CN111641574A - 一种电极式近钻头无线短传调制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电极式近钻头无线短传调制方法及装置，属于近钻头随钻测井技术领域。该方法包括：通过近钻头测量短节对参数进行测量，获取参数信息并打包成数据包发送至发射处理器部；通过发射处理器部对数据包进行二进制移频键控调制，根据设定的发射功率和驱动源功率，将已调制数据包经过放大电路和驱动电路后加载到发射体正极和发射体负极，通过发射体正极和发射体负极将经过放大电路和驱动电路的已调制数据包发射至接收体，实现电极式无线短传调制。本发明能够实现近钻头无线短传任意长度的调制发射。实现方法简单，根据实际钻井现场的需要可在下井前灵活配置需要发射的信息，方面现场操作人员使用，提高作业效率，降低钻井风险。

Description

一种电极式近钻头无线短传调制方法及装置
技术领域
本发明属于近钻头随钻测井技术领域，具体涉及一种电极式近钻头无线短传调制方法及装置。
背景技术
电极式近钻头无线短传主要用于随钻测井过程中将近钻头的测量数据通过无线的方式跨过螺杆传输至MWD(随钻测量Measure While Drilling)系统。数据通过MWD系统的泥浆波脉冲发生器或者电磁波技术传输至地面系统，从而指导钻井作业人员判断当前钻头附件的钻遇地层情况和钻进姿态。
如图1所示，近钻头无线短传装置由发射体和接收体组成，发射体与近钻头测量短节电气和机械连接，发射体通过隔离层(GAP)将发射体分割为发射正极和发射负极。发射体与接收体中间跨接螺杆,接收体也通过隔离层分割为接收正极和接收负极，接收体的接收负极与发射体的接收负极机械硬链接(通过螺杆)，这样由发射正极到接收正极，再到发射负极构成了一个电流回路，实现将近钻头测量短节的信息传送至随钻测量系统MWD的功能。由于螺杆的结构特点，一般情况下不能使用贯穿线实现发射和接收装置的有线通讯，除非改造螺杆结构，使用预埋在螺杆中的贯穿线实现有线通讯。但这种结构有其使用的局限性，基本被摒弃。近钻头短传的发展方向是无线传输方式。无线短传主要使用电极式或者线圈式两种方式实现。
现阶段，近钻头主要提供给地面现场作业人员的信息主要包括钻遇地层的伽马参数和井斜信息。有的作业还需要提供钻头的钻速和近钻头测量短节电池状态等信息。伽马信息有助于提高钻井作业的钻遇率(钻井在油气层或者煤层中的比例)，而井斜、钻速和电池状态可以辅助钻井作业，提高钻井的效率。由于实际作业钻进的速度很慢(与钻遇地层的岩性成分有关，一般钻进速度在10米/小时)，因此近钻头的无线传输的信息量不高，同时由于MWD系统上传需要借助于泥浆波或者电磁波，传输速率在0.5-6bps，因此实际应用中，无线短传的速率达到20bps即可满足要求。
经典的信号传输方式有基带传输和调制载波传输两种。基带传输就是对发送的码元不做任何调整，直接按照二进制的形式加载到信道，这种方式适用于近距离、高速通讯。例如高速串口通讯、SPI通讯等，优点是传输速率快，但是传输距离短，抗干扰能力差。另外一种就是载波通讯，例如FSK(调频键控调制)，PSK(相位键控调制)等。在近钻头无线短传领域，不宜采用基带传输方式，载波通讯适用于此领域的低速率、干扰大的环境。
发明内容
为了解决以上问题，本发明采用2FSK，即二进制调频键控的调制方式，提供一种电极式近钻头无线短传调制方法及装置，实现随钻过程中近钻头测量短节的信号调制方法，电路实现简单。
根据本发明的第一方面，提供一种电极式近钻头无线短传调制方法，所述方法包括：
通过近钻头测量短节对参数进行测量，获取参数信息并打包成数据包发送至发射处理器部；
通过发射处理器部对数据包进行二进制移频键控调制，根据设定的发射功率和驱动源功率，将已调制数据包经过放大电路和驱动电路后加载到发射体正极和发射体负极，
通过发射体正极和发射体负极将经过放大电路和驱动电路的已调制数据包发射至接收体，实现电极式无线短传调制。
进一步的，所述参数包括钻井井斜信息、伽马信息、转数信息、仪器状态信息和/或温度信息。
进一步的，所述数据包通过有线的485接口发送至发射处理器部。
进一步的，所述近钻头测量短节对参数进行测量，获取参数信息并打包成数据包后，还包括以下操作：将所述数据包前部加入包头0xAA、0x55，后部加入CRC校验，再发送至发射处理器部。
进一步的，校验方式按位异或或者相加。
进一步的，所述发射处理器部对数据包进行二进制移频键控调制前，还包括以下操作：发射处理器部接收到数据包后，进行相应的包头和CRC检测，如果正确，发射处理器部将整个数据包作为待发射信息进行二进制移频键控调制。
