本發(fā)明涉及油氣勘探開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及地面信號收發(fā)裝置、井下信號收發(fā)裝置和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨鉆測量是定向井、水平井施工中一項關(guān)鍵技術(shù)手段。目前，普遍采用的隨鉆信息傳輸方法主要有鉆井液壓力脈沖編碼式MWD(或稱常規(guī)MWD)和電磁信號調(diào)制的方式(EM-MWD)，并且一般情況下只進(jìn)行單向的信息傳輸，即將測量數(shù)據(jù)調(diào)制在鉆井液壓力脈沖波或電磁信號上由井下傳輸?shù)降孛?，這一過程也稱為上行傳輸。為了在鉆井過程中改變井下儀器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，現(xiàn)有的MWD或EM-MWD通常都配有輔助的下行傳輸鏈路，從而將地面的信息或指令傳輸?shù)骄聝x器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

目前國內(nèi)外普遍使用的MWD或EM-MWD隨鉆測量儀器，地面到井下的下行信息傳輸鏈路采用的傳輸方式主要有以下三種或他們的組合：

1)開停泵或改變泵速序列組合方式

這種方式是通過按預(yù)先規(guī)定的開停泵時間組合序列來控制鉆機(jī)的鉆井液循環(huán)泵的開泵和停泵，井下儀器則通過相應(yīng)的傳感器識別出開停泵序列來接收地面下傳的信息獲指令，達(dá)到控制井下儀器的目的。

但這種鉆井液脈沖下傳方式由于傳輸介質(zhì)的限制，也和鉆井液脈沖隨鉆測量儀器一樣，在含砂量大、含堵漏材料、氣體、泡沫、充氣等鉆井液環(huán)境中無法正常進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時，這種下傳方式需要技術(shù)人員多次開停泵，并嚴(yán)格控制每次開停泵時間，存在操作復(fù)雜、單次操作時間長以及傳輸速度慢的缺點，并且這種方式的下行傳輸鏈路只能傳遞有限的幾個指令，不能進(jìn)行復(fù)雜指令或連續(xù)的信息傳輸。

2)鉆井液壓力脈沖編碼方式

這種方式利用安裝在地面鉆井液循環(huán)管路立管上專用的壓力脈沖發(fā)生器來 有規(guī)律的改變鉆柱中鉆井液的壓力波形，下傳的信息或指令調(diào)制在壓力波上，井下儀器通過加速度或壓力等傳感器來接收地面的信息或指令實現(xiàn)下行傳輸鏈路。此方式只能單獨(dú)使用下行傳輸鏈路或采取其他方法先關(guān)閉井下上行傳輸鏈路的脈沖發(fā)生器才能正常工作，否則將相互干擾無法傳遞信息。

3)改變鉆柱旋轉(zhuǎn)速度的方式

這種下行傳輸鏈路的工作原理與開停泵、改變泵速序列組合方式的工作原理相同，只是傳輸信息的載體變成不同速度的鉆柱轉(zhuǎn)速而已，同樣也只能傳遞有限的幾個指令，不能進(jìn)行復(fù)雜指令或連續(xù)的信息傳輸。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明首先在一個實施例中提供了一種地面信號收發(fā)裝置，所述地面信號收發(fā)裝置設(shè)置在鉆井的地面端，其包括：

地面天線模塊，其用于將接收到的來自井下的電磁信號轉(zhuǎn)換為電信號，以及將攜帶地面信息的電信號轉(zhuǎn)換為電磁信號并向井下發(fā)送；

收發(fā)切換模塊，其與所述地面天線模塊連接；

第一信號接收電路和第一信號發(fā)送電路，其分別與所述收發(fā)切換模塊連接；

第一數(shù)據(jù)處理模塊，其與所述第一信號接收電路和第一信號發(fā)送電路連接；

其中，所述收發(fā)切換模塊對所述第一信號接收電路和第一信號發(fā)送電路進(jìn)行隔離，其在所述第一數(shù)據(jù)處理模塊的控制下導(dǎo)通地面天線模塊與第一信號接收電路之間的連接以完成信號的接收過程，或是導(dǎo)通地面天線模塊與第一信號發(fā)送電路之間連接以完成信號的發(fā)送過程。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，

當(dāng)存在待發(fā)送地面數(shù)據(jù)時，所述第一數(shù)據(jù)處理模塊產(chǎn)生發(fā)送切換信號，以控制所述收發(fā)切換模塊將地面天線模塊與第一信號發(fā)送電路之間的連接導(dǎo)通，所述第一數(shù)據(jù)處理模塊將所述待發(fā)送地面數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳輸給所述第一信號發(fā)送電路，并由所述第一信號發(fā)送電路進(jìn)一步處理后傳輸給所述地面天線模塊；

當(dāng)不存在待發(fā)送地面數(shù)據(jù)時，所述第一數(shù)據(jù)處理模塊產(chǎn)生接收切換信號，以控制所述收發(fā)切換模塊將地面天線模塊與第一信號接收電路之間的連接導(dǎo)通，所述第一信號接收電路將來自地面天線模塊的信號進(jìn)行處理后傳輸給所述第一數(shù)據(jù)處理模塊，以由所述第一數(shù)據(jù)處理模塊分析得到所需要的井下數(shù)據(jù)。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述地面天線模塊包括與所述收發(fā)切換模塊連接的第一埋地電極和第二埋地電極，其中，所述第一埋地電極設(shè)置在鉆井的井口附近或連接到井口的相應(yīng)裝置上，所述第二埋地電極與所述第一埋地電極間隔預(yù)設(shè)距離。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述第一信號接收電路包括：

第一信號放大電路，其用于對來自所述收發(fā)切換模塊的電信號進(jìn)行調(diào)理放大；

第一模擬濾波電路，其用于對來自所述第一功率放大電路的電信號進(jìn)行濾波；

第一模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其用于將來自所述第一模擬濾波電路的電信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號傳輸給所述第一數(shù)據(jù)處理模塊。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述第一信號放大電路在所述第一數(shù)據(jù)處理模塊的控制下調(diào)整信號的放大倍數(shù)。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述第一信號發(fā)送電路包括：

第一光電隔離電路，其與所述第一數(shù)據(jù)處理模塊連接；

第一功率放大電路，其連接在所述第一光電隔離電路與收發(fā)切換模塊之間。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述第一數(shù)據(jù)處理模塊包括：

第一信號解調(diào)單元，其用于對來自所述第一信號接收電路的信號進(jìn)行解調(diào)；

第一數(shù)據(jù)解碼單元，其用于對來自所述第一信號解調(diào)模塊的信號進(jìn)行解碼，得到所需要的井下數(shù)據(jù)；

第一數(shù)據(jù)編碼單元，其用于對待發(fā)送地面數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼；

