CN106850477B - 一种井下信号调制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井下信号调制方法和装置，该方法包括：在钻进过程中采集井下测量信号；根据钻井作业条件和要求选择调制方式，并根据所选择的调制方式对井下测量信号进行调制；其中，调制后的井下测量信号用于控制剪切阀式泥浆脉冲发生器。通过本发明的方案，可以根据钻井作业条件和要求选择调制方式，降低了信号畸变程度，在保证解调效果的前提下，最大限度降低了信号基波频率，提高了数据传输速率；并且最大限度降低了信道对泥浆压力波衰减的影响，有效规避了泵噪对信号的影响，降低了消噪难度。
Description
技术领域
本发明涉及随钻测井技术，尤其涉及一种井下信号调制方法和装置。
背景技术
泥浆脉冲遥传***是随钻测量(Measure While Drilling，简称MWD)和随钻测井(Logging While Drilling，简称LWD)设备中的重要组成部分，是井下信息实时地传输到地面的途径，由脉冲发生器，传输管道，地面采集解调***组成。其中脉冲发生器为脉冲发生装置，作为一个独立的短节串联于随钻测井仪器串中，传输管道即为钻柱内的泥浆通道，地面采集解调***通过压力传感器采集泥浆压力信号进行解调，最终得到各测井参数。随着地层评价技术的不断发展，井下数据量在逐渐增大，MWD***的传输速率逐渐成为制约井下数据上传的瓶颈，高速率随钻数据传输***成为一种必然需求。
本文所述剪切阀脉冲器核心部件为定转子，阀片在井下通过剪切钻柱内的流体，利用流体的水锤效应，使泥浆产生压力脉动。
流体在钻柱内的流动状态多为紊流状态，钻柱内的泥浆压力会产生波动。转子剪切流体时所受的水力转矩有波动，造成脉冲发生器对电动机转矩和瞬时功率需求较大。从这一点来讲，井下压力波的要求的平顺性要好，要能够最大限度地降低驱动电机的功率。
在钻进过程中，随着地质条件，钻进深度变化，相应的泥浆泵排量，泥浆粘度等也要随其变化。为了能够产生出易于地表解调的压力波形，既要保证足够的压力波幅值，又要使整个压力波的一致性好，特征性明显。
如何将测得的井下信号，通过合适的调制方式进行传输，以降低信号畸变程度，在保证解调效果的前提下，最大限度降低信号基波频率，提高数据传输速率；并且最大限度降低信道对泥浆压力波衰减的影响，有效规避泵噪对信号的影响，降低消噪难度是本发明的研究重点。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种井下信号调制方法和装置，能够降低信号畸变程度，提高数据传输速率，并且最大限度降低信道对泥浆压力波衰减的影响，有效规避泵噪对信号的影响，降低消噪难度。
为了达到上述目的，本发明提出了一种井下信号调制方法，该方法包括：
在钻进过程中采集井下测量信号；
根据钻井作业条件和要求选择调制方式，并根据所选择的调制方式对井下测量信号进行调制；
其中，调制后的井下测量信号用于控制剪切阀式泥浆脉冲发生器。
可选地，钻井作业条件包括：井况和泵噪；
钻井作业要求包括：码率要求；
调制方式包括：振幅键控调制方式、相移键控调制方式和频移键控调制方式。
可选地，根据钻井作业条件和要求选择调制方式包括：
当工况满足预设的工况标准、泵噪满足预设的易消除指数并且码率要求大于或等于预设的第一码率阈值时，选择振幅键控调制方式；
当工况不满足预设的工况标准、泵噪不满足预设的易消除指数并且码率要求大于或等于预设的第二码率阈值时，选择频移键控调制方式；其中，第二码率阈值小于第一码率阈值；
当工况不满足预设的工况标准、泵噪不满足预设的易消除指数并且码率要求小于第二码率阈值时，选择相移键控调制方式或频移键控调制方式。
可选地，相移键控调制方式包括：零点调相、等待调相和多周期调相。
零点调相是指：均在载波波形的零点位置处改变相位；
等待调相是指：在每个载波波形周期内预留出调相时间，每个载波波形周期包含信号部分和调相部分；
多周期调相是指：在信号部分采用多周期信号元调制；在调相部分采用与信号元同频或半频的波形进行调制。
可选地，
