地面信號發送裝置、井下信號接收裝置及數據傳輸系統的製作方法

2023-09-21 03:49:45

本發明涉及油氣開發鑽井技術領域，尤其涉及一種地面信號發送裝置和井下信號接收裝置，還涉及一種具有該地面信號發送裝置和井下信號接收裝置的數據傳輸系統。

背景技術：

隨著鑽井技術的發展，井下鑽具組合中可掛接的工具(儀器)越來越多，為了使這些工具、儀器能按要求可靠穩定地工作，需要隨時在地面對它們的執行機構實施遠程遙控。如電磁隨鑽測量儀器，為了優化其工作性能，延長工作時間，可從地面向井下發送一些下行指令，來控制其發射機的工作啟動/停止、工作模式、載波頻率、延遲時間等；旋轉導向工具也需要地面下傳指令，控制底部鑽具組合的鑽進方向；分段壓裂時需要控制多級分隔器在不同時間和井段工作等。

目前地面對井下執行機構的遙控方法主要是通過鑽井液液壓控制，地面司鑽通過排列組合不同時間長度和次數的開停泵操作，來代表不同的指令，通過開停泵產生不同效果的鑽井液脈衝，使管柱中液柱壓力隨之發生相應變化。井下執行機構通過監測管柱壓力信號，接收脈衝信號，然後將脈衝信號恢復成電信號，從而判斷指令的內容。

然而，上述地面對井下執行機構的遙控方法的缺陷在於：首先發送下行指令時操作複雜，對操作時序要求高，容易出現誤操作；二是要下傳指令時需要停止一切鑽進工作，才不會對開停泵操作產生幹擾，耽誤鑽進時間；三是只能依靠不同排列組合發送固定的幾個簡單指令，實現一些簡單操作，指令種類少，結構簡單，對井下執行機構的控制效果不好。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：現有技術中利用鑽井液液壓控制遙控井下執行機構，發送下行指令時操作複雜，易出現誤操作；發送下行指令時會耽誤鑽進 時間；只能實現簡單的操作，不能精確控制井下執行機構。

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種地面信號發送裝置、井下信號接收裝置及數據傳輸系統，能夠在鑽進過程中隨時從地面向井下發送控制指令，控制井下執行機構按現場作業需要工作，而不影響正常的鑽井作用，從而實現地面對井下執行機構的實時、可靠地控制。

根據本發明的第一個方面，提供了一種地面信號發送裝置，其設置在地面端，其包括依次連接的地面控制器、地面發射電路和地面發射天線，控制指令依次經所述地面控制器和所述地面發射電路的處理後，通過所述地面發射天線發射出去。

優選的是，所述地面發射天線包括均與所述地面發射電路連接的第一埋地電極和第二埋地電極；其中，所述第一埋地電極與井筒的上部鑽柱相連，所述第二埋地電極與所述第一埋地電極間隔預設距離。

優選的是，所述第二埋地電極沿所述井筒的井眼軌跡延伸方向設置。

優選的是，所述地面控制器包括：

指令接收單元，設置為接收所述控制指令；

信號編碼單元，設置為對所述控制指令進行編碼；以及

信號調製單元，設置為對編碼後的控制指令進行調製。

優選的是，所述信號編碼單元採用幀同步校驗的方式對所述控制指令進行編碼，並使所述編碼後的控制指令包括12位幀同步校驗位。

優選的是，所述地面發射電路包括光電隔離電路和功率放大電路；其中，所述地面控制器通過所述光電隔離電路和所述功率放大電路與所述地面發射天線連接。

優選的是，所述地面發射電路還包括連接在所述功率放大電路和所述地面發射天線之間的脈衝變壓器。

根據本發明的第二個方面，提供了一種井下信號接收裝置，其設置在井下端，其包括依次連接的井下接收天線、井下接收電路和井下控制器；所述井下接收天線接收地面信號發送裝置發射的電磁波並將所述電磁波轉換為電信號，所述電信號依次經所述井下接收電路和所述井下控制器的處理後輸入至井下執行機構。