第一信號調(diào)制單元，其用于對編碼后的待發(fā)送地面數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，并將調(diào)制后的信號傳輸?shù)剿龅谝恍盘柊l(fā)送電路。

本發(fā)明還提供了一種井下信號收發(fā)裝置，所述井下信號收發(fā)裝置包括：

井下天線模塊，其用于將接收到的的電磁信號轉(zhuǎn)換為電信號，以及將接收到的電信轉(zhuǎn)換為電磁信號并向外發(fā)送；

天線耦合器，其與所述井下天線模塊連接，用于對天線耦合器兩端的電信號進(jìn)行阻抗匹配及隔離；

第二信號接收電路，其與所述天線耦合器連接；

第二信號發(fā)送電路，其與所述井下天線模塊連接；

第二數(shù)據(jù)處理模塊，其與所述第二信號接收電路和第二信號發(fā)送電路連接，用于對來自所述第二信號接收電路的信號進(jìn)行分析處理以得到所需要的地面數(shù)據(jù)，還用于對待發(fā)送井下數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳輸給所述第二信號發(fā)送電路，并由所述第二信號發(fā)送電路進(jìn)行進(jìn)一步處理后傳輸給所述井下天線模塊。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述井下天線模塊包括：上接頭、下接頭以及位于所述上接頭和下接頭之間的絕緣接頭，所述上接頭與井筒的上部鉆柱連接，所述下接頭與所述井筒的下部鉆柱連接。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述第二信號接收電路包括：

第二信號放大電路，其用于對來自所述天線耦合器的電信號進(jìn)行調(diào)理放大；

第二模擬濾波電路，其用于對來自所述第二信號放大電路的電信號進(jìn)行濾波；

第二模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其用于將來自所述第二模擬濾波電路的電信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號傳輸給所述第二數(shù)據(jù)處理模塊。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述第二信號放大電路在所述第二數(shù)據(jù)處理模塊的控制下調(diào)整自身的輸出功率。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述第二信號發(fā)送電路包括：

第二光電隔離電路，其與所述第二數(shù)據(jù)處理模塊連接；

第二功率放大電路，其連接在所述第二光電隔離電路與井下天線模塊之間。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述第二數(shù)據(jù)處理模塊包括：

第二信號解調(diào)模塊，其用于對來自所述第二信號接收電路的信號進(jìn)行解調(diào)；

第二數(shù)據(jù)解碼模塊，其用于對來自所述第二信號解調(diào)模塊的信號進(jìn)行解碼，得到所需要的地面數(shù)據(jù)；

第二數(shù)據(jù)編碼模塊，其用于對待發(fā)送井下數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼；

第二信號調(diào)制模塊，其用于對編碼后的待發(fā)送井下數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，并將調(diào)制后的信號傳輸?shù)剿龅诙盘柊l(fā)送電路。

本發(fā)明還提供了一種數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括：

如上任一項所述的地面信號收發(fā)裝置；

如上任一項所述的井下信號收發(fā)裝置。

本發(fā)明所提供的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)地面設(shè)備與井下設(shè)備之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸，可以使得地面設(shè)備在鉆井作業(yè)過程中實時接收井下測量到的工程、地質(zhì) 信息，并實時顯示給現(xiàn)場技術(shù)人員。該方法還可以根據(jù)技術(shù)人員的需要，隨時從地面向井下儀器發(fā)送電磁指令。

本發(fā)明所提供的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用電磁無線傳輸?shù)姆绞?，與常規(guī)脈沖傳輸方式相比，無須開停泵，不耽誤鉆進(jìn)時間，不容易產(chǎn)生誤操作。此外，本發(fā)明所提供的數(shù)據(jù)傳輸方法傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)更靈活、更復(fù)雜，能發(fā)出的控制命令更多樣，能夠在鉆進(jìn)過程中實時優(yōu)化井眼軌跡和井下儀器工況，對井眼軌跡控制精度和鉆井安全有重大的積極意義。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在說明書、權(quán)利要求書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要的附圖做簡單的介紹：

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的地面天線模塊的分布示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的地面信號收發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的井下信號收發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖及實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明的實施方式，借此對本發(fā)明如何應(yīng)用技術(shù)手段來解決技術(shù)問題，并達(dá)成技術(shù)效果的實現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實施。需要說明的是，只要不構(gòu)成沖突，本發(fā)明中的各個實施例以及各實施例中的各個特征可以相互結(jié)合，所形成的技術(shù)方案均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

同時，在以下說明中，出于解釋的目的而闡述了許多具體細(xì)節(jié)，以提供對本發(fā)明實施例的徹底理解。然而，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說顯而易見的是，本發(fā)明可以不用這里的具體細(xì)節(jié)或者所描述的特定方式來實施。

定向井、水平井鉆井是目前油氣勘探開發(fā)的主要手段，對于這些鉆井來說，檢測井眼軌跡的隨鉆測量儀器是必須的設(shè)備，目前國內(nèi)外主要使用的是MWD或 EM-MWD這兩種隨鉆測量儀器。在鉆井施工過程中，一般隨鉆測量儀器每次入井都需要在井下工作幾十到幾百小時，在此過程中隨鉆測量儀器不斷地通過上行傳輸鏈路將井下的測量數(shù)據(jù)傳遞到地面，定向鉆井工程師依據(jù)這些數(shù)據(jù)才能控制井眼軌跡。

隨著井深的加大或地層的變化，有時需要改變井下儀器的工作狀態(tài)或參數(shù)才能更好的適應(yīng)隨鉆測量的需要，此時就需要停止鉆井工作，利用現(xiàn)有的三種或其組合的下行傳輸鏈路向井下儀器傳遞新的工作指令和相關(guān)信息。此類方法需要占用鉆井時間并依賴鉆機(jī)設(shè)備的性能才能將地面信息下傳到井下儀器，指令或信息傳輸需要的時間少則十幾分鐘多則幾十分鐘，實時性較差。

另一類需要地面到井下傳輸信息或指令的儀器是具有井下執(zhí)行機(jī)構(gòu)的隨鉆測量儀器，如旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)備等。這類儀器通常需要根據(jù)井下地層情況修改設(shè)定的井眼軌跡參數(shù)、造斜率等參數(shù)，再由井下儀器自動編程實現(xiàn)井眼軌跡自動導(dǎo)向，以適應(yīng)地層的變化，采用目前的下行傳輸方法效率較低，也無法保證指令下達(dá)的實時性。

針對現(xiàn)有方法存在的問題，本發(fā)明提出了一種以電磁信號為載體的地面和井下設(shè)備之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，以在鉆井過程中實現(xiàn)井下工具儀器與地面儀器之間的的實時雙向信息傳輸，具有的實時性強(qiáng)、不占用鉆井時間、操作方便、不受鉆井介質(zhì)影響等特點，并且能夠及時優(yōu)化井下工具儀器的狀態(tài)，從而保持井下儀器始終工作在最佳狀態(tài)，提高鉆井效率。

