本發(fā)明涉及鉆井技術(shù)，尤指一種泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)是隨鉆測(cè)量(measurewhiledrilling:mwd)和隨鉆測(cè)井(loggingwhiledrilling: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)降孛娴闹匾侄巍ｋS著地層評(píng)價(jià)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是成像儀器的大量使用，井下數(shù)據(jù)量在逐漸增大，需要更高傳輸速率的脈沖發(fā)生器。目前，國(guó)內(nèi)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。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)和方法，能夠大大提高數(shù)據(jù)傳輸速率，并對(duì)檢測(cè)獲得的壓力數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)在線降噪。

為了達(dá)到本發(fā)明實(shí)施例目的，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：上位機(jī)、擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)控制裝置、電機(jī)、泥漿泵、立管以及多個(gè)傳感器，該多個(gè)傳感器包括多個(gè)壓力傳感器和至少一個(gè)泵沖傳感器；

泥漿泵，用于通過所述立管向擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器內(nèi)注入泥漿；

驅(qū)動(dòng)控制裝置，用于根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的信號(hào)調(diào)制方式對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并根據(jù)調(diào)制后的控制信號(hào)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，以驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器進(jìn)行擺動(dòng)；

擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器，用于在驅(qū)動(dòng)控制裝置的驅(qū)動(dòng)下以預(yù)設(shè)的頻率進(jìn)行擺動(dòng)，并將通過擺動(dòng)產(chǎn)生的泥漿脈沖傳輸?shù)骄希?/p>

多個(gè)壓力傳感器，分布于泥漿泵與立管之間的泥漿管線上；用于采集泥漿管線上的壓力數(shù)據(jù)，并對(duì)該壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪；

泵沖傳感器，設(shè)置于泥漿泵的行程開關(guān)處，用于指示泥漿泵活塞的運(yùn)作周期，以根據(jù)運(yùn)作周期確定壓力數(shù)據(jù)中泵噪的周期與時(shí)間起點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)時(shí)域消噪。

可選地，該系統(tǒng)還包括電機(jī)；電機(jī)包括：步進(jìn)電機(jī)、擺角電機(jī)或伺服電機(jī)；

當(dāng)電機(jī)為所述伺服電機(jī)時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制裝置對(duì)電機(jī)進(jìn)行三環(huán)控制；三環(huán)控制包括：對(duì)電機(jī)進(jìn)行包括電流反饋、速度反饋以及位置反饋的閉環(huán)控制。

可選地，預(yù)設(shè)頻率大于或等于40hz。

可選地，

上位機(jī)，用于根據(jù)壓力數(shù)據(jù)獲取鉆井作業(yè)參數(shù)，并根據(jù)鉆井作業(yè)參數(shù)和鉆井作業(yè)要求選擇信號(hào)調(diào)節(jié)方式，將所選擇的信號(hào)調(diào)制方式下發(fā)給驅(qū)動(dòng)控制裝置；

其中，鉆井作業(yè)參數(shù)包括工程參數(shù)和地層參數(shù)，其中工程參數(shù)包括泥漿泵運(yùn)行排量和壓力，伴生有泵噪?yún)?shù)；鉆井作業(yè)要求包括：鉆速、轉(zhuǎn)速以及碼率要求；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，上位機(jī)根據(jù)鉆井作業(yè)參數(shù)和鉆井作業(yè)要求選擇信號(hào)調(diào)節(jié)方式包括：

當(dāng)鉆井作業(yè)參數(shù)滿足預(yù)設(shè)的參數(shù)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)鉆井作業(yè)參數(shù)不滿足預(yù)設(shè)的參數(shù)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)鉆井作業(yè)參數(shù)不滿足預(yù)設(shè)的參數(shù)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。

為了達(dá)到本發(fā)明實(shí)施例目的，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種泥漿脈沖傳輸方法，該方法包括：

泥漿泵通過立管向擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器內(nèi)注入泥漿；

驅(qū)動(dòng)控制裝置根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的信號(hào)調(diào)制方式對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并根據(jù)調(diào)制后的控制信號(hào)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，以驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器進(jìn)行擺動(dòng)；

擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器在驅(qū)動(dòng)控制裝置的驅(qū)動(dòng)下以預(yù)設(shè)的頻率進(jìn)行擺動(dòng)，并將通過擺動(dòng)產(chǎn)生的泥漿脈沖傳輸?shù)骄希?/p>

多個(gè)壓力傳感器分布于泥漿泵與立管之間的泥漿管線上，采集泥漿管線上的壓力數(shù)據(jù)，并對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪；

泵沖傳感器設(shè)置于泥漿泵的行程開關(guān)處，指示泥漿泵活塞的運(yùn)作周期，以根據(jù)運(yùn)作周期確定壓力數(shù)據(jù)中泵噪的周期與時(shí)間起點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)時(shí)域消噪。

可選地，該電機(jī)包括：步進(jìn)電機(jī)、擺角電機(jī)或伺服電機(jī)；

方法還包括：當(dāng)電機(jī)為伺服電機(jī)時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制裝置對(duì)電機(jī)進(jìn)行三環(huán)控制；三環(huán)控制包括：對(duì)電機(jī)進(jìn)行包括電流反饋、速度反饋以及位置反饋的閉環(huán)控制。

