本發(fā)明涉及隨鉆測(cè)井技術(shù)，尤其涉及一種井下信號(hào)調(diào)制方法和裝置。

背景技術(shù)：

泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)是隨鉆測(cè)量(Measure While Drilling，簡(jiǎn)稱MWD)和隨鉆測(cè)井(Logging While Drilling，簡(jiǎn)稱LWD)設(shè)備中的重要組成部分，是井下信息實(shí)時(shí)地傳輸?shù)降孛娴耐緩剑擅}沖發(fā)生器，傳輸管道，地面采集解調(diào)系統(tǒng)組成。其中脈沖發(fā)生器為脈沖發(fā)生裝置，作為一個(gè)獨(dú)立的短節(jié)串聯(lián)于隨鉆測(cè)井儀器串中，傳輸管道即為鉆柱內(nèi)的泥漿通道，地面采集解調(diào)系統(tǒng)通過(guò)壓力傳感器采集泥漿壓力信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，最終得到各測(cè)井參數(shù)。隨著地層評(píng)價(jià)技術(shù)的不斷發(fā)展，井下數(shù)據(jù)量在逐漸增大，MWD系統(tǒng)的傳輸速率逐漸成為制約井下數(shù)據(jù)上傳的瓶頸，高速率隨鉆數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)成為一種必然需求。

本文所述剪切閥脈沖器核心部件為定轉(zhuǎn)子，閥片在井下通過(guò)剪切鉆柱內(nèi)的流體，利用流體的水錘效應(yīng)，使泥漿產(chǎn)生壓力脈動(dòng)。

流體在鉆柱內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)多為紊流狀態(tài)，鉆柱內(nèi)的泥漿壓力會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。轉(zhuǎn)子剪切流體時(shí)所受的水力轉(zhuǎn)矩有波動(dòng)，造成脈沖發(fā)生器對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和瞬時(shí)功率需求較大。從這一點(diǎn)來(lái)講，井下壓力波的要求的平順性要好，要能夠最大限度地降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率。

在鉆進(jìn)過(guò)程中，隨著地質(zhì)條件，鉆進(jìn)深度變化，相應(yīng)的泥漿泵排量，泥漿粘度等也要隨其變化。為了能夠產(chǎn)生出易于地表解調(diào)的壓力波形，既要保證足夠的壓力波幅值，又要使整個(gè)壓力波的一致性好，特征性明顯。

如何將測(cè)得的井下信號(hào)，通過(guò)合適的調(diào)制方式進(jìn)行傳輸，以降低信號(hào)畸變程度，在保證解調(diào)效果的前提下，最大限度降低信號(hào)基波頻率，提高數(shù)據(jù)傳輸速率；并且最大限度降低信道對(duì)泥漿壓力波衰減的影響，有效規(guī)避泵噪對(duì)信號(hào)的影響，降低消噪難度是本發(fā)明的研究重點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種井下信號(hào)調(diào)制方法和裝置，能夠降低信號(hào)畸變程度，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，并且最大限度降低信道對(duì)泥漿壓力波衰減的影響，有效規(guī)避泵噪對(duì)信號(hào)的影響，降低消噪難度。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出了一種井下信號(hào)調(diào)制方法，該方法包括：

在鉆進(jìn)過(guò)程中采集井下測(cè)量信號(hào)；

根據(jù)鉆井作業(yè)條件和要求選擇調(diào)制方式，并根據(jù)所選擇的調(diào)制方式對(duì)井下測(cè)量信號(hào)進(jìn)行調(diào)制；

其中，調(diào)制后的井下測(cè)量信號(hào)用于控制剪切閥式泥漿脈沖發(fā)生器。

可選地，鉆井作業(yè)條件包括：井況和泵噪；

鉆井作業(yè)要求包括：碼率要求；

調(diào)制方式包括：振幅鍵控調(diào)制方式、相移鍵控調(diào)制方式和頻移鍵控調(diào)制方式。

可選地，根據(jù)鉆井作業(yè)條件和要求選擇調(diào)制方式包括：

當(dāng)工況滿足預(yù)設(shè)的工況標(biāo)準(zhǔn)、泵噪滿足預(yù)設(shè)的易消除指數(shù)并且碼率要求大于或等于預(yù)設(shè)的第一碼率閾值時(shí)，選擇振幅鍵控調(diào)制方式；

當(dāng)工況不滿足預(yù)設(shè)的工況標(biāo)準(zhǔn)、泵噪不滿足預(yù)設(shè)的易消除指數(shù)并且碼率要求大于或等于預(yù)設(shè)的第二碼率閾值時(shí)，選擇頻移鍵控調(diào)制方式；其中，第二碼率閾值小于第一碼率閾值；

當(dāng)工況不滿足預(yù)設(shè)的工況標(biāo)準(zhǔn)、泵噪不滿足預(yù)設(shè)的易消除指數(shù)并且碼率要求小于第二碼率閾值時(shí)，選擇相移鍵控調(diào)制方式或頻移鍵控調(diào)制方式。

可選地，相移鍵控調(diào)制方式包括：零點(diǎn)調(diào)相、等待調(diào)相和多周期調(diào)相。

零點(diǎn)調(diào)相是指：均在載波波形的零點(diǎn)位置處改變相位；

等待調(diào)相是指：在每個(gè)載波波形周期內(nèi)預(yù)留出調(diào)相時(shí)間，每個(gè)載波波形周期包含信號(hào)部分和調(diào)相部分；

多周期調(diào)相是指：在信號(hào)部分采用多周期信號(hào)元調(diào)制；在調(diào)相部分采用與信號(hào)元同頻或半頻的波形進(jìn)行調(diào)制。