零点调相的实现方式包括：将载波中单个整周期正弦波形更改为由相位相差180度的正弦波形相间拼合而成。
等待调相的实现方式包括：如果载波的前后波形的相位相同则保持当前相位不变，如果载波的前后波形的相位不相同则在每个波形周期的调相部分进行调相；
多周期调相的实现方式包括：如果载波的前后波形的相位相同则采用同频信号调相，如果载波的前后波形的相位不相同则采用半频信号调相。
可选地，频移键控调制方式包括：二进制半周期CPFSK调制方式、二进制全周期CPFSK调制方式和四进制CPFSK调制方式。
二进制半周期CPFSK调制方式是指：分别采用半周期和全周期正弦波形作为调制信号；
二进制全周期CPFSK调制方式是指：使用完整的正弦波形替代所述二进制半周期CPFSK调制方式中的半周期正弦波；
四进制CPFSK调制方式是指：采用四种不同频率的正弦波分别调制00、01、10、11四个数据。
为了达到上述目的，本发明还提出了一种井下信号调制装置，该井下信号调制装置包括：信号采集模块和信号调制模块。
信号采集模块，用于在钻进过程中采集井下测量信号；
信号调制模块，用于根据钻井作业条件和要求选择调制方式，并根据所选择的所述调制方式对井下测量信号进行调制；
其中，调制后的井下测量信号用于控制剪切阀式泥浆脉冲发生器。
可选地，钻井作业条件包括：井况和泵噪；
钻井作业要求包括：码率要求；
调制方式包括：振幅键控调制方式、相移键控调制方式和频移键控调制方式。
可选地，信号调制模块根据钻井作业条件和要求选择调制方式包括：
当工况满足预设的工况标准、泵噪满足预设的易消除指数并且码率要求大于或等于预设的第一码率阈值时，选择振幅键控调制方式；
当工况不满足预设的工况标准、泵噪不满足预设的易消除指数并且码率要求大于或等于预设的第二码率阈值时，选择频移键控调制方式；其中，第二码率阈值小于第一码率阈值；
当工况不满足预设的工况标准、泵噪不满足预设的易消除指数并且码率要求小于第二码率阈值时，选择相移键控调制方式或频移键控调制方式。
可选地，相移键控调制方式包括：零点调相、等待调相和多周期调相。
零点调相是指：均在载波波形的零点位置处改变相位。
等待调相是指：在每个载波波形周期内预留出调相时间，每个载波波形周期包含信号部分和调相部分。
多周期调相是指：在信号部分采用多周期信号元调制；在调相部分采用与信号元同频或半频的波形进行调制。
频移键控调制方式包括：二进制半周期CPFSK调制方式、二进制全周期CPFSK调制方式和四进制CPFSK调制方式。
二进制半周期CPFSK调制方式是指：分别采用半周期和全周期正弦波形作为调制信号。
二进制全周期CPFSK调制方式是指：使用完整的正弦波形替代二进制半周期CPFSK调制方式中的半周期正弦波。
四进制CPFSK调制方式是指：采用四种不同频率的正弦波分别调制00、01、10、11四个数据。
与现有技术相比，本发明包括：在钻进过程中采集井下测量信号；根据钻井作业条件和要求选择调制方式，并根据所选择的调制方式对井下测量信号进行调制；其中，调制后的井下测量信号用于控制剪切阀式泥浆脉冲发生器。通过本发明的方案，可以根据钻井作业条件和要求选择调制方式，降低了信号畸变程度，在保证解调效果的前提下，最大限度降低了信号基波频率，提高了数据传输速率；并且最大限度降低了信道对泥浆压力波衰减的影响，有效规避了泵噪对信号的影响，降低了消噪难度。
附图说明
下面对本发明实施例中的附图进行说明，实施例中的附图是用于对本发明的进一步理解，与说明书一起用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限制。
图1为本发明实施例的井下信号调制方法流程图；
图2为常规的剪切阀式泥浆脉冲发生器工作原理图；
图3为本发明实施例的零点调相PSK调制波形示意图；
图4为本发明实施例的零点零速调相PSK调制波形示意图；
图5为本发明实施例的井下信号调制装置组成框图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述，并不能用来限制本发明的保护范围。