可選地，預(yù)設(shè)頻率大于或等于40hz。

可選地，該方法還包括：

上位機(jī)根據(jù)壓力數(shù)據(jù)獲取鉆井作業(yè)參數(shù)，并根據(jù)鉆井作業(yè)參數(shù)和鉆井作業(yè)要求選擇信號(hào)調(diào)節(jié)方式，將所選擇的信號(hào)調(diào)制方式下發(fā)給驅(qū)動(dòng)控制裝置；

其中，鉆井作業(yè)參數(shù)包括工程參數(shù)和地層參數(shù)，其中工程參數(shù)包括泥漿泵運(yùn)行排量和壓力，伴生有泵噪?yún)?shù)；鉆井作業(yè)要求包括：鉆速、轉(zhuǎn)速以及碼率要求；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，上位機(jī)根據(jù)鉆井作業(yè)參數(shù)和鉆井作業(yè)要求選擇信號(hào)調(diào)節(jié)方式包括：

當(dāng)鉆井作業(yè)參數(shù)滿足預(yù)設(shè)的參數(shù)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)鉆井作業(yè)參數(shù)不滿足預(yù)設(shè)的參數(shù)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)鉆井作業(yè)參數(shù)不滿足預(yù)設(shè)的參數(shù)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。

與當(dāng)前技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例包括泥漿泵通過立管向擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器內(nèi)注入泥漿；驅(qū)動(dòng)控制裝置根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的信號(hào)調(diào)制方式對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并根據(jù)調(diào)制后的控制信號(hào)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，以驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器進(jìn)行擺動(dòng)；擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器在驅(qū)動(dòng)控制裝置的驅(qū)動(dòng)下以預(yù)設(shè)的頻率進(jìn)行擺動(dòng)，并將通過擺動(dòng)產(chǎn)生的泥漿脈沖傳輸?shù)骄?；多個(gè)壓力傳感器分布于泥漿泵與立管之間的泥漿管線上，采集泥漿管線上的壓力數(shù)據(jù)，并對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪；泵沖傳感器設(shè)置于泥漿泵的行程開關(guān)處，指示泥漿泵活塞的運(yùn)作周期，以根據(jù)運(yùn)作周期確定壓力數(shù)據(jù)中泵噪的周期與時(shí)間起點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)時(shí)域消噪。通過本發(fā)明實(shí)施例方案，驅(qū)動(dòng)控制裝置驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器以擺動(dòng)方式剪切泥漿，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，并設(shè)置了多個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)檢測(cè)獲得的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行在線降噪。

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

附圖說(shuō)明

附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)方案的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書的一部分，與本申請(qǐng)的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明的技術(shù)方案，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)方案的限制。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的定子和閥片外形及相對(duì)位置關(guān)系示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)控制裝置原理實(shí)現(xiàn)框圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)控制裝置控制流程圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)控制裝置迭代學(xué)習(xí)控制流程圖；

圖6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7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8為本發(fā)明實(shí)施例的定轉(zhuǎn)子附近結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例的泥漿脈沖發(fā)生器短節(jié)流道轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為本發(fā)明實(shí)施例的壓力傳感器分布示意圖；

圖11為本發(fā)明實(shí)施例的泵噪傳感器分布示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下文中將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互任意組合。

在附圖的流程圖示出的步驟可以在諸如一組計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中執(zhí)行。并且，雖然在流程圖中示出了邏輯順序，但是在某些情況下，可以以不同于此處的順序執(zhí)行所示出或描述的步驟。

為了達(dá)到本發(fā)明實(shí)施例目的，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)包括：井架1、大鉤2、立管3、轉(zhuǎn)盤4、環(huán)空5、濾網(wǎng)6、鉆柱內(nèi)下流泥漿7、壓力波信號(hào)8、渦發(fā)短節(jié)9、閥片10、鉆頭11、脈沖器短節(jié)(擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器)12、環(huán)空內(nèi)返回泥漿流13、返回泥漿池泥漿流14、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)17、泥漿泵19、泥漿池20以及多個(gè)傳感器，該多個(gè)傳感器包括多個(gè)壓力傳感器(如圖1中15、16)和至少一個(gè)泵沖傳感器18；還包括未示出的：上位機(jī)、驅(qū)動(dòng)控制裝置、電機(jī)等。

在本發(fā)明實(shí)施例中，泥漿泵19通過立管3向擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器12內(nèi)注入泥漿；驅(qū)動(dòng)控制裝置根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的信號(hào)調(diào)制方式對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并根據(jù)調(diào)制后的控制信號(hào)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，以驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器12進(jìn)行擺動(dòng)；擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器12在驅(qū)動(dòng)控制裝置的驅(qū)動(dòng)下以預(yù)設(shè)的頻率進(jìn)行擺動(dòng)，并將通過擺動(dòng)產(chǎn)生的泥漿脈沖傳輸?shù)骄稀？蛇x地，該預(yù)設(shè)頻率大于或等于40hz。