可選地，

零點(diǎn)調(diào)相的實(shí)現(xiàn)方式包括：將載波中單個(gè)整周期正弦波形更改為由相位相差180度的正弦波形相間拼合而成。

等待調(diào)相的實(shí)現(xiàn)方式包括：如果載波的前后波形的相位相同則保持當(dāng)前相位不變，如果載波的前后波形的相位不相同則在每個(gè)波形周期的調(diào)相部分進(jìn)行調(diào)相；

多周期調(diào)相的實(shí)現(xiàn)方式包括：如果載波的前后波形的相位相同則采用同頻信號(hào)調(diào)相，如果載波的前后波形的相位不相同則采用半頻信號(hào)調(diào)相。

可選地，頻移鍵控調(diào)制方式包括：二進(jìn)制半周期CPFSK調(diào)制方式、二進(jìn)制全周期CPFSK調(diào)制方式和四進(jìn)制CPFSK調(diào)制方式。

二進(jìn)制半周期CPFSK調(diào)制方式是指：分別采用半周期和全周期正弦波形作為調(diào)制信號(hào)；

二進(jìn)制全周期CPFSK調(diào)制方式是指：使用完整的正弦波形替代所述二進(jìn)制半周期CPFSK調(diào)制方式中的半周期正弦波；

四進(jìn)制CPFSK調(diào)制方式是指：采用四種不同頻率的正弦波分別調(diào)制00、01、10、11四個(gè)數(shù)據(jù)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提出了一種井下信號(hào)調(diào)制裝置，該井下信號(hào)調(diào)制裝置包括：信號(hào)采集模塊和信號(hào)調(diào)制模塊。

信號(hào)采集模塊，用于在鉆進(jìn)過(guò)程中采集井下測(cè)量信號(hào)；

信號(hào)調(diào)制模塊，用于根據(jù)鉆井作業(yè)條件和要求選擇調(diào)制方式，并根據(jù)所選擇的所述調(diào)制方式對(duì)井下測(cè)量信號(hào)進(jìn)行調(diào)制；

其中，調(diào)制后的井下測(cè)量信號(hào)用于控制剪切閥式泥漿脈沖發(fā)生器。

可選地，鉆井作業(yè)條件包括：井況和泵噪；

鉆井作業(yè)要求包括：碼率要求；

調(diào)制方式包括：振幅鍵控調(diào)制方式、相移鍵控調(diào)制方式和頻移鍵控調(diào)制方式。

可選地，信號(hào)調(diào)制模塊根據(jù)鉆井作業(yè)條件和要求選擇調(diào)制方式包括：

當(dāng)工況滿足預(yù)設(shè)的工況標(biāo)準(zhǔn)、泵噪滿足預(yù)設(shè)的易消除指數(shù)并且碼率要求大于或等于預(yù)設(shè)的第一碼率閾值時(shí)，選擇振幅鍵控調(diào)制方式；

當(dāng)工況不滿足預(yù)設(shè)的工況標(biāo)準(zhǔn)、泵噪不滿足預(yù)設(shè)的易消除指數(shù)并且碼率要求大于或等于預(yù)設(shè)的第二碼率閾值時(shí)，選擇頻移鍵控調(diào)制方式；其中，第二碼率閾值小于第一碼率閾值；

當(dāng)工況不滿足預(yù)設(shè)的工況標(biāo)準(zhǔn)、泵噪不滿足預(yù)設(shè)的易消除指數(shù)并且碼率要求小于第二碼率閾值時(shí)，選擇相移鍵控調(diào)制方式或頻移鍵控調(diào)制方式。

可選地，相移鍵控調(diào)制方式包括：零點(diǎn)調(diào)相、等待調(diào)相和多周期調(diào)相。

零點(diǎn)調(diào)相是指：均在載波波形的零點(diǎn)位置處改變相位。

等待調(diào)相是指：在每個(gè)載波波形周期內(nèi)預(yù)留出調(diào)相時(shí)間，每個(gè)載波波形周期包含信號(hào)部分和調(diào)相部分。

多周期調(diào)相是指：在信號(hào)部分采用多周期信號(hào)元調(diào)制；在調(diào)相部分采用與信號(hào)元同頻或半頻的波形進(jìn)行調(diào)制。

頻移鍵控調(diào)制方式包括：二進(jìn)制半周期CPFSK調(diào)制方式、二進(jìn)制全周期CPFSK調(diào)制方式和四進(jìn)制CPFSK調(diào)制方式。

二進(jìn)制半周期CPFSK調(diào)制方式是指：分別采用半周期和全周期正弦波形作為調(diào)制信號(hào)。

二進(jìn)制全周期CPFSK調(diào)制方式是指：使用完整的正弦波形替代二進(jìn)制半周期CPFSK調(diào)制方式中的半周期正弦波。

四進(jìn)制CPFSK調(diào)制方式是指：采用四種不同頻率的正弦波分別調(diào)制00、01、10、11四個(gè)數(shù)據(jù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明包括：在鉆進(jìn)過(guò)程中采集井下測(cè)量信號(hào)；根據(jù)鉆井作業(yè)條件和要求選擇調(diào)制方式，并根據(jù)所選擇的調(diào)制方式對(duì)井下測(cè)量信號(hào)進(jìn)行調(diào)制；其中，調(diào)制后的井下測(cè)量信號(hào)用于控制剪切閥式泥漿脈沖發(fā)生器。通過(guò)本發(fā)明的方案，可以根據(jù)鉆井作業(yè)條件和要求選擇調(diào)制方式，降低了信號(hào)畸變程度，在保證解調(diào)效果的前提下，最大限度降低了信號(hào)基波頻率，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率；并且最大限度降低了信道對(duì)泥漿壓力波衰減的影響，有效規(guī)避了泵噪對(duì)信號(hào)的影響，降低了消噪難度。

