專利名稱：一種氣體鉆井隨鉆地下信息無(wú)線傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于油氣開采領(lǐng)域，特別涉及油氣開發(fā)工程中用于氣體鉆井隨鉆地下信息的無(wú)線傳輸方法。
背景技術(shù)：
氣體鉆井比較突出的問題是井斜控制和測(cè)量，尤其是氣體鉆定向井、水平井的隨鉆測(cè)量，其數(shù)據(jù)傳輸是關(guān)鍵問題。目前，在氣體鉆井中用得比較成熟的傳輸技術(shù)是電磁波脈沖信號(hào)傳輸技術(shù)。這種技術(shù)是利用超低頻電磁波直接穿過(guò)地層到達(dá)地面接收器，如果井深較深、地層阻抗較小，超低頻電磁波在穿越地層的過(guò)程中被衰減，不能到達(dá)地面被有效接收，所以一般使用天線延長(zhǎng)技術(shù)和中繼技術(shù)，從而達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的傳輸距離，對(duì)于日益增加的井下隨鉆信息而言，該種技術(shù)下的數(shù)據(jù)傳輸速率較低，不能實(shí)時(shí)傳輸井下信息，也不能實(shí)現(xiàn)雙向通信。專利申請(qǐng)?zhí)枮?00810046435. 4、名稱為“氣體鉆井隨鉆地下數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸方法” 介紹了一種將井下數(shù)據(jù)上傳到地面的無(wú)線傳輸方法，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)橋和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中繼器來(lái)實(shí)現(xiàn)，該方法實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速傳輸，保證了實(shí)時(shí)性，但數(shù)據(jù)的大量傳輸特性有待提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有氣體鉆井中地下隨鉆測(cè)試數(shù)據(jù)不能大量傳輸問題，提供一種基于正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)調(diào)制方式的可應(yīng)用于氣體鉆井隨鉆測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線方法，通過(guò)應(yīng)用OFDM調(diào)制的特性——頻譜的正交復(fù)用，提高頻譜利用率，實(shí)現(xiàn)地下所得信息的高速大量傳輸，另外，無(wú)線網(wǎng)橋和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中繼器的使用，使得地下數(shù)據(jù)上傳時(shí)允許更小的發(fā)射功率，從而減輕對(duì)地下供電系統(tǒng)的要求。本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)
氣體鉆井隨鉆地下數(shù)據(jù)OFDM無(wú)線傳輸方法包括如下步驟
1.在鉆頭上方安裝傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、OFDM無(wú)線網(wǎng)橋，可發(fā)射接收的雙向天線；
2.將傳感器采集的信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；
3.將數(shù)字信號(hào)通過(guò)OFDM無(wú)線網(wǎng)橋，成為OFDM數(shù)字信號(hào)；
4.將OFDM數(shù)字信號(hào)通過(guò)鉆具傳輸?shù)降孛?，由地面的OFDM無(wú)線網(wǎng)橋接收；
5.由地面的網(wǎng)橋?qū)⑿盘?hào)傳輸給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并根據(jù)井下信息進(jìn)行判斷處理，確定控制指令，傳到井下。所述傳感器包括壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器和重力加速度傳感器。壓力傳感器測(cè)試井底壓力，判斷井眼凈化情況；溫度傳感器測(cè)試鉆具環(huán)空氣體溫度，如果井下發(fā)生了燃爆，環(huán)空氣體溫度會(huì)急劇增高，以此判斷燃爆程度，并決策是否停氣滅火(需要實(shí)時(shí)性)；濕度傳感器測(cè)試地層出水情況；重力加速度傳感器測(cè)量井眼傾角、方位角和工具面角，實(shí)現(xiàn)定向井軌跡實(shí)時(shí)測(cè)量和控制。