在本發(fā)明實(shí)施例中，所述擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器12，其定子和閥片外形及相對(duì)位置關(guān)系示意圖如圖2所示，其中，21-定子本體；22-定子端套；23-閥片。閥片23相對(duì)定子在一定角度范圍內(nèi)擺動(dòng)，既可以以較低頻率擺動(dòng)，如哈里伯頓mk系列正作用泥漿脈沖器原理，實(shí)現(xiàn)較低頻率的單脈沖波形；也可以以較高頻率擺動(dòng)，如斯倫貝謝連續(xù)波泥漿脈沖器原理，發(fā)出連續(xù)波。但實(shí)際使用過程中，更多的需要是高速率的連續(xù)波傳輸方式。

在本發(fā)明實(shí)施例中，為了提高擺動(dòng)閥原理的泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)的傳輸速率，就要盡最大努力提高脈沖器本體的載波頻率，本系統(tǒng)使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的方式實(shí)現(xiàn)脈沖器的擺動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)超過40hz的擺動(dòng)頻率，并且較高的載波頻率為更多的調(diào)試方式實(shí)現(xiàn)提供保證。

可選地，該電機(jī)可以包括：步進(jìn)電機(jī)、擺角電機(jī)或伺服電機(jī)。

當(dāng)電機(jī)為所述伺服電機(jī)時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制裝置對(duì)電機(jī)進(jìn)行三環(huán)控制；三環(huán)控制包括：對(duì)電機(jī)進(jìn)行包括電流反饋、速度反饋以及位置反饋的閉環(huán)控制。

在本發(fā)明實(shí)施例中，電動(dòng)機(jī)可以是步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、擺角電機(jī)、力矩電機(jī)等各種電機(jī)，可以通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)角來(lái)實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器12的閥片擺動(dòng)角度的精準(zhǔn)控制，位置檢查可以通過編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、霍爾元件、紅外線傳感器等各種元器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在本發(fā)明實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)控制裝置既要實(shí)現(xiàn)電機(jī)位置信號(hào)檢測(cè)，完成電機(jī)矢量控制算法的實(shí)現(xiàn)，又要完成與上位機(jī)之間的sci通訊功能，完成電機(jī)控制指令和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的反饋。驅(qū)動(dòng)控制裝置為典型的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)的小功率跟蹤系統(tǒng)，利用智能運(yùn)動(dòng)控制、高頻響電機(jī)驅(qū)動(dòng)、高溫高可靠功率驅(qū)動(dòng)等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)位置波形編碼輸出。驅(qū)動(dòng)控制裝置原理實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。驅(qū)動(dòng)控制裝置的控制軟件可以采用c語(yǔ)言編制，模塊化設(shè)計(jì)，軟件模塊可以包括伺服驅(qū)動(dòng)模塊、角度測(cè)量模塊、速度測(cè)量模塊、a/d采集模塊、伺服控制模塊、速度控制模塊、電流控制模塊、通信模塊、自檢模塊等。驅(qū)動(dòng)控制裝置控制流程圖和迭代學(xué)習(xí)控制流程圖見圖4和圖5所示。

在本發(fā)明實(shí)施例中，對(duì)于電機(jī)控制來(lái)講，最關(guān)鍵的是一套合適的電機(jī)控制參數(shù)，能較大范圍的適應(yīng)井深、井況、泥漿等參數(shù)的變化。也可以利用較為先進(jìn)的自適應(yīng)控制技術(shù)以及系統(tǒng)自學(xué)習(xí)技術(shù)。評(píng)價(jià)泥漿脈沖發(fā)生器井下驅(qū)動(dòng)、控制效果，有電機(jī)位置跟蹤精度、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩等，其中電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)，以及對(duì)閥片軸添加的扭簧扭轉(zhuǎn)裝置有關(guān)系，評(píng)價(jià)電機(jī)位置跟蹤精度，需要設(shè)計(jì)專門的統(tǒng)計(jì)分析策略。脈沖器工作時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與水力轉(zhuǎn)矩、電機(jī)慣性矩等平衡，通過轉(zhuǎn)矩可以計(jì)算電機(jī)輸出功率，進(jìn)而計(jì)算電機(jī)的輸入功率，評(píng)價(jià)脈沖器系統(tǒng)的電力消耗情況。

在本發(fā)明實(shí)施例中，評(píng)價(jià)電機(jī)位置跟蹤精度可以采用下述策略：伺服控制使用旋轉(zhuǎn)變壓器等進(jìn)行位置反饋，可采用理想波形，該理想波形可以是矩形波、梯形波、正弦波等，比對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器和理想波形的位置誤差、周期誤差等。當(dāng)理想波形和實(shí)際波形的誤差在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，即認(rèn)為滿足要求。

在本發(fā)明實(shí)施例中，還需要建立合適的波形評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以評(píng)價(jià)電機(jī)位置波形跟蹤精度，電機(jī)位置波形分析方法包括周期一致性，閥片運(yùn)動(dòng)軌跡各個(gè)位置的跟蹤精度。具體的波形評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可以包括：