附圖說(shuō)明

下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的附圖進(jìn)行說(shuō)明，實(shí)施例中的附圖是用于對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，與說(shuō)明書(shū)一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的井下信號(hào)調(diào)制方法流程圖；

圖2為常規(guī)的剪切閥式泥漿脈沖發(fā)生器工作原理圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的零點(diǎn)調(diào)相PSK調(diào)制波形示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的零點(diǎn)零速調(diào)相PSK調(diào)制波形示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的井下信號(hào)調(diào)制裝置組成框圖。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，并不能用來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本申請(qǐng)所述問(wèn)題在于如何將井下測(cè)量信號(hào)，通過(guò)合適的調(diào)制方式傳輸，這樣的調(diào)制方式能使信號(hào)特征更明顯，提高信噪比，以利于地表的解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)；能夠降低信號(hào)畸變程度，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，并且最大限度降低信道對(duì)泥漿壓力波衰減的影響，有效規(guī)避泵噪對(duì)信號(hào)的影響，降低消噪難度。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出了一種井下信號(hào)調(diào)制方法，如圖1所示，該方法包括步驟S101-S102：

S101、在鉆進(jìn)過(guò)程中采集井下測(cè)量信號(hào)。

在本發(fā)明實(shí)施例中，圖2為剪切閥式泥漿脈沖發(fā)生器工作原理圖。如圖2所示，在鉆進(jìn)過(guò)程中，井下測(cè)量傳感器測(cè)得工程參數(shù)及地層參數(shù)，這些測(cè)得的參數(shù)為模擬信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)編碼器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。該數(shù)字信號(hào)即為本發(fā)明實(shí)施例所述的井下測(cè)量信號(hào)。數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)控制電路進(jìn)行調(diào)制(調(diào)制方法由本發(fā)明實(shí)施例的井下信號(hào)調(diào)制裝置發(fā)送給控制電路)，調(diào)制后生成驅(qū)動(dòng)電路的控制信號(hào)。將該控制信號(hào)傳遞給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)該控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)按著控制電路給定的控制信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)泥漿脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)或擺動(dòng)，泥漿脈沖發(fā)生器的定轉(zhuǎn)子剪切流經(jīng)的流體，產(chǎn)生脈沖信號(hào)，這些脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)鉆桿傳輸?shù)降孛媪⒐苌?，?shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)地面立管上壓力傳感器進(jìn)行壓力信號(hào)采集，通過(guò)解調(diào)系統(tǒng)對(duì)井下的壓力信號(hào)進(jìn)行解析，傳輸上來(lái)的泥漿脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為井下工程參數(shù)和地層參數(shù)。

S102、根據(jù)鉆井作業(yè)條件和要求選擇調(diào)制方式，并根據(jù)所選擇的調(diào)制方式對(duì)井下測(cè)量信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。

隨鉆測(cè)井系統(tǒng)為定向鉆井實(shí)時(shí)導(dǎo)向提供地層數(shù)據(jù)支持，為了給導(dǎo)向及地質(zhì)分析提供更豐富的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，需要高速率的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實(shí)時(shí)將井下測(cè)井儀器測(cè)得數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸至地面，而這種高速率數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)即為本發(fā)明實(shí)施例所述的高速率數(shù)據(jù)調(diào)制方式，下面基于鉆井現(xiàn)況對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的調(diào)制方式做詳細(xì)介紹。

在本發(fā)明實(shí)施例中，剪切閥式泥漿脈沖發(fā)生器核心部件為定轉(zhuǎn)子，閥片在井下通過(guò)剪切鉆柱內(nèi)的流體，利用流體的水錘效應(yīng)，使泥漿產(chǎn)生壓力脈動(dòng)。流體在鉆柱內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)多為紊流狀態(tài)，鉆柱內(nèi)的泥漿壓力會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。轉(zhuǎn)子剪切流體時(shí)所受的水力轉(zhuǎn)矩有波動(dòng)，造成剪切閥式泥漿脈沖發(fā)生器對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和瞬時(shí)功率需求較大。從這一點(diǎn)來(lái)講，井下壓力波的要求的平順性要好，要能夠最大限度地降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率。另外，在鉆進(jìn)過(guò)程中，隨著地質(zhì)條件，鉆進(jìn)深度變化，相應(yīng)的泥漿泵排量，泥漿粘度等也要隨其變化。為了能夠產(chǎn)生出易于地表解調(diào)的壓力波形，既要保證足夠的壓力波幅值，又要使整個(gè)壓力波的一致性好，特征性明顯?；谝陨戏治?，所采集的井下測(cè)量信號(hào)需要通過(guò)特殊的調(diào)制方式傳輸，這樣的調(diào)制方式能使信號(hào)特征更明顯，提高信噪比，以利于地表的解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)。并且能夠降低信號(hào)畸變程度，在保證解調(diào)效果的前提下，最大限度降低信號(hào)基波頻率，提高數(shù)據(jù)傳輸速率；最大限度降低信道對(duì)泥漿壓力波衰減的影響，有效規(guī)避泵噪對(duì)信號(hào)的影響，降低消噪難度。

在本發(fā)明實(shí)施例中，不同調(diào)制方式的頻譜特性不同，不同調(diào)制方式的抗噪能力不同，在不同的噪聲環(huán)境中，應(yīng)有針對(duì)性的選擇調(diào)制方式。為了穩(wěn)定控制轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)軌跡符合上述要求。就需要根據(jù)具體的鉆井作業(yè)條件和要求改變井下剪切閥式泥漿脈沖發(fā)生器的調(diào)制方式。

