该信号转发给上方钻杆，从而实现井下信号接力传输，提高信号的抗衰减能力。

Description

信道自适应钻井通信中继短节、钻柱和频率自适应调节器

技术领域

本发明实施例涉及数据传输技术领域，特别涉及一种信道自适应钻井通信中继短节、钻柱和频率自适应调节器。

背景技术

随着石油钻井技术的不断发展，钻井设备也在向着信息化和自动化方向发展。在钻井过程中，有必要实时获取测井过程中的地质数据，实时监控钻井环境，从而及时的调整钻井工艺。随钻测量技术，是指在钻井的过程中使用传感器对井下的各种参数进行测量，再将测量得到的数据实时发送回地面，方便地面的工作人员对数据进行收集，并根据收集到的数据对工作状态进行判断，进行实时决策。

但是，井下剧烈震动、高温高压、泥浆介质和金属钻杆电磁干扰等问题对随钻测控中数据高效传输到地面的上行通讯以及从地面将控制信号传送到井下的下行通讯提出了更高的要求。

智能钻柱网络系统实现了地面和井下的实时、高速通信。在两短节工具钻杆内部，数据经由同轴电缆传输，而在两短节工具之间的钻杆接头处，数据在耦合器的两线圈之间通过磁感应耦合原理进行传输。由电流的磁效应可知通电的导线能在其周围产生磁场，通过交变电流的导线在其周围产生变化的磁场，电磁感应原理表明变化磁场能在闭合的回路中生成电流，磁感应耦合器在两短节之间的通讯正依据这两个原理。

待传输的数字信号不能在磁感应信道中直接传输，用数字信号将其调制成能够在信道中传输的正弦载波信号，当数字信号产生变化时，载波信号的频率、相位或幅度也会随着变化。磁感应传输信道具有带通特性，正弦载波信号进入磁感应信道后，会有交变电流在初级线圈中产生，进而产生交变磁场，在次级线圈中交变磁场激励产生交变电流。在钻杆之间信号以这种方式进行传输，传输到井上后，对正弦载波信号进行解调，得到数字信号。

已调制信号沿着钻杆内的电缆经过感应接头一节一节的传输，由于两线圈之间存在漏磁通，它们不能完全的耦合，当经过约30节钻杆磁感应耦合器传输后，信号受到的干扰较多，衰减较大，难以继续传输信息。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种信道自适应钻井通信中继短节、钻柱和频率自适应调节器，能够使传输的信号被中继短节接收到后进行信号放大处理并转发至下一节钻杆，如此经过多次中继转发之后，使信号可以满足长距离的传输要求，最终使得信号到达目的地。

第一方面，本发明的实施方式提供了一种信道自适应钻井通信中继短节，包括：在所述中继短节两端的接头处分别设置有线圈，该线圈与相邻短节接头处的线圈形成耦合器，数据在所述耦合器的两线圈之间通过磁感应耦合原理进行传输；所述中继短节还包括：解调模块、调制模块和放大电路；

所述解调模块，用于接收从井下上传的第一相位连续FSK信号，并对所述第一相位连续FSK信号采用锁相环电路进行相位连续FSK信号解调，得到原始测量数字信号；

所述调制模块，用于对所述原始测量数字信号进行相位连续FSK信号调制，得到第二相位连续FSK信号；

所述放大电路，用于对所述第二相位连续FSK信号进行功率放大，并将放大后的信号继续上传至井上；

其中，所述锁相环电路包括：SE564锁相环芯片、环路滤波器及外接在SE564锁相环芯片引脚12、13的定时电容，所述定时电容包括多支容值不同的电容支路；

所述中继短节还包括：单片机和分别与所述单片机和所述定时电容控制连接的多路复用器；

所述单片机，用于控制所述多路复用器切换外接在所述SE564锁相环芯片引脚12、13的定时电容中的电容支路，以使得所述SE564锁相环芯片中射级耦合多谐振荡器的中心频率接近当前磁感应信道的谐振频率，以接收并解调从井下上传的所述第一相位连续FSK信号；

所述锁相环电路还包括：外接在所述SE564锁相环芯片引脚15的数字电位器AD8400，以调整引脚15的外接直流电压，使所述SE564锁相环芯片中的施密特触发器工作在合适的触发状态下。

第二方面，本发明的实施方式提供了一种信道自适应钻井通信钻柱，包括：多节普通短节和多节如权利要求1所述的信道自适应钻井通信中继短节，所述普通短节内部安装有同轴电缆，电缆的两端各连接着一个线圈；处于相邻位置的两节普通短节或者相邻位置的普通短节和中继短节之间，通过相邻的线圈构成耦合器；