1、關(guān)于方波ook的幅值容限

幅值容限在仿真過程中考慮的角度區(qū)間為0-60度(假定閥片擺動(dòng)角度在0-60°之間)，即在0度位置考慮正偏差，而在60度位置考慮負(fù)偏差。這是因?yàn)?度位置的負(fù)偏差對(duì)壓力波的影響小于同等大小的正偏差，只要正偏差的容限滿足了解調(diào)的要求，對(duì)應(yīng)容限的負(fù)偏差也同樣可以滿足。因此給出報(bào)告中給出的偏差結(jié)果可以理解為是雙側(cè)偏差。60度時(shí)同理。

根據(jù)報(bào)告中的結(jié)果，在接近0度位置，允許存在0.05倍壓力幅值的正偏差(換算為角度約1.28度)，即允許實(shí)際擺動(dòng)角度在-1.28度到1.28度之間變化；而在接近60度位置，允許存在0.05倍壓力幅值的負(fù)偏差(換算為角度約1.46度)，即允許實(shí)際擺動(dòng)角度的值在58.54度～60.46度之間變化。

注意：以上幅值容限是指不同波形之間幅值變動(dòng)范圍，而不是允許某個(gè)波形在頂端有滿足容限的波動(dòng)。

2、關(guān)于方波符號(hào)間隔容限

根據(jù)報(bào)告中的結(jié)果，允許實(shí)際符號(hào)間隔偏離理想間隔正負(fù)2ms。注意該偏差不允許疊加。即假如理想符號(hào)周期為100ms，則實(shí)驗(yàn)中一個(gè)符號(hào)發(fā)送完畢的時(shí)間應(yīng)在98ms至102ms之間，兩個(gè)符號(hào)發(fā)送完畢的時(shí)間應(yīng)該在198ms至202ms之間，以此類推。

3、關(guān)于正弦波的幅值與符號(hào)間隔容限

正弦波的容限仿真結(jié)果與方波的仿真結(jié)果比較接近。正弦波在接近0度位置，允許存在0.04倍壓力幅值的正偏差(換算為角度約1.02度)，即允許實(shí)際擺動(dòng)角度在-1.02度到1.02度之間變化；而在接近60度位置，允許存在0.04倍壓力幅值的負(fù)偏差(換算為角度約1.16度)，即允許實(shí)際擺動(dòng)角度的值在58.84度～60.16度之間變化。

在本發(fā)明實(shí)施例中，幅值容限與方波的一樣，依然為2ms。

在本發(fā)明實(shí)施例中，擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器12使用的電機(jī)，因?yàn)橐惺芨邷馗邏海枰捎脡毫ρa(bǔ)償機(jī)構(gòu)進(jìn)行壓力補(bǔ)償。脈沖器的閥片的動(dòng)作方式為擺動(dòng)方式，基于擺動(dòng)閥原理的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)上要考慮動(dòng)密封。在閥片軸經(jīng)過電機(jī)的位置需要使用動(dòng)密封的結(jié)構(gòu)，動(dòng)密封結(jié)構(gòu)既可以使用接觸式密封，也可以使用膠囊，通過變截面實(shí)現(xiàn)壓力補(bǔ)償。并且在脈沖器設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮使用膠杯進(jìn)行壓力補(bǔ)償及動(dòng)密封實(shí)現(xiàn)。

在本發(fā)明實(shí)施例中，泥漿流體在鉆柱內(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)。閥片剪切流體時(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。

可選地，上位機(jī)，用于根據(jù)壓力數(shù)據(jù)獲取鉆井作業(yè)參數(shù)，并根據(jù)鉆井作業(yè)參數(shù)和鉆井作業(yè)要求選擇信號(hào)調(diào)節(jié)方式，將所選擇的信號(hào)調(diào)制方式下發(fā)給驅(qū)動(dòng)控制裝置。

在本發(fā)明實(shí)施例中，為了能夠穩(wěn)定控制閥片，使閥片的運(yùn)動(dòng)軌跡符合設(shè)計(jì)要求。就需要根據(jù)井深、井況改變井下泥漿脈沖發(fā)生器的調(diào)制方式。從調(diào)制方法上看，主要有調(diào)幅、調(diào)相、調(diào)頻等方法，這幾種方法屬于高速泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)的基本調(diào)制方式。但是根據(jù)剪切閥高速率泥漿脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，及閥片的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行載波方式控制，以及更詳細(xì)地規(guī)劃、細(xì)化每種調(diào)試方式，顯得十分必要。

在本發(fā)明實(shí)施例中，擺動(dòng)閥原理的泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)的工作模式比較豐富，工作模式的切換可以通過參數(shù)化控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，工作模式切換的參數(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，通過指令下傳裝置，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，井下工作模式需要根據(jù)井深、井況的變化經(jīng)常更改，更改的參數(shù)主要包括：閥片的擺動(dòng)角度、擺動(dòng)(載波)頻率、傳輸速率、調(diào)制方式等。指令下傳裝置進(jìn)行指令下產(chǎn)的方法可以包括但不限于：通過檢測(cè)鉆柱入水管流量，井下傳感器檢測(cè)到排量或壓力的變化，通過與預(yù)先設(shè)置的參數(shù)區(qū)間進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的工作模式更改。具體地，指令下傳裝置通過控制電磁閥分走部分向井下鉆柱內(nèi)供液的流量，進(jìn)而改變井下渦輪發(fā)電機(jī)或泥漿脈沖發(fā)生器處的流量或壓力。當(dāng)流量發(fā)生變化時(shí)，井下渦輪發(fā)電機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速會(huì)降低，當(dāng)達(dá)到某一閾值時(shí)，渦輪發(fā)電機(jī)電路會(huì)發(fā)出指令，通知泥漿脈沖發(fā)生器的控制電路(即前述的驅(qū)動(dòng)控制裝置)改變泥漿脈沖發(fā)生器的工作模式。另一種方法是，當(dāng)壓力變化時(shí)，泥漿脈沖發(fā)生器附近的壓力傳感器檢測(cè)到壓力變化，當(dāng)壓力低于某一閾值時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制裝置也會(huì)改變脈沖器的工作模式。