優選的是，所述井下接收天線包括上接頭、下接頭以及位於所述上接頭和所述下接頭之間的絕緣接頭，所述上接頭與井筒的上部鑽柱連接，所述下接頭與所 述井筒的下部鑽柱連接。

優選的是，所述下接頭的側面設置有用於容置的所述井下接收電路和所述井下控制器的凹槽。

優選的是，所述井下接收電路包括增益放大電路、模擬濾波電路和A/D轉換電路；其中，所述井下接收天線依次通過所述增益放大電路、模擬濾波電路和A/D轉換電路與所述井下控制器連接，所述增益放大電路與所述井下控制器連接。

優選的是，所述井下控制器包括：

數字濾波單元，設置為對所述A/D轉換電路輸出的數位訊號進行濾波；

信號解調單元，設置為對所述數字濾波單元輸出的信號進行解調；

信號解碼單元，設置為對所述信號解調單元輸出的信號進行解碼；

數據回放及通信單元，設置為對所述信號解碼單元輸出的信號進行數據回放，並將所述信號解碼單元輸出的信號發送給所述井下執行機構；以及

增益控制單元，其與所述增益放大電路連接，設置為調節所述增益放大電路的增益係數。

優選的是，所述信號解碼單元包括：

吻合程度獲取子單元，設置為獲取所述信號解調單元輸出的信號中的12位幀同步校驗位與預設的比對模板的吻合程度；

確定子單元，設置為在比較出所述吻合程度大於或者等於預設的吻合程度閾值時，確定所述信號解調單元輸出的信號通過幀同步校驗。

根據本發明的第三個方面，提供了一種具有上述地面信號發送裝置和上述井下信號接收裝置的數據傳輸系統。

與現有技術相比，上述方案中的一個或多個實施例可以具有如下優點或有益效果：

本發明所提供的電磁無線傳輸的方式，與常規脈衝遙控指令傳輸方式相比，無須開停泵，不耽誤鑽進時間，不容易產生誤操作，可靠性更高；數據幀結構更靈活、更複雜，能發出的控制命令更多樣(傳統開停泵只能發固定的幾個指令)，可以在鑽進過程中實時優化井下執行機構工況和控制其工作，對鑽井安全高效有重大的積極意義。另外，本發明結構簡單、可靠性高、在國內現有技術水平和加工工藝下容易實現，經現場應用證明，使用效果良好。

本發明的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且部分地從說明書中 變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。

附圖說明

附圖用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本發明的實施例共同用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。在附圖中：

圖1示出了本發明實施例數據傳輸系統的結構示意圖；

圖2示出了本發明實施例中井下接收天線的結構示意圖；

圖3示出了圖2所示的井下接收天線的A-A向剖視圖；

圖4示出了本發明實施例地面信號發送裝置的原理方框圖；以及

圖5示出了本發明實施例井下信號接收裝置的原理方框圖。

具體實施方式

以下將結合附圖及實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題，並達成技術效果的實現過程能充分理解並據以實施。需要說明的是，只要不構成衝突，本發明中的各個實施例以及各實施例中的各個特徵可以相互結合，所形成的技術方案均在本發明的保護範圍之內。

為了解決現有技術中利用鑽井液液壓控制遙控井下執行機構存在的以下缺陷：發送下行指令時操作複雜，易出現誤操作；發送下行指令時會耽誤鑽進時間；只能實現簡單的操作，不能精確控制井下執行機構，本發明實施例提供了一種數據傳輸系統。

圖1示出了本發明實施例數據傳輸系統的結構示意圖。參照圖1，本實施例數據傳輸系統包括地面信號發送裝置4和井下信號接收裝置6。其中，地面信號發送裝置4位於井場的地面端，從而能夠根據技術人員的需要，隨時從地面端向井下執行機構7發送控制指令。該地面信號發送裝置4包括地面控制器、地面發射電路和地面發射天線。井下信號接收裝置6位於井筒內靠近井下執行機構7的位置，該井下信號接收裝置6包括井下接收天線、井下接收電路和井下控制器。

