一种井中与地面信息高速有线双工通信方法及装置

摘要

本发明专利提供了一种井中与地面信息高速有线双工通信方法及装置，该方法在井下通过传感器采集信号，经过编码正交频分复用调制技术形成OFDM信号，通过由含电缆的钻杆等组成的基本结构单元传输信号到地面，再经过解调，获得井中所采集的信号，并由此判断井下温度、压力、流体状况等，制订钻井完井策略，形成地面控制指令，并通过该传输系统将指令信号传到井下指定位置。该系统与目前的同类技术相比较而言，具有传输数据量大、传输速率高、实时性强、双向通信、保密性强等优点。

权利要求

1.一种井中与地面信息高速有线双工通信方法，其特征在于所述的方法包括如下步骤：

步骤1：在钻头上方无磁钻挺短接内安装压力传感器、温度传感器、粉尘含水量传感器、电子罗盘、编码正交频分复用调制解调器A；

步骤2：对传感器采集到的模拟信号通过井下仪器接口传到编码正交频分复用调制器A中，在编码正交频分复用调制器A中首先经模数转换器将模拟信号转换为数字信号，其次对待发送的数字信号依次进行分割、随机化、前向纠错码、交织、映射、逆傅立叶变换处理生成正交频分复用信号，最后在正交频分复用信号中插入循环前缀，并进行数模转换，形成基带模拟信号；

步骤3：将基带模拟信号通过井下电缆接口送入电缆的业务子信道中发送到地面电缆接口；电缆布置在钻杆内孔中，钻杆电缆两端分别与上接头内的电缆公插头和下接头内的电缆母插头相连接，那么，从井下到地面依次排列的基本传输结构单元包括下接头、钻杆、上接头三个部分，井下信号通过多个基本传输结构单元，从井下传输到达地面电缆接口；

其中，所述的基本传输结构单元中的上接头包括电缆公插头、插头辅助装置、密封圈，电缆公插头通过插头辅助装置固定在上接头内孔的中心，接头两端带有标准的API螺纹；

电缆公插头上安装密封圈，并涂有绝缘材料，其插针的直径稍大于电缆母插头的插孔直径；

下接头包括电缆母插头、插头辅助装置、密封圈，电缆母插头通过插头辅助装置固定在下接头内孔的中心，接头两端带有标准的API螺纹；电缆母插头上安装密封圈，并涂有绝缘材料；

步骤4：当地面电缆接口收到基带模拟信号后，传到编码正交频分复用解调器B中；在编码正交频分复用解调器B中依次进行模数转换、时域均衡、同步校正、去时间保护间隔、FFT、频域均衡、解映射、解交织、RS译码、解随机化处理，从而获得井中信号；

步骤5：将井中信号通过地面终端接口传输给计算机等地面终端，由计算机对信号进行处理，确定地下钻井、完井状况；

步骤6：地面终端根据接收到的井下信息情况，制订相应的措施，形成地面控制信息，地面控制信息通过地面终端、地面终端接口传到编码正交频分复用调制器B，在编码正交频分复用调制器B后，基带模拟信号通过地面电缆接口进入电缆，经过由上接头、钻杆、下接头组成的多个基本传输结构单元，到达井下电缆接口；当地面信息到达井下电缆接口后，进入编码正交频分复用解调器A中；在编码正交频分复用解调器A中依次进行模数转换、时域均衡、同步校正、去时间保护间隔、FFT、频域均衡、解映射、解交织、RS译码、解随机化处理，从而获得地面信息；最后将地面信息通过井下仪器接口传输到井下仪器，由井下仪器根据地面信息指令进行处理。

说明书

一种井中与地面信息高速有线双工通信方法及装置

技术领域

[0001] 本发明专利属于油气开采领域，涉及一种钻井信息、录井信息以及随钻测量信息高速传输到地面终端，地面控制信息高速传输到井中的有线通信方法及装置，该方法和装置对泥浆钻井、气体钻井都实用。技术背景

[0002] 钻完井工程是一项隐蔽而复杂的系统工程，可以产生大量信息，而信息化则是保障钻完井工程安全、优质、低成本的必要条件。钻完井信息主要包括各类钻井录井信息和近年迅速发展的随钻测量信息。这些信息的采集可以实现在钻井的同时对钻井作业的综合评价和实时测井作业，简化了钻井作业程序，提高了钻井作业精度，节省了钻机时间，降低了成本，能够实时检测到地层变化以便及时对钻井设计予以必要的调整，最大限度地在油藏中最有价值的地带钻井，提高了油气的采收率。

