一種泥漿鑽井井中與地面信息高速無線雙工通信方法及裝置的製作方法

2023-05-07 21:57:01

專利名稱：一種泥漿鑽井井中與地面信息高速無線雙工通信方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明專利屬於油氣開採領域，涉及一種泥漿鑽井井中信息、錄井信息以及隨鑽 測量信息高速傳輸到地面終端，地面控制信息高速傳輸到井中的無線通信方法及裝置。
背景技術：
鑽完井工程是一項隱蔽而複雜的系統工程，可以產生大量信息，而信息化則是保 障鑽完井工程安全、優質、低成本的必要條件。鑽完井信息主要包括各類鑽井錄井信息和近 年迅速發展的隨鑽測量信息。這些信息的採集可以實現在鑽井的同時對鑽井作業的綜合評 價和實時測井作業，簡化了鑽井作業程序，提高了鑽井作業精度，節省了鑽機時間，降低了 成本，能夠實時檢測到地層變化以便及時對鑽井設計予以必要的調整，最大限度地在油藏 中最有價值的地帶鑽井，提高了油氣的採收率。按照一口井在施工作階段分為鑽前、鑽中、鑽後不同階段，可以把鑽井錄井信息劃 分為三類第一類是開鑽與鑽進前的信息，包括地震、地化及區域或鄰區巖心等信息；第二 類是鑽進時的信息，包括錄井信息、隨鑽信息；第三類是完井信息。第一類信息不需要從井 中採集，第二類和第三類信息需要從井中傳輸到地面。對於鑽井信息、錄井信息以及隨鑽信息傳輸，目前採用的方法主要有泥漿脈衝傳 輸法、聲波傳輸法、電磁波傳輸法、有線傳輸法。其中，泥漿脈衝傳輸法、聲波傳輸法、電磁 波傳輸法都是屬於無線傳輸方式。泥漿脈衝傳輸法是目前無線傳輸中現場使用的主流技 術，其優點是對鑽井工藝沒有特殊的要求和限制，僅用鑽井液流作為動力，對正常鑽井作業 影響很小，且通信可靠，能遠距離傳輸，但是鑽井液脈衝的傳輸數據速率較低，不能滿足鑽 井作業對井下信息的傳輸需求，同時在氣體和氣液雙相流體中不能採用鑽井液脈衝傳輸方 式，不能實現實時傳輸隨鑽測量數據，並且只能單工通信，下行指令傳輸困難，成為進一步 提高整個系統控制水平和閉環實現的瓶頸；聲波傳輸法需要解決鑽井環境的噪聲問題；電 磁傳輸法在技術上有一定優勢，但目前傳輸速率較低。在有線傳輸法中如果採用電纜或者光纜作為傳輸介質，電纜傳輸方式的優點是傳 輸速率高，可雙向傳遞信息，但其電源和信號獨立傳送的傳輸通道較為複雜，需要消耗大量 的物理電纜，成本較高，同時電纜必須具備高溫、高壓下正常工作的能力，而且必須預防纜 線彎曲折斷，突破轉盤鑽井中的幹擾，開發成本較高；使用光纖電纜很細小，成本低，但只可 短時間使用，傳輸距離限制較大，而且光纖易在鑽井泥漿中磨損掉而被衝走；有線傳輸如果 採用特種鑽杆作為傳輸介質，其優點是數據傳輸快、雙向通信簡單，缺點是需要在鑽杆中加 入纜線傳輸，加工特種鑽杆的成本高，同時每節鑽杆之間的通信傳輸以及密封都是技術難 題，可靠性差，難以實現電力下傳。總之，目前的泥漿鑽井的鑽井信息、錄井信息以及隨鑽信息傳輸技術尚存在不足 和弱點，不能滿足鑽完井工程中井中大數據量傳輸到地面以及地面指令信息傳輸到井中的 基本需求，更不能達到通信系統誤碼率低、數據安全的高標準。
