專利名稱：一種氣體鉆井隨鉆地下信息無線傳輸方法
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量，尤其是氣體鉆定向井、水平井的隨鉆測量，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)是電磁波脈沖信號傳輸技術(shù)。這種技術(shù)是利用超低頻電磁波直接穿過地層到達(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技術(shù)和中繼技術(shù)，從而達(dá)到實際應(yīng)用的傳輸距離，對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，不能實時傳輸井下信息，也不能實現(xiàn)雙向通信。專利申請?zhí)枮?00810046435. 4、名稱為“氣體鉆井隨鉆地下數(shù)據(jù)無線傳輸方法” 介紹了一種將井下數(shù)據(jù)上傳到地面的無線傳輸方法，通過無線網(wǎng)橋和無線網(wǎng)絡(luò)中繼器來實現(xiàn)，該方法實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速傳輸，保證了實時性，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試數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線方法，通過應(yīng)用OFDM調(diào)制的特性——頻譜的正交復(fù)用，提高頻譜利用率，實現(xiàn)地下所得信息的高速大量傳輸，另外，無線網(wǎng)橋和無線網(wǎng)絡(luò)中繼器的使用，使得地下數(shù)據(jù)上傳時允許更小的發(fā)射功率，從而減輕對地下供電系統(tǒng)的要求。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)
氣體鉆井隨鉆地下數(shù)據(jù)OFDM無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經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
3.將數(shù)字信號通過OFDM無線網(wǎng)橋，成為OFDM數(shù)字信號；
4.將OFDM數(shù)字信號通過鉆具傳輸?shù)降孛?，由地面的OFDM無線網(wǎng)橋接收；
5.由地面的網(wǎng)橋?qū)⑿盘杺鬏斀o計算機(jī)，由計算機(jī)對信號進(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。壓力傳感器測試井底壓力，判斷井眼凈化情況；溫度傳感器測試鉆具環(huán)空氣體溫度，如果井下發(fā)生了燃爆，環(huán)空氣體溫度會急劇增高，以此判斷燃爆程度，并決策是否停氣滅火(需要實時性)；濕度傳感器測試地層出水情況；重力加速度傳感器測量井眼傾角、方位角和工具面角，實現(xiàn)定向井軌跡實時測量和控制。
所述OFDM無線網(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無線網(wǎng)橋的調(diào)制方式是在原始OFDM符號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高的弱點，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符號疊加時，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符號的功率。所述鉆具內(nèi)部設(shè)置有無線網(wǎng)絡(luò)中繼器，以在OFDM數(shù)字信號衰減到不能有效接收時，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個無線網(wǎng)絡(luò)中繼器。所述傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、OFDM無線網(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，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器、OFDM無線網(wǎng)橋和雙向天線將采集到的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號再轉(zhuǎn)換為OFDM信號，通過鉆具定向傳輸?shù)降孛娴慕邮昭b置，最后傳給計算機(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，首先，一方面解決了信號衰減快的問題，另一方面也提高了無線信道的頻譜利用率，抗干擾能力強(qiáng)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時大量傳輸；其次，在應(yīng)用OFDM 調(diào)制技術(shù)的時候，按一定方式產(chǎn)生的自相關(guān)性強(qiáng)的訓(xùn)練序列同時與OFDM符號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，可以實現(xiàn)氣體鉆井條件下隨鉆測試數(shù)據(jù)的實時傳輸；
2.可以實現(xiàn)54Mbit/S的雙向通信速率；
3.OFDM調(diào)制的弱點之一峰均比過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)的同步及信道估計問題，這為數(shù)據(jù)的正確傳輸提供了條件。通過這種方法，可實現(xiàn)井下設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)采集，另外，將OFDM信號通過鉆具進(jìn)行傳輸，進(jìn)一步解決了無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，在傳輸信號上疊加了一組訓(xùn)練序列；
圖3是訓(xùn)練序列與OFDM符號疊加示意圖；該圖表示訓(xùn)練序列與OFDM符號按照功率分配因子為#的比例進(jìn)行疊加，得到一個疊加信號；
