基于井下压力连续波信号传输的编解码技术研究
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摘要
随钻测量（MWD）是获得井下信息的最重要技术手段，而利用泥浆压力连续波传输井下数据是随钻测量技术的新方法。
论文通过分析与研究声波、电磁波和泥浆脉冲等无线传输方式，认为泥浆脉冲传输方式具有良好的应用前景。相对于泥浆压力正脉冲、负脉冲，连续波传输方式抗干扰能力强、传输速率高，更加适合于深井钻进和机械钻速较低的场合。因而，论文研究了基于连续波传输方式的井下信号编、解码方法及调制技术，并制定了通信协议。首先，通过研究传输速率、差错率、可靠性、信噪比等衡量信号传输质量的重要指标，结合钻井作业的工况，着重从信息传输的可靠性方面考虑，设计出了具有差错控制能力的（23，12）戈莱码井下信号编码方法。同时，根据编、译码原理提出了修正补错译码方法，对戈莱码进行解码。而且，本文设计了相应的编、解码电路。其次，通过推导、分析调制信号的空间数学模型，发现若采用绝对调相技术对编码进行调制，会出现相位模糊问题，故本文采用二进制差分调相法，并指出调制信号可在井口采用差分相干解调方法进行解调。另外，论文通过研究串行的数据传输方式，具体分析井下通信设备模块的结构和功能，制定了它们之间通信的总线标准和通信协议。
MWD is the most important technique for down hole data acquisition,and using mud pressure continuous wave to transmit data is a new method.
Through the analysis and studies on some modes of wirelesstransmission as acoustic wave, electromagnetic wave and mud pulse, the mudpulse has bright future for application. Continuous wave transmission hasstrong anti-interference ability, high transmitting rate and is fit for deep welldrilling and the low ROP situation compared to positive and negative impulseof mud pressure. The paper presents the study on encode and decode methodand modulate techniques based on continuous wave transmission. Accordingto some key parameters for signal transmission quality measurement astransmission rate, error rate, dependability, signal-to-noise ratio andemphasized on the aspect of data transmission dependability, with theconsideration of drilling condition, the Golay code down hole encode methodwhich has error control ability has been designed. The Golay code wasdecoded by the method for amending error code which has been proposedwith the encode-decode rules and the encode-decode electrical circuit isshowed in this paper. Second, it was fund that the phase ambiguity problemcould be exist when the code is decoded only by using absolute phase modulation techniques through derivation, analysis on space mathematicalmodel of modulation signal, so the paper indicates that modulation signalscan be demodulated in well surface with differential coherent detectionmethod. In addition, according to the study on serial data transmission style,the paper also presents the analysis on structure and function of down holecommunication apparatus, the constitution of bus standard andcommunication protocol between them.
论文通过分析与研究声波、电磁波和泥浆脉冲等无线传输方式，认为泥浆脉冲传输方式具有良好的应用前景。相对于泥浆压力正脉冲、负脉冲，连续波传输方式抗干扰能力强、传输速率高，更加适合于深井钻进和机械钻速较低的场合。因而，论文研究了基于连续波传输方式的井下信号编、解码方法及调制技术，并制定了通信协议。首先，通过研究传输速率、差错率、可靠性、信噪比等衡量信号传输质量的重要指标，结合钻井作业的工况，着重从信息传输的可靠性方面考虑，设计出了具有差错控制能力的（23，12）戈莱码井下信号编码方法。同时，根据编、译码原理提出了修正补错译码方法，对戈莱码进行解码。而且，本文设计了相应的编、解码电路。其次，通过推导、分析调制信号的空间数学模型，发现若采用绝对调相技术对编码进行调制，会出现相位模糊问题，故本文采用二进制差分调相法，并指出调制信号可在井口采用差分相干解调方法进行解调。另外，论文通过研究串行的数据传输方式，具体分析井下通信设备模块的结构和功能，制定了它们之间通信的总线标准和通信协议。
MWD is the most important technique for down hole data acquisition,and using mud pressure continuous wave to transmit data is a new method.
Through the analysis and studies on some modes of wirelesstransmission as acoustic wave, electromagnetic wave and mud pulse, the mudpulse has bright future for application. Continuous wave transmission hasstrong anti-interference ability, high transmitting rate and is fit for deep welldrilling and the low ROP situation compared to positive and negative impulseof mud pressure. The paper presents the study on encode and decode methodand modulate techniques based on continuous wave transmission. Accordingto some key parameters for signal transmission quality measurement astransmission rate, error rate, dependability, signal-to-noise ratio andemphasized on the aspect of data transmission dependability, with theconsideration of drilling condition, the Golay code down hole encode methodwhich has error control ability has been designed. The Golay code wasdecoded by the method for amending error code which has been proposedwith the encode-decode rules and the encode-decode electrical circuit isshowed in this paper. Second, it was fund that the phase ambiguity problemcould be exist when the code is decoded only by using absolute phase modulation techniques through derivation, analysis on space mathematicalmodel of modulation signal, so the paper indicates that modulation signalscan be demodulated in well surface with differential coherent detectionmethod. In addition, according to the study on serial data transmission style,the paper also presents the analysis on structure and function of down holecommunication apparatus, the constitution of bus standard andcommunication protocol between them.