在本發(fā)明實(shí)施例中，對(duì)于數(shù)據(jù)編碼和壓縮方式，通常井下數(shù)據(jù)通過特定的編碼方法，如采樣率、數(shù)據(jù)排隊(duì)等，壓縮打包進(jìn)行發(fā)送，可大幅度地提高其傳輸速率。如果泥漿脈沖發(fā)生器的裸傳速率較高，加上合適的數(shù)據(jù)壓縮方法，能使實(shí)際傳輸速率跨越式地提升。

在本發(fā)明實(shí)施例中，在此之前，需要先獲得井深、井況信息，并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，通過上位機(jī)對(duì)井深、井況信息進(jìn)行解析處理，以根據(jù)該井深、井況信息設(shè)計(jì)出合理的工作模式。

在本發(fā)明實(shí)施例中，當(dāng)井下掛接儀器較少，僅僅為mwd(measurewhiledrilling隨鉆測(cè)量)裝置時(shí)，泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)為定向井工程師在鉆進(jìn)過程中提供方位、井斜等參數(shù)；當(dāng)井下儀器較多，如隨鉆聲波，隨鉆中子、密度，隨鉆核磁等，形成lwd(loggingwhiledrilling隨鉆測(cè)井)時(shí)，泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)可以把掛接的儀器各種參數(shù)傳到地表。

在本發(fā)明實(shí)施例中，與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向儀器配合使用，可以通過定向鉆井實(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)明所述的高速率數(shù)據(jù)調(diào)制方式。

在本發(fā)明實(shí)施例中，剪切閥泥漿脈沖器閥片通過電機(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。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。調(diào)制方式配合對(duì)應(yīng)的解調(diào)方法，可實(shí)現(xiàn)12bps甚至更高速率的實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸。

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。

在本發(fā)明實(shí)施例中，鉆井作業(yè)參數(shù)包括工程參數(shù)和地層參數(shù)，其中工程參數(shù)包括泥漿泵運(yùn)行排量和壓力，伴生有泵噪?yún)?shù)；鉆井作業(yè)要求包括：鉆速、轉(zhuǎn)速以及碼率要求。

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。

在本發(fā)明實(shí)施例中，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-shiftkeying，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，上位機(jī)根據(jù)鉆井作業(yè)參數(shù)和鉆井作業(yè)要求選擇信號(hào)調(diào)節(jié)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-offkeying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：e2ask(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：an是第n個(gè)信號(hào)的電平取值，可取an＝1,0表示不同的符號(hào)；亦可取an＝1,-1。ts為碼元持續(xù)時(shí)間；g(t)為持續(xù)時(shí)間為ts的基帶脈沖波形；e2ask(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e2psk(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ωc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an(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6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7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ωb；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nωb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，為了提高擺動(dòng)閥原理的泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)的傳輸速率，還需要設(shè)計(jì)合理的定子\閥片結(jié)構(gòu)。脈沖器的閥片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及在流體中的運(yùn)動(dòng)，要充分考慮流體對(duì)閥片的作用規(guī)律。通常泥漿提供的是對(duì)閥片一個(gè)持續(xù)關(guān)閉趨勢(shì)的轉(zhuǎn)矩，脈沖器本體在設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮這個(gè)關(guān)閉趨勢(shì)的轉(zhuǎn)矩，可以降低電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而可以降低井下供電系統(tǒng)的功率?？梢酝ㄟ^加裝扭簧扭轉(zhuǎn)平衡機(jī)構(gòu)，在擺動(dòng)閥擺動(dòng)的去程和回程中，平衡或降低關(guān)閉趨勢(shì)的轉(zhuǎn)矩，使閥片在轉(zhuǎn)矩接近平衡的位置上擺動(dòng)工作。脈沖器壓力波要求規(guī)律一致，即波形和周期要一致，除了驅(qū)動(dòng)控制中的調(diào)制方式能改變波形外，合理的閥片結(jié)構(gòu)形式，也可以獲得良好的波形，即改變壓力的形狀可以通過閥片結(jié)構(gòu)的外形。

在本發(fā)明實(shí)施例中，產(chǎn)生理想的壓力波形，壓力波形和周期至關(guān)重要，每個(gè)壓力的形狀特征要明顯?？梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)的正弦波，梯形波等，最重要的是前后的壓力波要有比較一致的特性。在鉆進(jìn)過程中，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，又要使壓力波的一致性好，特征性明顯。