地面信號發送裝置4具有的地面發射天線由兩個完全相同的、具有導電性的柱狀金屬電極(即第一埋地電極43和第二埋地電極44)構成，這兩個金屬電極負責電磁信號的發送。其中，第一埋地電極43埋在鑽臺2下方的土地裡，鑽臺2 位於井架1的下方。該第一埋地電極43與鑽臺2相連，由於鑽臺2與井筒內的上部鑽柱51相連，因此保證了第一埋地電極43與上部鑽柱51的連接。第二埋地電極44埋在鑽臺2附近的土地裡，並且第二埋地電極44與第一埋地電極43間隔預設距離(例如50米及以上)並且優選地沿井筒的井眼軌跡延伸的方向設置。

在本實施例中，第一埋地電極43和第二埋地電極44可以選用但不是唯一能使用以鋼或鐵鎳合金等導體製作的圓柱形金屬電極。第一埋地電極43和第二埋地電極44的長度均為40cm、直徑均為15mm。第二埋地電極44安裝在第一埋地電極43的正北方，兩者相隔距離為50m。當然，在本發明的其他實施例中，第一埋地電極43和第二埋地電極44的材質、相關參數及安裝間距還可以採用其他方案，本發明不限於此。

此外，第一埋地電極43和第二埋地電極44的埋入地面以下的深度可以根據土壤的乾濕程度來確定，從而確保兩個埋地電極都具有較小的接地電阻。例如，在乾燥土壤中，第一埋地電極43和第二埋地電極44就需要埋得深一些，並且在必要的情況下還可以澆上適量的鹽水以降低埋地電極的接地電阻。

本實施例中，第一埋地電極43和第二埋地電極44分別通過同軸線纜與地面發射電路連接。當然，在本發明的其他實施例中，第一埋地電極43和/或第二埋地電極44還可以採用其他合理的方式來與地面發射電路連接，本發明不限於此。

井下信號接收裝置6具有的井下接收天線為一個一體化短節，以接收地面信號發送裝置4發射的電磁信號。圖2和圖3分別示出了本實施例中井下接收天線的結構示意圖和A-A向剖視圖。參照圖2和圖3，井下接收天線包括上接頭611、下接頭613以及位於上接頭611與下接頭613之間的絕緣接頭612。上接頭611與井筒的上部鑽柱51連接，下接頭613與井筒的下部鑽柱52連接。此外，井下接收天線還包括沿軸向順次貫通上接頭611、絕緣接頭612和下接頭613的鑽井液通道614。

具體地，絕緣接頭612內部配裝絕緣套管6121，外部覆絕緣固化層6124，絲扣6123之間用絕緣螺紋套6122進行連接。上接頭611與上部鑽柱51連接，下接頭613與下部鑽柱52連接。這樣，當井下接收天線安裝在井筒的鑽柱上時，鑽柱被井下接收天線的絕緣接頭612分隔成上下互相絕緣的兩截(即上部鑽柱51和下部鑽柱52)，從而形成耦合天線的兩極。當地面信號發送裝置4發射控制指 令時，電磁信號通過地層、鑽井液、鑽柱構成的信道傳輸，井下接收天線的兩極會產生相應的交變激勵電壓，井下接收天線監測天線兩極的電壓變化，從而接收到地面信號發送裝置4發射的控制指令。

在本實施例中，井下接收天線採用和鑽柱相同的材質進行加工，但絕緣接頭612的本體外部和絲扣6123處要覆蓋陶瓷噴塗層，然後再在外層加覆玻纖塗層，採用140℃高溫固化後在表層形成結實的玻璃纖維層，鑽井作業中，如果玻纖塗層磨損，可以重複更新固化，而有玻纖塗層保護，也不會傷害到下面的陶瓷絕緣噴塗層，從而有效確保絕緣接頭612的可靠性，確保作業正常開展。陶瓷噴塗層和玻纖塗層構成絕緣接頭612外部的絕緣固化層6124。