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X，即圖3中的疊加信號與未作疊加的OFDM符號組合而成的混合序列，作為待發(fā)送信號，在完成串并變換后，分割成若干組，將每一組經(jīng)過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來傳輸。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1所示，氣體鉆井隨鉆地下數(shù)據(jù)OFDM無線傳輸改進(jìn)方法所采用的裝置包括傳感器101，A/D轉(zhuǎn)換器102，OFDM無線網(wǎng)橋103和107，雙向天線104和106，無線網(wǎng)絡(luò)中繼器 105，計算機(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，壓力傳感器測試井底壓力，判斷井眼凈化情況；溫度傳感器測試鉆具環(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；濕度傳感器測試地層出水情況；重力加速度傳感器測量井眼傾角、方位角和工具面角，實現(xiàn)定向井軌跡實時測量和控制；
2.A/D轉(zhuǎn)換器102用以將傳感器采集得到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，便于傳輸和其他處理；
3.OFDM無線網(wǎng)橋103，工作頻段是5. 8GHz，用以將A/D轉(zhuǎn)換器得來的數(shù)字信號調(diào)制成 OFDM信號，OFDM無線網(wǎng)橋107，工作頻段是5. 8GHz，用以將接收到的OFDM信號解調(diào)成普通的數(shù)字信號；
4.天線104，在井下數(shù)據(jù)上傳過程中，用以將OFDM無線網(wǎng)橋調(diào)制得到的OFDM信號沿鉆具發(fā)送到地面，天線106接收相應(yīng)信號并轉(zhuǎn)發(fā)，在地面控制指令的下傳過程中，104和106分別行使接收和發(fā)送的功用，無線網(wǎng)橋103和107要與天線104和106發(fā)送接收的信號相匹配；
5.無線網(wǎng)絡(luò)中繼器105，用以放大并承接傳輸過程中衰落的信號，整個信號傳輸過程中，每500米使用1個中繼器105及天線104 ；
6.計算機(jī)108，用以處理接收到的數(shù)字信號。如圖2所示，氣體鉆井隨鉆地下數(shù)據(jù)OFDM無線傳輸改進(jìn)方法所涉及到的OFDM調(diào)制解調(diào)過程，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)制過程，且頻率正交；
3.加循環(huán)前綴203，用以消除無線信道的多徑效應(yīng)帶來的符號間干擾(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無線傳輸方法中用以改進(jìn)OFDM調(diào)制解調(diào)過程的峰均比過高的方法示意圖。通過一定的步驟產(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符號按比例疊加又作為相位旋轉(zhuǎn)因子，這就通過同時運(yùn)用兩種峰均比減小的方法來實現(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符號按照一定的比例進(jìn)行疊加，得到一個疊加信號，此處的比例分配是由功率分配因子#來表現(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，所以得到的
疊加信號是由P部分的訓(xùn)練序列和部分的OFDM符號復(fù)合而成，一般而言，以疊加訓(xùn)練序列對系統(tǒng)性能的影響來確定#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)過串并變換和信號分割，分成了 V組并行傳輸?shù)男盘朖^JT21-Jir丨，每一組信號各自經(jīng)過IFFT，得到信號組、《:2,···,ι ,與訓(xùn)練序列加權(quán)后， 得到信號組~Α····Α ,最后從信號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無線網(wǎng)橋，雙向天線；將傳感器采集的信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；將數(shù)字信號通過OFDM無線網(wǎng)橋，成為OFDM數(shù)字信號；將OFDM數(shù)字信號通過鉆具傳輸?shù)降孛妫傻孛娴腛FDM無線網(wǎng)橋接收；由地面的網(wǎng)橋?qū)⑿盘杺鬏斀o計算機(jī)，由計算機(jī)對信號進(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線傳輸方法，其特征在于，所述 OFDM無線網(wǎng)橋工作方式有以下特征信號從發(fā)送端發(fā)出后，經(jīng)過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線傳輸方法，其特征在于，所述鉆具內(nèi)部設(shè)置有無線網(wǎng)絡(luò)中繼器，以在OFDM數(shù)字信號衰減到不能有效接收時，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線傳輸方法，其特征在于，所述鉆具內(nèi)每500米安裝1個無線網(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線傳輸方法，其特征在于，所述傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、OFDM無線網(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)明提出了一種實現(xiàn)氣體鉆井中井下信息與地面信息高速無線雙工通信的方法，該方法在井下通過傳感器采集信號，經(jīng)過正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)形成OFDM信號，通過OFDM無線網(wǎng)橋、無線網(wǎng)絡(luò)中繼器、雙向天線和鉆桿等基本結(jié)構(gòu)單元傳輸信號到地面，再經(jīng)過解調(diào)，獲得井下所采集的信號，并由此判斷井下壓力、溫度、地層出水、井眼傾角狀況等，通過分析這些數(shù)據(jù)，形成地面控制指令，并通過該傳輸系統(tǒng)將指令信號傳到井下，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、實時性強(qiáng)、雙向通信等優(yōu)點。
文檔編號G08C17/02GK102251770SQ20111016979
公開日2011年11月23日 申請日期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 申請人:西南石油大學(xué)