本申请所述问题在于如何将井下测量信号，通过合适的调制方式传输，这样的调制方式能使信号特征更明显，提高信噪比，以利于地表的解调***解调；能够降低信号畸变程度，提高数据传输速率，并且最大限度降低信道对泥浆压力波衰减的影响，有效规避泵噪对信号的影响，降低消噪难度。
为了达到上述目的，本发明提出了一种井下信号调制方法，如图1所示，该方法包括步骤S101-S102：
S101、在钻进过程中采集井下测量信号。
在本发明实施例中，图2为剪切阀式泥浆脉冲发生器工作原理图。如图2所示，在钻进过程中，井下测量传感器测得工程参数及地层参数，这些测得的参数为模拟信号，通过数据编码器转换为数字信号。该数字信号即为本发明实施例所述的井下测量信号。数字信号经过控制电路进行调制(调制方法由本发明实施例的井下信号调制装置发送给控制电路)，调制后生成驱动电路的控制信号。将该控制信号传递给驱动电路，驱动电路根据该控制信号驱动电动机运动，电动机按着控制电路给定的控制信号进行运动，带动泥浆脉冲发生器转子旋转或摆动，泥浆脉冲发生器的定转子剪切流经的流体，产生脉冲信号，这些脉冲信号，经过钻杆传输到地面立管上，数据采集***对地面立管上压力传感器进行压力信号采集，通过解调***对井下的压力信号进行解析，传输上来的泥浆脉冲信号转换为井下工程参数和地层参数。
S102、根据钻井作业条件和要求选择调制方式，并根据所选择的调制方式对井下测量信号进行调制。
随钻测井***为定向钻井实时导向提供地层数据支持，为了给导向及地质分析提供更丰富的实时数据，需要高速率的数据传输***实时将井下测井仪器测得数据及时传输至地面，而这种高速率数据传输***中的关键技术即为本发明实施例所述的高速率数据调制方式，下面基于钻井现况对本发明实施例的调制方式做详细介绍。
在本发明实施例中，剪切阀式泥浆脉冲发生器核心部件为定转子，阀片在井下通过剪切钻柱内的流体，利用流体的水锤效应，使泥浆产生压力脉动。流体在钻柱内的流动状态多为紊流状态，钻柱内的泥浆压力会产生波动。转子剪切流体时所受的水力转矩有波动，造成剪切阀式泥浆脉冲发生器对电动机转矩和瞬时功率需求较大。从这一点来讲，井下压力波的要求的平顺性要好，要能够最大限度地降低驱动电机的功率。另外，在钻进过程中，随着地质条件，钻进深度变化，相应的泥浆泵排量，泥浆粘度等也要随其变化。为了能够产生出易于地表解调的压力波形，既要保证足够的压力波幅值，又要使整个压力波的一致性好，特征性明显。基于以上分析，所采集的井下测量信号需要通过特殊的调制方式传输，这样的调制方式能使信号特征更明显，提高信噪比，以利于地表的解调***解调。并且能够降低信号畸变程度，在保证解调效果的前提下，最大限度降低信号基波频率，提高数据传输速率；最大限度降低信道对泥浆压力波衰减的影响，有效规避泵噪对信号的影响，降低消噪难度。
在本发明实施例中，不同调制方式的频谱特性不同，不同调制方式的抗噪能力不同，在不同的噪声环境中，应有针对性的选择调制方式。为了稳定控制转子，使转子的运动轨迹符合上述要求。就需要根据具体的钻井作业条件和要求改变井下剪切阀式泥浆脉冲发生器的调制方式。
可选地，钻井作业条件包括：井况和泵噪；钻井作业要求包括：码率要求。
在本发明实施例中，目前剪切阀式泥浆脉冲发生器受到的外部环境影响以及钻井作业的一些基本要求包括：
1、剪切阀式泥浆脉冲发生器结构及泥浆信道具有频率选择特性，即对不同频率信号的衰减程度不同，衰减大的频率信号质量差，解调难度大。为保证解调效果，应尽量选择衰减小的频率作为基频。
2、工程上对最低码率有要求。本申请中的数据传输***目的是将井下测井数据传输至地面，供解释人员及定向井工程师等分析井况并指导下一步钻井使用。不同井所需上传的参数不同，数据点密度不同，因此所需码率也不相同。现场会根据需求，给出最低码率要求。
3、信号频谱主峰值应避开主要噪声频率，如泵噪频率，环境电噪声等噪声。这样可以减少噪声对信号的影响，提高解调准确性。
可选地，调制方式包括：振幅键控调制方式、相移键控调制方式和频移键控调制方式。