在本實施例中，井下接收天線的下接頭613的側面沿軸向方向開設有若干凹槽6125，凹槽6125用於容置安裝井下集成電路(包括井下接收電路和井下控制器)和高溫鋰電池等。實際作業時，井下集成電路等通過螺絲固定後，使用灌封膠密封保護，然後凹槽6125外加裝金屬制耐壓外殼保護，杜絕衝蝕或井下壓力過高造成集成電路的損壞。

從上述描述中可以看出，本實施例中，地面發射天線和井下接收天線均採用了差分連接的方式。由於一般設備認為接地電平是0V的常量。但是實際上，在不同的接地位置處，常常存在不同的電平。兩者位置越接近，接地電平就越接近於相同。但是將兩者與地連接在一起的話，那麼兩者之間的電平差會引發一個大電流，即存在接地迴路。這也就會使得地面發射天線使用單端連接方式來輸入時出錯。而利用差分連接的方式則與地無關，這也就能夠解決單端模式下所存在的接地問題。

此外，單端模式的輸入對噪聲錯誤很敏感。而在差分模式下，如果天線存在噪聲，那麼兩個天線端的噪聲將會是相同的，那麼通過二者的差值便可以消除噪聲的幹擾。

當然，在本發明的其他實施例中，在需要的情況下，地面發射天線和井下接收天線也可以採用單端連接的方式，本發明不限於此。

圖4示出了本實施例地面信號發送裝置4的結構示意圖。如圖4所示，本實施例所述的地面信號發送裝置4主要包括地面控制器41、地面發射電路42和由第一埋地電極43和第二埋地電極44構成的地面發射天線。地面控制器41通過地面發射電路42連接地面發射天線。

本實施例地面信號發送裝置4工作時，首先PC機3將工作人員輸入的控制指令發送給地面控制器41，該控制指令依次經地面控制器41和地面發射電路42的處理後輸入至地面發射天線，由地面發射天線將處理後的控制指令轉換為電磁信號，並將該電磁信號發送至井下信號接收裝置6處。

本實施例利用無線傳輸的方式實時地將工作人員的控制指令發送給井下信號接收裝置6，由井下信號接收裝置6轉發給井下執行機構7，以實時地控制井下執行機構7，具有實時性強、不佔用鑽井時間、操作方便等特點，並且能夠及時優化井下執行機構7的工作狀態，保持井下執行機構7始終工作在最佳狀態，實現了對井下執行機構7的精確控制，提高了鑽井效率。

本實施例中，地面信號發送裝置4在向井下信號接收裝置6發送信號時，還會確定信號的發射功率。由於儀器使用高溫鋰電池供電，因此天線的激勵源是電壓源，從而為了得到埋地電極在鑽柱上產生的感應電流的分布情況，就需要利用埋地電極的輸入阻抗來計算激勵電流。

第一埋地電極43連接在鑽臺2上，也就相當於第一埋地電極43與上部鑽柱52連接在一起，屬於終端開路的情況。因此，第一埋地電極43的輸入阻抗ZT1可以根據表達式ZT1＝Z01·cth(γ·h)計算得到。其中，Z01表示第一埋地電極43與上部鑽柱51這一整體的單位長度的特性阻抗，γ表示傳播常數，h表示井下信號接收裝置6到地面的距離。

其中，特性阻抗Z01可以根據如下表達式計算得到：

Z 01 = ( ρ m 2 πbζ ( 1 - ζ 2 d ) + jω μ 0 2 π ln ( d b ) j 2 πω [ ( 1 - j σ 1 ω ) - 1 ln ( b 1 b ) + ( 2 - j σ 2 ω ) - 1 ln ( d b 1 ) ] - 1 ) 1 / 2 . ]]>

其中μ0為地層磁導率，σ1為泥漿電導率，σ2為地層電導率，b為鑽柱的半徑，b1為鑽柱加泥漿層的半徑，為鑽柱的壁厚，ρm為m層地層電阻率，ε1為泥漿介電常數，ε2為地層介電常數，ω是發射信號載波頻率轉換得到的角頻率，d是第一埋地電極43與第二埋地電極44之間的距離。