圖1示出了本實施例所提供的信號收發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，本實施例所提供的信號收發(fā)系統(tǒng)包括地面信號收發(fā)裝置和井下信號收發(fā)裝置。其中，地面信號收發(fā)裝置設(shè)置在井場的地面處，其包括地面天線模塊和地面信號處理模塊102。井下信號收發(fā)裝置設(shè)置在井筒105靠近鉆頭的位置處，其包括井下天線模塊和井下信號處理模塊106。

地面天線模塊由兩個完全相同的、具有導(dǎo)電性的柱狀金屬電極(即第一埋地電極103和第二埋地電極104)構(gòu)成，這兩個金屬電極既負(fù)責(zé)電磁信號信號的發(fā)送，也負(fù)責(zé)電磁信號信號的接收。

其中，本實施例中，為了現(xiàn)場操作的方便，第一埋地電極103設(shè)置在井架101的井口附近的地面上(例如與井口之間的距離小于20米)，第二埋地電極104與第一埋地電極103間隔預(yù)設(shè)距離(例如30米以上)并且沿鉆井的井眼軌跡 延伸的方向設(shè)置。需要說明的是，在本發(fā)明的其他實施例中，第一埋地電極和/或第二埋地電極還可以設(shè)置在其他合理位置處，本發(fā)明不限于此。例如在本發(fā)明的一個實施例中，第一埋地電極也可以直接連接到井口的相應(yīng)裝置(例如防噴器組或鉆機(jī)井架)上。

本實施例中，第一埋地電極104和第二埋地電極的長度均大于40cm、直徑均大于10mm。當(dāng)然，在本發(fā)明的其他實施例中，第一埋地電極103和第二埋地電極104的相關(guān)參數(shù)還可以采用其他合理值，本發(fā)明不限于此。

此外，第一埋地電極103和第二埋地電極104的埋入地面以下的深度可以根據(jù)土壤的干濕程度來確定，從而確保兩個埋地電極都具有較小的接地電阻。例如，在干燥土壤中，第一埋地電極103和第二埋地電極104就需要埋得深一些，并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103和第二埋地電極104分別通過同軸線纜與地面信號處理模塊102連接。當(dāng)然，在本發(fā)明的其他實施例中，第一埋地電極103和/或第二埋地電極104還可以采用其他合理的方式來與地面信號處理模塊102連接，本發(fā)明不限于此。

本實施例中，地面信號處理模塊102裝配在一個工程塑料儀器箱中，儀器箱的面板上安裝有與地面天線模塊、工控計算機(jī)、司鉆顯示器連接的電氣連接插座。當(dāng)然，在本發(fā)明的其他實施例中，地面信號處理模塊102還可以采用其他合理的裝配方式，本發(fā)明同樣不限于此。

圖2示出了本實施例中地面天線模塊的分布示意圖。從圖2中可以看出，這兩個埋地電極之間距離d。需要說明的是，如果地面天線模塊包含有2個以上埋地電極的話，那么還要使得第一埋地電極與鉆柱之間呈一角度θ。

井下信號收發(fā)裝置所包含的井下天線模塊能夠?qū)⒔邮盏降碾姶判盘栟D(zhuǎn)換為電信號，其還能夠?qū)碜跃滦盘柼幚砟K106的電信號轉(zhuǎn)換為電磁信號并向外發(fā)送。其中，本實施例中，井下天線模塊包括了上接頭107、下接頭109以及位于上接頭107與下接頭109之間的絕緣接頭108。上接頭107與井筒110的上部鉆柱110連接，下接頭109與井筒110的下部鉆柱111連接。

本實施例中，上接頭107和下接頭109的制造按照石油工具標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行加工，包括材料選擇、扣型和強(qiáng)度均要符合API標(biāo)準(zhǔn)要求。中間的絕緣接頭108的本體采用了與上接頭107和/或下接頭109相同的金屬材料，其本體的內(nèi)外表面噴 涂有絕緣涂層以實現(xiàn)電氣絕緣。具體地，本實施例中，絕緣接頭108兩端的電阻大于50k歐姆。當(dāng)然，在本發(fā)明的其他實施例中，絕緣接頭108還可以采用其他合理的方式來實現(xiàn)，本發(fā)明不限于此。

從上述描述中可以看出，本實施例中，地面天線模塊和井下天線模塊均采用了差分連接的方式。由于一般設(shè)備認(rèn)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，接地電平就越接近于相同。但是將兩者的地連接在一起的話，那么兩者之間的電平差會引發(fā)一個大電流，即存在接地回路。這也就會使得天線模塊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?zé)o關(guān)，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，那么兩個天線端的噪聲將會是相同的，那么通過二者的差值便可以消除噪聲的干擾。

當(dāng)然，在本發(fā)明的其他實施例中，在需要的情況下，地面天線模塊和井下井下天線模塊也可以采用單端連接的方式，本發(fā)明不限于此。

本實施例中，井下信號處理模塊106裝配在儀器總成內(nèi)部，儀器總成則由能夠承受井下壓力的金屬耐壓筒組成并選骨干在井下收發(fā)天線短節(jié)中，并分別與天線短節(jié)的上下兩端電氣耦合。當(dāng)然，在本發(fā)明的其他實施例中，井下信號處理模塊106還可以采用其他合理的裝配方式，本發(fā)明不限于此。

圖3示出了本實施例所提供的地面信號收發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖3所示，本實施例所提供的地面信號收發(fā)裝置301包括地面天線模塊、收發(fā)切換模塊302、第一信號接收電路303、第一信號發(fā)送電路304和第一數(shù)據(jù)處理模塊305。其中，天線模塊包括第一埋地電極103和第二埋地電極104。收發(fā)切換模塊302分別與第一埋地電極和第二埋地電極連接，同時，收發(fā)切換模塊302還同時與第一信號接收電路303和第一信號發(fā)送電路304連接。第一信號接收電路303和第一信號發(fā)送電路304還與第一數(shù)據(jù)處理模塊305連接。

當(dāng)?shù)孛嫘盘柺瞻l(fā)裝置301處于信號接收狀態(tài)時，地面天線模塊能夠?qū)a(chǎn)生的電信號通過收發(fā)切換模塊302傳輸給第一信號接收電路303；當(dāng)?shù)孛嫘盘柺瞻l(fā)裝置301處于信號發(fā)送狀態(tài)時，第一信號發(fā)送電路304能夠?qū)⒑写l(fā)送地面數(shù)據(jù)的電信號通過收發(fā)切換模塊302傳輸給地面天線模塊，以由地面天線模塊向外發(fā) 送。