在本发明实施例中，从调制方法上看，主要有振幅键控调制方式(振幅键控Amplitude-Shift-Keying，简称ASK)、相移键控调制方式(相移键控Phase-Shift-Keying，简称PSK)和频移键控调制方式(频移键控Frequency-Shift Keying，简称FSK)等，这几种方法属于数字带通传输***的基本调制方式。但是根据剪切阀式泥浆脉冲发生器的结构及转子的运动方式，并考虑上述的钻井作业条件和要求进行载波方式控制，需要进一步更详细地规划每种调试方式。
可选地，根据钻井作业条件和要求选择调制方式包括下述三种情况：
情况一、当工况满足预设的工况标准、泵噪满足预设的易消除指数并且码率要求大于或等于预设的第一码率阈值时，选择振幅键控调制方式。
在本发明实施例中，如果在钻井作业中，井况较好，泵噪均匀易消除(泵噪满足预设的易消除指数)，码率(码率是指数据传输时单位时间传送的数据位数)要求较高，则可以选择OOK(二进制启闭键控On-Off Keying简称OOK，OOK是ASK调制的一个特例，把一个幅度取为0，另一个幅度为非0，就是OOK)调制方式，在该码率下具有相较于另外两种调制方式(相移键控和频移键控)更低的基频，从而可以获得更大的信号能量，并降低剪切阀式泥浆脉冲发生器的磨损。在本发明实施例中，可以预先设置工况标准，以检验当前工况是否良好，具体地，满足预设的工况标准的工况说明工况良好，不满足预设的工况标准的工况说明工况较差。另外，还可以预先设置码率阈值，如上述的第一码率阈值，当码率要求大于或等于预设的第一码率阈值时，说明码率要求较高，当码率要求小于预设的第一码率阈值时，说明码率要求较低。需要说明的是，具体的工况标准和码率阈值均可以根据不同的作业进行不同的设置，在此不做具体限制。
情况二、当工况不满足预设的工况标准、泵噪不满足预设的易消除指数并且码率要求大于或等于预设的第二码率阈值时，选择频移键控调制方式；其中，第二码率阈值小于第一码率阈值。
在本发明实施例中，如果在钻井作业中，井况一般(工况不满足预设的工况标准)，泵噪较差，消噪难度大(泵噪不满足预设的易消除指数)，码率要求中等或较高，可选择FSK调制方式，该调制方式具有所占频带窄的特性，容易避开泵噪及其它噪声频段，便于提取有效信号，相比于另外两种调制方式(振幅键控调制方式和相移键控)，具有更优的解调效果。
情况三、当工况不满足预设的工况标准、泵噪不满足预设的易消除指数并且码率要求小于第二码率阈值时，选择相移键控调制方式或频移键控调制方式。
在本发明实施例中，如果在钻井作业中，井况一般(工况不满足预设的工况标准)，泵噪较差消噪难度大(泵噪不满足预设的易消除指数)，码率要求较低，可选择PSK调制方式，该调制方式频率变化少，波形重复度高，可极大降低因频率切换产生的波形畸变对解调效果的影响。此种情况下亦可选择FSK调制方式，但不宜选择OOK调制方式。因OOK调制方式频带较广，不宜采用频率域消噪方法，且其抗噪性较差，当井况一般，其他噪声较为复杂时，极易引起解调出错。
下面对每种调制方式做详细介绍。
方式一、振幅键控，调幅方式利用载波的幅度变化传递数字信息，在二进制振幅键控调制方式中，载波的幅度只有两种变化，分别对应二进制信息“0”和“1”。控制电路接收到数字信号后，将0调制成第一波形，将1调制成为第二波形，将调制后波形输出给驱动电路。
若将振幅键控表示为基带信号控制载波信号变化的方式，即：e2ASK(t)＝s(t)b(t)，其中b(t)为载波，载波可选择正弦波、方波、三角波等。s(t)为基带信号，可表示为：
其中：an是第n个信号的电平取值，可取an＝1,0表示不同的符号；亦可取an＝1,-1。Ts为码元持续时间；g(t)为持续时间为Ts的基带脉冲波形；e2ASK(t)表示二进制幅移键控时域信号。
方式二、相移键控，调相方式可以采用不同相位的波形进行数据的调制，根据本专利所述应用环境，需设计调相方式以保证信号的相位连续性，确保电机运转无跳变，削弱电机抖动，减小波形畸变。
其中e2PSK(t)表示二进制相移键控信号，A为信号波形，表示为信号角频率ωc与第n个符号的绝对相位的函数。
可选地，相移键控调制方式包括：零点调相、等待调相和多周期调相。
1、零点调相是指：均在载波波形的零点位置处改变相位。