[0003] 按照一口井在施工作阶段分为钻前、钻中、钻后不同阶段，可以把钻井录井信息划分为三类：第一类是开钻与钻进前的信息，包括地震、地化及区域或邻区岩心等信息；第二类是钻进时的信息，包括录井信息、随钻信息；第三类是完井信息。第一类信息不需要从井中采集，第二类和第三类信息需要从井中传输到地面。随着MWD、LWD、SWD等随钻测量技术的发展，井下随钻测量参数越来越多，信息量很大。

[0004] 对于钻井信息、录井信息以及随钻信息传输，目前采用的方法主要有泥浆脉冲传输法、声波传输法、电磁波传输法、有线传输法。其中，泥浆脉冲传输法、声波传输法、电磁波传输法都是属于无线传输方式。泥浆脉冲传输法是目前无线传输中现场使用的主流技术，其优点是对钻井工艺没有特殊的要求和限制，仅用钻井液流作为动力，对正常钻井作业影响很小，且通信可靠，能远距离传输，但是钻井液脉冲的传输数据速率较低，不能满足钻井作业对井下信息的传输需求，同时在气体和气液双相流体中不能采用钻井液脉冲传输方式，不能实现实时传输随钻测量数据，并且只能单工通信，下行指令传输困难，成为进一步提高整个系统控制水平和闭环实现的瓶颈；声波传输法需要解决钻井环境的噪声问题；电磁传输法在技术上有一定优势，但目前传输速率较低。

[0005] 有线传输法中如果采用电缆或者光缆作为传输介质，电缆传输方式的优点是传输速率高，可双向传递信息，但其电源和信号独立传送的传输通道较为复杂，需要消耗大量的物理电缆，成本较高，同时电缆必须具备高温、高压下正常工作的能力，而且必须预防缆线弯曲折断，突破转盘钻井中的干扰，开发成本较高；使用光纤电缆很细小，成本低，但只可短时间使用，传输距离限制较大，而且光纤易在钻井泥浆中磨损掉而被冲走；有线传输如果采用特种钻杆作为传输介质，其优点是数据传输快、双向通信简单，缺点是需要在钻杆中加入缆线传输，加工特种钻杆的成本高，同时每节钻杆之间的通信传输以及密封都是技术难题，可靠性差，难以实现电力下传。

[0006] 总之，目前的泥浆钻井的钻井信息、录井信息以及随钻信息传输技术尚存在不足和弱点，不能满足钻完井工程的需求。

[0007] 为了进一步提高井下数据传输速率，实现井下与地面信息的双工通信，将有线钻杆与地质导向、随钻地震、井下动态诊断等新技术结合，将大大提高复杂地质条件下导向钻井的水平，满足实时闭环监控要求。

[0008] 下面就回顾一下随钻信息的有线钻杆传输技术的发展历程：

[0009] 近60年来，为满足井下不断增长的实时数据和能量传输所需，各国研究者一直未中断开发数据和电力传输通道的尝试表，有线钻杆传输发展主要分为三个阶段：

[0010] 第一阶段：方法探索和关键组件研制阶段(1950年以前)。有线钻杆传输的研究最早是由前苏联开始的，为钻杆嵌入导线技术奠定了基础。1940年由前苏联成功钻了深1500m的世界第1口利用电钻的井。1940年，Dickson和Dennison克服了在导电介质(腐蚀性、有研磨作用的高压钻井液)中接头可靠连接的难题，并得出钻柱的动态震动对接头可靠性有害的结论；1942年D.C.Hare使用感应接头进行相邻钻柱间数据传输并获专利，长距离传送信号电力耗损高；1942年，R.T.Cloud发明一系列感应接头并申请了专利，采用磁化合金材料形槽以汇聚感应信号；但由于当时技术条件所限，关键组件性能和可靠性差，发展缓慢。

[0011] 第二阶段：现场实验和改进阶段(1950年至1970年)。1963年A.H.Lord改进Hare的专利，降低需要的电能但感应接头装卸较困难；20世纪70年代，前苏联研发了有线传输系统STE，实现了几何导向的随钻测井参数连续测量的实时数据传输，采用在钻杆每个单根内直接悬吊电缆，接头处加电插头的方法，最初使用时可靠性较好，但钻过几次以后因导线老化，频繁中断，失败几率大大增加平均每千米1次)。