在工作的過程中，第一數(shù)據(jù)處理模塊305首先判斷是否存在待發(fā)送數(shù)據(jù)。如果存在，則向收發(fā)切換模塊302輸出發(fā)送切換指令；否則向收發(fā)切換模塊302輸出接收切換指令。

收發(fā)切換模塊302根據(jù)發(fā)送切換指令將地面天線模塊與第一信號發(fā)送電路304之間的連接閉合，并同時斷開地面天線模塊與第一信號接收電路303之間的連接。這樣，第一數(shù)據(jù)處理模塊305便可以將待發(fā)送地面數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳輸給第一信號發(fā)送電路304，第一信號發(fā)送電路304對接收到的電信號做進(jìn)一步處理后將電信號經(jīng)由收發(fā)切換模塊302傳輸給地面天線模塊來由地面天線模塊將電信號轉(zhuǎn)換為電磁信號信號向外發(fā)送。

當(dāng)不存在待發(fā)送數(shù)據(jù)時，收發(fā)切換模塊302會根據(jù)接收切換指令持續(xù)地將地面天線模塊與第一信號接收電路303之間的連接導(dǎo)通，并斷開地面天線模塊與第一信號發(fā)送電路304之間的連接。即地面信號收發(fā)裝置301通常是一直處于信號接收狀態(tài)的，當(dāng)存在待發(fā)送地面數(shù)據(jù)時才轉(zhuǎn)換為信號發(fā)送狀態(tài)。

當(dāng)?shù)孛嫘盘柺瞻l(fā)裝置301處于信號接收狀態(tài)時，地面天線模塊會將接收到的電磁信號信號轉(zhuǎn)換為電信號，并將得到的電信號經(jīng)由收發(fā)切換模塊302傳輸給第一信號接收電路303。第一信號接收電路303將收發(fā)切換模塊302傳輸來的電信號進(jìn)行處理后傳輸給第一數(shù)據(jù)處理模塊305來進(jìn)行進(jìn)一步處理，從而得到井下信號收發(fā)裝置發(fā)送來的井下數(shù)據(jù)。

本實施例中，地面信號收發(fā)裝置301在向井下信號收發(fā)裝置發(fā)送數(shù)據(jù)時，還會確定信號的發(fā)射功率。由于天線的激勵源是電壓源，因此為了得到埋地電極在鉆桿上產(chǎn)生的感應(yīng)電流的分布情況，就需要利用發(fā)射電極的輸入阻抗來計算激勵電流。

第一埋地電極103連接在鉆臺上，也就相當(dāng)于第一埋地電極103與鉆桿連接在一起，屬于終端開路的情況。因此，第一埋地電極103的輸入阻抗Z_T1可以根據(jù)如下表達(dá)式計算得到：

Z_T1＝Z₀₁·cth(γ·h) (1)

其中，Z₀₁表示第一埋地電極與鉆桿這一整體的單位長度的特性阻抗，γ表示傳播常數(shù)，h表示井下信號收發(fā)裝置到地面的距離。

其中，特性阻抗Z₀₁可以根據(jù)如下表達(dá)式計算得到：

$Z_{01}={\left(\frac{\frac{{\mathrm{\ρ}}_m}{2\mathrm{\πb\ζ}(1-\frac{\mathrm{\ζ}}{2b})}+\mathrm{j\ω}\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\π}}\ln \left(\frac{d}{b}\right)}{j2\mathrm{\π\ω}{[{({\mathrm{\ϵ}}_1-j\frac{{\mathrm{\σ}}_1}{\mathrm{\ω}})}^{-1}\ln \left(\frac{b_1}{b}\right)+{({\mathrm{\ϵ}}_2-j\frac{{\mathrm{\σ}}_2}{\mathrm{\ω}})}^{-1}\ln \left(\frac{d}{b_1}\right)]}^{-1}}\right)}^{1/2}---\left(2\right)$

其中，ρ_m表示m層地層電阻率，b和ζ分別表示鉆桿半徑和鉆桿壁厚，ω表示發(fā)射信號載波頻率轉(zhuǎn)換得到的角頻率，μ₀表示地層磁導(dǎo)率，d表示第一接地電極與第二接地電極的間隔距離，ε₁和ε₂分別表示泥漿介電常數(shù)和地層介電常數(shù)，σ₁和σ₂分別表示泥漿導(dǎo)電率和地層導(dǎo)電率，b₁表示鉆桿加泥漿層的半徑。

第二埋地電極104插入地層中，其幾何尺寸遠(yuǎn)小于地層媒質(zhì)的趨膚深度，因此根據(jù)凈靜場法，第二埋地電極104的輸入阻抗Z_T2可以根據(jù)如下表達(dá)式計算得到：

$Z_{T2}=\frac{1}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\σ}}_{2}l}\ln (\frac{2l}{r}-k_1)---\left(3\right)$

其中，l和r分別表示第二埋地電極的長度和半徑，k₁表示傳播波數(shù)。

整個地面天線模塊的輸入阻抗Z則可以根據(jù)如下表達(dá)式計算得到：

Z＝Z_T1+Z_T2

此時，處于地面的埋地電極發(fā)射電磁信號時，在鉆桿上下行信號引起的激勵電流I₁(z)分布為：

$I_1\left(z\right)=\frac{I_0}{1-e^{-2\mathrm{\γh}}}[e^{-\mathrm{\γz}}-e^{-\mathrm{\γ}(2h-z)}]---\left(4\right)$

其中，z表示在沿鉆桿方向的坐標(biāo)軸上的分量，I₀表示施加在地面天線模塊上的激勵電流，其可以根據(jù)施加在地面天線模塊上的電壓V₀和地面天線模塊的輸入阻抗Z計算得到，即：

$I_0=\frac{V_0}{Z}---\left(5\right)$

當(dāng)?shù)孛嫣炀€模塊在鉆桿上施加一個激勵信號時，通過表達(dá)式(4)便可以知道鉆桿上的電流分布。如果將鉆桿視為若干最小化的小段的組合，那么每一小段就都可以等效為一個垂直的電偶極子。在井下信號收發(fā)裝置的位置處會產(chǎn)生一個感應(yīng)電場，將每一小段的電流值沿鉆桿積分可以得到井下信號收發(fā)裝置所處位置處的電場分量E。本實施例中，電場分量E(ρ)可以根據(jù)如下表達(dá)式計算得到：

$E\left(\mathrm{\ρ}\right)=\frac{\mathrm{j\ω}{\mathrm{\μ}}_{0}l{V}_0}{2\mathrm{\π}{k}_1^{2}Z(1-e^{-2\mathrm{\γh}})}\underset{0}{\overset{h}{\∫}}\left\{\right[e^{-\mathrm{\γz}}-e^{-\mathrm{\γ}(2h-z)}]\·e^{\mathrm{jb}{k}_1(h-z)}\·\frac{3\mathrm{a\ρ}(h-z)}{{({\mathrm{\ρ}}^2+a^2{(h-z)}^2)}^{5/2}}\}\mathrm{dz}---\left(6\right)$