本發明專利的目的是針對現有技術的不足，提供一種泥漿鑽井井中與地面信息 高速無線雙工通信方法及裝置，該技術不僅能實現高速率、大數據量的雙工通信，而且能大 大降低傳輸信號的誤碼率，保證數據加密及安全傳輸。為實現上述目的，本發明專利的技術方案是一種泥漿鑽井井中與地面信息高速無線雙工通信方法包括如下步驟對於從井下信息傳輸到地面的上行鏈路通信，包括如下步驟在泥漿鑽井時，在鑽頭上方無磁鑽挺短接內安裝壓力傳感器、溫度傳感器、粉塵含 水量傳感器、電子羅盤、編碼正交頻分復用(COFDM)數據機A、無線網橋和天線以及相 應的電池供電系統；對傳感器採集到的模擬信號通過井下儀器接口傳到COFDM調製器A中， 在COFDM調製器A中首先經模數轉換器將模擬信號轉換為數位訊號，其次對待發送的數字 信號依次進行分割、隨機化、前向糾錯碼、交織、映射、逆傅立葉變換(IFFT)處理生成正交 頻分復用(OFDM)信號，最後在OFDM信號中插入循環前綴並形成基帶數位訊號；並將基帶數 字信號送入無線網橋；無線網橋通過天線將上述數位訊號以微波方式耦合到鑽具內；經過 上述步驟耦合的微波信號在中繼器、天線的幫助下沿鑽具被定向傳輸到地面方鑽杆，由方 鑽杆內的無線網絡中繼器轉發信號給地面天線及地面無線網橋接收；當地面無線網橋接收到基帶數位訊號後，傳到COFDM解調器B中；在COFDM解調器 B中依次進行時域均衡、同步校正、去時間保護間隔、FFT、頻域均衡、解映射、解交織、RS譯 碼、解隨機化處理，從而獲得井中信號；最後將井中信號傳輸給計算機，由計算機對信號進 行處理，確定地下鑽井、完井狀況。對於從地面計算機終端到井下的下行鏈路通信，包括如下步驟地面信息(如控制信息等)通過計算機終端、終端接口傳到COFDM調製器B，在 COFDM調製器B後首先經過地面無線網橋及天線將數位訊號發射到地面方鑽杆內的無線網 絡中繼器及天線中，其次以微波方式耦合到鑽具內；經過上述步驟耦合的微波信號，在每隔 500到1000米安裝1個過單流閥的無線網絡中繼器和天線的幫助下，沿鑽具被定向傳輸到 井中天線及井中無線網橋接收；當井中無線網橋接收到基帶數位訊號後，傳到COFDM解調器A中；在COFDM解調 器A中依次進行時域均衡、同步校正、去時間保護間隔、FFT、頻域均衡、解映射、解交織、RS 解碼、解隨機化處理，從而獲得地面信號；最後將地面信號通過井下儀器接口傳輸到井下儀 器，由井下儀器根據地面信號指令進行處理。所述井中天線為定向天線，地面天線為全向天線，均有發射和接收信號的功能，採 用時分雙工形式實現。將一個子幀的時長劃分為若干等長的上行和下行時隙，將第一個時 隙TSO定義為上行廣播時隙，第二個時隙TSl固定為下行時隙，在上行時隙中採用正交頻分 復用方式來組織所傳送數據；在時隙TSl之前，創建上行同步符號，在時隙TSl內插入用於 用戶接入的下行同步單元；在時隙TSO之後和TSl之前生成上行下行轉換間隔(UDG)，並且 根據上行、下行業務的需要，在時隙TSl或其後任意時隙之後相鄰處，生成下行上行轉換間 隔(DUG)，以實現下行到上行的轉換；然後，將按上述步驟得到的若干子幀組合，得到一個 幀信號。