第二埋地電極44插入地層中，其幾何尺寸遠小於地層媒質的趨膚深度，因此根據淨靜場法，第二埋地電極44的輸入阻抗ZT2可以根據 計算得到。其中，l和r分別表示第二埋地電極44的長度和半徑，σ2表示地層電導率，K表示傳播波數，同下文中的k1。

整個地面天線模塊的輸入阻抗Z則可以根據Z＝ZT1+ZT2計算得到。

此時，埋地電極發射電磁信號時，在鑽柱上的下行信號引起的激勵電流分布為：其中，I0表示施加在地面發射天線上的激勵電流，其可以根據施加在地面發射天線上的電壓V0和地面發射天線的輸入阻抗Z計算得到。

當地面發射天線在鑽柱上施加一個激勵信號後，通過表達式便可以知道鑽柱上的電流分布。如果將鑽柱視為若干最小化的小段的組合，那麼每一小段就都可以等效為一個垂直的電偶極子。在井下信號接收裝置6的位置處會產生一個感應電場，將每一小段的電流值沿鑽柱積分可以得到井下信號接收裝置6所處位置處的電場分量E。本實施例中，電場分量E可以根據如下表達式計算得到：

E ρ ( ρ ) = jω μ 0 l V 0 2 π k 1 2 Z ( 1 - e - 2 γh ) 0 h 1 { [ e - γz - e - γ ( 2 h - z ) ] e jbk ( h - z ) 3 aρ ( h - z ) ( ρ 2 + a 2 ( h - z ) 2 ) 5 / 2 } dz . ]]>

其中，k1為傳播波數，其可以根據表達式計算得到。

井下信號接收裝置6接收到的感應電壓則可以由電場分量E環繞其天線的閉合積分計算得到，即：

地面信號發送裝置4由此可以確定出下行信號的發射功率，從而避免信號發射功率過低、發射的信號強度過弱、傳輸距離過短等問題，這樣也就避免了井下信號接收裝置6無法接收到地面的控制指令的情況出現。

本實施例中，地面信號發送裝置4發射的電磁信號由於經過長距離的地層衰減，因此井下信號接收裝置6能夠接收到的信號強度非常微弱，通常為毫伏級。而為了儘可能增大下行指令的傳輸深度，地面信號發送裝置4產生的發射信號的功率需要很大，通常為幾十伏。這樣，地面信號發送裝置4在發射信號時產生的強電壓和強電流就會對地面發射電路42造成衝擊，導致地面發射電路42的電壓和電流超出晶片的上限，使得裝置無法正常工作甚至發生損壞。

為了解決上述問題，本實施例所提供的地面信號收發裝置採用了有效的強、 弱信號隔離措施，從而保證了裝置內地面發射電路42的安全。具體地，如圖4所示，地面發射電路42包括光電隔離電路421和功率放大電路422，地面控制器41通過光電隔離電路421和功率放大電路422與地面發射天線連接。本實施例在功率放大電路422(地面控制器41輸出的弱信號經功率放大電路422才變成強信號的)和地面控制器41之間加入光電隔離電路421，避免了強信號對弱信號電路產生的感應幹擾。具體實施過程中，光電隔離電路421可由光電耦合器組成。

本實施例所提供的地面信號發送裝置4通過設置光電隔離電路421實現了強弱信號的隔離，從而避免了強信號電路與弱信號電路的直接接觸，避免了強信號對弱信號電路的幹擾和衝擊，提高了系統的抗幹擾能力的同時，保證了弱信號電路的可靠性和安全性。

另外，功率放大電路422可採用但不是唯一能使用IGBT器件，功率放大器將雙極性脈衝輸入至地面發射天線。初始狀態時，兩路脈衝輸入為高電平，此時功率放大器為開路狀態，無輸出。由於第一埋地電極43和第二埋地電極44的輸入阻抗會隨地層電阻率的變化而變化，因此在本發明一優選的實施中，使用脈衝變壓器423實現功率放大電路422與地面發射天線的匹配。即，地面發射電路42還包括連接在功率放大電路422和地面發射天線之間的脈衝變壓器423。