进一步的，所述数据包按照比特进行二进制移频键控调制，调制的规则如下：
Bit＝0，载波f1＝1.0kHz，周期20个；
Bit＝1，载波f2＝1.5kHz，周期40个。
进一步的，所述发射处理器部为具有DAC输出功能的STM32系列ARM处理器。
进一步的，发射处理器部将待发射的数据包按照调制规则依次完成各bit的调制，发送的时间为N*20ms，其中N为发射的bit总数。
根据本发明的第二方面，提供一种电极式近钻头无线短传调制系统，所述方法包括：
近钻头测量短节，用于对参数进行测量，获取参数信息并打包成数据包发送至发射处理器部；
发射处理器部，用于对数据包进行二进制移频键控调制，根据设定的发射功率和驱动源功率，将已调制数据包经过放大电路和驱动电路后加载到发射体正极和发射体负极，
发射体正极和发射体负极，用于将经过放大电路和驱动电路的已调制数据包发射至接收体，实现电极式无线短传调制。
本发明的有益效果：
通过本发明技术方案，能够实现近钻头无线短传任意长度的调制发射。实现方法简单，根据实际钻井现场的需要可在下井前灵活配置需要发射的信息，方面现场操作人员使用，提高作业效率，降低钻井风险。
具体体现包括：
1、可实现任意长度调制发射，近钻头仪器在使用中，现场工作人员(地面地质导向工程师)需要实时获取钻头姿态(井斜，方位，工具面角)、钻头附近温度、地层电阻率，钻头钻速、环空压力等地质导向信息，但不是任意时刻所有的信息都要获取(受MWD泥浆脉冲上传的速率限制)，本发明可实现在下井前通过简单的配置，将本次需要获取的地质导向信息通过短传调制和解调后，通过MWD上传至地面，配置灵活，从而节省发射总体功耗，增加电池使用寿命。
2、调制方式简单实用，通过处理器软件实现调制算法，硬件结构不受温度和井下振动、冲击等恶劣环境的影响，具有很高的可靠性。
3、使用本发明提供的调制方法，可实现将测量短节任意信息调制成无线短传发射的信号形式，与测量短节通讯简单可行，通过简单的485通讯即可实现。
4、本发明充分考虑了近钻头仪器应用的现场环境，高温，高振动和冲击的恶劣环境下保证可靠性。选用的FSK调制频点可在井下恶劣环境下最大限度降低环境的影响。
5、应用本发明研制的近钻头无线短传仪器已完成现场工程应用测试，充分说明了本部分发明的合理性和可行性。
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使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1示出近钻头无线短传装置的结构图；
图2示出根据本发明实施例的电极式近钻头无线短传调制方法的流程示意图；
图3示出根据本发明实施例的数据包结构示意图；
图4示出根据本发明实施例的各bit的调制示意图；
图5示出根据本发明一个实施例的发射数据包结构示意图；
图6示出根据本发明另一实施例的发射数据包结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本公开的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
多个，包括两个或者两个以上。
和/或，应当理解，对于本公开中使用的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
近钻头测量短节实现钻井井斜、伽马等参数的测量后，将获取到的数据通过有线的485接口发送至发射处理器部。如图2所示，发射处理器部对信号进行2FSK调制，然后根据当前设定的发射功率，按照设定的驱动源功率，将已调制信号经过放大和驱动电路后加载到发射体的正负极。实现电极式无线短传的发射。
如图3所示，测量短接将测量到的信息(伽马、井斜、转数等)组成数据包，前面加入包头0xAA，0x55，后面加入CRC校验(校验方式可以是按位异或或者相加)，整个数据包的长度根据地面人员需要获取到的信息决定。其中可以选择伽马、井斜、转速、仪器状态等，每个信息的字节数根据其精度和测量范围确定，可以选择1个字节，2个字节等。数据包的长度越长，发射的时间越长，相应发射功耗越大。由于近钻头测量和发射短节采用电池供电。因此发射功耗过大会降低仪器的工作时长，不便于现场仪器的长时间应用。因此发射的信息字节的选择应该是尽量简短精练，满足基本要求即可。
发射处理器部接收到测量短节的数据包后，进行相应的包头和CRC检测。如果正确，发射处理器部将整个数据包作为待发射信息进行二进制移频键控调制。
带传输的数据包按照比特进行2FSK调制，调制的规则如下：
Bit＝0，载波f1＝1.0kHz周期20个