在上行同步符號中採用正交頻分復用方式；所述子幀的時長設為5ms，一個幀包括2個子幀，時長為IOms ；上行同步符號中採用與時隙TSO相同的循環前綴類型或者長循環前 綴類型；上行同步符號創建的位置為在時隙TSO之前，時隙TSO之後，時隙TSO內前端、時 隙TSO內後端；在所述下行時隙中採用正交頻分復用方式或者單載波方式來組織要傳送的 數據；所述採用正交頻分復用方式組織的傳送數據包括多個加有循環前綴的正交頻分復用 符號，每個時隙中在該符號前加上的循環前綴相等，時隙中循環前綴的長度由無線網絡中 天線、中繼器根據覆蓋範圍的要求進行調整，覆蓋範圍較大時該循環前綴較長；插入所述下 行同步單元時，還根據當前的地面終端傳輸到井下信息的數量及位置來確定該下行同步單 元的時長和頻域長度；當需要超遠距離覆蓋時，生成幀時還在時隙TSO後端或時隙TSl前端 插入空符號，且該空符號位於上行同步符號之後；當時延要求小於一設定值時，生成幀時還 在若干時隙的末尾插入靈活配置符號，即把原來承載數據的符號空出來作為轉換間隔，該 時隙末尾處的轉換間隔與所述上行下行轉換間隔和下行上行轉換間隔共同構成了多個上 行和下行間的轉換點；所述子幀中的時隙個數是劃分為8 12個。所述無線網橋和地面網橋均為2. 4GHz和5. 8GHz的雙頻無線網橋，其工作頻率由 計算機根據鑽具內徑確定。在鑽具內每隔一定距離安裝1個無線網絡中繼器，在微波信號衰減到不能有效接 收時，被中繼轉發，繼續有效傳輸。在鑽具內的單流閥片為陶瓷或尼龍製成的閥片。與現在技術相比，本發明專利的一種泥漿鑽井井中與地面信息高速無線雙工通信 方法具有以下的優點1)本方法與現有主流技術泥漿脈衝法相比較而言，由於使用了 COFDM調製技術， 數據傳輸速率大大提高，能夠實現大數據量的實時通信；2)本方法借鑑無線區域網技術，與電磁波脈衝信號傳輸技術相比，發射功率降低 了近百倍，大大降低了設備電池功耗；3)由於控制信息能夠通過系統從地面傳到井下，所以，可實現對井下設備的遠程 控制；4)由於系統在井下安裝和連接了多個傳感器，可以採集鑽井完井中的各種信息， 所以，可以實現井中信息採集；5)由於採用COFDM調製技術和高糾錯能力的編碼技術實現高速的雙向數據通信， 所以，信息傳輸誤碼率極低，對實時監控井下情況起到了關鍵作用；6)由於採用COFDM調製技術，可以很方便地對傳輸信息進行加密，保證了信息的安全。


圖1為本發明所採用裝置的結構示意圖；如圖1所示，一種泥漿鑽井井中與地面信 息高速無線雙工通信方法及裝置包含壓力傳感器、溫度傳感器、粉塵含水量傳感器、電子羅 盤以及相應的供電系統、井下儀器接口、COFDM調製器A、C0FDM解調器A、無線網橋、天線、過 單流閥的無線網絡中繼器及天線、方鑽杆處的無線網絡中繼器及天線、地面天線、地面無線 網橋、COFDM調製器B、COFDM解調器B、地面終端接口、計算機等地面終端。該系統將井下 信號經過COFDM調製器A形成OFDM信號後，通過井下無線網絡中的無線網橋、天線、中繼器 將井下信號沿鑽具等傳輸到地面無線網絡，地面無線網橋接收到的信號進入COFDM解調器B ；經過解調後，井下信息通過地面終端接口進入地面終端。圖2為COFDM調製器結構示意圖；如圖2所示，包括模數轉換器、分割隨機化單元、 前向糾錯編碼單元、交織單元、映射單元、頻域形成幀信號單元、IFFT單元、保護間隔插入單兀。圖3為COFDM解調器結構示意圖；如圖3所示，包括時域均衡單元、同步校正單元、 信道信息獲取器、保護間隔刪除單元、FFT單元、頻域均衡單元、解映射單元、解交織單元、RS 解碼單元、解隨機化單元。圖4為一種幀結構示意圖；該無線幀採用3層結構無線幀、子幀、時隙，與現有 WCDMA和TDSCDMA系統一致，幀長度為10ms，再將其分為2個結構完全相同的5ms的子幀， 每個子幀內包含傳送業務數據的部分、上行同步部分、下行同步部分，上行和下行間以及下 行到上行間的轉換間隔，但是，各個部分的順序、結構不同。