引文
[1] 张绍槐，张洁.21 世纪中国钻井技术发展与创新[J]. 石油学报，2001，22（6）：63-68
[2] 张绍槐. 现代导向钻进技术的新进展及发展方向[J]. 石油学报，2003，24（3）：82-89
[3] 沈忠厚，王瑞和.现代石油钻井技术50 年进展和发展趋势[J].石油钻采工艺，2003，25（5）：1-6
[4] 沈忠厚.现代钻井技术发展趋势[J].石油勘探与开发，2005，32（1）：89-91
[5] 狄丰勤，张绍槐.井下闭环钻井系统的研究与开发[J].石油钻探技术，1997，25（2）：56-59
[6] 苏义脑，季红星.井眼轨道控制系统控制原理分析[J].石油学报，1996，17（4）：109-113
[7] 李琪，何华灿.夊杂地质条件下夊杂结构井的钻井优化方案研究[J].石油学报，2004，25（4）：80-83
[8] 窦宏恩.当今世界最新石油技术[J].石油矿场机械，2003，32（2）：1-4
[9] 熊育坤.国外井下随钻测量传输系统概述[J].石油机械，1990，18(7)：21-26
[10] 刘修善，郭钧.钻井液脉冲传输速度的分布规律研究[J].钻采工艺，200，23（4）：74-76
[11] 林广辉.地质导向系统的研究与应用[J].中国海上油气工程，2000，12（5）：40-46
[12] Montaron B A，Hache J M D.Improvements in MWD telemetry:“Right data at the right time”[R].SPE 25356，1993:337-346.
[13] 时鹏程，许磊.地质导向技术综述——一种开发小层、断块油田的高新技术介绍[J].断块油气田，1998，5（2）:58-65
[14] 徐显广，石晓兵.地质导向技术的现场应用[J].西南石油学院学报，2002，24（2）：53-55
[15] 熊皓，胡斌杰.随钻测量电磁传输信道研究[J].地球物理学报，1997，40(3)：10-13
[16] Desbrandes, R.Status . MWD Technology (Part2-Data Transmission)[J]. Petroleum Engineer International,1988,9:48-54
[17] 石在虹，刘修善.井筒中钻井信息的传输动态分析[J].天然气工业，2002，22（5）：68-71
[18] 刘修善，苏义脑.地面信号下传系统的方案设计[J].石油学报，2000,21（6）：88-92
[19] 刘修善，苏义脑.钻井液脉冲信号的传输特性分析[J].石油钻采工艺，2000,22(4):8-10
[20] Desbrandes,R.Bourgoyne, A.T.Jr.and Carter. MWD Transmission DataRate Can be Optimized [J]. Petroleum Engineer International, 1987, 6:46-52
[21] B.B.库里奇茨基.定向斜井与水平井钻井的地质导向技术[M].北京：石油工业出版社，2003：82-85
[22] Heisig G , Sancho J , Macpherson J D. Downhole diagnosis of drillingdynamics data provides new level drilling process control to driller[R].SPE49206，1998: 649-658
[23] 沈连丰，叶芝慧,信息论与编码[M].北京：科学出版社，2004：236-247
[24] 周静，尚海燕，李长星.钻井时从地面向井下的通讯系统的解码方法[J].西安石油学院学报，1999，2(14)：17-22
[25] 吴大正.信号与线性系统分析[M].高等教育出版社，1986：76-82
[26] 李建勋，薛菊华，柯熙政等.脉冲随钻测斜仪中的信息检测与识别[J].西安理工大学学报，2005，21（1）：77-81
[27] 王欣，谈振辉. 无线信道下信道编码技术发展的探讨[J].北方交通大学学报，2004，28（3）：82-87
[28] 王新，陈学青，陈蕾等.通信原理简明教程[M].北京：电子工业出版社，2005：75-79
[29] 黄载禄，殷慰华.通信原理[M].北京：科学出版社，2005：412-416
[30] 尚海燕,周静,付钢.闭环钻井由地面向井下通讯的一种实现方法[J].西安石油学院学报，2002，17（2）：70-73
[31] 张丰春，陈辉，宁曙光.传感技术在泥浆参数监测中的应用[J].山东煤炭科技，2003，3：5-8
[32] 张家希.连续旋转定向钻井系统-Auto Track RCLS[J].石油钻采工艺，2001，23（2）：4-9
[33] Hearn. F.Formation evaluation MWD enters new capabilityrealm[J].World Oil,1994,215(11):75-81
[34] 程为彬，张宁生，吴应龙等.钻井综合信息无线数据传输系统[J].西安石油大学学报，2004，19（6）：38-47