零点调相方式，总是在波形的零点位置处改变相位，设发送的数据序列为an(n＝1、2、3、...、n)，采用正弦信号作为调制波形，则零点调相PSK调制方式对应的调制信号可表示为：
其中，0≤t＜T,T为载波周期。
因此，发送数据“1”时波形相位为0°，发送数据“0”时波形相位为180°，调制波形如图3所示。
可选地，零点调相的实现方式包括：将载波中单个整周期正弦波形更改为由相位相差180度的正弦波形相间拼合而成。
在本发明实施例中，由于标准的正弦波在零点位置具有最大速度，无法做到平滑的电机控制，因此在实际操作中考虑对调制波形进行优化，需要保证零点速度为零以保证电机控制质量。具体地，可以将单个整周期正弦波形更改为由上下两个正弦波形拼合而成，即将载波中单个整周期正弦波形更改为由相位相差180度的正弦波形相间拼合而成，使其在零点速度为零，如图4所示。需要说明的是，该方法仅是本发明的一个具体实施例，在其它实施例中，还可以采用其他方式，任何能够使得零点速度为零的方法均在本发明实施例的保护范围之内。
2、等待调相是指：在每个载波波形周期内预留出调相时间，每个载波波形周期包含信号部分和调相部分。
等待调相方式，加入了时间为n个基频周期的调相周期，其中n可取正整数或分数均可。
可选地，等待调相的实现方式包括：如果载波的前后波形的相位相同则保持当前相位不变，如果载波的前后波形的相位不相同则在每个波形周期的调相部分进行调相。
在本发明实施例中，具体的调相波形也不局限于正弦波方式，在其它实施例中还可以选择其他波形，任何能够满足调相到位，保持相位连续性的波形均在本发明实施例的保护范围之内。
3、多周期调相是指：采用多周期信号元进行信号调制，单信号元周期时长进行相位调制，即在信号部分采用多周期信号元调制；在调相部分采用与信号元同频(或倍频)或半频(或半频的奇数倍)的波形进行调制。或者理解为，将一位信号(如一个0或1)的长度等分为n份，前n-m份用于信号调制，后m份用于调相，其中n和m均为正整数，n＞m。
需要说明的是，该信号元是指一种预先规定的具有预设时间长度的信号波形，如单位周期的信号波形；该信号波形可以为正弦波、三角波、方波等任意波形。
多周期调相方式(同波形调相方式)，与等待调相方式类似，每个符号周期包含信号部分与调相部分，其中信号部分可采用多周期信号元调制，设信号元频率为ωb；调相部分采用与信号元同频(或倍频)或半频(或半频的奇数倍)的波形，即nωb或其中n为正整数。
可选地，多周期调相的实现方式包括：如果载波的前后波形的相位相同则采用同频信号调相，如果载波的前后波形的相位不相同则采用半频信号调相。
方式3：频移键控，连续相位调频方式可以使用不同频率的基波信号对数据进行调制，如高频信号调制数据“1”，低频调制数据“0”。
可选地，频移键控调制方式包括：二进制半周期CPFSK(Continuous-Phase–Frequency-Shift-Keying，连续相位频移键控)调制方式、二进制全周期CPFSK调制方式和四进制CPFSK调制方式。
1、二进制半周期CPFSK调制方式是指：分别采用半周期和全周期正弦波形作为调制信号；二进制全周期CPFSK调制方式是指：使用完整的正弦波形替代所述二进制半周期CPFSK调制方式中的半周期正弦波。
二进制半周期CPFSK调制方式分别采用半周期和全周期正弦波形作为调制信号，即当一个载波周期长度为T时，基频频率分别为1/2T，1/T。
二进制全周期CPFSK调制方式为使用完整的正弦波形替代二进制半周期CPFSK调制方式中的半周期正弦波。即当一个符号周期长度T时，则两个基频分别为m/T，n/T；其中，m，n为整数。
采用半周期和全周期正弦波形作为调制信号是指：低频信号周期长，采用半周期表示一个符号(如表示“1”)，高频信号周期短，采用一个整周期表示一个符号(如表示“0”)。
二进制频移键控调制方式可表示为如下式所示信号：
其中：A表示调制波形，可为正弦波、三角波等波形。该波形为频率ω与起始相位的函数。两种符号选择不同频率的信号，即ω不同。根据需要确定两种符号的起始相位具体方法在四进制CPFSK后叙述。
2、四进制CPFSK调制方式是指：采用四种不同频率的正弦波分别调制00、01、10、11四个数据。