可選地，鉆井作業(yè)條件包括：井況和泵噪；鉆井作業(yè)要求包括：碼率要求。

在本發(fā)明實(shí)施例中，目前剪切閥式泥漿脈沖發(fā)生器受到的外部環(huán)境影響以及鉆井作業(yè)的一些基本要求包括：

1、剪切閥式泥漿脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)及泥漿信道具有頻率選擇特性，即對(duì)不同頻率信號(hào)的衰減程度不同，衰減大的頻率信號(hào)質(zhì)量差，解調(diào)難度大。為保證解調(diào)效果，應(yīng)盡量選擇衰減小的頻率作為基頻。

2、工程上對(duì)最低碼率有要求。本申請(qǐng)中的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)目的是將井下測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸至地面，供解釋人員及定向井工程師等分析井況并指導(dǎo)下一步鉆井使用。不同井所需上傳的參數(shù)不同，數(shù)據(jù)點(diǎn)密度不同，因此所需碼率也不相同?，F(xiàn)場(chǎng)會(huì)根據(jù)需求，給出最低碼率要求。

3、信號(hào)頻譜主峰值應(yīng)避開(kāi)主要噪聲頻率，如泵噪頻率，環(huán)境電噪聲等噪聲。這樣可以減少噪聲對(duì)信號(hào)的影響，提高解調(diào)準(zhǔn)確性。

可選地，調(diào)制方式包括：振幅鍵控調(diào)制方式、相移鍵控調(diào)制方式和頻移鍵控調(diào)制方式。

在本發(fā)明實(shí)施例中，從調(diào)制方法上看，主要有振幅鍵控調(diào)制方式(振幅鍵控Amplitude-Shift-Keying，簡(jiǎn)稱ASK)、相移鍵控調(diào)制方式(相移鍵控Phase-Shift-Keying，簡(jiǎn)稱PSK)和頻移鍵控調(diào)制方式(頻移鍵控Frequency-Shift Keying，簡(jiǎn)稱FSK)等，這幾種方法屬于數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)的基本調(diào)制方式。但是根據(jù)剪切閥式泥漿脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方式，并考慮上述的鉆井作業(yè)條件和要求進(jìn)行載波方式控制，需要進(jìn)一步更詳細(xì)地規(guī)劃每種調(diào)試方式。

可選地，根據(jù)鉆井作業(yè)條件和要求選擇調(diào)制方式包括下述三種情況：

情況一、當(dāng)工況滿足預(yù)設(shè)的工況標(biāo)準(zhǔn)、泵噪滿足預(yù)設(shè)的易消除指數(shù)并且碼率要求大于或等于預(yù)設(shè)的第一碼率閾值時(shí)，選擇振幅鍵控調(diào)制方式。

在本發(fā)明實(shí)施例中，如果在鉆井作業(yè)中，井況較好，泵噪均勻易消除(泵噪滿足預(yù)設(shè)的易消除指數(shù))，碼率(碼率是指數(shù)據(jù)傳輸時(shí)單位時(shí)間傳送的數(shù)據(jù)位數(shù))要求較高，則可以選擇OOK(二進(jìn)制啟閉鍵控On-Off Keying簡(jiǎn)稱OOK，OOK是ASK調(diào)制的一個(gè)特例，把一個(gè)幅度取為0，另一個(gè)幅度為非0，就是OOK)調(diào)制方式，在該碼率下具有相較于另外兩種調(diào)制方式(相移鍵控和頻移鍵控)更低的基頻，從而可以獲得更大的信號(hào)能量，并降低剪切閥式泥漿脈沖發(fā)生器的磨損。在本發(fā)明實(shí)施例中，可以預(yù)先設(shè)置工況標(biāo)準(zhǔn)，以檢驗(yàn)當(dāng)前工況是否良好，具體地，滿足預(yù)設(shè)的工況標(biāo)準(zhǔn)的工況說(shuō)明工況良好，不滿足預(yù)設(shè)的工況標(biāo)準(zhǔn)的工況說(shuō)明工況較差。另外，還可以預(yù)先設(shè)置碼率閾值，如上述的第一碼率閾值，當(dāng)碼率要求大于或等于預(yù)設(shè)的第一碼率閾值時(shí)，說(shuō)明碼率要求較高，當(dāng)碼率要求小于預(yù)設(shè)的第一碼率閾值時(shí)，說(shuō)明碼率要求較低。需要說(shuō)明的是，具體的工況標(biāo)準(zhǔn)和碼率閾值均可以根據(jù)不同的作業(yè)進(jìn)行不同的設(shè)置，在此不做具體限制。

情況二、當(dāng)工況不滿足預(yù)設(shè)的工況標(biāo)準(zhǔn)、泵噪不滿足預(yù)設(shè)的易消除指數(shù)并且碼率要求大于或等于預(yù)設(shè)的第二碼率閾值時(shí)，選擇頻移鍵控調(diào)制方式；其中，第二碼率閾值小于第一碼率閾值。

在本發(fā)明實(shí)施例中，如果在鉆井作業(yè)中，井況一般(工況不滿足預(yù)設(shè)的工況標(biāo)準(zhǔn))，泵噪較差，消噪難度大(泵噪不滿足預(yù)設(shè)的易消除指數(shù))，碼率要求中等或較高，可選擇FSK調(diào)制方式，該調(diào)制方式具有所占頻帶窄的特性，容易避開(kāi)泵噪及其它噪聲頻段，便于提取有效信號(hào)，相比于另外兩種調(diào)制方式(振幅鍵控調(diào)制方式和相移鍵控)，具有更優(yōu)的解調(diào)效果。