本實施例中，仍參照圖4，地面控制器41包括依次連接的指令接收單元411、信號編碼單元412和信號調製單元413。指令接收單元411設置為接收PC機3發出的各種針對井下執行機構7的控制指令。信號編碼單元412設置為對控制指令進行編碼，信號編碼單元412與井下信號接收裝置6的信號解碼單元相對應，兩者共同完成數據傳輸的編碼與解碼。信號調製單元413設置為對編碼後的控制指令進行調製，信號調製單元413與井下信號接收裝置6的信號解調單元相對應，兩者共同完成數據傳輸的調製與解調。

具體地，地面控制器41可使用高溫單片機、DSP、FPGA等高溫嵌入式晶片作類CPU處理器，依靠編程實現用戶指令接收、信號編碼和信號調製等工作。特別地，地面控制器41例如為Xilinx公司的Spartan6晶片。Spartan6為低功耗FPGA，最高工作溫度125℃，數據處理能力和工作性能滿足應用需求，支持SPI、串口、USB等多種總線結構。

為使井下信號接收裝置6接收控制指令時能獲取最大的信噪比增益信號，採用卷積碼編碼、幀同步校驗和差分解碼來保證數據傳輸的可靠性。卷積碼編解碼 比較簡單，並具有較好的糾錯能力，被認為是最實用的最優編解碼方式，非常適合下行信道使用。

傳輸時採用的幀結構為：幀同步校驗位(12位)+數據1/指令1(8位)+數據2/指令2+數據3/指令3……+CRC校驗(3位)+幀結束位(1位)。其中，幀同步校驗位是一個12位的、由碼元0和1組成的固定數列，在地面信號發送裝置4和井下信號接收裝置6中都已預設了相同數列組成的比對模板，當接收到傳輸來的電磁信號時，將數據幀的前12位和預設的比對模板進行比較，如果吻合程度超過預設的閾值，那就認為通過了幀同步校驗。通過幀同步校驗後，將繼續比對CRC校驗位，兩個校驗同時通過，才證明數據傳輸的時候沒有出現誤碼或漏碼，傳輸的控制指令是準確可靠的。

幀同步校驗位過多，會造成數據處理量過大，超過CPU晶片處理能力，幀同步校驗位過少，會造成校驗不準，有時即使存在誤碼也能通過校驗。通過多次反覆試驗，最終確定12位的同步校驗模板是合適的。

當然，在本發明的其他實施例中，幀同步校驗位的個數還可以採用其他合理值，例如10～15範圍內的其他值等，本發明不限於此。此外，需要說明的是，在本發明的其他實施例中，根據實際需要，幀的結構還可以採用其他合理形式，本發明同樣不限於此。

電磁波在地層中傳輸時很容易發生幅度衰減和頻散現象，使用幅度和頻移鍵控的調製方式容易發生幹擾。針對上述問題，本實施例中，信號調製單元413採用差分移相鍵控(即2DPSK)的方式進行調製，並且解調方式採用差分相干解調。與2PSK相比，2DPSK消除了2PSK中的「л」現象。而從其差分相干解調的誤比特率曲線來看，由於2DPSK的差分相干解調不需要恢復載波，其相對2PSK的差分相干解調更容易實現，有助於降低系統的複雜程度。因此，本實施例中，調製方式採用2DPSK作為信號調製方式，解調採用差分相干解調。這種調製方式只有兩個碼元值0和1，依靠不同的排列組合方式來構成不同的指令。

需要說明的是，在本發明的其他實施例中，還可以採用其他合理的方式來進行調製和解調，本發明不限於此。

為了儘可能增加信號的傳輸深度並減小電磁信號在地層中的衰減，本實施例中，根據趨膚效應和電磁波的特性，採用極低頻來作為控制指令傳輸的載波頻率。其中，載波頻率可以在3～20Hz之間選擇。

另外，由於地面信號發送裝置4設置在井場的地面端，因此地面信號發送裝置4可以採用220V交流電進行供電，其也就不存在功耗和供電的問題。因此，地面信號發送裝置4可以選擇較大的發射功率(例如200W)，以便下行信號強度儘可能大，從而增大下行信號的傳輸距離。