具體實施例方式下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步的說明。如圖1所示，一種泥漿鑽井井中與地面信息高速無線雙工通信系統，首先，在泥漿 鑽井時，在鑽頭上方無磁鑽挺短接內安裝壓力傳感器、溫度傳感器、粉塵含水量傳感器等傳 感器等、電子羅盤、編碼正交頻分復用(COFDM)數據機A、無線網橋和天線以及相應的 電池供電系統。其次，利用這些傳感器採集各種井下信息，如壓力傳感器測試井底壓力情 況，判斷是否存在壓力異常等；溫度傳感器測試鑽具環內泥漿溫度，如果井下發生了燃爆， 泥漿溫度會急劇增加，以此來判斷燃爆的程度，並確定是否採取措施；粉塵含水量傳感器測 試地層出水情況；電子羅盤測量井眼傾角、方位角和工具面角，實現定向井軌跡實時測量。 第三、將傳感器採集到的模擬信號通過井下儀器接口傳到COFDM調製器A中，在COFDM調 制器A中首先經模數轉換器將模擬信號轉換為數位訊號，其次對待發送的數位訊號依次 進行分割、隨機化、前向糾錯碼、交織、映射、逆傅立葉變換(IFFT)處理生成正交頻分復用 (OFDM)信號，最後在OFDM信號中插入循環前綴並形成基帶數位訊號；並將基帶數位訊號送 入無線網橋。第四、無線網橋通過天線將上述數位訊號以微波方式耦合到鑽具內；經過上述 步驟耦合的微波信號在中繼器、天線的幫助下沿鑽具被定向傳輸到地面方鑽杆，由方鑽杆 內的無線網絡中繼器轉發信號給地面天線及地面無線網橋接收；在鑽具內根據信號衰減情 況決定過單流閥的無線網絡中繼器及天線的距離，一般在500m 1000m。第五、當地面無線 網橋接收到基帶數位訊號後，傳到COFDM解調器B中；在COFDM解調器B中依次進行時域均 衡、同步校正、去時間保護間隔、FFT、頻域均衡、解映射、解交織、RS解碼、解隨機化處理，從 而獲得井中信號；最後將井中信號傳輸給計算機，由計算機對接收到的井下信號進行處理， 了解地下鑽井、完井狀況，並對此情況進行判斷，發出控制指令。在地面控制指令產生後，通過計算機終端、終端接口傳到COFDM調製器B，經模數 轉換器將模擬信號轉換為數位訊號，其次對待發送的數位訊號依次進行分割、隨機化、前向 糾錯碼、交織、映射、逆傅立葉變換(IFFT)處理生成正交頻分復用(OFDM)信號幀，最後在 OFDM信號中插入循環前綴並形成基帶數位訊號；並將基帶數位訊號送入地面無線網橋。經 過地面無線網橋及天線將數位訊號發射到地面方鑽杆內的無線網絡中繼器及天線中，其次 以微波方式耦合到鑽具內；經過上述步驟耦合的微波信號，在每隔一定距離(500到1000
7米)安裝1個過單流閥的無線網絡中繼器和天線的幫助下，沿鑽具被定向傳輸到井中天線 及井中無線網橋接收；當井中無線網橋接收到基帶數位訊號後，傳到COFDM解調器A中；在 COFDM解調器A中依次進行時域均衡、同步校正、去時間保護間隔、FFT、頻域均衡、解映射、 解交織、RS解碼、解隨機化處理，從而獲得地面信號；最後將地面信號通過井下儀器接口傳 輸到井下儀器，由井下儀器根據地面信號指令進行處理。