[35] 禹思敏.多进制数字调相系统分析与设计方法的探讨[J].电气电子教学学报，2002，24(2):29-32
[2] 张绍槐. 现代导向钻进技术的新进展及发展方向[J]. 石油学报，2003，24（3）：82-89
[3] 沈忠厚，王瑞和.现代石油钻井技术50 年进展和发展趋势[J].石油钻采工艺，2003，25（5）：1-6
[4] 沈忠厚.现代钻井技术发展趋势[J].石油勘探与开发，2005，32（1）：89-91
[5] 狄丰勤，张绍槐.井下闭环钻井系统的研究与开发[J].石油钻探技术，1997，25（2）：56-59
[6] 苏义脑，季红星.井眼轨道控制系统控制原理分析[J].石油学报，1996，17（4）：109-113
[7] 李琪，何华灿.夊杂地质条件下夊杂结构井的钻井优化方案研究[J].石油学报，2004，25（4）：80-83
[8] 窦宏恩.当今世界最新石油技术[J].石油矿场机械，2003，32（2）：1-4
[9] 熊育坤.国外井下随钻测量传输系统概述[J].石油机械，1990，18(7)：21-26
[10] 刘修善，郭钧.钻井液脉冲传输速度的分布规律研究[J].钻采工艺，200，23（4）：74-76
[11] 林广辉.地质导向系统的研究与应用[J].中国海上油气工程，2000，12（5）：40-46
[12] Montaron B A，Hache J M D.Improvements in MWD telemetry:“Right data at the right time”[R].SPE 25356，1993:337-346.
[13] 时鹏程，许磊.地质导向技术综述——一种开发小层、断块油田的高新技术介绍[J].断块油气田，1998，5（2）:58-65
[14] 徐显广，石晓兵.地质导向技术的现场应用[J].西南石油学院学报，2002，24（2）：53-55
[15] 熊皓，胡斌杰.随钻测量电磁传输信道研究[J].地球物理学报，1997，40(3)：10-13
[16] Desbrandes, R.Status . MWD Technology (Part2-Data Transmission)[J]. Petroleum Engineer International,1988,9:48-54
[17] 石在虹，刘修善.井筒中钻井信息的传输动态分析[J].天然气工业，2002，22（5）：68-71
[18] 刘修善，苏义脑.地面信号下传系统的方案设计[J].石油学报，2000,21（6）：88-92
[19] 刘修善，苏义脑.钻井液脉冲信号的传输特性分析[J].石油钻采工艺，2000,22(4):8-10
[20] Desbrandes,R.Bourgoyne, A.T.Jr.and Carter. MWD Transmission DataRate Can be Optimized [J]. Petroleum Engineer International, 1987, 6:46-52
[21] B.B.库里奇茨基.定向斜井与水平井钻井的地质导向技术[M].北京：石油工业出版社，2003：82-85
[22] Heisig G , Sancho J , Macpherson J D. Downhole diagnosis of drillingdynamics data provides new level drilling process control to driller[R].SPE49206，1998: 649-658
[23] 沈连丰，叶芝慧,信息论与编码[M].北京：科学出版社，2004：236-247
[24] 周静，尚海燕，李长星.钻井时从地面向井下的通讯系统的解码方法[J].西安石油学院学报，1999，2(14)：17-22
[25] 吴大正.信号与线性系统分析[M].高等教育出版社，1986：76-82
[26] 李建勋，薛菊华，柯熙政等.脉冲随钻测斜仪中的信息检测与识别[J].西安理工大学学报，2005，21（1）：77-81
[27] 王欣，谈振辉. 无线信道下信道编码技术发展的探讨[J].北方交通大学学报，2004，28（3）：82-87
[28] 王新，陈学青，陈蕾等.通信原理简明教程[M].北京：电子工业出版社，2005：75-79
[29] 黄载禄，殷慰华.通信原理[M].北京：科学出版社，2005：412-416
[30] 尚海燕,周静,付钢.闭环钻井由地面向井下通讯的一种实现方法[J].西安石油学院学报，2002，17（2）：70-73
[31] 张丰春，陈辉，宁曙光.传感技术在泥浆参数监测中的应用[J].山东煤炭科技，2003，3：5-8
[32] 张家希.连续旋转定向钻井系统-Auto Track RCLS[J].石油钻采工艺，2001，23（2）：4-9
[33] Hearn. F.Formation evaluation MWD enters new capabilityrealm[J].World Oil,1994,215(11):75-81
[34] 程为彬，张宁生，吴应龙等.钻井综合信息无线数据传输系统[J].西安石油大学学报，2004，19（6）：38-47
[35] 禹思敏.多进制数字调相系统分析与设计方法的探讨[J].电气电子教学学报，2002，24(2):29-32