[0012] 第三阶段：商业化推广(20世纪70年代至今)。1970年，Shell公司开发由加保护导线、钻艇和湿接头(方钻杆处有一个特制的电缆球阀)组成的对接式有线传输，成为商业化的广泛应用的成熟技术；1972年，前苏联现场实验嵌入导线钻柱，传愉实时数据超过150h；1976年，前苏联在电钻侧钻的同时连续传输导向、温度、压力、加速度测量等数据。1986年，R.A.Meador申请钻柱接头构形的专利，每个接头都带有电流耦合系统，降低了电渗漏；1987年，Mig Howard申请利用线圈和霍尔效应传感器传输的专利，速率高达100bit/s；20世纪90年代中期，Crant Predico公司通过感应接头能长距离、低耗电地传输高频信号，信号能传过30根钻杆或在套管/裸眼中传333m才需要进行加强，传输速率1Mbits，信号传送不需要额外电源。20世纪90年代末期，Nevotek和GrantPredico公司合作开发了intelipipe，可以配合MWD/LWD使用，传输数据速率1000000bps，电与数据同时传输的速率也可达到100000bps。技术可靠性得到提高，大大拓宽了使用范围，开始向各类型井推广，得到突飞猛进地发展，开始商业化应用。

发明内容

[0013] 本发明专利的目的是：针对现有技术的不足，提供一种井中与地面信息高速有线双工通信方法及装置。

[0014] 为实现上述目的，本发明专利的技术方案是：

[0015] 一种井中与地面信息高速有线双工通信方法包括如下步骤：

[0016] 对于从井下信息传输到地面的上行链路通信，包括如下步骤：

[0017] 在钻井时，在钻头上方无磁钻挺短接内安装压力传感器、温度传感器、粉尘含水量传感器、电子罗盘、编码正交频分复用(COFDM)调制解调器A；对传感器采集到的模拟信号通过井下仪器接口传到COFDM调制器A中，在COFDM调制器A中首先经模数转换器将模拟信号转换为数字信号，其次对待发送的数字信号依次进行分割、随机化、前向纠错码、交织、映射、逆傅立叶变换(IFFT)处理生成正交频分复用(OFDM)信号，最后在OFDM信号中插入循环前缀，并进行数模转换，形成基带模拟信号；并将基带模拟信号通过井下电缆接口送入电缆的业务子信道中发送到地面电缆接口；电缆布置在钻杆内孔中，钻杆电缆两端分别与上接头内的电缆公插头和下接头内的电缆母插头相连接，那么，从井下到地面依次排列的基本传输结构单元包括下接头、钻杆、上接头三个部分，井下信号通过多个基本传输结构单元，从井下传输到达地面电缆接口；

[0018] 当地面电缆接口收到基带模拟信号后，传到COFDM解调器B中；在COFDM解调器B中依次进行模数转换、时域均衡、同步校正、去时间保护间隔、FFT、频域均衡、解映射、解交织、RS译码、解随机化处理，从而获得井中信号；最后将井中信号通过地面终端接口传输给计算机等地面终端，由计算机对信号进行处理，确定地下钻井、完井状况。

[0019] 对于从地面计算机终端到井下的下行链路通信，包括如下步骤：

[0020] 地面终端根据接收到的井下信息等情况，制订相应的措施，形成地面控制信息等，地面信息(如：控制信息等)通过计算机等地面终端、地面终端接口传到COFDM调制器B，在COFDM调制器B后，模拟信号通过地面电缆接口进入电缆，经过多个基本传输结构单元，到达井下电缆接口；当地面信息到达井下电缆接口后，进入COFDM解调器A中；在COFDM解调器A中依次进行模数转换、时域均衡、同步校正、去时间保护间隔、FFT、频域均衡、解映射、解交织、RS译码、解随机化处理，从而获得地面信息；最后将地面信息通过井下仪器接口传输到井下仪器，由井下仪器根据地面信息指令进行处理。

[0021] 所述的基本传输结构单元中的上接头包括电缆公插头、插头辅助装置、密封圈，电缆公插头通过插头辅助装置固定在上接头内孔的中心，接头两端带有标准的API螺纹；电缆公插头上安装密封圈，并涂有绝缘材料，其插针的直径稍大于电缆母插头的插孔直径。

[0022] 所述的基本传输结构单元中的下接头包括电缆母插头、插头辅助装置、密封圈，电缆母插头通过插头辅助装置固定在下接头内孔的中心，接头两端带有标准的API螺纹；电缆母插头上安装密封圈，并涂有绝缘材料。