權利要求
1.一種泥漿鑽井井中與地面信息高速無線雙工通信方法及裝置，其特徵在於所述方法 包括如下步驟步驟1 在泥漿鑽井時，在鑽頭上方無磁鑽挺短接內安裝壓力傳感器、溫度傳感器、粉 塵含水量傳感器、電子羅盤、編碼正交頻分復用(COFDM)調製器A、無線網橋和天線以及相 應的電池供電系統；步驟2:對傳感器採集到的模擬信號通過井下儀器接口傳到COFDM調製器A中，在 COFDM調製器A中首先經模數轉換器將模擬信號轉換為數位訊號，其次對待發送的數字信 號依次進行分割、隨機化、前向糾錯碼、交織、映射、逆傅立葉變換(IFFT)處理生成正交頻 分復用(OFDM)信號，最後在OFDM信號中插入循環前綴並形成基帶數位訊號；步驟3 並將基帶數位訊號送入無線網橋；步驟4 無線網橋通過天線將上述數位訊號以微波方式耦合到鑽具內；經過上述步驟 耦合的微波信號在中繼器、天線的幫助下沿鑽具被定向傳輸到地面方鑽杆，由方鑽杆內的 無線網絡中繼器轉發信號給地面天線及地面無線網橋接收；步驟5 當地面無線網橋接收到基帶數位訊號後，傳到COFDM解調器B中；在COFDM解 調器B中依次進行時域均衡、同步校正、去時間保護間隔、FFT、頻域均衡、解映射、解交織、 RS解碼、解隨機化處理，從而獲得井中信號；最後將井中信號傳輸給計算機，由計算機對信 號進行處理，確定地下鑽井、完井狀況；步驟6 根據地下鑽井、完井狀況，產生決策，形成地面對井下的指令信息，該信息通過 計算機終端、終端接口傳到COFDM調製器B，在COFDM調製器B後首先經過地面無線網橋及 天線將數位訊號發射到地面方鑽杆內的無線網絡中繼器及天線中，其次以微波方式耦合到 鑽具內；經過上述步驟耦合的微波信號，在每隔500到1000米安裝的1個過單流閥的無線 網絡中繼器和天線的幫助下，微波信號沿鑽具被定向傳輸到井中天線及井中無線網橋；步驟7 當井中無線網橋接收到基帶數位訊號後，傳到COFDM解調器A中；在COFDM解調 器A中依次進行時域均衡、同步校正、去時間保護間隔、FFT、頻域均衡、解映射、解交織、RS 解碼、解隨機化處理，從而獲得地面信號；最後將地面信號通過井下儀器接口傳輸到井下儀 器，由井下儀器根據地面信號指令進行處理。
2.根據權利要求1所述，一種泥漿鑽井井中與地面信息高速無線雙工通信方法及裝 置，其特徵在於所述的裝置包括壓力傳感器、溫度傳感器、粉塵含水量傳感器、電子羅盤、 電源系統、井下儀器接口、編碼正交頻分復用(COFDM)數據機A、井下無線網橋和天線、 中繼器、天線、地面無線網橋及天線、COFDM數據機、地面終端接口、計算機等地面終端。
3.根據權利要求1所述，一種泥漿鑽井井中與地面信息高速無線雙工通信方法及裝 置，其特徵在於所述的井中天線為定向天線，地面天線為全向天線。
4.根據權利要求1所述，一種泥漿鑽井井中與地面信息高速無線雙工通信方法及裝 置，其特徵在於所述天線均有發射和接收信號的功能，採用時分雙工形式實現。