其中，a表示電磁信號在地層中傳輸時的趨膚效應(yīng)經(jīng)驗系數(shù)(通常取值為 0.96)，ρ表示地層電阻率。k₁為傳播波數(shù)，其可以根據(jù)表達(dá)式計算得到：

$k_1=\sqrt{{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\μ}}_0({\mathrm{\ϵ}}_1+j\frac{{\mathrm{\σ}}_1}{\mathrm{\ω}})}---\left(7\right)$

井下信號信號收發(fā)裝置接收到的感應(yīng)電壓則可以由電場分量E環(huán)繞其天線的閉合積分計算得到，即：

地面信號收發(fā)裝置由此可以確定出下行信號的發(fā)射功率，從而避免信號發(fā)射功率過低、發(fā)射的信號強(qiáng)度過弱、傳輸距離過短等問題，這樣也就避免了井下信號收發(fā)裝置無法接收到地面的控制指令的情況出現(xiàn)。

本實施例中，由井下信號收發(fā)裝置發(fā)送來的電磁信號經(jīng)過長距離的地層衰減，地面信號收發(fā)電源所能夠接受到的信號強(qiáng)度將十分微弱(通常為毫伏級)。而為了盡可能增大下行指令的傳輸深度，地面信號收發(fā)裝置產(chǎn)生的發(fā)射信號的功率需要很大(通常為幾十伏)。對于地面信號收發(fā)單元來說，其發(fā)射與接收電磁信號信號均使用同一地面天線模塊(即第一埋地電極103和第二埋地電極104)。這樣，地面信號收發(fā)裝置在發(fā)射信號時產(chǎn)生的強(qiáng)電壓和強(qiáng)電流就會對信號接收電路造成沖擊，導(dǎo)致信號接收電路的電壓和電流超出芯片的上限，使得裝置無法正常工作甚至發(fā)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(fā)裝置采用了有效的強(qiáng)、弱信號隔離措施，從而保證了裝置內(nèi)信號發(fā)送電路和信號接收電路的安全。具體地，如圖3所示，在默認(rèn)狀態(tài)下，收發(fā)切換模塊302將地面天線模塊與第一信號接收電路303之間的連接導(dǎo)通，并斷開地面天線模塊與第一信號發(fā)送電路304之間的連接，從而實現(xiàn)對井下信號發(fā)送裝置發(fā)送來的電磁信號的接收。當(dāng)?shù)谝粩?shù)據(jù)處理模塊305接收到PC機(jī)307發(fā)送來的需要發(fā)送下行指令的請求后，會產(chǎn)生發(fā)送切換指令來控制收發(fā)切換模塊302將地面天線模塊與第一信號發(fā)送電路304之間的連接導(dǎo)通，并斷開地面天線模塊與第一信號接收電路303之間的連接，從而實現(xiàn)下行指令的發(fā)送。

本實施例所提供的地面信號收發(fā)裝置通過設(shè)置收發(fā)切換模塊302實現(xiàn)了強(qiáng)弱信號的隔離，從而避免了強(qiáng)信號電路與弱信號電路的直接接觸，避免了強(qiáng)信號對弱信號電路的干擾和沖擊，保證了弱信號電路的可靠性和安全性。

本實施例中，收發(fā)切換模塊302采用了兩個DPST繼電器來實現(xiàn)。當(dāng)然，在 本發(fā)明的其他實施例中，收發(fā)切換模塊還可以采用其他合理的電路形式或元器件來實現(xiàn)，本發(fā)明不限于此。

在進(jìn)行信號接收的過程中，由于地面天線模塊與第一信號接收電路303之間的連接是導(dǎo)通的，因此地面天線模塊轉(zhuǎn)換得到的電信號將通過收發(fā)切換模塊302傳輸?shù)降谝恍盘柦邮针娐?03，以由第一信號接收電路303進(jìn)行處理。

如圖3所示，本實施例中，第一信號接收電路303包括第一信號耦合前置放大電路401、第一信號放大電路402、第一模擬濾波電路403和第一模數(shù)轉(zhuǎn)換電路404。第一信號耦合前置放大電路401連接在收發(fā)切換模塊302與第一信號放大電路402之間，這樣可以避免第一信號放大電路402產(chǎn)生的強(qiáng)信號對地面天線模塊產(chǎn)生的弱信號的感應(yīng)干擾。

第一信號放大電路402能夠?qū)碜允瞻l(fā)切換模塊302的電信號進(jìn)行調(diào)理放大，并將放大得到的電信號傳輸給第一模擬濾波電路403進(jìn)行濾波。本實施例中，由于第一數(shù)據(jù)處理模塊305接收的信號需要為數(shù)據(jù)信號，因此在第一模擬濾波電路403與第一數(shù)據(jù)處理模塊305之間還設(shè)置了第一模數(shù)轉(zhuǎn)換電路404，第一模數(shù)轉(zhuǎn)換電路404能夠?qū)⒌谝荒M濾波電路403傳來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳輸給第一數(shù)據(jù)處理模塊305。

需要說明的是，在本發(fā)明的其他實施例中，第一模數(shù)轉(zhuǎn)換電路404還可以集成在第一數(shù)據(jù)處理模塊305中，本發(fā)明不限于此。同時，第一信號耦合前置放大電路401和/或第一模擬濾波電路305也可以根據(jù)實際需要進(jìn)行選配，本發(fā)明同樣不限于此。

第一數(shù)據(jù)處理模塊305包括第一信號解調(diào)單元405、第一數(shù)據(jù)解碼單元406和控制單元407。在本發(fā)明的其他實施例中，在需要的情況下，還可以在第一信號接收電路303與第一信號解調(diào)單元405之間設(shè)置第一數(shù)據(jù)濾波電路，以對第一信號接收電路303傳輸來的數(shù)字信號進(jìn)行進(jìn)一步地濾波，并將濾波后的數(shù)字信號進(jìn)行解調(diào)。

電磁信號在地層中傳輸時很容易發(fā)生幅度衰減和頻散現(xiàn)象，使用幅度和頻移鍵控的調(diào)制方式容易發(fā)生干擾。針對上述問題，本實施例中，第一數(shù)據(jù)處理模塊305采用差分移相鍵控(即2DPSK)的方式進(jìn)行調(diào)制，并且解調(diào)方式采用差分相干解調(diào)。與2PSK相比，2DPSK消除了2PSK中的“л”現(xiàn)象。而從其差分相干解調(diào)的誤比特率曲線來看，由于2DPSK的差分相干解調(diào)不需要恢復(fù)載波，其相 對2PSK的差分相干解調(diào)更容易實現(xiàn)，有助于降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度。因此，本實施例中，調(diào)制方式采用2DPSK作為信號調(diào)制方式，解調(diào)采用差分相干解調(diào)。這種調(diào)制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(gòu)成不同的指令。