情況三、當(dāng)工況不滿足預(yù)設(shè)的工況標(biāo)準(zhǔn)、泵噪不滿足預(yù)設(shè)的易消除指數(shù)并且碼率要求小于第二碼率閾值時(shí)，選擇相移鍵控調(diào)制方式或頻移鍵控調(diào)制方式。

在本發(fā)明實(shí)施例中，如果在鉆井作業(yè)中，井況一般(工況不滿足預(yù)設(shè)的工況標(biāo)準(zhǔn))，泵噪較差消噪難度大(泵噪不滿足預(yù)設(shè)的易消除指數(shù))，碼率要求較低，可選擇PSK調(diào)制方式，該調(diào)制方式頻率變化少，波形重復(fù)度高，可極大降低因頻率切換產(chǎn)生的波形畸變對(duì)解調(diào)效果的影響。此種情況下亦可選擇FSK調(diào)制方式，但不宜選擇OOK調(diào)制方式。因OOK調(diào)制方式頻帶較廣，不宜采用頻率域消噪方法，且其抗噪性較差，當(dāng)井況一般，其他噪聲較為復(fù)雜時(shí)，極易引起解調(diào)出錯(cuò)。

下面對(duì)每種調(diào)制方式做詳細(xì)介紹。

方式一、振幅鍵控，調(diào)幅方式利用載波的幅度變化傳遞數(shù)字信息，在二進(jìn)制振幅鍵控調(diào)制方式中，載波的幅度只有兩種變化，分別對(duì)應(yīng)二進(jìn)制信息“0”和“1”。控制電路接收到數(shù)字信號(hào)后，將0調(diào)制成第一波形，將1調(diào)制成為第二波形，將調(diào)制后波形輸出給驅(qū)動(dòng)電路。

若將振幅鍵控表示為基帶信號(hào)控制載波信號(hào)變化的方式，即：e_2ASK(t)＝s(t)b(t)，其中b(t)為載波，載波可選擇正弦波、方波、三角波等。s(t)為基帶信號(hào)，可表示為：

其中：a_n是第n個(gè)信號(hào)的電平取值，可取a_n＝1,0表示不同的符號(hào)；亦可取a_n＝1,-1。Ts為碼元持續(xù)時(shí)間；g(t)為持續(xù)時(shí)間為T(mén)s的基帶脈沖波形；e_2ASK(t)表示二進(jìn)制幅移鍵控時(shí)域信號(hào)。

方式二、相移鍵控，調(diào)相方式可以采用不同相位的波形進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)制，根據(jù)本專利所述應(yīng)用環(huán)境，需設(shè)計(jì)調(diào)相方式以保證信號(hào)的相位連續(xù)性，確保電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)跳變，削弱電機(jī)抖動(dòng)，減小波形畸變。

其中e_2PSK(t)表示二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)，A為信號(hào)波形，表示為信號(hào)角頻率ω_c與第n個(gè)符號(hào)的絕對(duì)相位的函數(shù)。

可選地，相移鍵控調(diào)制方式包括：零點(diǎn)調(diào)相、等待調(diào)相和多周期調(diào)相。

1、零點(diǎn)調(diào)相是指：均在載波波形的零點(diǎn)位置處改變相位。

零點(diǎn)調(diào)相方式，總是在波形的零點(diǎn)位置處改變相位，設(shè)發(fā)送的數(shù)據(jù)序列為a_n(n＝1、2、3、...、n)，采用正弦信號(hào)作為調(diào)制波形，則零點(diǎn)調(diào)相PSK調(diào)制方式對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)可表示為：

其中，0≤t＜T,T為載波周期。

因此，發(fā)送數(shù)據(jù)“1”時(shí)波形相位為0°，發(fā)送數(shù)據(jù)“0”時(shí)波形相位為180°，調(diào)制波形如圖3所示。

可選地，零點(diǎn)調(diào)相的實(shí)現(xiàn)方式包括：將載波中單個(gè)整周期正弦波形更改為由相位相差180度的正弦波形相間拼合而成。

在本發(fā)明實(shí)施例中，由于標(biāo)準(zhǔn)的正弦波在零點(diǎn)位置具有最大速度，無(wú)法做到平滑的電機(jī)控制，因此在實(shí)際操作中考慮對(duì)調(diào)制波形進(jìn)行優(yōu)化，需要保證零點(diǎn)速度為零以保證電機(jī)控制質(zhì)量。具體地，可以將單個(gè)整周期正弦波形更改為由上下兩個(gè)正弦波形拼合而成，即將載波中單個(gè)整周期正弦波形更改為由相位相差180度的正弦波形相間拼合而成，使其在零點(diǎn)速度為零，如圖4所示。需要說(shuō)明的是，該方法僅是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，在其它實(shí)施例中，還可以采用其他方式，任何能夠使得零點(diǎn)速度為零的方法均在本發(fā)明實(shí)施例的保護(hù)范圍之內(nèi)。

2、等待調(diào)相是指：在每個(gè)載波波形周期內(nèi)預(yù)留出調(diào)相時(shí)間，每個(gè)載波波形周期包含信號(hào)部分和調(diào)相部分。

等待調(diào)相方式，加入了時(shí)間為n個(gè)基頻周期的調(diào)相周期，其中n可取正整數(shù)或分?jǐn)?shù)均可。

可選地，等待調(diào)相的實(shí)現(xiàn)方式包括：如果載波的前后波形的相位相同則保持當(dāng)前相位不變，如果載波的前后波形的相位不相同則在每個(gè)波形周期的調(diào)相部分進(jìn)行調(diào)相。

在本發(fā)明實(shí)施例中，具體的調(diào)相波形也不局限于正弦波方式，在其它實(shí)施例中還可以選擇其他波形，任何能夠滿足調(diào)相到位，保持相位連續(xù)性的波形均在本發(fā)明實(shí)施例的保護(hù)范圍之內(nèi)。