在本發(fā)明實(shí)施例中，擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器12的定子\閥片部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)是最大限度提升壓力波幅值，但是要充分考慮零件的耐沖蝕性?？蛇x地，定子\閥片軸向間隙、閥片與外套的徑向間隙(環(huán)狀間隙)的間隙水平可以在1.1mm-2.5m之間，環(huán)狀間隙在儀器保養(yǎng)過程中通常不會(huì)調(diào)整。

在本發(fā)明實(shí)施例中，還需要設(shè)計(jì)合理的流道及截流面積，使定子\閥片剪切的流體實(shí)現(xiàn)最大壓力波幅值。壓力波幅值的大小，主要是定子\閥片附近的流道參數(shù)，定子\閥片的軸向間隙，以及鉆柱內(nèi)的流量決定的。是井下泥漿脈沖器的重要技術(shù)指標(biāo)。如圖8所示，其中，24-定子，25-轉(zhuǎn)子外套，26-轉(zhuǎn)子，27-鉆鋌。壓力波幅值的大小主要是定子\閥片附近的流道參數(shù)。具體地講，就是取決定子\閥片的軸向間隙z2，以及轉(zhuǎn)子外套25與轉(zhuǎn)子外z1徑形成的徑向間隙。此外，當(dāng)這兩個(gè)參數(shù)確定后，決定壓力波幅值的就是鉆柱內(nèi)的流量。也可以通過減小定子\閥片的軸向間隙提高壓力波幅值，但是過小的定子\閥片軸向間隙，使電機(jī)控制難度增大，同時(shí)，過小的定子\閥片軸向間隙，也會(huì)使定子\閥片附件的零件沖蝕過快，降低井下泥漿脈沖器的使用壽命。所以說(shuō)合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)和排量，產(chǎn)生合適的壓力波幅值，這個(gè)壓力波幅值能夠在地表檢測(cè)到，同時(shí)又有較明顯的特性，使之能與各種噪聲區(qū)別開來(lái)，增加信噪比。

在本發(fā)明實(shí)施例中，排量、軸向間隙、壓力波幅值、泥漿密度和粘度等可以通過軟件實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到三者之間的關(guān)系，尤其是排量與壓力波幅值，軸向間隙與壓力波幅值，利用流體仿真結(jié)果進(jìn)行插值計(jì)算，得到不同泥漿密度和粘度，不同的軸向間隙下，排量和壓力波幅值的關(guān)系，據(jù)此來(lái)確定某一井場(chǎng)所用脈沖器軸向間隙。

在本發(fā)明實(shí)施例中，泥漿過流通道流線性好，能降低儀器無(wú)謂壓降。儀器的總壓降是儀器入口和出口最大壓力和最小壓力差，儀器內(nèi)部流道的大小，內(nèi)部流道轉(zhuǎn)換方式?jīng)Q定這儀器的壓降，在儀器內(nèi)部電子骨架處，流體經(jīng)骨架內(nèi)部流過，而在脈沖器定子\閥片附近，流體需要在儀器的外部工作。流道設(shè)計(jì)合理，定子\閥片表面增強(qiáng)，或使用耐沖蝕，耐腐蝕的材料，提高易損件定子\閥片的壽命，進(jìn)而提升儀器井下工作時(shí)間。在本發(fā)明實(shí)施例中，可通過下述方案設(shè)置泥漿過流通道。

在本發(fā)明實(shí)施例中，如圖9所示，為泥漿脈沖器短節(jié)(擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器12)的流道轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)示意圖。其中，31-流道轉(zhuǎn)換接頭一；32-電子骨架；33-流道轉(zhuǎn)換接頭二；34-鉆鋌內(nèi)部保護(hù)筒；35-脈沖發(fā)生定轉(zhuǎn)子組件；36-底部接套；37-流道轉(zhuǎn)換接頭三；38-鉆鋌；39-硬連接短節(jié)。泥漿脈沖器短節(jié)內(nèi)部，有三個(gè)流道轉(zhuǎn)換接頭。流道轉(zhuǎn)換接頭一把儀器環(huán)空流道轉(zhuǎn)換成居中流道，經(jīng)過電子骨架32，再使用流道轉(zhuǎn)換接頭二，將居中流道轉(zhuǎn)換為環(huán)空流道，通過脈沖發(fā)生機(jī)構(gòu)定轉(zhuǎn)子組件33的定子，定子使流體分流，定子和轉(zhuǎn)子有相同的葉片數(shù)量，轉(zhuǎn)子相對(duì)定子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生壓力波，之后流體經(jīng)過流道三，進(jìn)入下一個(gè)短節(jié)。短節(jié)直接使用插接的連接方式。

在本發(fā)明實(shí)施例中，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮零件流道轉(zhuǎn)換接頭一的過流面積與電子骨架32內(nèi)徑x1，流道轉(zhuǎn)換接頭二的過流面積，鉆鋌內(nèi)部保護(hù)筒34內(nèi)徑x2與流道轉(zhuǎn)換接頭二33的外徑x3之間的環(huán)空截面，底部接套36流道轉(zhuǎn)換接頭內(nèi)徑x4，及過流面積，鉆鋌內(nèi)徑x5與部件38硬連接短節(jié)外徑之間形成的過流面積等都均勻統(tǒng)一，形成圓滑過渡。