需要說明的是，在本發(fā)明的其他實施例中，還可以采用其他合理的方式來進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，本發(fā)明不限于此。

第一數(shù)據(jù)解碼單元406與第一數(shù)據(jù)解調(diào)單元405連接，其能夠根據(jù)第一數(shù)據(jù)解調(diào)單元405傳輸來的數(shù)據(jù)解碼得到所需要的數(shù)據(jù)(即井下信號收發(fā)裝置發(fā)送來的井下狀態(tài)數(shù)據(jù))。信道編碼和解碼應(yīng)使井下以及地面接收指令時能夠獲取最大的信噪比增益。因此本實施例中采用卷積編解碼的方式來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴＞矸e編解碼比較簡單，并且其具有較好的糾錯能力。

如圖3所示，本實施例中，第一數(shù)據(jù)解碼單元406將解碼得到的數(shù)據(jù)傳輸給控制單元407，以由控制單元407進(jìn)行數(shù)據(jù)回放及分析。此外，為了方便與外部設(shè)備之間進(jìn)行連接，本實施例所提供的地面信號收發(fā)裝置301還配置有接口轉(zhuǎn)換模塊306。具體地，接口轉(zhuǎn)換模塊306包括USBHUB408和USB-串口轉(zhuǎn)換單元409。其中，控制單元407通過USBHUB408與PC機(jī)307連接，同時，控制單元407還通過USBHUB408和USB-串口轉(zhuǎn)換單元409與井下儀器配置接口308以及其他配件309連接。

當(dāng)然，在本發(fā)明的其他實施例中，還可以根據(jù)實際需要對USBHUB以及USB-串口轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行選配，本發(fā)明不限于此。此外，在本發(fā)明的其他實施例中，接口轉(zhuǎn)換模塊還可以采用其他合理的電路形式，本發(fā)明同樣不限于此。

本實施例中，如果傳輸?shù)降孛娴碾姶判盘枏?qiáng)度過小而導(dǎo)致第一數(shù)據(jù)處理模塊305無法正確還原出井下信號收發(fā)裝置發(fā)送來的數(shù)據(jù)的話，控制單元407則會通過總線來控制第一信號放大電路402對其自身的功率放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以使得第一數(shù)據(jù)處理模塊接收到的信號得以進(jìn)一步增大，從而正確還原出井下數(shù)據(jù)。

至此便完成了接收來自井下信號收發(fā)裝置的電磁信號的過程。

由于隨著井深的加大或地層的變化，有時需要改變井下儀器的工作狀態(tài)才能更好的適應(yīng)隨鉆測量的需要，因此就需要利用下行傳輸鏈路給井下儀器傳遞新的工作指令和相關(guān)信息。如圖3所示，本實施例中，第一數(shù)據(jù)處理模塊305通過第一信號發(fā)送電路304和地面天線模塊來向井下信號收發(fā)裝置發(fā)送工作指令和相關(guān)信息。

如圖3所示，本實施例中，第一數(shù)據(jù)處理模塊305還包括第一數(shù)據(jù)編碼單元410和第一信號調(diào)制單元411。第一數(shù)據(jù)編碼單元410采用卷積編碼的方式對待發(fā)送的工作指令或相關(guān)信息進(jìn)行編碼，并將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸給第一信號調(diào)制單元411進(jìn)行調(diào)制。第一信號調(diào)制單元411對編碼后的數(shù)據(jù)采用差分移相鍵控的方式進(jìn)行調(diào)制，并將調(diào)制得到的信號傳輸給第一信號發(fā)送電路304來進(jìn)行進(jìn)一步處理。

本實施例中，第一信號發(fā)送電路304包括第一光電隔離電路412和第一功率放大電路413。第一功率放大電路413能夠?qū)⒌谝恍盘栒{(diào)制單元411產(chǎn)生的弱信號進(jìn)行放大而得到強(qiáng)信號。為了避免強(qiáng)信號對弱信號電路產(chǎn)生的感應(yīng)干擾，本實施例中，第一光電隔離電路412連接在第一信號調(diào)制單元411與第一功率放大電路413之間。

當(dāng)?shù)孛嫘盘柺瞻l(fā)裝置處于發(fā)送狀態(tài)時，收發(fā)切換模塊302將地面天線模塊與第一功率放大電路413之間的連接導(dǎo)通，并斷開了地面天線模塊與第一信號耦合前置放大電路401之間的連接。因此，第一功率放大電路413產(chǎn)生的電信號(該電信號包括兩路信號)可以經(jīng)由收發(fā)切換模塊302傳輸?shù)降孛嫣炀€模塊(即第一埋地電極103和第二埋地電極104)，地面天線模塊能夠?qū)邮盏降碾娦盘栟D(zhuǎn)換得到第一電磁信號和第二電磁信號，并將第一電磁信號和第二電磁信號分別通過第一埋地電極和第二埋地電極向井下信號收發(fā)裝置發(fā)送。

至此地面信號收發(fā)裝置便完成了工作指令以及相關(guān)數(shù)據(jù)的下行傳輸。

圖4示出了本實施例所提供的井下信號收發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖4所示，本實施例所提供的井下信號收發(fā)裝置501包括井下天線模塊、天線耦合器502、第二信號接收電路503、第二信號發(fā)送電路504和第二數(shù)據(jù)處理模塊505。天線耦合器502連接在井下天線模塊與第二信號接收電路503之間，第二信號接收電路503還與第二數(shù)據(jù)處理模塊505連接。第二信號發(fā)送電路504連接在井下天線模塊與第二數(shù)據(jù)處理模塊505之間。

由于井下信號收發(fā)裝置501通常采用鋰電池組供電，因此電磁信號發(fā)射時的電壓和接收信號時的電壓是相同的，只有電流比接收信號時電流略大，但也不會像地面信號發(fā)射時的電流值差距一樣明顯。因此，本實施例中，井下電磁發(fā)射時雖然也要采用強(qiáng)、弱信號隔離保護(hù)，但保護(hù)方式與地面信號收發(fā)裝置相比略有不同。

如圖4所示，作為天線兩極的上接頭107和下接頭109后連接一個天線耦合 器502。天線耦合器502能夠?qū)?qiáng)弱電信號進(jìn)行隔離，從而避免強(qiáng)信號對弱信號電路的干擾和沖擊。此外，電線耦合器502還能夠?qū)崿F(xiàn)阻抗的匹配。具體地，本實施例中，天線耦合器502采用耦合變壓器來實現(xiàn)。當(dāng)然，在本發(fā)明的其他實施例中，天線耦合器還可以采用其他合理的電路形式或元器件(例如繼電器)來實現(xiàn)，本發(fā)明不限于此。

