旋轉(zhuǎn)導向工具中聲波短傳的信號處理方法研究
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旋轉(zhuǎn)導向閉環(huán)鉆井技術(shù)是當今國內(nèi)外開發(fā)的各種先進鉆井技術(shù)與工藝中具突破性和戰(zhàn)略意義的技術(shù)，它將計算機控制技術(shù)揉合于鉆井工具，代表了當今世界鉆井技術(shù)發(fā)展的最高水平。西安石油大學井下測控研究所研究的可控偏心器是智能導向鉆井工具，可實現(xiàn)井下閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導向智能鉆井系統(tǒng)。
聲波短傳的提出
要實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導向閉環(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，西安石油大學井下測控研究所一直致力于井下閉環(huán)旋轉(zhuǎn)導向智能鉆井系統(tǒng)的研究與試驗，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：當發(fā)射線圈和接收線圈安裝在鉆鋌的內(nèi)部，泥漿完全導電，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率的影響較大。因此，本設計決定用聲波實現(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)進行FSK（頻移鍵控）調(diào)制，即在傳輸信號的最佳頻率點附近選2個頻率點作為調(diào)制二進制數(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。
軟件設計
對C8051F060單片機、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。在本設計中，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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