前言

旋转导向闭环钻井技术是当今国内外开发的各种先进钻井技术与工艺中具突破性和战略意义的技术，它将计算机控制技术揉合于钻井工具，代表了当今世界钻井技术发展的最高水平。西安石油大学井下测控研究所研究的可控偏心器是智能导向钻井工具，可实现井下闭环旋转导向智能钻井系统。

声波短传的提出

要实现旋转导向闭环钻井就离不开地面和井下组合间的通讯，对于井下到地面的信号传输，石油界已有较为成熟且商业化的技术——随钻测量（MWD），该技术主要用来监测井下工作情况，并将其传输至地面。但是近钻头数据的短距离传输目前还没有成熟的技术。

1993年以来，西安石油大学井下测控研究所一直致力于井下闭环旋转导向智能钻井系统的研究与试验，其中就包括把靠近钻头位置传感器采集的数据传送给主轴，最初是在可控偏心器主轴和不旋转套之间使用滑环来传输信号。但是用这种方法传输信号时出现一些问题，因此最好的解决办法是研制出近钻头无线短传装置。

2007年，西安石油大学井下测控研究所致力于研究电磁遥测方法，根据可控偏心器这种特殊的结构，建立一套无线电磁短传系统。研究的结果是：当发射线圈和接收线圈安装在钻铤的内部，泥浆完全导电，信号发射功率为0.3W时，接收端信噪比是-60dB。但是，这种方法受井筒周围地层电导率的影响较大。因此，本设计决定用声波实现从不旋转套到主轴的信号传输。

可控偏心器中的声波短传

可控偏心器的机械结构

主轴通过轴承的耦合穿过不旋转套，在不旋转套上有电子腔、控制偏心位移矢量的定位总成和翼肋。主轴的一端接钻头，另外一端接稳定器。在稳定器中还有与MWD连接的电源短节。近钻头的传感器如钻头内外压力、钻头姿态等安装在不旋转套上的电子腔中，发射电路板、供电电池和发射换能器也安装在不旋转套内的电子腔中，它们在电子腔内并行放置着。接收端供电电池、接收电路板和接收换能器在稳定器的电源短节中。

声波短传系统的组成

（1）发射装置：发射电路对近钻头传感器送来的数据进行FSK（频移键控）调制，即在传输信号的最佳频率点附近选2个频率点作为调制二进制数据，然后通过耦合电路将调制后的FSK信号送入功率放大器，信号通过功率放大后再送入发射换能器。发射换能器将该电流信号转换成声波信号。而此声波信号在可控偏心器、钻井液、地层构成的回路中传输。

（2）接受装置：位于传输信道另一端的接收换能器将传输过来的声波信号转换成电流信号，将捕获到的信号反馈到小信号放大器，经过放大、噪声滤波、FSK解调以及信号检波等一系列功能模块的处理最终获得传输到MWD的数据，将此数据通过232口传送到PC机上绘图显示。声波短传系统的原理框图如1所示。



图1 声波传输系统原理框图

发射端信号处理

调制方式及同步信号

考虑到声波沿油管传输的声学特性和在可控偏心器传输时的频响曲线，因此利用2FSK调制，选取信道中衰减最小的6.8kHz和7.3kHz作为发射频率。此外，为了在同步时能够进一步分析中低频段油管声信道的频率特性，选择线性调频信号LFM作为同步信号。

软件设计

对C8051F060单片机、AD9833的I/O接口及交叉开关初始化。AD9833初始化流程图如图2所示。在进行FSK调制时，AD9833的两个频率寄存器装载不同的频率值。在本设计中，频率寄存器0装载低频率6830Hz，频率寄存器1装载高频率7230Hz。主程序流程如图3所示。

图2 AD9833初始化流程图

图3 主程序流程