本實施例中，井下信號收發(fā)裝置501默認(rèn)地處于信號發(fā)送狀態(tài)，即該裝置持續(xù)地向地面信號發(fā)送裝置發(fā)送電磁信號。如圖4所示，與井下信號收發(fā)裝置501中的第二數(shù)據(jù)處理模塊505連接的傳感器506會將采集到的井下的相關(guān)數(shù)據(jù)(例如井下工程信息和地質(zhì)信息等)經(jīng)由第二數(shù)據(jù)處理模塊505進(jìn)行處理后傳輸給第二信號發(fā)送電路504，并由第二信號發(fā)送電路504進(jìn)行進(jìn)一步處理后發(fā)送給井下天線模塊，以由井下天線模塊將電信號轉(zhuǎn)換為電磁信號發(fā)送給地面信號收發(fā)裝置。

具體地，如圖4所示，本實施例中，第二數(shù)據(jù)處理模塊505包括傳感器數(shù)據(jù)接收單元601、第二數(shù)據(jù)編碼單元602和第二信號調(diào)制單元603。傳感器數(shù)據(jù)接收單元601將來自傳感器506的數(shù)據(jù)傳輸給第二數(shù)據(jù)編碼單元602。與地面信號收發(fā)裝置相對應(yīng)地，本實施例中，第二數(shù)據(jù)編碼單元602采用卷積編碼的方式來對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并將編碼后的數(shù)據(jù)傳輸給第二信號調(diào)制單元603。同樣，與地面信號收發(fā)裝置相對應(yīng)地，本實施例中，第二信號調(diào)制單元603采用2DPSK的方式來進(jìn)行信號調(diào)制。第二信號調(diào)制模單元603將調(diào)制后的信號傳輸給第二信號發(fā)送電路504。

第二信號發(fā)送電路504包括第二光電隔離電路604和第二功率放大電路605。由于第二功率放大電路605能夠?qū)⑷跣盘栟D(zhuǎn)換為強(qiáng)信號，因此為了避免強(qiáng)信號對弱信號電路產(chǎn)生的感應(yīng)干擾，第二光電隔離電路604連接在了第二功率放大電路605與第二數(shù)據(jù)處理模塊505之間。

第二功率放大電路605與井下天線模塊連接，其能夠?qū)⒎糯蟮玫降碾娦盘杺鬏斀o井下天線模塊，以由井下天線模塊根據(jù)電信號轉(zhuǎn)換得到第三電磁信號和第四電磁信號，并將這兩個電磁信號分別通過上接口和下接口發(fā)送給地面信號收發(fā)裝置。

至此，井下信號收發(fā)裝置便實現(xiàn)了井下數(shù)據(jù)的上傳。

當(dāng)?shù)孛嫘盘柺瞻l(fā)裝置向井下發(fā)送工作指令或相關(guān)信息時，井下信號收發(fā)裝置 將暫停數(shù)據(jù)的發(fā)送過程并轉(zhuǎn)為信號接收狀態(tài)，待完成數(shù)據(jù)接收后，再恢復(fù)為信號發(fā)送狀態(tài)。

如圖4所示，本實施例中，井下信號收發(fā)裝置501在接收地面信號收發(fā)裝置發(fā)送來的信號時，首先通過井下天線模塊(即上接口107和下接口109)將地面信號收發(fā)裝置傳輸來的電磁信號轉(zhuǎn)換為電信號。

由于地面信號收發(fā)裝置發(fā)送的電磁信號需要經(jīng)過長距離的地層衰減，因此井下信號收發(fā)裝置501接收到的信號強(qiáng)度會非常微弱。而井下信號收發(fā)裝置501在向地面發(fā)送信號時所產(chǎn)生的信號強(qiáng)度較強(qiáng)。因此，為了避免信號對弱信號電路的干擾，本實施例中，天線耦合器502設(shè)置在了井下天線模塊與第二信號接收電路503之間。天線耦合器502能夠?qū)?qiáng)、弱信號進(jìn)行隔離，從而避免強(qiáng)信號對弱信號電路的干擾和沖擊。

本實施例中，第二信號收發(fā)電路503包括第二信號耦合前置放大電路606、第二信號放大電路607、第二模擬濾波電路608和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換電路609。其中，第二信號耦合前置放大電路606連接在天線耦合器與第二信號放大電路607之間，這樣可以避免強(qiáng)信號對弱信號電路產(chǎn)生的感應(yīng)干擾。由于第二信號耦合前置放大電路606傳輸來的電信號十分微弱，因此為了方便后續(xù)的分析處理，就需要由第二信號放大電路607對其進(jìn)行放大。此外，為了方便第二數(shù)據(jù)處理模塊505對信號進(jìn)行分析處理，本實施例中，第二信號放大電路607產(chǎn)生的電信號會通過第二模擬濾波電路608進(jìn)行濾波后傳輸給第二模數(shù)轉(zhuǎn)換電路609，并由第二模數(shù)轉(zhuǎn)換電路609轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳輸給第二數(shù)據(jù)處理模塊505。

當(dāng)然，在本發(fā)明的其他實施例中，第二模數(shù)轉(zhuǎn)換電路609還可以集成在第二數(shù)據(jù)處理模塊505中，本發(fā)明不限于此。同時，第二信號耦合前置放大電路606和第三模擬模擬濾波電路608也可以根據(jù)實際需要進(jìn)行選配，本發(fā)明同樣不限于此。

本實施例中，第二數(shù)據(jù)處理模塊505還包括第二信號解調(diào)單元610、第二數(shù)據(jù)解碼單元611和控制分析單元612，這些組成單元的連接關(guān)系以及工作原理與地面信號收發(fā)裝置中的第一信號解調(diào)單元、第一數(shù)據(jù)解碼電源和控制單元相同，在此不再贅述。當(dāng)然，在需要的情況下，在第二信號解調(diào)單元610與第二模數(shù)轉(zhuǎn)換電路609之間還可以配置第二數(shù)字濾波電路，本發(fā)明不限于此。

控制分析單元612能夠根據(jù)得到的地面發(fā)送來的信息(例如工作控制指令 等)來對井下工具507的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)在不需要停止鉆井工作的情況下對井下工作的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