[0023] 所述的电缆信道的传输特性确定COFDM系统基本参数，所述的COFDM基本参数包括：子信道间隔、子信道总数T、有效符号时间、保护间隔时间、FFT处理带宽，这些参数根据电缆实际情况而定。如：子信道间隔为1.220703125KHz，子信道总数T为256，有效符号时间为819.2us，保护间隔为204.8us，FFT处理带宽为312.5KHz。

[0024] 所述电缆有线传输采用频分双工形式实现，在业务子信道中，将上行子信道和下行子信道按照频率不同划分开，所述上行子信道的数据传输方向为通信系统井下端到地面端，下行子信道的数据传输方向为通信系统的地面端到井下端；在所述的子信道中，将由低频至高频的第N个子信道到第N+P个子信道用做上述下行子信道，将由低频至高频的第N+P+1个子信道到T个子信道用作上行子信道，其中，N、P、T都是正整数，3≤N＜N+P＜T。在所述的上行子信道或者下行子信道中选择1个子信道为导频信道。在每T/2个OFDM符号中插入一个同步信号。

[0025] 与现在技术相比，本发明专利的一种井中与地面信息高速有线双工通信方法及装置，具有以下的优点：

[0026] 1)本方法与现有主流技术泥浆脉冲法相比较而言，由于使用了COFDM调制技术，数据传输速率大大提高，能够实现大数据量的实时通信；

[0027] 2)本方法借鉴ADSL技术，采用有线连接，解决了设备电源问题；

[0028] 3)由于传输速率大大提高，地面控制信息能迅速通过系统从地面传到井下，实现实时控制；

[0029] 4)由于系统在井下安装利连接了多个传感器，可以采集钻井完井中的各种信息，所以，可以实现井中信息采集；

[0030] 5)由于采用COFDM调制技术、高纠错能力的编码技术以及有线传输技术实现高速的双向数据通信，所以，信息传输误码率极低，对实时监控井下情况起到了关键作用；

[0031] 6)由于采用COFDM调制技术，可以很方便地对传输信息进行加密，保证了信息的安全。

[0032] 7)由于钻杆电缆两端分别与上接头内的电缆公插头和下接头内的电缆母插头相连接，那么，从井下到地面依次排列的基本传输结构单元包括下接头、钻杆、上接头三个部分，井下信号通过多个基本传输结构单元，从井下传输到达地面电缆接口；这种结构模式克服了电缆易扭曲的缺点，突破了转盘钻井中的干扰。

[0033] 显然，与现有主流技术泥浆脉冲法相比较而言，该专利克服了泥浆脉冲法存在的传输速度慢、数据少、实时性差、只能单向传输数据、误码率高、保密性差等缺点。与有线传输技术相比较而言，该专利具有传输速度快、传输数据量大、实时控制、误码率低、保密性高等优点。

附图说明

[0034] 图1为本发明所采用装置的结构示意图；如图1所示，一种井中与地面信息高速有线双工通信方法及装置，包含压力传感器、温度传感器、粉尘含水量传感器、电子罗盘、井下仪器接口、COFDM调制器A、COFDM解调器A、井下电缆接口、含电缆母插头的下接头、含电缆的钻杆、含电缆公插头的上接头、地面电缆接口、COFDM调制器B、COFDM解调器B、地面终端接口、计算机等地面终端。通过该系统，可以实现泥浆钻井、气体钻井等井下与地面的快速双向通信，该技术融合了目前最先进的移动通信技术。

[0035] 图2为COFDM调制器结构示意图；如图2所示，包括模数转换器、分割随机化单元、前向纠错编码单元、交织单元、映射单元、频域形成帧信号单元、IFFT单元、保护间隔插入单元、数模转换器单元。通过这些结构单元实现传输信号的调制。

[0036] 图3为COFDM解调器结构示意图；如图3所示，包括模数转换器、时域均衡单元、同步校正单元、信道信息获取器、保护间隔删除单元、FFT单元、频域均衡单元、解映射单元、解交织单元、RS译码单元、解随机化单元。通过这些结构单元实现传输信号的解调。

[0037] 图4为基本传输结构单元，包括下接头3、钻杆2、上接头1三个部分，井下信号或者地面控制信息都通过该基本传输结构单元中的电缆传输。在钻杆内孔中布置有电缆，钻杆电缆两端分别与上接头内的电缆公插头和下接头内的电缆母插头相连接，那么，从井下到地面依次排列的基本传输结构单元包括下接头3、钻杆2、上接头1三个部分。