5.根據權利要求1所述，一種泥漿鑽井井中與地面信息高速無線雙工通信方法及裝 置，其特徵在於所述的信號幀為OFDM幀信號，將一個子幀的時長劃分為若干等長的上行 和下行時隙，將第一個時隙TSO定義為上行廣播時隙，第二個時隙TSl固定為下行時隙，在 上行時隙中採用正交頻分復用方式來組織所傳送數據；在時隙TSl之前，創建上行同步符 號，在時隙TSl內插入用於用戶接入的下行同步單元；在時隙TSO之後和TSl之前生成上行下行轉換間隔，並且根據上行、下行業務的需要，在時隙TSl或其後任意時隙之後相鄰處， 生成下行上行轉換間隔，以實現下行到上行的轉換；然後，將按上述步驟得到的若干子幀組 合，得到一個幀信號。
6.根據權利要求1所述，一種泥漿鑽井井中與地面信息高速無線雙工通信方法及裝 置，其特徵在於所述上行同步符號中採用正交頻分復用方式；所述子幀的時長設為5ms， 一個幀包括2個子幀，時長為IOms ；上行同步符號中採用與時隙TSO相同的循環前綴類型 或者長循環前綴類型；上行同步符號創建的位置為在時隙TSO之前，時隙TSO之後，時隙 TSO內前端、時隙TSO內後端；在所述下行時隙中採用正交頻分復用方式或者單載波方式來 組織要傳送的數據；所述採用正交頻分復用方式組織的傳送數據包括多個加有循環前綴的 正交頻分復用符號，每個時隙中在該符號前加上的循環前綴相等，時隙中循環前綴的長度 由無線網絡中天線、中繼器根據覆蓋範圍的要求進行調整，覆蓋範圍較大時該循環前綴較 長；插入所述下行同步單元時，還根據當前的地面終端傳輸到井下信息的數量及位置來確 定該下行同步單元的時長和頻域長度；當需要超遠距離覆蓋時，生成幀時還在時隙TSO後 端或時隙TSl前端插入空符號，且該空符號位於上行同步符號之後；當時延要求小於一設 定值時，生成幀時還在若干時隙的末尾插入靈活配置符號，即把原來承載數據的符號空出 來作為轉換間隔，該時隙末尾處的轉換間隔與所述上行下行轉換間隔和下行上行轉換間隔 共同構成了多個上行和下行間的轉換點；所述子幀中的時隙個數是劃分為8 12個。
7.根據權利要求1所述，一種泥漿鑽井井中與地面信息高速無線雙工通信方法及裝 置，其特徵在於所述無線網橋和地面網橋均為2. 4GHz和5. 8GHz的雙頻無線網橋，其工作 頻率由計算機根據鑽具內徑確定；在鑽具內每隔一定距離安裝1個無線網絡中繼器，在微 波信號衰減到不能有效接收時，被中繼器轉發，繼續有效傳輸。
8.根據權利要求1所述，一種泥漿鑽井井中與地面信息高速無線雙工通信方法及裝 置，其特徵在於所述的鑽具內的單流閥片為陶瓷或尼龍製成的閥片。
全文摘要
本發明提供了一種泥漿鑽井井中與地面信息高速無線雙工通信方法及裝置，該方法利用無線通信技術和編碼正交頻分復用技術，將多種傳感器在井下採集的壓力、溫度等信息通過編碼正交頻分復用技術進行調製，利用無線網橋和天線將微波信號沿鑽具傳輸，並利用中繼器在其間進行信號放大使得井下信號能夠沿鑽具傳輸到地面的方鑽杆天線和無線網橋中，最後經過COFDM解調器恢復出井下信號。該信號傳輸系統是一種雙向傳輸系統，具有傳輸數據速率高、誤碼率極低、安全性高、功耗低、實時性強等優點，克服了當今主流技術泥漿脈衝傳輸法中的單向傳輸、可傳數據少、誤碼率高、實時性低、保密性差等主要缺點，能夠滿足完鑽井系統對井下數據需求日益增長的傳輸需要。
文檔編號H04L27/26GK102134991SQ201010103589
公開日2011年7月27日 申請日期2010年1月27日 優先權日2010年1月27日
發明者羅仁澤 申請人:羅仁澤