在本發(fā)明實(shí)施例中，擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器的泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)主要是在地面檢測(cè)井下傳上來(lái)的壓力波脈沖，由于地面距離泥漿泵較近，泥漿泵的泵噪會(huì)干擾井下傳上來(lái)的壓力波，需要采集泵噪周期，對(duì)泵噪進(jìn)行消噪和降噪處理。因此在井上的傳感器至少包括兩種：一種是壓力傳感器，一種是泵沖傳感器。

在本發(fā)明實(shí)施例中，與動(dòng)作頻率較低的泥漿脈沖發(fā)生器，如mk系列脈沖發(fā)生器不同的是，擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器因?yàn)檩d波頻率高，在降噪算法上，需要使用多個(gè)傳感器。通常情況下，動(dòng)作頻率較低的脈沖發(fā)生器使用1個(gè)壓力傳感器即可進(jìn)行解調(diào)，而擺動(dòng)閥原理的泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)，由于使用了更為高級(jí)的算法，現(xiàn)場(chǎng)需要使用較多的壓力傳感器，例如，可以從1-5個(gè)不等。這些壓力傳感器分布在泥漿泵與立管之間的泥漿管線上的不同位置處，即對(duì)從泥漿泵開始到井口之間的泥漿管線上的各處的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。并對(duì)該壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪。根據(jù)壓力波在水中的傳播速度以及載波頻率，最好選擇在波長(zhǎng)的1/2，1/4，1/8處設(shè)置壓力傳感器，使用時(shí)可根據(jù)解調(diào)情況，確定是使用1個(gè)、2個(gè)，或更多的壓力傳感器。

在本發(fā)明實(shí)施例中，如圖10所示，在s1、s2、s3、s4……sx等多個(gè)位置設(shè)置了壓力傳感器，壓力傳感器沿泥漿管線分布于泥漿泵19至立管3之間。壓力傳感器可以檢測(cè)井立管3的壓力波動(dòng)，數(shù)據(jù)匯總接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)17，則可進(jìn)行消噪-實(shí)時(shí)解碼。

在本發(fā)明實(shí)施例中，在噪聲中提取有用信號(hào)，是泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，噪聲有多種，但最主要的是泵噪，在井場(chǎng)中通常不止一個(gè)泵，一般是用2備1，算法中應(yīng)該有多泵消噪的算法，泥漿泵通常是柱塞泵，柱塞有3個(gè)或者多個(gè)，要使用泵沖傳感器采集泵噪，通過時(shí)域或頻域等多種方法降噪，物理上主要使用的方法有雙傳感器差分、雙傳感器微分、雙泵單傳感器、三泵單傳感器等，算法上可以選擇多種方法。

在本發(fā)明實(shí)施例中，泵沖傳感器18設(shè)置于泥漿泵的行程開關(guān)處，用于對(duì)泥漿泵的泵沖周期(數(shù))進(jìn)行采集，即指示泥漿泵活塞的運(yùn)作周期，以根據(jù)運(yùn)作周期確定壓力數(shù)據(jù)中泵噪的周期與時(shí)間起點(diǎn)，用于解調(diào)過程中的消噪和降噪，實(shí)現(xiàn)時(shí)域消噪。

在本發(fā)明實(shí)施例中，可以設(shè)置兩個(gè)泵沖傳感器，如圖11所示的sen1和sen2，實(shí)現(xiàn)雙傳感器消噪，雙傳感器去噪聲法是利用泵噪與信號(hào)反向傳播的特性，在一定距離內(nèi)安裝壓力傳感器，從而獲取兩路壓力信號(hào)，進(jìn)而進(jìn)行移相相消，求出不含噪聲的等效接收信號(hào)。雙傳感器噪聲消除是一種理想的自適應(yīng)噪聲消除方法，不受噪聲變化的影響。在泥漿循環(huán)系統(tǒng)中，泵噪來(lái)源于泥漿泵，其轉(zhuǎn)播方向是由井上往井下。而信號(hào)則是由連續(xù)波發(fā)生器產(chǎn)生，其傳播方法由井下往井上。因此，由于安裝位置不同，信號(hào)從sen2處傳播到sen1處的衰減比，泵噪從sen1處傳播到sen2處的衰減比不同，利用差分或微分方法可實(shí)現(xiàn)雙傳感器消噪。

在本發(fā)明實(shí)施例中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)17就是把壓力傳感器和泵沖傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并進(jìn)行預(yù)處理。通常需要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有較低的底噪，以及防爆隔離柵。

在本發(fā)明實(shí)施例中，井下的大功率供電可以使用電池，或利用鉆柱內(nèi)流體的渦輪發(fā)電機(jī)，對(duì)于較大功率的泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)，則必須使用渦輪發(fā)電機(jī)，渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)過整流穩(wěn)壓，形成90v、48v或32v電壓，經(jīng)過單芯或多芯總線為系統(tǒng)供電，既可以是直流供電，也可以是交流供電。同時(shí)，可以通過測(cè)量渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，通知井下儀器進(jìn)行模式切換。