需要說明的是，地面信號發送裝置4的發射功率還可以根據實際的井場和鑽井情況進行確定，本發明不限於此。

綜上所述，地面信號發送裝置4的工作原理如下：當地面控制器41的CPU晶片接收到PC機3發出的各種針對井下執行機構7的遙控指令後，通過編程實現對應指令的編碼、調製和工作電流控制將其轉化為電信號，然後通過功率放大電路422將地面控制器41輸出的電信號放大到適合的強度，隨後通過第一埋地電極43和第二埋地電極44將放大後的電信號轉化為電磁信號，並將該電磁信號向井下發送出去。

至此地面信號發送裝置4便完成了控制指令及相關數據的下行傳輸。

圖5示出了本實施例所提供的井下信號接收裝置6的結構示意圖。如圖5所示，本實施例所提供的井下信號接收裝置6包括井下接收天線61、井下接收電路62和井下控制器63。井下接收天線61依次通過井下接收電路62和井下控制器63與井下執行機構7連接。井下接收天線61接收地面信號發送裝置4發射的電磁波並將電磁波轉換為電信號，電信號依次經井下接收電路62和井下控制器63的處理後輸入至井下執行機構7。

本實施例井下信號接收裝置6工作時，首先井下接收天線61接收地面信號發送裝置4發射的電磁信號，並將該電磁信號轉換為電信號；然後該電信號依次經井下接收電路62和井下控制器63的處理後，得到用於控制井下執行機構7的控制信號。

本實施例利用無線傳輸的方式實時地接收來自地面信號發送裝置4發射的電磁信號，並利用根據該電磁信號得到的控制信號實時地控制井下執行機構7，具有實時性強、不佔用鑽井時間、操作方便等特點，並且能夠及時優化井下執行機構7的工作狀態，保持井下執行機構7始終工作在最佳狀態，實現了對井下執行機構7的精確控制，提高了鑽井效率。

在本實施例中，仍參照圖4，井下接收電路62包括增益放大電路621、模擬濾波電路622和A/D轉換電路623。其中，井下接收天線61依次通過增益放大 電路621、模擬濾波電路622和A/D轉換電路623與井下控制器63連接，增益放大電路621與井下控制器63連接。這樣，當井下接收天線61接收到地面信號發送裝置4發射的電磁信號並將該電磁信號轉換為電信號時，由井下接收電路62對該電信號進行相應的放大、模擬濾波處理後，使用A/D轉換電路623將信號轉換為數位訊號，並將該數位訊號發送給井下控制器63做進一步處理。

在本實施例中，井下控制器63包括依次連接的數字濾波單元631、信號解調單元632、信號解碼單元633、數據回放及通信單元634和增益控制單元635。其中，數字濾波單元631設置為對A/D轉換電路623輸出的數位訊號進行數字濾波。信號解調單元632設置為對數字濾波單元631輸出的信號進行解調。信號解碼單元633設置為對信號解調單元632輸出的信號進行解碼。數據回放及通信單元634，設置為對信號解碼單元633輸出的信號進行數據回放，並將信號解碼單元633輸出的信號發送給井下執行機構7。增益控制單元635與增益放大電路621連接，該增益控制單元635設置為調節增益放大電路621的增益係數。

這樣，當井下控制器63接收到井下接收電路62發送的數位訊號時，井下控制模塊的CPU晶片對該數位訊號進行數字濾波、信號解調、信號解碼校驗等處理，以將該數位訊號還原為地面原始指令，然後通過數據回放及通信單元634將還原後的指令發送給各井下執行機構7。需要指出的是，如果傳輸到井下的電磁信號強度過小而導致井下控制器63無法正確還原出地面信號發送裝置4發送來的原始指令的話，井下控制器63則會通過總線來控制井下接收電路62中的增益放大電路621對其自身的功率放大倍數進行調整，以使得井下接收電路62接收到的信號得以進一步增大，從而正確還原出地面原始指令。

