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技术方案

本发明专利技术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：

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于石油钻井井下信息传输的
，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。
技术介绍
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。美国专利文献US8302685公开了MUDPULSETELEMETRYDATAMODULATIONTECHNIQUE，提出了一种平滑相位8PSK连续波调制方法，其中，相邻码元之间的相位过渡采用平滑处理，处理方法参考了Borah，D.K.等人于2004-10-14IEEEGlobalTelecommunicationsConference中公开的文献Smoothphaseinterpolatedmodulationsfornonlinearchannels，采用该方法能够实现连续波发生器驱动电机的转速平稳控制，但其也存在一定的不足。地面接收处理该8PSK信号时，是通过计算调制信号与参考信号之间的相位差来实现信号的解调，因钻井液信道中的噪声较强，噪声的功率谱特性分布较宽，很难得到较为精确的相位偏差，而只要误差超过π/16，就会产生误码，导致误码率高。因此，对于8PSK或是更高级的PSK，即便采用相位平滑方式进行调制，信号处理的难度也很大，误码率也很高。相位连续的调制方式还包括连续相位频移键控(CPFSK)或最小频移键控MSK，在采用频移键控时，理论上频率在两个码元间从一个频率值到另一个频率值是瞬间变化的，用在连续波发生器上，意味着连续波发生器驱动电机要瞬间从一个转速直接跳变到另一转速，这从物理上说是不可能实现的。综上所述，现有技术中对于如何进一步提高钻井液连续波方法传输数据过程中的传输速率的问题，以及如何解决用于钻井液连续波数据传输的调制方式在相位突变或频率突变时，连续波发生器无法驱动电机实现瞬时转速的跳变或在解调时误码率高的问题，尚缺乏有效的解决方案。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，克服在钻井液连续波方法传输数据过程中传输速率慢的问题，以及用于钻井液连续波数据传输的调制方式在相位突变或频率突变时连续波发生器无法驱动电机实现瞬时转速的跳变或在解调时误码率高的问题，提供一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制系统。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：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、调制器和钻井液连续波发生器，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，建立二进制数据中的位序列与钻井液连续波发生器待产生压力波的频率之间的相互关系，根据压力波调制方程进行频率连续的频移键控调制得到调制信息，所述压力波调制方程为：其中，A为幅值，t为时间，T为符号周期，Fn+1为调制后的频率，Fn为调制前的频率，是初始相位，t1是第一次频率转变时间，t2是第二次频率转变时间，n为取[1,2m]间的正整数，m为每组位序列包括的数据位个数；将调制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调制信息规律地产生钻井液连续压力波，将二进制数据调制到钻井液连续压力波中。进一步的，所述钻井液连续波发生器包括旋转阀、减速机、电机、电机驱动器和电机控制器，所述电机控制器与所述调制器连接，根据调制器发送来的待产生压力波的信息产生控制信号，并将该控制信号发送至电机驱动器，所述电机驱动器根据其接收的控制信号驱动电机转动，所述电机与所述减速机连接，所述电机驱动所述减速器带动所述旋转阀工作，所述旋转阀设置于空心钻柱内，周期性地阻断流过所述空心钻柱中的钻井液产生钻井液连续压力波。进一步的，所述旋转阀包括转子和定子，所述转子与所述减速器连接，所述电机驱动减速器带动旋转阀中的转子转动，即可驱动转子匀速、加速或减速转动，所述转子连续转动，使得所述转子与所述定子之间的阀口交互的打开或关闭，周期性地阻碍钻柱中钻井液流动，按照编码调制规律产生钻井液连续波。本专利技术为了解本文档来自技高网...

【技术保护点】
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、调制器和钻井液连续波发生器，其特征是：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，建立二进制数据中的位序列与钻井液连续波发生器待产生压力波频率的相互关系，根据压力波调制方程进行频率连续的频移键控调制得到调制信息，将调制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调制信息规律的产生钻井液连续压力波，将二进制数据调制到钻井液连续压力波中。

【技术特征摘要】
1.一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、调制器和钻井液连续波发生器，其特征是：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，建立二进制数据中的位序列与钻井液连续波发生器待产生压力波频率的相互关系，根据压力波调制方程进行频率连续的频移键控调制得到调制信息，将调制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调制信息规律的产生钻井液连续压力波，将二进制数据调制到钻井液连续压力波中。2.如权利要求1所述的一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制系统，其特征是：所述钻井液连续波发送器包括旋转阀、减速机、电机、电机驱动器和电机控制器，所述电机控制器与所述调制器连接，根据调制器发送来的待产生压力波的信息产生控制信号，并将该控制信号发送至电机驱动器，所述电机驱动器根据其接收的控制信号驱动电机转动，所述电机与所述减速机连接，所述电机驱动所述减速器带动所述旋转阀工作，所述旋转阀设置于空心钻柱内，周期性地阻断流过所述空心钻柱的钻井液产生钻井液连续压力波。3.如权利要求2所述的一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制系统，其特征是：所述旋转阀包括转子和定子，所述转子与所述减速器连接，所述电机驱动减速器带动旋转阀中的转子转动，所述电机既可驱动转子匀速、加速或减速转动，所述转子连续转动，使得所述转子与所述定子之间的阀口交互的打开或关闭，周期性地阻碍钻柱中钻井液流动，按照编码调制规律产生钻井液连续压力波。4.如权利要求1所述的一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制系统，其特征是：所述压力波调制方程为：其中，A为幅值，t为时间，T为符号周期，Fn+1为调制后的频率，Fn为调制前的频率，是初始相位，t1是第一次频率转变时间，t2是第二次频率转变时间，n为取[1,2m]间的正整数，m为每组位序列包括的数据位个数。5.如权利要求1所述的一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制系统，其特征是：该系统与一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码解调系统相配合使用，解调系统包括解调器与解码器，所述解调器与所述调制器对应，所述解码器与所述编码器对应，所述解调器根据调制器中的位序列与符号组合、码元频率组合映射表，由地面设备检测到的压力波解调得到二进制数据，并将解调后的二进制数据传输至所述解码器，所述解码器与所述编码器相对应，所述解码器将解调后的二进制数据根据编码符号重构原始数字信息，得到井下信息。6.如权利要求1-4任一所述的一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制系统的一种钻井液连续波频率连续相位平滑编码调制方法，其特征是：该方法包括以下步骤：(1)将井下传感器采集到的井下信息传输至编码器，所述编码器将井下信息转化为二进制数据；(2)编码器将步骤(...

【专利技术属性】
技术研发人员：武加锋，王瑞和，张锐，张经纬，秦冬黎，张杰，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37