数据在所述普通短节内部通过所述同轴电缆传输；数据在所述耦合器的两线圈之间通过磁感应耦合原理进行传输。

第三方面，本发明的实施方式提供了一种频率自适应调节器，包括：外接在SE564锁相环芯片引脚12、13的多个电容支路，与所述多个电容支路连接的多路复用器，以及与所述多路复用器连接的单片机；

所述单片机，用于控制所述多路复用器切换外接在所述SE564锁相环芯片引脚12、13的电容支路，以使得所述SE564锁相环芯片中射级耦合多谐振荡器的中心频率接近当前磁感应信道的谐振频率，以接收并解调输入的相位连续FSK信号。

本发明实施方式相对于现有技术而言，通过在钻井通信钻杆中增加中继短节，用于在接收从井下上传的第一相位连续FSK信号后，对第一相位连续FSK信号采用锁相环电路进行相位连续FSK信号解调，得到原始测量数字信号；对原始测量数字信号进行相位连续FSK信号调制，得到第二相位连续FSK信号；最后对第二相位连续FSK信号进行功率放大，并将放大后的信号继续上传至井上，从而提高磁感应信号在磁感应信道中的抗衰减能力，保证从井下上传的数据信号能够顺利上传到地面。并且，通过在锁相环电路中的SE564锁相环芯片引脚12、13两端外接定时电容，通过灵活调整外接不同容值的电容支路，使得锁相环电路的信号接收频率范围能够覆盖磁感应信道的谐振频率，以接收并解调出井下传来的信号。同时，通过对SE564锁相环芯片脚15外接直流电压进行调整，从而使SE564锁相环芯中的施密特触发器工作在合适的触发状态下，保证锁相环电路的稳定性能。

本方案中，利用中继短节接收井下传输来的信号，经过解调、调制、放大等处理后，将该信号转发给上方钻杆，从而实现井下信号接力传输，提高信号的抗衰减能力。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是根据本发明第一实施方式的信道自适应钻井通信中继短节的结构示意图；

图2是根据本发明第一实施方式的锁相环芯片SE564结构框图；

图3是根据本发明第一实施方式的锁相环芯片SE564应用电路图；

图4是根据本发明第一实施方式的频率自适应调节器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明第一实施方式涉及一种信道自适应钻井通信中继短节，如图1所示，包括：在中继短节两端的接头处分别设置有线圈1，该线圈1与相邻短节接头处的线圈形成耦合器，数据在耦合器的两线圈之间通过磁感应耦合原理进行传输；中继短节还包括：解调模块2、调制模块3和放大电路4；

解调模块2，用于接收从井下上传的第一相位连续FSK信号，并对第一相位连续FSK信号采用锁相环电路进行相位连续FSK信号解调，得到原始测量数字信号；调制模块3，用于对原始测量数字信号进行相位连续FSK信号调制，得到第二相位连续FSK信号；放大电路4，用于对第二相位连续FSK信号进行功率放大，并将放大后的信号继续上传至井上；其中，上述锁相环电路包括：SE564锁相环芯片、环路滤波器及外接在SE564锁相环芯片引脚12、13的定时电容，该定时电容包括多支容值不同的电容支路；中继短节还包括：单片机5和分别与单片机5和定时电容控制连接的多路复用器6；单片机5，用于控制多路复用器6切换外接在SE564锁相环芯片引脚12、13的定时电容中的电容支路，以使得SE564锁相环芯片中射级耦合多谐振荡器的中心频率接近当前磁感应信道的谐振频率，以接收并解调从井下上传的第一相位连续FSK信号；锁相环电路还包括：外接在SE564锁相环芯片引脚15的数字电位器AD8400，以调整引脚15的外接直流电压，使SE564锁相环芯片中的施密特触发器工作在合适的触发状态下。

具体来说，为了解决前面提到的传输信号在短节中传输时产生的信号衰减的问题，本方案提出了中继短节的技术。当钻井井深大于电磁随钻测量信号的传输深度时，可在钻柱上加装传输信号的中继短节。中继短节接收井下传输来的信号，经过解调、调制、放大等处理后，可将传输信号继续转发给上方钻杆(短节)，从而实现井下信号接力传输。

如图1中所示，本方案提供的中继短节为满足井下传输信号的超长传输距离要求而特别设计制造的一节钻杆(短节)，传输信号主要流经解调模块2、调制模块3和放大器4。中继短节相较其他普通短节比较短，两端的接头处分别设置有线圈1，该线圈1可与相邻的普通短节接头处的线圈形成耦合器，数据在耦合器的两线圈之间通过磁感应耦合原理进行传输。在实际应用场景中，可以通过锂电池组向中继短节内的电子元器件提供电能。