四进制CPFSK调制方式采用四种不同频率的正弦波分别调制00，01，10，11四个组数据，表达式可表示如下：
可采用呈倍数关系的频率作为基频，如ω，2ω，4ω，8ωHz；也可采用等间隔频率作为基频，如ω，ω+n，ω+2n，ω+3n；或其他方式选取基频，如ω1，ω2，ω3，ω4。无论采用何种基频，均需考虑前后符号间的相位连续性，保持相位连续性，可以降低电机控制难度，降低波形畸变，利于解调。
关于相位连续性的解决，若每个符号的起始相位与结束相位均相同，且不同符号的起始相位也相同，则信号直接具有连续相位；若存在某个或某几个符号起始相位与结束相位相反，可采用同频率的互呈相反相位的两种波形表示一个符号，调制信号时，选择起始相位与前一符号位的结束相位相同的波形作为该符号位的调制波形。
综上所述，本发明实施例的调制方式具有以下优势：
1、信号的相位连续性保证了电机具有相对平稳的瞬时电流，从而保证了其稳定的功率，使得电机易于控制，进而保证了信号发生质量。
2、信号的波形连续性使得信号中的突变少，高频分量少，泥浆传输信道具有低通滤波的特性，信号具有较好的波形连续性，在泥浆传输信道中才能最大限度地保留有效信号，降低信道衰减对信号质量的影响。
3、部分调制方式采用了多周期信号调制，能够极大地削弱前序信号的余波影响，便于解调。
4、本发明实施例的调制方式配合对应的解调方法，可实现6bps以上高速率的实时信号传输。
5、本发明实施例的调制方式利于信号处理，具有较窄的频带范围，可以方便地根据需要避开泵噪频率谱线，便于消噪处理。
6、本发明实施例的调制方式可以参数化控制，包括频率，波形，幅值等参数，利于根据实际情况，通过指令下传***，灵活切换调制方式，更高效地利用仪器的井下时间，及时根据解调效果调整调制方式。
在本发明实施例中，调制后的井下测量信号用于控制剪切阀式泥浆脉冲发生器。
基于上述的多种调制方式，在选择出合适的调制方式以后，便可以根据选出的调制方式控制剪切阀泥浆脉冲器。
随着井下挂接的地层评价参数仪器越来越多，对随钻测井中的数据传输率的要求也不断提高，需要传输速率更高，更为可靠的信号遥传***。目前，利用泥浆脉冲传输的方法是众多井下信息传输方式中较为可靠，应用最为广泛的传输方式。
泥浆脉冲发生器脉冲发生机构的转子往复摆动剪切流体，这种往复摆动剪切流体的转子运动速度较快，载波频率高，基于此种原理的泥浆脉冲发生器属于高速率泥浆脉冲发生器。具体地，高速率泥浆脉冲发生器的脉冲发生机构由转子和定子组成，转子的运动形式有旋转运动和往复运动两种，两种运动形式中，转子都是剪切流体产生压力脉冲，这样的泥浆脉冲发生器称为剪切阀式泥浆脉冲发生器。由高速率泥浆脉冲发生器、地面数据采集及解调软件组成完整的***称为高速率泥浆脉冲遥传***。
综上可知，剪切阀式泥浆脉冲发生器通过转子转动切割泥浆液面，使泥浆中产生连续压力波，通过泥浆流道传输至地面。本发明实施例所述调制方式适用于该套剪切阀式泥浆脉冲发生器。
剪切阀式泥浆脉冲发生器通过电机控制，受泥浆冲蚀及电机功耗扭矩等限制，所发送压力波频率不能太高，同时需要波形尽量为连续相位衔接以降低信号畸变程度。本发明实施例所述调制方式能够在保证解调效果，较高数据传输速率及适应电机控制能力间达到最佳平衡。
泥浆脉冲传输***相当于一个低通信道，对数据调制方式有较多限制，本发明实施例所述调制方式适用于该种低通信道，最大限度降低信道对泥浆压力波衰减的影响。并且本发明实施例的调制方式中的连续相位的特性可最大限度降低信号在该信道中的畸变。
另外，剪切阀式泥浆脉冲发生器转子通过电机控制，受泥浆介质条件影响及电机能力限制，要求调制方式具有连续相位，摆动速率不可过快。本调制方式可以在保证信号质量及解调效果的前提下，最大限度降低信号基波频率，提高数据传输速率。