3、多周期調(diào)相是指：采用多周期信號(hào)元進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，單信號(hào)元周期時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行相位調(diào)制，即在信號(hào)部分采用多周期信號(hào)元調(diào)制；在調(diào)相部分采用與信號(hào)元同頻(或倍頻)或半頻(或半頻的奇數(shù)倍)的波形進(jìn)行調(diào)制?；蛘呃斫鉃?，將一位信號(hào)(如一個(gè)0或1)的長(zhǎng)度等分為n份，前n-m份用于信號(hào)調(diào)制，后m份用于調(diào)相，其中n和m均為正整數(shù)，n＞m。

需要說(shuō)明的是，該信號(hào)元是指一種預(yù)先規(guī)定的具有預(yù)設(shè)時(shí)間長(zhǎng)度的信號(hào)波形，如單位周期的信號(hào)波形；該信號(hào)波形可以為正弦波、三角波、方波等任意波形。

多周期調(diào)相方式(同波形調(diào)相方式)，與等待調(diào)相方式類似，每個(gè)符號(hào)周期包含信號(hào)部分與調(diào)相部分，其中信號(hào)部分可采用多周期信號(hào)元調(diào)制，設(shè)信號(hào)元頻率為ω_b；調(diào)相部分采用與信號(hào)元同頻(或倍頻)或半頻(或半頻的奇數(shù)倍)的波形，即nω_b或其中n為正整數(shù)。

可選地，多周期調(diào)相的實(shí)現(xiàn)方式包括：如果載波的前后波形的相位相同則采用同頻信號(hào)調(diào)相，如果載波的前后波形的相位不相同則采用半頻信號(hào)調(diào)相。

方式3：頻移鍵控，連續(xù)相位調(diào)頻方式可以使用不同頻率的基波信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，如高頻信號(hào)調(diào)制數(shù)據(jù)“1”，低頻調(diào)制數(shù)據(jù)“0”。

可選地，頻移鍵控調(diào)制方式包括：二進(jìn)制半周期CPFSK(Continuous-Phase–Frequency-Shift-Keying，連續(xù)相位頻移鍵控)調(diào)制方式、二進(jìn)制全周期CPFSK調(diào)制方式和四進(jìn)制CPFSK調(diào)制方式。

1、二進(jìn)制半周期CPFSK調(diào)制方式是指：分別采用半周期和全周期正弦波形作為調(diào)制信號(hào)；二進(jìn)制全周期CPFSK調(diào)制方式是指：使用完整的正弦波形替代所述二進(jìn)制半周期CPFSK調(diào)制方式中的半周期正弦波。

二進(jìn)制半周期CPFSK調(diào)制方式分別采用半周期和全周期正弦波形作為調(diào)制信號(hào)，即當(dāng)一個(gè)載波周期長(zhǎng)度為T(mén)時(shí)，基頻頻率分別為1/2T，1/T。

二進(jìn)制全周期CPFSK調(diào)制方式為使用完整的正弦波形替代二進(jìn)制半周期CPFSK調(diào)制方式中的半周期正弦波。即當(dāng)一個(gè)符號(hào)周期長(zhǎng)度T時(shí)，則兩個(gè)基頻分別為m/T，n/T；其中，m，n為整數(shù)。

采用半周期和全周期正弦波形作為調(diào)制信號(hào)是指：低頻信號(hào)周期長(zhǎng)，采用半周期表示一個(gè)符號(hào)(如表示“1”)，高頻信號(hào)周期短，采用一個(gè)整周期表示一個(gè)符號(hào)(如表示“0”)。

二進(jìn)制頻移鍵控調(diào)制方式可表示為如下式所示信號(hào)：

其中：A表示調(diào)制波形，可為正弦波、三角波等波形。該波形為頻率ω與起始相位的函數(shù)。兩種符號(hào)選擇不同頻率的信號(hào)，即ω不同。根據(jù)需要確定兩種符號(hào)的起始相位具體方法在四進(jìn)制CPFSK后敘述。

2、四進(jìn)制CPFSK調(diào)制方式是指：采用四種不同頻率的正弦波分別調(diào)制00、01、10、11四個(gè)數(shù)據(jù)。

四進(jìn)制CPFSK調(diào)制方式采用四種不同頻率的正弦波分別調(diào)制00，01，10，11四個(gè)組數(shù)據(jù)，表達(dá)式可表示如下：

可采用呈倍數(shù)關(guān)系的頻率作為基頻，如ω，2ω，4ω，8ωHz；也可采用等間隔頻率作為基頻，如ω，ω+n，ω+2n，ω+3n；或其他方式選取基頻，如ω₁，ω₂，ω₃，ω₄。無(wú)論采用何種基頻，均需考慮前后符號(hào)間的相位連續(xù)性，保持相位連續(xù)性，可以降低電機(jī)控制難度，降低波形畸變，利于解調(diào)。

關(guān)于相位連續(xù)性的解決，若每個(gè)符號(hào)的起始相位與結(jié)束相位均相同，且不同符號(hào)的起始相位也相同，則信號(hào)直接具有連續(xù)相位；若存在某個(gè)或某幾個(gè)符號(hào)起始相位與結(jié)束相位相反，可采用同頻率的互呈相反相位的兩種波形表示一個(gè)符號(hào)，調(diào)制信號(hào)時(shí)，選擇起始相位與前一符號(hào)位的結(jié)束相位相同的波形作為該符號(hào)位的調(diào)制波形。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例的調(diào)制方式具有以下優(yōu)勢(shì)：