数字信号调制的基本类型有：振幅键控(ASK)，相移键控(PSK)，还有频移键控(FSK)。由于电磁感应信道输出电压幅值随频率和传输距离的改变而有较大变化，不宜采用ASK方式；PSK占用频带窄，抗干扰能力也强，适合磁感应信道传输，但其在磁感应信道传输中电路实现较复杂，所以综上所述本方案选择的信号调制解调方式为FSK。

FSK又可称作数字调频，对于数字码元“1”使用频率为f1的信号来传输，而数字码元“0”则使用频率为f2的信号来传输，当使用两个频率时，就称为2FSK。FSK包含两种情形，分别是相位离散FSK信号和相位连续FSK信号。相位离散FSK信号会引起包络起伏，因为在频率转换点上相位不连续，功率谱的旁瓣分量很大。而克服了相位不连续带来的包络起伏的相位连续FSK信号的抗干扰能力强。因此本方案中采用相位连续FSK信号调制方式，即井下传输的数据信号均为相位连续FSK信号。

本方案中的解调模块2采用锁相环(PPL)来完成FSK信号解调。这种方法是使PLL始终锁定或跟踪输入的FSK信号频率，再滤波处理在锁相环路滤波器输出的信号就得到解调的基带数字信号。

本方案具体采用选用超高频通用单片集成锁相环芯片SE564作为解调芯片。SE564是一个工作频率可达50MHz的多功能锁相环芯片。SE564用于调制解调时，外部不需要连接复杂的滤波电路却能保持较高的性能，只需外接环路滤波器及定时电容等少数元器件即可构成一个效果很好的FSK解调器，特别适合应用于高速调制，FSK信号收发传输，频率合成等。在对2FSK信号进行解调时，2FSK的两个频率f0和f1和对应两个输出电平V0和V1。这两个电平经由施密特触发器整形成与TTL电平兼容的方波。图2为锁相环芯片SE564的内部结构示意图。图3为用于FSK解调的SE564典型电路图。

在实际应用场景中，随着钻杆(短节)节数增多，或者耦合器进入水后，磁感应传输信道的谐振频率会发生变化，因此，本方案提出了一种可以实现频率自适应调节方案。

本方案中的中继短节中的解调模块采用锁相环解调法进行信号解调，能够将输出信号与输入参考信号的相位差调节为恒定值。因为相位差恒定时，输出信号的频率与输入参考信号的频率也会相同，因此锁相环用来实现电路输出的信号与输入参考信号的频率与相位的同步。

从图2中可以看出，锁相环由鉴相器(Phase Detector，PD)、环路滤波器(LoopFilter，LF)及压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator，VCO)三部分组成。如果VCO的输出频率和锁相环输入信号的频率相同，两者的相位差会保持不变，此时VCO的输出信号频率将保持不变，环路处于锁定状态。

VCO是改进型的射级耦合多谐振荡器，内置有100欧电阻RT，与12、13脚外接电容CT共同决定VCO的中心频率。本方案中，通过切换SE564解调芯片12、13脚的外接定时电容实现VCO的中心频率自适应调节。

另外，如图4所示，本实施方式还提供一种频率自适应调节器，包括：外接在SE564锁相环芯片引脚12、13的多个电容支路，与多个电容支路连接的多路复用器，以及与多路复用器连接的单片机；

单片机，用于控制多路复用器切换外接在SE564锁相环芯片引脚12、13的电容支路，以使得SE564锁相环芯片中射级耦合多谐振荡器的中心频率接近当前磁感应信道的谐振频率，以接收并解调输入的相位连续FSK信号。

如图中所示，该频率自适应调节器，包括由多支容值不同的电容支路构成的定时电容、单片机(同图1中的单片机5)和分别与单片机和定时电容控制连接的多路复用器(同图1中的多路复用器6)。如图中所示，该定时电容包含6个不同容值的多路切换电容，其对应产生的频率范围能够覆盖谐振频率。多路电容对应的振荡频率分别为f1、f2、f3、f4、f5和f6。

在钻井通信的过程中，每个中继短节中的单片机5不断控制多路复用器切换电容，并检测解调模块2是否能接收并解调出井下传来的信号。若一种电容组合对应信号的频率f1与信道的谐振频率相差较大，则中继短节不能解调出井下钻杆传来的信号，那么单片机5就切换第二种电容组合来对应信号的频率f2；若此时信道的谐振频率恰在f2附近，中继短节便能解调出井下传来的信号。此时，单片机5停止切换电容，并且在接下来的接收周期发送频率为f2的信号，从而实现接收频率的自适应调整。

在进行频率自适应调节的过程中，由于切换的VCO中心频率不同，导致SE564解调芯片中施密特触发器的回差电平也不同。施密特触发器的两个上下翻转直流参考电平的间距可通过SE564的15脚外接直流电压进行调整，从而使施密特触发器工作在合适的触发状态下。例如，本文采用数字电位器AD8400调整15脚外接直流电压。