所述OFDM無(wú)線網(wǎng)橋的工作頻率為5. 8GHz，是基于OFDM調(diào)制方式。所述OFDM無(wú)線網(wǎng)橋工作模塊包括串并轉(zhuǎn)換模塊，快速傅里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT)，加循環(huán)前綴，并串轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)信道，再經(jīng)串并轉(zhuǎn)換，快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)，去循環(huán)前綴，并串轉(zhuǎn)換模塊到達(dá)接收端。所述OFDM無(wú)線網(wǎng)橋的調(diào)制方式是在原始OFDM符號(hào)序列上疊加一組自相關(guān)性強(qiáng)的訓(xùn)練序列，首先將該組訓(xùn)練序列與待傳輸?shù)腛FDM信號(hào)按一定的功率分配因子 #進(jìn)行疊加，然后，將疊加后序列隨機(jī)分割成若干組，最后，將同樣的一組訓(xùn)練序列作為相位旋轉(zhuǎn)因子，與分割后的信號(hào)序列進(jìn)行加權(quán)，以此減小OFDM調(diào)制方式固有的峰均比過(guò)高的弱點(diǎn)，從而提高OFDM的發(fā)射功率效率。所述訓(xùn)練序列與待傳輸?shù)腛FDM符號(hào)疊加時(shí)，功率分配因子P= ,，其中，2
ffF +ffOffT
表示分配給訓(xùn)練序列的功率，表示分配給OFDM符號(hào)的功率。所述鉆具內(nèi)部設(shè)置有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中繼器，以在OFDM數(shù)字信號(hào)衰減到不能有效接收時(shí)，被中繼轉(zhuǎn)發(fā)，繼續(xù)有效傳輸。所述鉆具內(nèi)每500米左右安裝1個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中繼器。所述傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、OFDM無(wú)線網(wǎng)橋和雙向天線裝配在井下鉆鋌內(nèi)，井下鉆鋌內(nèi)還設(shè)置有給上述部件供電的電池供電系統(tǒng)。本發(fā)明采用上述方法，在鉆頭上方安裝各種類型的傳感器采集所需信號(hào)，并通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器、OFDM無(wú)線網(wǎng)橋和雙向天線將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)再轉(zhuǎn)換為OFDM信號(hào)，通過(guò)鉆具定向傳輸?shù)降孛娴慕邮昭b置，最后傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理并確定控制指令傳回井下；應(yīng)用OFDM調(diào)制傳輸信號(hào)，首先，一方面解決了信號(hào)衰減快的問題，另一方面也提高了無(wú)線信道的頻譜利用率，抗干擾能力強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)大量傳輸；其次，在應(yīng)用OFDM 調(diào)制技術(shù)的時(shí)候，按一定方式產(chǎn)生的自相關(guān)性強(qiáng)的訓(xùn)練序列同時(shí)與OFDM符號(hào)疊加以及用同一組訓(xùn)練序列與疊加后的混合序列加權(quán)，具有如下的效果
1.不用泥漿波傳輸信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)氣體鉆井條件下隨鉆測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸；
2.可以實(shí)現(xiàn)54Mbit/S的雙向通信速率；
3.OFDM調(diào)制的弱點(diǎn)之一峰均比過(guò)高得到了很好的緩解；
4.疊加訓(xùn)練序列可有效解決系統(tǒng)的同步及信道估計(jì)問題，這為數(shù)據(jù)的正確傳輸提供了條件。通過(guò)這種方法，可實(shí)現(xiàn)井下設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)采集，另外，將OFDM信號(hào)通過(guò)鉆具進(jìn)行傳輸，進(jìn)一步解決了無(wú)線器件定向傳輸距離較短的問題。


圖1是氣體鉆井隨鉆地下數(shù)據(jù)OFDM無(wú)線傳輸改進(jìn)方法的總體框圖； 圖2是OFDM的調(diào)制解調(diào)框該圖表示在基本的OFDM調(diào)制解調(diào)模塊組中的IFFT模塊后，在傳輸信號(hào)上疊加了一組訓(xùn)練序列；
圖3是訓(xùn)練序列與OFDM符號(hào)疊加示意圖；該圖表示訓(xùn)練序列與OFDM符號(hào)按照功率分配因子為#的比例進(jìn)行疊加，得到一個(gè)疊加信號(hào)；
圖4是訓(xùn)練序列作為相位旋轉(zhuǎn)因子的示意該圖中的初始信號(hào)X，即圖3中的疊加信號(hào)與未作疊加的OFDM符號(hào)組合而成的混合序列，作為待發(fā)送信號(hào)，在完成串并變換后，分割成若干組，將每一組經(jīng)過(guò)快速傅里葉逆變換后，與同一組訓(xùn)練序列加權(quán)，從得到的序列中選出符合條件的一組信號(hào)來(lái)傳輸。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1所示，氣體鉆井隨鉆地下數(shù)據(jù)OFDM無(wú)線傳輸改進(jìn)方法所采用的裝置包括傳感器101，A/D轉(zhuǎn)換器102，OFDM無(wú)線網(wǎng)橋103和107，雙向天線104和106，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中繼器 105，計(jì)算機(jī)108