1、信號(hào)的相位連續(xù)性保證了電機(jī)具有相對(duì)平穩(wěn)的瞬時(shí)電流，從而保證了其穩(wěn)定的功率，使得電機(jī)易于控制，進(jìn)而保證了信號(hào)發(fā)生質(zhì)量。

2、信號(hào)的波形連續(xù)性使得信號(hào)中的突變少，高頻分量少，泥漿傳輸信道具有低通濾波的特性，信號(hào)具有較好的波形連續(xù)性，在泥漿傳輸信道中才能最大限度地保留有效信號(hào)，降低信道衰減對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響。

3、部分調(diào)制方式采用了多周期信號(hào)調(diào)制，能夠極大地削弱前序信號(hào)的余波影響，便于解調(diào)。

4、本發(fā)明實(shí)施例的調(diào)制方式配合對(duì)應(yīng)的解調(diào)方法，可實(shí)現(xiàn)6bps以上高速率的實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸。

5、本發(fā)明實(shí)施例的調(diào)制方式利于信號(hào)處理，具有較窄的頻帶范圍，可以方便地根據(jù)需要避開(kāi)泵噪頻率譜線，便于消噪處理。

6、本發(fā)明實(shí)施例的調(diào)制方式可以參數(shù)化控制，包括頻率，波形，幅值等參數(shù)，利于根據(jù)實(shí)際情況，通過(guò)指令下傳系統(tǒng)，靈活切換調(diào)制方式，更高效地利用儀器的井下時(shí)間，及時(shí)根據(jù)解調(diào)效果調(diào)整調(diào)制方式。

在本發(fā)明實(shí)施例中，調(diào)制后的井下測(cè)量信號(hào)用于控制剪切閥式泥漿脈沖發(fā)生器。

基于上述的多種調(diào)制方式，在選擇出合適的調(diào)制方式以后，便可以根據(jù)選出的調(diào)制方式控制剪切閥泥漿脈沖器。

隨著井下掛接的地層評(píng)價(jià)參數(shù)儀器越來(lái)越多，對(duì)隨鉆測(cè)井中的數(shù)據(jù)傳輸率的要求也不斷提高，需要傳輸速率更高，更為可靠的信號(hào)遙傳系統(tǒng)。目前，利用泥漿脈沖傳輸?shù)姆椒ㄊ潜姸嗑滦畔鬏敺绞街休^為可靠，應(yīng)用最為廣泛的傳輸方式。

泥漿脈沖發(fā)生器脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)子往復(fù)擺動(dòng)剪切流體，這種往復(fù)擺動(dòng)剪切流體的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)速度較快，載波頻率高，基于此種原理的泥漿脈沖發(fā)生器屬于高速率泥漿脈沖發(fā)生器。具體地，高速率泥漿脈沖發(fā)生器的脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)子和定子組成，轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)形式有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)兩種，兩種運(yùn)動(dòng)形式中，轉(zhuǎn)子都是剪切流體產(chǎn)生壓力脈沖，這樣的泥漿脈沖發(fā)生器稱為剪切閥式泥漿脈沖發(fā)生器。由高速率泥漿脈沖發(fā)生器、地面數(shù)據(jù)采集及解調(diào)軟件組成完整的系統(tǒng)稱為高速率泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)。

綜上可知，剪切閥式泥漿脈沖發(fā)生器通過(guò)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)切割泥漿液面，使泥漿中產(chǎn)生連續(xù)壓力波，通過(guò)泥漿流道傳輸至地面。本發(fā)明實(shí)施例所述調(diào)制方式適用于該套剪切閥式泥漿脈沖發(fā)生器。

剪切閥式泥漿脈沖發(fā)生器通過(guò)電機(jī)控制，受泥漿沖蝕及電機(jī)功耗扭矩等限制，所發(fā)送壓力波頻率不能太高，同時(shí)需要波形盡量為連續(xù)相位銜接以降低信號(hào)畸變程度。本發(fā)明實(shí)施例所述調(diào)制方式能夠在保證解調(diào)效果，較高數(shù)據(jù)傳輸速率及適應(yīng)電機(jī)控制能力間達(dá)到最佳平衡。

泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)低通信道，對(duì)數(shù)據(jù)調(diào)制方式有較多限制，本發(fā)明實(shí)施例所述調(diào)制方式適用于該種低通信道，最大限度降低信道對(duì)泥漿壓力波衰減的影響。并且本發(fā)明實(shí)施例的調(diào)制方式中的連續(xù)相位的特性可最大限度降低信號(hào)在該信道中的畸變。

另外，剪切閥式泥漿脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)子通過(guò)電機(jī)控制，受泥漿介質(zhì)條件影響及電機(jī)能力限制，要求調(diào)制方式具有連續(xù)相位，擺動(dòng)速率不可過(guò)快。本調(diào)制方式可以在保證信號(hào)質(zhì)量及解調(diào)效果的前提下，最大限度降低信號(hào)基波頻率，提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

隨鉆數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用泥漿脈沖方式傳輸，傳統(tǒng)的有正脈沖，負(fù)脈沖等方式，對(duì)應(yīng)的調(diào)制方式有PI碼(Pulse Interval，脈沖時(shí)序編碼)和PA碼(Pulse Amplitude，脈沖幅度編碼)等調(diào)制方式，適用于針閥式脈沖器，可實(shí)現(xiàn)1bps穩(wěn)定傳輸，最高可達(dá)到3bps傳輸速率。剪切閥式泥漿脈沖發(fā)生器通過(guò)轉(zhuǎn)子擺動(dòng)，同樣可以產(chǎn)生正脈沖波形，因此，PI碼與PA碼也適用于本文所述剪切閥式泥漿脈沖發(fā)生器。因擺動(dòng)閥的靈活性，可以發(fā)生比針閥式脈沖器更高頻率的脈沖信號(hào)，經(jīng)驗(yàn)證，最高可實(shí)現(xiàn)6bps傳輸速率。因此綜合使用原始調(diào)制方式及本文所述高速率調(diào)制方式，可實(shí)現(xiàn)剪切閥式泥漿脈沖發(fā)生器高低碼率全范圍信號(hào)的調(diào)制。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提出了一種井下信號(hào)調(diào)制裝置1，如圖5所示，該井下信號(hào)調(diào)制裝置包括：信號(hào)采集模塊11和信號(hào)調(diào)制模塊12。