本实施方式提供的信道自适应钻井通信中继短节，通过接收从井下上传的第一相位连续FSK信号后，对第一相位连续FSK信号采用锁相环电路进行相位连续FSK信号解调，得到原始测量数字信号；对原始测量数字信号进行相位连续FSK信号调制，得到第二相位连续FSK信号；最后对第二相位连续FSK信号进行功率放大，并将放大后的信号继续上传至井上，从而提高磁感应信号在磁感应信道中的抗衰减能力，保证从井下上传的数据信号能够顺利上传到地面。并且，通过在锁相环电路中的SE564锁相环芯片引脚12、13两端外接定时电容，通过灵活调整外接不同容值的电容支路，使得锁相环电路的信号接收频率范围能够覆盖磁感应信道的谐振频率，以接收并解调出井下传来的信号。同时，通过对SE564锁相环芯片脚15外接直流电压进行调整，从而使SE564锁相环芯中的施密特触发器工作在合适的触发状态下，保证锁相环电路的稳定性能。

本发明第二实施方式涉及一种信道自适应钻井通信钻柱，包括：多节普通短节和多节如权利要求1所述的信道自适应钻井通信中继短节，普通短节内部安装有同轴电缆，电缆的两端各连接着一个线圈；处于相邻位置的两节普通短节或者相邻位置的普通短节和中继短节之间，通过相邻的线圈构成耦合器；数据在普通短节内部通过同轴电缆传输；数据在耦合器的两线圈之间通过磁感应耦合原理进行传输。

与现有技术相比，本发明实施方式通过在钻柱上加装信号中继短节，利用中继短节接收井下传输来的信号，经过解调、调制、放大等处理后，将该信号转发给上方钻杆，从而实现井下信号接力传输，提高信号的抗衰减能力。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (3)

1.一种信道自适应钻井通信中继短节，其特征在于，包括：在所述中继短节两端的接头处分别设置有线圈，该线圈与相邻短节接头处的线圈形成耦合器，数据在所述耦合器的两线圈之间通过磁感应耦合原理进行传输；所述中继短节还包括：解调模块、调制模块和放大电路；

所述解调模块，用于接收从井下上传的第一相位连续FSK信号，并对所述第一相位连续FSK信号采用锁相环电路进行相位连续FSK信号解调，得到原始测量数字信号；

所述调制模块，用于对所述原始测量数字信号进行相位连续FSK信号调制，得到第二相位连续FSK信号；

所述放大电路，用于对所述第二相位连续FSK信号进行功率放大，并将放大后的信号继续上传至井上；

其中，所述锁相环电路包括：SE564锁相环芯片、环路滤波器及外接在SE564锁相环芯片引脚12、13的定时电容，所述定时电容包括多支容值不同的电容支路；

所述中继短节还包括：单片机和分别与所述单片机和所述定时电容控制连接的多路复用器；

所述单片机，用于在钻井通信的过程中控制所述多路复用器切换外接在所述SE564锁相环芯片引脚12、13的定时电容中的电容支路，以使得所述SE564锁相环芯片中射级耦合多谐振荡器的中心频率接近当前磁感应信道的谐振频率，以接收并解调从井下上传的所述第一相位连续FSK信号，其中，所述磁感应信道的谐振频率根据钻井通信场景的变化而变化；

所述锁相环电路还包括：外接在所述SE564锁相环芯片引脚15的数字电位器AD8400，以调整引脚15的外接直流电压，使所述SE564锁相环芯片中的施密特触发器工作在合适的触发状态下。

2.一种信道自适应钻井通信钻柱，其特征在于，包括：多节普通短节和多节如权利要求1所述的信道自适应钻井通信中继短节，所述普通短节内部安装有同轴电缆，电缆的两端各连接着一个线圈；处于相邻位置的两节普通短节或者相邻位置的普通短节和中继短节之间，通过相邻的线圈构成耦合器；

数据在所述普通短节内部通过所述同轴电缆传输；数据在所述耦合器的两线圈之间通过磁感应耦合原理进行传输。

3.一种频率自适应调节器，其特征在于，应用于权利要求1所述的信道自适应钻井通信中继短节；所述频率自适应调节器包括：外接在所述SE564锁相环芯片引脚12、13的所述多个电容支路，与所述多个电容支路连接的所述多路复用器，以及与所述多路复用器连接的所述单片机；

所述单片机，用于在钻井通信的过程中控制所述多路复用器切换外接在所述SE564锁相环芯片引脚12、13的电容支路，以使得所述SE564锁相环芯片中射级耦合多谐振荡器的中心频率接近当前磁感应信道的谐振频率，以接收并解调输入的相位连续FSK信号，其中，所述磁感应信道的谐振频率根据钻井通信场景的变化而变化。

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