1.傳感器101包括壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器和重力加速度傳感器。這幾種傳感器用以采集不同性質(zhì)的信號(hào)，壓力傳感器測(cè)試井底壓力，判斷井眼凈化情況；溫度傳感器測(cè)試鉆具環(huán)空氣體溫度，如果井下發(fā)生了燃爆，環(huán)空氣體溫度會(huì)急劇增高，以此判斷燃爆程度，并決策是否停氣滅火；濕度傳感器測(cè)試地層出水情況；重力加速度傳感器測(cè)量井眼傾角、方位角和工具面角，實(shí)現(xiàn)定向井軌跡實(shí)時(shí)測(cè)量和控制；
2.A/D轉(zhuǎn)換器102用以將傳感器采集得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，便于傳輸和其他處理；
3.OFDM無(wú)線網(wǎng)橋103，工作頻段是5. 8GHz，用以將A/D轉(zhuǎn)換器得來(lái)的數(shù)字信號(hào)調(diào)制成 OFDM信號(hào)，OFDM無(wú)線網(wǎng)橋107，工作頻段是5. 8GHz，用以將接收到的OFDM信號(hào)解調(diào)成普通的數(shù)字信號(hào)；
4.天線104，在井下數(shù)據(jù)上傳過(guò)程中，用以將OFDM無(wú)線網(wǎng)橋調(diào)制得到的OFDM信號(hào)沿鉆具發(fā)送到地面，天線106接收相應(yīng)信號(hào)并轉(zhuǎn)發(fā)，在地面控制指令的下傳過(guò)程中，104和106分別行使接收和發(fā)送的功用，無(wú)線網(wǎng)橋103和107要與天線104和106發(fā)送接收的信號(hào)相匹配；
5.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中繼器105，用以放大并承接傳輸過(guò)程中衰落的信號(hào)，整個(gè)信號(hào)傳輸過(guò)程中，每500米使用1個(gè)中繼器105及天線104 ；
6.計(jì)算機(jī)108，用以處理接收到的數(shù)字信號(hào)。如圖2所示，氣體鉆井隨鉆地下數(shù)據(jù)OFDM無(wú)線傳輸改進(jìn)方法所涉及到的OFDM調(diào)制解調(diào)過(guò)程，包括從接收端收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換201、IFFT202、加循環(huán)前綴 203、并串轉(zhuǎn)換204，經(jīng)過(guò)信道205、串并轉(zhuǎn)換206、FFT207、去循環(huán)前綴208、并串轉(zhuǎn)換209，到達(dá)接收端
1.串并轉(zhuǎn)換201，通過(guò)將接收到的數(shù)據(jù)從一路串行傳輸變換到多路并行傳輸?shù)男问剑?以提高數(shù)據(jù)的傳輸速率；
2.IFFT202，即快速傅里葉逆變換，這是OFDM多載波調(diào)制過(guò)程，且頻率正交；
3.加循環(huán)前綴203，用以消除無(wú)線信道的多徑效應(yīng)帶來(lái)的符號(hào)間干擾(Inter-Symbol Interference, ISI)禾口載波間干擾(Inter—Channel Interference, ICI)；
4.并串轉(zhuǎn)換204，用以將數(shù)據(jù)從并行傳輸形式改變成串行傳輸形式，以適應(yīng)數(shù)據(jù)在信道205中的傳輸；
5.串并轉(zhuǎn)換206，將數(shù)據(jù)傳輸由串行形式變換到并行形式，作為傅氏變換的輸入，適應(yīng)其變換要求；
6.FFT207，即快速傅里葉變換，這是OFDM多載波解調(diào)的過(guò)程；
7.去循環(huán)前綴208，用以還原數(shù)據(jù)，去除冗余信息；
8.并串轉(zhuǎn)換209，用以將數(shù)據(jù)還原到串行傳輸?shù)男问健?圖3和圖4是氣體鉆井隨鉆地下數(shù)據(jù)OFDM無(wú)線傳輸方法中用以改進(jìn)OFDM調(diào)制解調(diào)過(guò)程的峰均比過(guò)高的方法示意圖。通過(guò)一定的步驟產(chǎn)生自相關(guān)性強(qiáng)的訓(xùn)練序列，該組訓(xùn)練序列既與OFDM符號(hào)按比例疊加又作為相位旋轉(zhuǎn)因子，這就通過(guò)同時(shí)運(yùn)用兩種峰均比減小的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)了峰均比的優(yōu)化
1.圖3表示把按一定方式產(chǎn)生的自相關(guān)性強(qiáng)的訓(xùn)練序列與OFDM符號(hào)按照一定的比例進(jìn)行疊加，得到一個(gè)疊加信號(hào)，此處的比例分配是由功率分配因子#來(lái)表現(xiàn)的，由
ρ=^^.,即是將2的功率分配給訓(xùn)練序列，^ 2的功率分配給OFDM符號(hào)，所以得到的
疊加信號(hào)是由P部分的訓(xùn)練序列和部分的OFDM符號(hào)復(fù)合而成，一般而言，以疊加訓(xùn)練序列對(duì)系統(tǒng)性能的影響來(lái)確定#的取值；