在本發(fā)明實(shí)施例中，泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)中的各個(gè)裝置或設(shè)備的電源電路從總線上取電。電動(dòng)機(jī)的電力可以由井下渦輪發(fā)電機(jī)供給，也可以從總線上取電，經(jīng)過逆變、整理穩(wěn)壓后驅(qū)動(dòng)電機(jī)，也可以從總線經(jīng)多芯直接接入，為電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)供電。

為了達(dá)到本發(fā)明實(shí)施例目的，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種泥漿脈沖傳輸方法，需要說(shuō)明的是，上述系統(tǒng)實(shí)施例中的任何實(shí)施例均適用于該方法實(shí)施例中，在此不再一一贅述。該方法包括：

泥漿泵通過立管向擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器內(nèi)注入泥漿；

驅(qū)動(dòng)控制裝置根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的信號(hào)調(diào)制方式對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并根據(jù)調(diào)制后的控制信號(hào)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，以驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器進(jìn)行擺動(dòng)；

擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器在驅(qū)動(dòng)控制裝置的驅(qū)動(dòng)下以預(yù)設(shè)的頻率進(jìn)行擺動(dòng)，并將通過擺動(dòng)產(chǎn)生的泥漿脈沖傳輸?shù)骄希?/p>

多個(gè)壓力傳感器分布于泥漿泵與立管之間的泥漿管線上，采集泥漿管線上的壓力數(shù)據(jù)，并對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪；

泵沖傳感器設(shè)置于泥漿泵的行程開關(guān)處，指示泥漿泵活塞的運(yùn)作周期，以根據(jù)運(yùn)作周期確定壓力數(shù)據(jù)中泵噪的周期與時(shí)間起點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)時(shí)域消噪。

可選地，該電機(jī)包括：步進(jìn)電機(jī)、擺角電機(jī)或伺服電機(jī)；

方法還包括：當(dāng)電機(jī)為伺服電機(jī)時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制裝置對(duì)電機(jī)進(jìn)行三環(huán)控制；三環(huán)控制包括：對(duì)電機(jī)進(jìn)行包括電流反饋、速度反饋以及位置反饋的閉環(huán)控制。

可選地，預(yù)設(shè)頻率大于或等于40hz。

可選地，該方法還包括：

上位機(jī)根據(jù)壓力數(shù)據(jù)獲取鉆井作業(yè)參數(shù)，并根據(jù)鉆井作業(yè)參數(shù)和鉆井作業(yè)要求選擇信號(hào)調(diào)節(jié)方式，將所選擇的信號(hào)調(diào)制方式下發(fā)給驅(qū)動(dòng)控制裝置；

其中，鉆井作業(yè)參數(shù)包括工程參數(shù)和地層參數(shù)，其中工程參數(shù)包括泥漿泵運(yùn)行排量和壓力，伴生有泵噪?yún)?shù)；鉆井作業(yè)要求包括：鉆速、轉(zhuǎn)速以及碼率要求；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，上位機(jī)根據(jù)鉆井作業(yè)參數(shù)和鉆井作業(yè)要求選擇信號(hào)調(diào)節(jié)方式包括：

當(dāng)鉆井作業(yè)參數(shù)滿足預(yù)設(shè)的參數(shù)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)鉆井作業(yè)參數(shù)不滿足預(yù)設(shè)的參數(shù)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)鉆井作業(yè)參數(shù)不滿足預(yù)設(shè)的參數(shù)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。

與當(dāng)前技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例包括泥漿泵向擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器內(nèi)注入泥漿；驅(qū)動(dòng)控制裝置根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的信號(hào)調(diào)制方式對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并根據(jù)調(diào)制后的控制信號(hào)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，以驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器進(jìn)行擺動(dòng)；擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器在驅(qū)動(dòng)控制裝置的驅(qū)動(dòng)下以預(yù)設(shè)的頻率進(jìn)行擺動(dòng)，并將通過擺動(dòng)產(chǎn)生的泥漿脈沖傳輸?shù)骄?；多個(gè)壓力傳感器分布于泥漿泵與立管之間的泥漿管線上，采集泥漿管線上的壓力數(shù)據(jù)，并對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪；泵沖傳感器設(shè)置于泥漿泵的行程開關(guān)處，指示泥漿泵活塞的運(yùn)作周期，以根據(jù)運(yùn)作周期確定壓力數(shù)據(jù)中泵噪的周期與時(shí)間起點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)時(shí)域消噪。通過本發(fā)明實(shí)施例方案，驅(qū)動(dòng)控制裝置驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)式泥漿脈沖發(fā)生器以擺動(dòng)方式剪切泥漿，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，并設(shè)置了多個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)檢測(cè)獲得的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行在線降噪。

雖然本發(fā)明所揭露的實(shí)施方式如上，但所述的內(nèi)容僅為便于理解本發(fā)明而采用的實(shí)施方式，并非用以限定本發(fā)明。任何本發(fā)明所屬領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明所揭露的精神和范圍的前提下，可以在實(shí)施的形式及細(xì)節(jié)上進(jìn)行任何的修改與變化，但本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，仍須以所附的權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。