随钻数据传输***采用泥浆脉冲方式传输，传统的有正脉冲，负脉冲等方式，对应的调制方式有PI码(Pulse Interval，脉冲时序编码)和PA码(Pulse Amplitude，脉冲幅度编码)等调制方式，适用于针阀式脉冲器，可实现1bps稳定传输，最高可达到3bps传输速率。剪切阀式泥浆脉冲发生器通过转子摆动，同样可以产生正脉冲波形，因此，PI码与PA码也适用于本文所述剪切阀式泥浆脉冲发生器。因摆动阀的灵活性，可以发生比针阀式脉冲器更高频率的脉冲信号，经验证，最高可实现6bps传输速率。因此综合使用原始调制方式及本文所述高速率调制方式，可实现剪切阀式泥浆脉冲发生器高低码率全范围信号的调制。
为了达到上述目的，本发明还提出了一种井下信号调制装置1，如图5所示，该井下信号调制装置包括：信号采集模块11和信号调制模块12。
信号采集模块11，用于在钻进过程中采集井下测量信号。
信号调制模块12，用于根据钻井作业条件和要求选择调制方式，并根据所选择的所述调制方式对井下测量信号进行调制；其中，调制后的井下测量信号用于控制剪切阀式泥浆脉冲发生器。
可选地，钻井作业条件包括：井况和泵噪；
钻井作业要求包括：码率要求；
调制方式包括：振幅键控调制方式、相移键控调制方式和频移键控调制方式。
可选地，信号调制模块12根据钻井作业条件和要求选择调制方式包括：
当工况满足预设的工况标准、泵噪满足预设的易消除指数并且码率要求大于或等于预设的第一码率阈值时，选择振幅键控调制方式；
当工况不满足预设的工况标准、泵噪不满足预设的易消除指数并且码率要求大于或等于预设的第二码率阈值时，选择频移键控调制方式；其中，第二码率阈值小于第一码率阈值；
当工况不满足预设的工况标准、泵噪不满足预设的易消除指数并且码率要求小于第二码率阈值时，选择相移键控调制方式或频移键控调制方式。
可选地，相移键控调制方式包括：零点调相、等待调相和多周期调相。
零点调相是指：均在载波波形的零点位置处改变相位。
等待调相是指：在每个载波波形周期内预留出调相时间，每个载波波形周期包含信号部分和调相部分。
多周期调相是指：在信号部分采用多周期高频信号调制，其中高频是指高于码率的基频；在调相部分采用与信号同频或半频的波形进行调制。
频移键控调制方式包括：二进制半周期CPFSK调制方式、二进制全周期CPFSK调制方式和四进制CPFSK调制方式。
二进制半周期CPFSK调制方式是指：分别采用半周期和全周期正弦波形作为调制信号。
二进制全周期CPFSK调制方式是指：使用完整的正弦波形替代二进制半周期CPFSK调制方式中的半周期正弦波。
四进制CPFSK调制方式是指：采用四种不同频率的正弦波分别调制00、01、10、11四个数据。
与现有技术相比，本发明包括：在钻进过程中采集井下测量信号；根据钻井作业条件和要求选择调制方式，并根据所选择的调制方式对井下测量信号进行调制；其中，调制后的井下测量信号用于控制剪切阀式泥浆脉冲发生器。通过本发明的方案，可以根据钻井作业条件和要求选择调制方式，降低了信号畸变程度，在保证解调效果的前提下，最大限度降低了信号基波频率，提高了数据传输速率；并且最大限度降低了信道对泥浆压力波衰减的影响，有效规避了泵噪对信号的影响，降低了消噪难度。
本实施例所述调制方式，充分考虑了钻井工程参数对井下泥浆脉冲发生器的工作状态的影响，以及泥浆信道、泵噪等对接收信号的干扰；同时具有可参数化控制的优点，可以根据井况需求，实时调整调制方式相关参数从而使得接收端信噪比尽量高，利于解调；或在信号可解***况下，调整参数以尽量降低电机功耗，减弱泥浆对阀片的冲蚀等。
需要说明的是，以上所述的实施例仅是为了便于本领域的技术人员理解而已，并不用于限制本发明的保护范围，在不脱离本发明的发明构思的前提下，本领域技术人员对本发明所做出的任何显而易见的替换和改进等均在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种井下信号调制方法，其特征在于，所述方法包括：
在钻进过程中采集井下测量信号；
根据钻井作业条件和要求选择调制方式，并根据所选择的所述调制方式对所述井下测量信号进行调制；
其中，调制后的井下测量信号用于控制剪切阀式泥浆脉冲发生器；
所述钻井作业条件包括：工况和泵噪；
所述钻井作业要求包括：码率要求；
所述调制方式包括：振幅键控调制方式、相移键控调制方式和频移键控调制方式；
所述根据钻井作业条件和要求选择调制方式包括：