信號(hào)采集模塊11，用于在鉆進(jìn)過(guò)程中采集井下測(cè)量信號(hào)。

信號(hào)調(diào)制模塊12，用于根據(jù)鉆井作業(yè)條件和要求選擇調(diào)制方式，并根據(jù)所選擇的所述調(diào)制方式對(duì)井下測(cè)量信號(hào)進(jìn)行調(diào)制；其中，調(diào)制后的井下測(cè)量信號(hào)用于控制剪切閥式泥漿脈沖發(fā)生器。

可選地，鉆井作業(yè)條件包括：井況和泵噪；

鉆井作業(yè)要求包括：碼率要求；

調(diào)制方式包括：振幅鍵控調(diào)制方式、相移鍵控調(diào)制方式和頻移鍵控調(diào)制方式。

可選地，信號(hào)調(diào)制模塊12根據(jù)鉆井作業(yè)條件和要求選擇調(diào)制方式包括：

當(dāng)工況滿足預(yù)設(shè)的工況標(biāo)準(zhǔn)、泵噪滿足預(yù)設(shè)的易消除指數(shù)并且碼率要求大于或等于預(yù)設(shè)的第一碼率閾值時(shí)，選擇振幅鍵控調(diào)制方式；

當(dāng)工況不滿足預(yù)設(shè)的工況標(biāo)準(zhǔn)、泵噪不滿足預(yù)設(shè)的易消除指數(shù)并且碼率要求大于或等于預(yù)設(shè)的第二碼率閾值時(shí)，選擇頻移鍵控調(diào)制方式；其中，第二碼率閾值小于第一碼率閾值；

當(dāng)工況不滿足預(yù)設(shè)的工況標(biāo)準(zhǔn)、泵噪不滿足預(yù)設(shè)的易消除指數(shù)并且碼率要求小于第二碼率閾值時(shí)，選擇相移鍵控調(diào)制方式或頻移鍵控調(diào)制方式。

可選地，相移鍵控調(diào)制方式包括：零點(diǎn)調(diào)相、等待調(diào)相和多周期調(diào)相。

零點(diǎn)調(diào)相是指：均在載波波形的零點(diǎn)位置處改變相位。

等待調(diào)相是指：在每個(gè)載波波形周期內(nèi)預(yù)留出調(diào)相時(shí)間，每個(gè)載波波形周期包含信號(hào)部分和調(diào)相部分。

多周期調(diào)相是指：在信號(hào)部分采用多周期高頻信號(hào)調(diào)制，其中高頻是指高于碼率的基頻；在調(diào)相部分采用與信號(hào)同頻或半頻的波形進(jìn)行調(diào)制。

頻移鍵控調(diào)制方式包括：二進(jìn)制半周期CPFSK調(diào)制方式、二進(jìn)制全周期CPFSK調(diào)制方式和四進(jìn)制CPFSK調(diào)制方式。

二進(jìn)制半周期CPFSK調(diào)制方式是指：分別采用半周期和全周期正弦波形作為調(diào)制信號(hào)。

二進(jìn)制全周期CPFSK調(diào)制方式是指：使用完整的正弦波形替代二進(jìn)制半周期CPFSK調(diào)制方式中的半周期正弦波。

四進(jìn)制CPFSK調(diào)制方式是指：采用四種不同頻率的正弦波分別調(diào)制00、01、10、11四個(gè)數(shù)據(jù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明包括：在鉆進(jìn)過(guò)程中采集井下測(cè)量信號(hào)；根據(jù)鉆井作業(yè)條件和要求選擇調(diào)制方式，并根據(jù)所選擇的調(diào)制方式對(duì)井下測(cè)量信號(hào)進(jìn)行調(diào)制；其中，調(diào)制后的井下測(cè)量信號(hào)用于控制剪切閥式泥漿脈沖發(fā)生器。通過(guò)本發(fā)明的方案，可以根據(jù)鉆井作業(yè)條件和要求選擇調(diào)制方式，降低了信號(hào)畸變程度，在保證解調(diào)效果的前提下，最大限度降低了信號(hào)基波頻率，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率；并且最大限度降低了信道對(duì)泥漿壓力波衰減的影響，有效規(guī)避了泵噪對(duì)信號(hào)的影響，降低了消噪難度。

本實(shí)施例所述調(diào)制方式，充分考慮了鉆井工程參數(shù)對(duì)井下泥漿脈沖發(fā)生器的工作狀態(tài)的影響，以及泥漿信道、泵噪等對(duì)接收信號(hào)的干擾；同時(shí)具有可參數(shù)化控制的優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)井況需求，實(shí)時(shí)調(diào)整調(diào)制方式相關(guān)參數(shù)從而使得接收端信噪比盡量高，利于解調(diào)；或在信號(hào)可解調(diào)情況下，調(diào)整參數(shù)以盡量降低電機(jī)功耗，減弱泥漿對(duì)閥片的沖蝕等。

需要說(shuō)明的是，以上所述的實(shí)施例僅是為了便于本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解而已，并不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，在不脫離本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思的前提下，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明所做出的任何顯而易見(jiàn)的替換和改進(jìn)等均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。