至此，井下信號信號收發(fā)裝置便完成了對來自地面的電磁信號的接收。

此外，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，本實施例中，在進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸時還進(jìn)行幀同步校驗和CRC校驗。所采用的幀結(jié)構(gòu)為：幀同步校驗位(12位)+數(shù)據(jù)1/指令1(8位)+數(shù)據(jù)2/指令2+數(shù)據(jù)3/指令3+……+收發(fā)狀態(tài)位(1位)+CRC校驗(3位)+幀結(jié)束位(1位)。收發(fā)狀態(tài)位是標(biāo)準(zhǔn)此時的傳輸方向，井下向地面上行傳輸時，該位為0，地面向井下下行傳輸時，該位為1。

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(shù)列。在地面信號收發(fā)裝置的接收模塊和井下信號收發(fā)裝置的接收模塊中都已預(yù)設(shè)了相同數(shù)列組成的比對模板。當(dāng)接收到傳輸來的電磁信號時，將數(shù)據(jù)幀的前12位和預(yù)設(shè)的比對模板進(jìn)行比較。如果吻合程度超過預(yù)設(shè)的閾值，那就認(rèn)為通過了幀同步校驗。通過幀同步校驗后，將繼續(xù)比對CRC校驗位，兩個校驗同時通過，才證明數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候沒有出現(xiàn)誤碼或漏碼，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)或指令是準(zhǔn)確可靠的。

如果幀同步校驗位過多，那么就會造成數(shù)據(jù)處理量過大，超過CPU芯片處理能力；如果幀同步校驗位過少，那么就會造成校驗不準(zhǔn)，有時即使存在誤碼也能通過校驗。本實施例中，通過多次反復(fù)試驗，最終確定12位的同步校驗?zāi)０迨呛线m的。

當(dāng)然，在本發(fā)明的其他實施例中，幀同步校驗位的個數(shù)還可以采用其他合理值，例如10～15范圍內(nèi)的其他值等，本發(fā)明不限于此。此外，需要說明的是，在本發(fā)明的其他實施例中，根據(jù)實際需要，幀的結(jié)構(gòu)還可以采用其他合理形式，本發(fā)明同樣不限于此。

為了盡可能增加信號的傳輸深度并減小電磁信號在地層中的衰減，本實施例中，根據(jù)趨膚效應(yīng)和電磁信號的特性，采用極低頻來作為雙向傳輸?shù)妮d波頻率。其中，載波頻率可以在3～200Hz之間選擇。需要指出的是，為了避免上行信號與下行信號產(chǎn)生混淆，本實施例中，上行信號的載波頻率與下行信號的載波頻率不同。當(dāng)然，在本發(fā)明的其他實施例中，上行信號和下行信號的載波頻率還可以在其他合理范圍內(nèi)進(jìn)行選取，本發(fā)明不限于此。

由于地面信號收發(fā)裝置設(shè)置在井場的地面出，因此地面信號收發(fā)裝置也就可以采用220V等電源進(jìn)行供電，其也就不存在工號和供電的問題。因此，地面信 號收發(fā)裝置可以選擇較大的發(fā)送功率(例如40V*5A共200W)，以便下行信號強(qiáng)度盡可能大，從而增大下行信號的傳輸距離。

井下信號收發(fā)裝置是由電池(例如鋰電池)進(jìn)行供電，而更換電池需要停轉(zhuǎn)并將裝置從井下取出，這樣會浪費(fèi)大量時間。因此，井下信號收發(fā)裝置發(fā)射上行信號時需要考慮發(fā)射功率的問題，以確保發(fā)射出的信號強(qiáng)度足夠大來使得地面信號收發(fā)裝置能夠接收得到。但是，井下信號收發(fā)裝置發(fā)射上行信號時需要考慮發(fā)射功率又不能過大，這樣會導(dǎo)致裝置的功耗過大，從而使得裝置的電池壽命縮短。本實施例中，經(jīng)過反復(fù)試驗，將井下發(fā)射功率選擇在20W左右。

需要說明的是，地面信號收發(fā)裝置和/或井下信號收發(fā)裝置的發(fā)射功率還可以根據(jù)實際的井場和鉆井情況進(jìn)行確定，本發(fā)明不限于此。

從上述描述中可以看出，本實施例所提供的數(shù)據(jù)傳輸方法能夠?qū)崿F(xiàn)地面設(shè)備與井下設(shè)備之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸，可以使得地面設(shè)備在鉆井作業(yè)過程中實時接收井下測量到的工程、地質(zhì)信息，并實時顯示給現(xiàn)場技術(shù)人員。該方法還可以根據(jù)技術(shù)人員的需要，隨時從地面向井下儀器發(fā)送電磁指令。

本發(fā)明所提供的的雙向傳輸方法采用電磁無線傳輸?shù)姆绞?，與常規(guī)脈沖傳輸方式相比，無須開停泵，不耽誤鉆進(jìn)時間，不容易產(chǎn)生誤操作。此外，本發(fā)明所提供的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)更靈活、更復(fù)雜，能發(fā)出的控制命令更多樣，能夠在鉆進(jìn)過程中實時優(yōu)化井眼軌跡和井下儀器工況，對井眼軌跡控制精度和鉆井安全有重大的積極意義。

應(yīng)該理解的是，本發(fā)明所公開的實施例不限于這里所公開的特定結(jié)構(gòu)、處理步驟或材料，而應(yīng)當(dāng)延伸到相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所理解的這些特征的等同替代。還應(yīng)當(dāng)理解的是，在此使用的術(shù)語僅用于描述特定實施例的目的，而并不意味著限制。

說明書中提到的“一個實施例”或“實施例”意指結(jié)合實施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，說明書通篇各個地方出現(xiàn)的短語“一個實施例”或“實施例”并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(jié)構(gòu)單元、組成單元和/或材料可出現(xiàn)在共同列表中。然而，這些列表應(yīng)解釋為該列表中的每個元素分別識別為單獨(dú)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于它們出現(xiàn)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(fā)明的各種實施例和示例。應(yīng)當(dāng)理解的是，這些實施例、示例和替代并不解釋為彼此的等同物，而被認(rèn)為是本發(fā)明的單獨(dú)自主的代表。

此外，所描述的特征、結(jié)構(gòu)或特性可以任何其他合適的方式結(jié)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(xì)節(jié)，例如長度、寬度、形狀等，以提供對本發(fā)明的實施例的全面理解。然而，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，本發(fā)明無需上述一個或多個具體的細(xì)節(jié)便可實現(xiàn)，或者也可采用其它方法、組件、材料等實現(xiàn)。在其它示例中，周知的結(jié)構(gòu)、材料或操作并未詳細(xì)示出或描述以免模糊本發(fā)明的各個方面。

雖然上述示例用于說明本發(fā)明在一個或多個應(yīng)用中的原理，但對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不背離本發(fā)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(xì)節(jié)上作各種修改而不用付出創(chuàng)造性勞動。因此，本發(fā)明由所附的權(quán)利要求書來限定。