Bit＝1，载波f2＝1.5kHz，周期40个
每个bit调制后载波持续时间为20*1ms＝20ms,发射处理器部为具有DAC输出功能的STM32系列ARM处理器，其将待发射的数据包按照如上的调制规则，依次完成各bit的调制。如图4所示。发送的时间为N*20ms，其中N为发射的bit总数。
实施例1
现场作业过程中，地面钻井工程师需要实时获取钻头的姿态(井斜，方位)、钻头钻进速度、上下伽马和温度。根据此要求，在近钻头仪器下井前，配置发射数据包结构如图5所示。
其中上下伽马根据磁工具面角和重力工具面较进行成像。范围为0至255。井斜占用两个字节，分为高字节H和低字节L。精度为0.3°，实际有效12bit。方位、转数和温度各占用1个字节。根据特定的方式进行编码。总发射比特数为80字节，发射时间为80*20ms＝1.6s，发射端间隔20秒发送一次。考虑功耗方面：根据不同的地层环境，如果在发射的过程中，功耗为Wt，则发射端平均功耗为Wt*1.6/20。则发射端可连续工作时长T＝Wc/(Wt*1.6/20)。其中Wc为发射端电池的输出功率。
实施例2
现场作业过程中，为简化操作流程，地面钻井工程师有的时候会忽略其他钻井参数，只需要上下伽马和井斜信息。此时，在近钻头仪器下井前，可配置发射数据包结构如图6所示。
此时总发射比特数为56字节，发射时间为56*20ms＝1.12s，发射端间隔20秒发送一次。则发射端可连续工作时长T＝Wc/(Wt*1.12/20)。
实施例3
现场作业过程中，发射的比特数可以任意增加，但随着发射比特数的增加，在电池功耗一定的情况下，发射比特数越多，相应的工作时长越短，成比例缩短。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种电极式近钻头无线短传调制方法，其特征在于，所述方法包括：
通过近钻头测量短节对参数进行测量，获取参数信息并打包成数据包发送至发射处理器部；
通过发射处理器部对数据包进行二进制移频键控调制，根据设定的发射功率和驱动源功率，将已调制数据包经过放大电路和驱动电路后加载到发射体正极和发射体负极，
通过发射体正极和发射体负极将经过放大电路和驱动电路的已调制数据包发射至接收体，实现电极式无线短传调制。
2.根据权利要求1所述的电极式近钻头无线短传调制方法，其特征在于，所述近钻头测量短节对参数进行测量，获取参数信息并打包成数据包后，还包括以下操作：将所述数据包前部加入包头0xAA、0x55，后部加入CRC校验，再发送至发射处理器部。
3.根据权利要求2所述的电极式近钻头无线短传调制方法，其特征在于，校验方式按位异或或者相加。
4.根据权利要求1所述的电极式近钻头无线短传调制方法，其特征在于，所述发射处理器部对数据包进行二进制移频键控调制前，还包括以下操作：发射处理器部接收到数据包后，进行相应的包头和CRC检测，如果正确，发射处理器部将整个数据包作为待发射信息进行二进制移频键控调制。
5.根据权利要求4所述的电极式近钻头无线短传调制方法，其特征在于，所述数据包按照比特进行二进制移频键控调制，调制的规则如下：
Bit＝0，载波f1＝1.0kHz，周期20个；
Bit＝1，载波f2＝1.5kHz，周期40个。
6.根据权利要求5所述的电极式近钻头无线短传调制方法，其特征在于，所述发射处理器部为具有DAC输出功能的STM32系列ARM处理器。
7.根据权利要求6所述的电极式近钻头无线短传调制方法，其特征在于，发射处理器部将待发射的数据包按照调制规则依次完成各bit的调制，发送的时间为N*20ms，其中N为发射的bit总数。
8.根据权利要求1所述的电极式近钻头无线短传调制方法，其特征在于，所述参数包括钻井井斜信息、伽马信息、转数信息、仪器状态信息和/或温度信息。
9.根据权利要求1所述的电极式近钻头无线短传调制方法，其特征在于，所述数据包通过有线的485接口发送至发射处理器部。
10.一种电极式近钻头无线短传调制系统，其特征在于，所述系统采用根据权利要求1至9中任一项所述的方法进行电极式近钻头无线短传调制，所述系统包括：
近钻头测量短节，用于对参数进行测量，获取参数信息并打包成数据包发送至发射处理器部；
发射处理器部，用于对数据包进行二进制移频键控调制，根据设定的发射功率和驱动源功率，将已调制数据包经过放大电路和驱动电路后加载到发射体正极和发射体负极，
发射体正极和发射体负极，用于将经过放大电路和驱动电路的已调制数据包发射至接收体，实现电极式无线短传。
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