2.圖4表示把訓(xùn)練序列作為相位旋轉(zhuǎn)因子與疊加后的混合序列進(jìn)行加權(quán)，最終得到峰均比最優(yōu)序列組。疊加后的混合序列X經(jīng)過(guò)串并變換和信號(hào)分割，分成了 V組并行傳輸?shù)男盘?hào)J^JT21-Jir丨，每一組信號(hào)各自經(jīng)過(guò)IFFT，得到信號(hào)組、《:2,···,ι ,與訓(xùn)練序列加權(quán)后， 得到信號(hào)組~Α····Α ,最后從信號(hào)組里選出符合條件的最優(yōu)組y。
權(quán)利要求
1.一種氣體鉆井隨鉆地下信息無(wú)線傳輸方法，其特征在于，包括如下步驟在鉆頭上方安裝傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、OFDM無(wú)線網(wǎng)橋，雙向天線；將傳感器采集的信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；將數(shù)字信號(hào)通過(guò)OFDM無(wú)線網(wǎng)橋，成為OFDM數(shù)字信號(hào)；將OFDM數(shù)字信號(hào)通過(guò)鉆具傳輸?shù)降孛妫傻孛娴腛FDM無(wú)線網(wǎng)橋接收；由地面的網(wǎng)橋?qū)⑿盘?hào)傳輸給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并根據(jù)井下信息進(jìn)行判斷處理，確定控制指令，傳到井下。
2.如權(quán)利要求1所述一種氣體鉆井隨鉆地下信息無(wú)線傳輸方法，其特征在于，所述 OFDM無(wú)線網(wǎng)橋工作方式有以下特征信號(hào)從發(fā)送端發(fā)出后，經(jīng)過(guò)的基本模塊包括串并轉(zhuǎn)換模塊、快速傅里葉逆變換(IFFT)、 循環(huán)前綴、并串轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過(guò)信道，再經(jīng)串并轉(zhuǎn)換、快速傅里葉變換(FFT)、去循環(huán)前綴、并串轉(zhuǎn)換模塊到達(dá)接收端；在IFFT模塊之后和加循環(huán)前綴之前，在信號(hào)序列上疊加一組自相關(guān)性強(qiáng)的訓(xùn)練序列，首先將該訓(xùn)練序列與待傳輸?shù)腛FDM符號(hào)按一定的功率分配因子齊進(jìn)行疊加，然后，將疊加后序列隨機(jī)分割成若干組，最后，將同樣的一組訓(xùn)練序列作為相位旋轉(zhuǎn)因子，與分割后的信號(hào)序列進(jìn)行加權(quán)。
3.如權(quán)利要求1所述一種氣體鉆井隨鉆地下信息無(wú)線傳輸方法，其特征在于，所述鉆具內(nèi)部設(shè)置有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中繼器，以在OFDM數(shù)字信號(hào)衰減到不能有效接收時(shí)，被中繼轉(zhuǎn)發(fā)， 繼續(xù)有效傳輸。
4.如權(quán)利要求1所述一種氣體鉆井隨鉆地下信息無(wú)線傳輸方法，其特征在于，所述鉆具內(nèi)每500米安裝1個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中繼器。
5.如權(quán)利要求1所述一種氣體鉆井隨鉆地下信息無(wú)線傳輸方法，其特征在于，所述傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、OFDM無(wú)線網(wǎng)橋和雙向天線裝配在井下鉆鋌內(nèi)，井下鉆鋌內(nèi)還設(shè)置有給上述部件供電的電池供電系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種實(shí)現(xiàn)氣體鉆井中井下信息與地面信息高速無(wú)線雙工通信的方法，該方法在井下通過(guò)傳感器采集信號(hào)，經(jīng)過(guò)正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)形成OFDM信號(hào)，通過(guò)OFDM無(wú)線網(wǎng)橋、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中繼器、雙向天線和鉆桿等基本結(jié)構(gòu)單元傳輸信號(hào)到地面，再經(jīng)過(guò)解調(diào)，獲得井下所采集的信號(hào)，并由此判斷井下壓力、溫度、地層出水、井眼傾角狀況等，通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)，形成地面控制指令，并通過(guò)該傳輸系統(tǒng)將指令信號(hào)傳到井下，指導(dǎo)井下工作。該方法與目前的同類技術(shù)相比較而言，具有傳輸數(shù)據(jù)量大、傳輸速率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、雙向通信等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G08C17/02GK102251770SQ20111016979
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月23日
發(fā)明者戈勇華, 易丹, 羅仁澤 申請(qǐng)人:西南石油大學(xué)