旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具中聲波短傳的信號處理方法研究
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旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向閉環(huán)鉆井技術(shù)是當(dāng)今國內(nèi)外開發(fā)的各種先進(jìn)鉆井技術(shù)與工藝中具突破性和戰(zhàn)略意義的技術(shù)，它將計(jì)算機(jī)控制技術(shù)揉合于鉆井工具，代表了當(dāng)今世界鉆井技術(shù)發(fā)展的最高水平。西安石油大學(xué)井下測控研究所研究的可控偏心器是智能導(dǎo)向鉆井工具，可實(shí)現(xiàn)井下閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能鉆井系統(tǒng)。
聲波短傳的提出
要實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向閉環(huán)鉆井就離不開地面和井下組合間的通訊，對于井下到地面的信號傳輸，石油界已有較為成熟且商業(yè)化的技術(shù)――隨鉆測量（MWD），該技術(shù)主要用來監(jiān)測井下工作情況，并將其傳輸至地面。但是近鉆頭數(shù)據(jù)的短距離傳輸目前還沒有成熟的技術(shù)。
1993年以來，西安石油大學(xué)井下測控研究所一直致力于井下閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能鉆井系統(tǒng)的研究與試驗(yàn)，其中就包括把靠近鉆頭位置傳感器采集的數(shù)據(jù)傳送給主軸，最初是在可控偏心器主軸和不旋轉(zhuǎn)套之間使用滑環(huán)來傳輸信號。但是用這種方法傳輸信號時出現(xiàn)一些問題，因此最好的解決辦法是研制出近鉆頭無線短傳裝置。
2007年，西安石油大學(xué)井下測控研究所致力于研究電磁遙測方法，根據(jù)可控偏心器這種特殊的結(jié)構(gòu)，建立一套無線電磁短傳系統(tǒng)。研究的結(jié)果是：當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈安裝在鉆鋌的內(nèi)部，泥漿完全導(dǎo)電，信號發(fā)射功率為0.3W時，接收端信噪比是-60dB。但是，這種方法受井筒周圍地層電導(dǎo)率的影響較大。因此，本設(shè)計(jì)決定用聲波實(shí)現(xiàn)從不旋轉(zhuǎn)套到主軸的信號傳輸。
可控偏心器中的聲波短傳
可控偏心器的機(jī)械結(jié)構(gòu)
主軸通過軸承的耦合穿過不旋轉(zhuǎn)套，在不旋轉(zhuǎn)套上有電子腔、控制偏心位移矢量的定位總成和翼肋。主軸的一端接鉆頭，另外一端接穩(wěn)定器。在穩(wěn)定器中還有與MWD連接的電源短節(jié)。近鉆頭的傳感器如鉆頭內(nèi)外壓力、鉆頭姿態(tài)等安裝在不旋轉(zhuǎn)套上的電子腔中，發(fā)射電路板、供電電池和發(fā)射換能器也安裝在不旋轉(zhuǎn)套內(nèi)的電子腔中，它們在電子腔內(nèi)并行放置著。接收端供電電池、接收電路板和接收換能器在穩(wěn)定器的電源短節(jié)中。
聲波短傳系統(tǒng)的組成
（1）發(fā)射裝置：發(fā)射電路對近鉆頭傳感器送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行FSK（頻移鍵控）調(diào)制，即在傳輸信號的最佳頻率點(diǎn)附近選2個頻率點(diǎn)作為調(diào)制二進(jìn)制數(shù)據(jù)，然后通過耦合電路將調(diào)制后的FSK信號送入功率放大器，信號通過功率放大后再送入發(fā)射換能器。發(fā)射換能器將該電流信號轉(zhuǎn)換成聲波信號。而此聲波信號在可控偏心器、鉆井液、地層構(gòu)成的回路中傳輸。
（2）接受裝置：位于傳輸信道另一端的接收換能器將傳輸過來的聲波信號轉(zhuǎn)換成電流信號，將捕獲到的信號反饋到小信號放大器，經(jīng)過放大、噪聲濾波、FSK解調(diào)以及信號檢波等一系列功能模塊的處理最終獲得傳輸?shù)組WD的數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)通過232口傳送到PC機(jī)上繪圖顯示。聲波短傳系統(tǒng)的原理框圖如1所示。
圖1 聲波傳輸系統(tǒng)原理框圖
發(fā)射端信號處理
調(diào)制方式及同步信號
考慮到聲波沿油管傳輸?shù)穆晫W(xué)特性和在可控偏心器傳輸時的頻響曲線，因此利用2FSK調(diào)制，選取信道中衰減最小的6.8kHz和7.3kHz作為發(fā)射頻率。此外，為了在同步時能夠進(jìn)一步分析中低頻段油管聲信道的頻率特性，選擇線性調(diào)頻信號LFM作為同步信號。
軟件設(shè)計(jì)
對C8051F060單片機(jī)、AD9833的I/O接口及交叉開關(guān)初始化。AD9833初始化流程圖如圖2所示。在進(jìn)行FSK調(diào)制時，AD9833的兩個頻率寄存器裝載不同的頻率值。在本設(shè)計(jì)中，頻率寄存器0裝載低頻率6830Hz，頻率寄存器1裝載高頻率7230Hz。主程序流程如圖3所示。
圖2 AD9833初始化流程圖
圖3 主程序流程
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