在本實施例中，井下控制器63可使用高溫單片機、DSP、FPGA等高溫嵌入式晶片作為CPU處理器，依靠編程實現數字濾波、信號解碼、信號解調校驗和增益控制等工作。特別地，井下控制器63例如為Xilinx公司的Spartan6晶片。Spartan6為低功耗FPGA，最高工作溫度125℃，數據處理能力和工作性能滿足應用需求，支持SPI、串口、USB等多種總線結構。

與地面信號發送裝置4的信號編碼單元412相對應地，本實施例中，信號解碼單元633採用差分解碼的方式來對數據進行解碼。類似地，與地面信號發送裝置4的信號調製單元413相對應地，信號解調單元632採用差分相干解調的方式對數據進行解調。

至此，井下信號接收裝置6便完成了對來自地面的電磁信號的接收。

從上述描述中可以看出，本實施例所提供的數據傳輸系統能夠實現地面信號發送裝置4與井下信號接收裝置6之間的數據無線傳輸，可以根據技術人員的需要，隨時從地面向井下執行機構7發送控制指令。

另外，本發明涉及的裝置結構簡單，實現容易，可靠性高，在國內現有技術和加工條件下非常容易實現，已通過現場應用驗證其性能和可靠性。通過現場應用，成功的使用該方法控制了井下電磁隨鑽測量儀的關停和載波頻率修改和井下衝擊器的關停。當然，該發明可控制的井下執行機構7並不僅限於電磁隨鑽測量儀和衝擊器的執行機構，可以涵蓋。驗證結果表明，本發明夠根據需要隨時實現地面向井下的下行電磁遙控信號發射，從而實現井下執行機構7工作性能優化和工況調整。

綜上所述，本發明所提供的電磁無線傳輸的方式，與常規脈衝遙控指令傳輸方式相比，無須開停泵，不耽誤鑽進時間，不容易產生誤操作，可靠性更高；數據幀結構更靈活、更複雜，能發出的控制命令更多樣(傳統開停泵只能發固定的幾個指令)，可以在鑽進過程中實時優化井下執行機構7工況和控制其工作，對鑽井安全高效有重大的積極意義。另外，本發明結構簡單、可靠性高、在國內現有技術水平和加工工藝下容易實現，經現場應用證明，使用效果良好。

應該理解的是，本發明所公開的實施例不限於這裡所公開的特定結構、處理步驟或材料，而應當延伸到相關領域的普通技術人員所理解的這些特徵的等同替代。還應當理解的是，在此使用的術語僅用於描述特定實施例的目的，而並不意味著限制。

說明書中提到的「一個實施例」或「實施例」意指結合實施例描述的特定特徵、結構或特性包括在本發明的至少一個實施例中。因此，說明書通篇各個地方出現的短語「一個實施例」或「實施例」並不一定均指同一個實施例。

為了方便，在此使用的多個項目、結構單元、組成單元和/或材料可出現在共同列表中。然而，這些列表應解釋為該列表中的每個元素分別識別為單獨唯一的成員。因此，在沒有反面說明的情況下，該列表中沒有一個成員可僅基於它們出現在共同列表中便被解釋為相同列表的任何其它成員的實際等同物。另外，在此還可以連同針對各元件的替代一起來參照本發明的各種實施例和示例。應當理解的是，這些實施例、示例和替代並不解釋為彼此的等同物，而被認為是本發明的 單獨自主的代表。

此外，所描述的特徵、結構或特性可以任何其他合適的方式結合到一個或多個實施例中。在上面的描述中，提供一些具體的細節，例如長度、寬度、形狀等，以提供對本發明的實施例的全面理解。然而，相關領域的技術人員將明白，本發明無需上述一個或多個具體的細節便可實現，或者也可採用其它方法、組件、材料等實現。在其它示例中，周知的結構、材料或操作並未詳細示出或描述以免模糊本發明的各個方面。

雖然上述示例用於說明本發明在一個或多個應用中的原理，但對於本領域的技術人員來說，在不背離本發明的原理和思想的情況下，明顯可以在形式上、用法及實施的細節上作各種修改而不用付出創造性勞動。因此，本發明由所附的權利要求書來限定。