[0038] 图5左图为基本传输结构单元中的上接头1，包括电缆4、档圈5、密封圈6、插针7、电缆公插头8、插头辅助装置9、接头本体10，电缆公插头8通过插头辅助装置9固定在上接头内孔的中心，接头两端带有标准的API螺纹；电缆公插头8上安装密封圈6，并涂有绝缘材料，其插针7的直径稍大于电缆母插头的插孔直径。

[0039] 图5右图为基本传输结构单元中的下接头，包括插孔11、档圈12、电缆母插头13、插头辅助装置14、接头本题15、电缆16、密封圈17，电缆母插头13通过插头辅助装置14固定在下接头内孔的中心，接头两端带有标准的API螺纹；电缆母插头13上安装密封圈17，并涂有绝缘材料。

[0040] 图6为基本传输结构单元中的插头辅助装置14结构示意图。

具体实施方式

[0041] 对于从井下信息传输到地面的上行链路通信，包括如下步骤：

[0042] 本发明的基本思路是：为了提高数据传输速率，将多载波技术，尤其是编码正交频分复用(COFDM)技术应用于钻完井工作中电缆的数据传输中。

[0043] 多载波技术就是通过频谱交叠的频分复用等技术实现并行数据传输和多信道数据传输，以提高数据传输速率，该技术是目前通信领域最有发展前景的调制技术之一，已经在第四代移动通信系统、国家数字电视广播系统、ADSL、WLAN等有线和无线通信领域实施，并取得理想的效果。

[0044] 下面结合附图和实施示例对本发明进行详细描述。

[0045] 如图1所示，在钻头上方无磁钻挺短接内安装压力传感器、温度传感器、粉尘含水量传感器、电子罗盘、编码正交频分复用(COFDM)调制解调器A；对传感器采集到的模拟信号通过井下仪器接口传到COFDM调制器A中，在COFDM调制器A中首先经模数转换器将模拟信号转换为数字信号，其次对待发送的数字信号依次进行分割、随机化、前向纠错码、交织、映射、逆傅立叶变换(IFFT)处理生成正交频分复用(OFDM)信号，最后在OFDM信号中插入循环前缀，并进行数模转换，形成基带模拟信号；

[0046] 对于COFDM系统基本参数则由电缆信道的传输特性确定，比如：对于7000米的电缆可以确定参数：子信道间隔为1.220703125KHz，子信道总数为256，有效符号时间为819.2us，保护间隔为204.8us，FFT处理带宽为312.5KHz。其中，子信道总数从0依次编号到255，可用子信道为202个(其中，上行信道195个、下行信道7个)。

[0047] 并将基带模拟信号通过井下电缆接口送入电缆的业务子信道中，发送到地面电缆接口；电缆布置在钻杆内孔中，钻杆电缆两端分别与上接头内的电缆公插头和下接头内的电缆母插头相连接，那么，从井下到地面依次排列的基本传输结构单元包括下接头、钻杆、上接头三个部分，井下信号通过多个基本传输结构单元，从井下传输到达地面电缆接口；

[0048] 当地面电缆接口收到基带模拟信号后，传到COFDM解调器B中；在COFDM解调器B中依次进行模数转换、时域均衡、同步校正、去时间保护间隔、FFT、频域均衡、解映射、解交织、RS译码、解随机化处理，从而获得井中信号；最后将井中信号通过地面终端接口传输给计算机等地面终端，由计算机对信号进行处理，确定地下钻井、完井状况。

[0049] 对于从地面计算机终端到井下的下行链路通信，包括如下步骤：

[0050] 地面终端根据接收到的井下信息等情况，制订相应的措施，形成地面控制信息等，地面信息(如：控制信息等)通过计算机等地面终端、地面终端接口传到COFDM调制器B，在COFDM调制器B后，模拟信号通过地面电缆接口进入电缆，经过多个基本传输结构单元，到达井下电缆接口；当地面信息到达井下电缆接口后，进入COFDM解调器A中；在COFDM解调器A中依次进行模数转换、时域均衡、同步校正、去时间保护间隔、FFT、频域均衡、解映射、解交织、RS译码、解随机化处理，从而获得地面信息；最后将地面信息通过井下仪器接口传输到井下仪器，由井下仪器根据地面信息指令进行处理。