当所述工况满足预设的工况标准、所述泵噪满足预设的易消除指数并且所述码率要求大于或等于预设的第一码率阈值时，选择所述振幅键控调制方式；
当所述工况不满足预设的工况标准、所述泵噪不满足预设的易消除指数并且所述码率要求大于或等于预设的第二码率阈值时，选择所述频移键控调制方式；其中，所述第二码率阈值小于所述第一码率阈值；
当所述工况不满足预设的工况标准、所述泵噪不满足预设的易消除指数并且所述码率要求小于所述第二码率阈值时，选择所述相移键控调制方式或所述频移键控调制方式。
2.如权利要求1所述的井下信号调制方法，其特征在于，所述相移键控调制方式包括：零点调相、等待调相和多周期调相；
所述零点调相是指：均在载波波形的零点位置处改变相位；
所述等待调相是指：在每个载波波形周期内预留出调相时间，每个载波波形周期包含信号部分和调相部分；
所述多周期调相是指：在所述信号部分采用多周期信号元调制；在所述调相部分采用与信号元同频或半频的波形进行调制。
3.如权利要求2所述的井下信号调制方法，其特征在于，
所述零点调相的实现方式包括：将载波中单个整周期正弦波形更改为由相位相差180度的正弦波形相间拼合而成；
所述等待调相的实现方式包括：如果载波的前后波形的相位相同则保持当前相位不变，如果载波的前后波形的相位不相同则在每个所述波形周期的调相部分进行调相；
所述多周期调相的实现方式包括：如果载波的前后波形的相位相同则采用同频信号调相，如果载波的前后波形的相位不相同则采用半频信号调相。
4.如权利要求1所述的井下信号调制方法，其特征在于，所述频移键控调制方式包括：二进制半周期CPFSK调制方式、二进制全周期CPFSK调制方式和四进制CPFSK调制方式；
所述二进制半周期CPFSK调制方式是指：分别采用半周期和全周期正弦波形作为调制信号；
所述二进制全周期CPFSK调制方式是指：使用完整的正弦波形替代所述二进制半周期CPFSK调制方式中的半周期正弦波；
所述四进制CPFSK调制方式是指：采用四种不同频率的正弦波分别调制00、01、10、11四个数据。
5.一种井下信号调制装置，其特征在于，所述井下信号调制装置包括：信号采集模块和信号调制模块；
所述信号采集模块，用于在钻进过程中采集井下测量信号；
所述信号调制模块，用于根据钻井作业条件和要求选择调制方式，并根据所选择的所述调制方式对所述井下测量信号进行调制；
其中，调制后的井下测量信号用于控制剪切阀式泥浆脉冲发生器；
所述钻井作业条件包括：工况和泵噪；
所述钻井作业要求包括：码率要求；
所述调制方式包括：振幅键控调制方式、相移键控调制方式和频移键控调制方式；
所述信号调制模块根据钻井作业条件和要求选择调制方式包括：
当所述工况满足预设的工况标准、所述泵噪满足预设的易消除指数并且所述码率要求大于或等于预设的第一码率阈值时，选择所述振幅键控调制方式；
当所述工况不满足预设的工况标准、所述泵噪不满足预设的易消除指数并且所述码率要求大于或等于预设的第二码率阈值时，选择所述频移键控调制方式；其中，所述第二码率阈值小于所述第一码率阈值；
当所述工况不满足预设的工况标准、所述泵噪不满足预设的易消除指数并且所述码率要求小于所述第二码率阈值时，选择所述相移键控调制方式或所述频移键控调制方式。
6.如权利要求5所述的井下信号调制装置，其特征在于，所述相移键控调制方式包括：零点调相、等待调相和多周期调相；
所述零点调相是指：均在载波波形的零点位置处改变相位；
所述等待调相是指：在每个载波波形周期内预留出调相时间，每个载波波形周期包含信号部分和调相部分；
所述多周期调相是指：在所述信号部分采用多周期信号元调制；在所述调相部分采用与信号元同频或半频的波形进行调制；
所述频移键控调制方式包括：二进制半周期CPFSK调制方式、二进制全周期CPFSK调制方式和四进制CPFSK调制方式；
所述二进制半周期CPFSK调制方式是指：分别采用半周期和全周期正弦波形作为调制信号；
所述二进制全周期CPFSK调制方式是指：使用完整的正弦波形替代所述二进制半周期CPFSK调制方式中的半周期正弦波；
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