[发明专利]钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制解调系统及方法

说明书

本发明涉及一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制系统，该系统包括编码器，所述编码器将井下传感器采集的井下信息转化为二进制数据，并将二进制数据传输至所述调制器，所述调制器将所述二进制数据分为至少一组的位序列，根据压力波调制方程建立二进制数据与钻井液连续波发生器待产生压力波的相互关系，并将二进制数据对应的钻井液发生器待产生压力波的信息传输至所述钻井液连续波发生器，所述钻井液连续波发生器根据待产生压力波的信息规律的产生钻井液连续压力波。所述压力波调制方程为：

技术领域

本发明属于石油钻井井下信息传输的技术领域，特别是涉及钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制解调系统及方法。

背景技术

在石油钻井过程中，钻机带动钻杆和钻头旋转，钻头破碎岩层，在地层中形成一个井筒，在本领域中井筒也称井眼；在钻头破碎岩层的同时，钻井液通过空心钻柱向井下注入，由空心钻柱流至钻头，然后从钻头水眼流入钻柱与井眼之间的环空，再由环空上返至地面，从而将井底产生的大量岩屑经钻柱与井眼之间的环空中带到地面。地面的固控装置将钻井液中的岩屑清除后，通过泥浆泵再次将清除岩屑后的钻井液打入井内，形成钻井液的循环利用。

在钻头钻进过程中，由于井下情况非常复杂，实时获取井眼几何轨迹、地质特性、井下工具工作特性等井下信息，以便控制钻头的后续钻进是现代化钻井的迫切需求；其中，井眼的几何轨迹包括方位角、井斜角、工具面角等，地质特性包括岩层密度、压力、电阻率等，井下工具工作特性包括工具转速等，而如何将这些井下信息实时传输到地面是一个关键技术问题。

目前，将井下信息实时传输到地面的无线传输装置及方法的现状为：存在多种将井下信息传输至地面的无线传输方法，如钻井液压力波法、电磁波法、声波法、光纤法等；其中，应用最广泛的是钻井液压力波法。钻井液压力波法是通过钻柱内钻井液的压力变化来传输井下信息，具有鲁棒性好的优点，尤其在深井应用中，其它方法很难取代钻井液压力波法。在钻井液压力波法中又具体包括钻井液正脉冲方法、钻井液负脉冲方法与钻井液连续波方法，其中，钻井液正脉冲方法和钻井液负脉冲方法比较成熟，工程应用广泛，但这两种方法属于低频脉冲信号方法，传输信号速率低，在数据传输效率上存在一定不足，在目前应用中，井下信息实时传输到地面的现场传输速率通常小于3Hz。

随着井下信息传输技术的发展，对井下信息实时传输到地面的数据传输速率的要求越来越高，钻井液正脉冲方法和钻井液负脉冲方法的正/负脉冲信号发生器已经不能很好的满足数据传输速率的需求，而钻井液连续波方法，传输速率高的同时兼具鲁棒性好等优点，是一种应用前景非常广阔的井下信息数据传输方法。

在使用钻井液连续波方法传输井下数据的过程中，井下信息由井下传感器检测，经过编码，转化成二进制数据，然后发送给井下调制系统，通过调频或调相，产生钻井液连续压力波信号，该井下调制系统被称为“连续波发生器”。地面设备连续检测这些相位或频率的变化，通过解调、解码获得井下数据。井下调制系统将井下信息的编码信号转化为钻井液连续压力波信号，是使用钻井液连续波方法传输数据过程中的重要环节。

钻井液作为信号波(如压力波)的传播媒介，在井下数据传输过程中，需要将井下信息调制到该信号波上。根据通信系统的调制原理，在井下可以用信号波的幅值、相位或频率等信号特征表示数据位，数据位可以是二进制或多进制数据。当压力波传输至地面时，可以通过检测这些信号特征，来确定数据的二进制或多进制信息，借此还原井下信息。目前用于钻井液连续波数据传输的调制方式主要有相移键控(PSK)和频移键控(FSK)，如，4PSK采用四个离散相位表示两位的数据，2FSK采用两种频率表示一位的数据等。在PSK调制时，也存在一定的不足：理论上，相位是瞬时突变的，但是对于目前研究中的旋转阀式连续波发生器或振荡剪切式连续波发生器来说，均无法实现这种相位的突变，只能通过电机的快速驱动来实现近似于PSK相位调制的压力波波形。该近似方法很难用于更为高级的调制方式，以进一步提高信号的传输速率。