前言
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
寫數(shù)據(jù)到控制寄存器
單片機傳送數(shù)據(jù)到AD9833的時序如圖4所示。FSYNC引腳是使能引腳，電平觸發(fā)方式，低電平有效。進行串行數(shù)據(jù)傳輸時，F(xiàn)SYNC引腳必須置低。需要注意的是，在FSYNC開始變?yōu)榈颓埃磳㈤_始寫數(shù)據(jù)時），SCLK必須為高電平。
圖4 單元機傳送數(shù)據(jù)到AD9833的時序圖
單片機寫16位數(shù)據(jù)到AD9833時，高位在前，低位在后。用軟件模擬時鐘信號和片選信號。傳送數(shù)據(jù)的程序如下：
SCLK=1;
FSYNC=1;
Delay(100);
FSYNC=0;
for(i=0;i<16;i++)
{ SDATA=datas&0x8000;
SCLK=0;
Delay(50) ;
SCLK=1;
datas=datas<<1;
}
Delay(50);
FSYNC=1;
SCLK=0;
輸出波形
在示波器上觀測FSK調(diào)制信號，可看到頻率為7230Hz的正弦信號輸出，實際輸出頻率為7.22985kHz。
接收信號處理
接收處理過程
由于聲波傳感器輸出的是模擬信號，因此在進行ADC采樣之前必須進行信號的預濾波處理?？紤]到最大限度降低信號紋波的要求和濾波器的通帶濾波特性，本設計中采用Butterworth型濾波器。
經(jīng)過調(diào)理后的傳感器信號還不能立即被單片機采樣。這是因為，傳感器輸出信號的范圍是-5V～+5V，而單片機ADC模塊的輸入電壓范圍是0V～2.5V，所以調(diào)理后的傳感器信號必須經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換電路，由精密電壓芯片AD780為單片機提供2.5V標準的ADC參考信號。
程序設計
上位機應用程序是運用MATLAB的類（Serial）和m語言開發(fā)，輔以MATLAB的GUIDE工具箱，程序開發(fā)相對簡單。SoC的程序應用C語言編制。下位機MCU接收到上位PC機的下發(fā)命令后，通過串口中斷程序轉(zhuǎn)入相應的子程序，執(zhí)行相應操作，最后返回一個握手信號作為狀態(tài)標志，確認命令是否被正確執(zhí)行。
幀同步識別
同步過程實際上就是尋找最大相關峰的過程。
先確定一個門限GATE，只有當乘累加的值大于GATE以后才開始比較相關峰。GATE必須設定的意義有兩條：
(1)減少不必要的比較次數(shù)，提高程序執(zhí)行效率；
(2)將隨機噪聲和lfm信號乘累加得出的偽最大相關峰濾掉。
出現(xiàn)大于門限GATE乘累加值時，預示著真實的lfm信號可能到來。找到相關峰值所在的位置，就可以知道信息碼的起始位。
解調(diào)濾波器的軟件設計
設計中心頻率為6830Hz的帶通濾波器，其階數(shù)為8階，采樣頻率為100kHz，通帶范圍內(nèi)的幅值衰減為1dB、阻帶最小衰減為30dB。根據(jù)以上參數(shù)來設計濾波器為：
將高階的IIR濾波器轉(zhuǎn)換為一系列二階IIR濾波器的級聯(lián)。從FDAtool中輸出的分子系數(shù)為Num，分母系數(shù)為Den，增益為Gain。濾波器的傳遞函數(shù)如下式所示：
根據(jù)濾波技術(shù)要求在FDAtool中得到濾波階數(shù)為8階，系數(shù)采用4個二階級聯(lián)方式的IIR濾波器。這四個二階級聯(lián)的根本形式是一樣的，只是在于它的系數(shù)不同，濾波程序的編寫可以采用for循環(huán)的形式，循環(huán)4次就可以構(gòu)成一個點的濾波。整體濾波的軟件流程如圖5所示。
圖5 四階帶通切比雪夫濾波器軟件編程流程圖
本文通過調(diào)用MATLAB中Simulink的各功能模塊構(gòu)成數(shù)字濾波器的仿真框圖。通過Simulink環(huán)境下的數(shù)字濾波器設計模塊導入FDAtool所設計的濾波器文件，反復進行仿真，以得出最好的濾波效果。原始信號波形圖和濾波后信號波形圖分別是圖6和圖7所示。從圖7中可以看到經(jīng)過離散采樣、數(shù)字濾波后分離出了7kHz的頻率分量。
圖6 原始信號波形圖 圖7 濾波后信號波形圖
解調(diào)結(jié)果與分析
采用上述解調(diào)方法，在單片機C8051F060編寫解調(diào)程序，通過適配器完成在線調(diào)試，采用最終調(diào)試成功的解碼軟件進行解碼測試。聲波信號在可控偏心器中傳輸之后，接收端將接收到的信號進行調(diào)理、數(shù)據(jù)采集，采集信號的時域圖如圖8所示，然后進入到解調(diào)程序中進行解調(diào)，在MATLAB中繪制圖形如圖9所示?？梢钥闯觯邮斩诵盘柦?jīng)過解碼之后的碼元是1010101010101010，與發(fā)射端的信息碼是一致的，說明解調(diào)成功。
圖8 信號時域圖 圖9 解碼后的波形圖
結(jié)論
在復雜的井下環(huán)境中，信息準確實時的傳輸非常重要。本文采用2FSK技術(shù)處理旋轉(zhuǎn)導向工具中的聲波短傳信號，相比于泥漿脈沖傳輸方式，信號傳輸速率更快。同時在接收端設計了IIR濾波器，有效地克服了采用電磁波傳輸時衰減嚴重的問題。此外，2FSK技術(shù)設備簡單，解調(diào)方便，有利于推廣使用。