一种基于甚低频电磁波的井下数据传输系统和方法与流程

本发明涉及录井，具体来讲，涉及一种基于甚低频电磁波的井下数据传输系统和一种基于甚低频电磁波的井下数据传输方法。

背景技术：

1、随着油气勘探开发的深入，对油气藏生产资料的录取质量要求越来越高。在常规的试油和生产动态试井中，通常将电子压力计在地面按时间段和采样间隔进行编程，然后装入压力计托筒随测试工具下入到井筒的测试深度；测试结束后，起出压力计，通过计算机回放数据，获得井下压力、温度数据，再结合施工过程进行试井分析解释，现场不能确定其工作状态和井底真实情况，从而无法实时掌握井下生产动态，给现场测试施工带来很多不可预见的问题，也不能满足数字油田建设需求和当前大规模油气勘探开发的紧迫性。因此，国内外发展出了可直接读取井下数据的方法，目前主要存在有线方式和无线方式。其中，有线方式由于需要采用电缆、光纤等物理介质，下入难度大、井下工况复杂，易损坏，成本高，仅限于探索应用，大规格推广难度高。另一种无线方式，具备施工简单快捷的优点。在油气生产井作业中，可采用低频电磁波/声波等把井底压力计数据等以低频电磁波的方式实时传送地面，主要有两种：1)将测试阀下部的压力通过压力通道或无线方式传输到测试阀上端，然后通过电磁感应等短途无线的方式将数据传输至接收器，再通过电缆将数据传输至地面，其主要代表产品为datalatch工具、emrod工具。2)井下数据至地面所有的传输过程均为无线方式，可将井底压力温度数据无线传输地面传至地面，其主要代表产品为哈里伯顿ats声波遥测系统、enact系统。第一种方式实现简单，但其部分工具(如datalatch工具)都需要改变测试阀的结构，且信号短距离传输，在100m左右，其主要是依靠入井电缆传输信号，通用性不强，适用工况少，仅能在井口压力不高、流量不大情况下作业，无法满足各种井眼的测试。第二种方法技术复杂，采用的无线传输方式包括声波、低频电磁波等多种方式，实现困难，但其具有不依赖测试工具的类型，不受测试工况限制，目前，ats声波遥测系统的一次性声发射传输距离小于2000m，enact系统的传输范围达到1828.8～3200m，但是，随着勘探开发井深越来越深，传输距离的增加，井下电磁信号在井筒内也会衰减严重，超过了现有识别技术的极限，需要进一步创新破解不同电磁波频段在油气生产井筒的传输特性和适应性，摸索油气生产井筒中中继架构的搭建形式，提高井下传输信号距离，增强技术的适应性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种单极传输距离达到4500m的基于甚低频电磁波的井下数据传输系统。

2、为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种基于甚低频电磁波的井下数据传输系统。

3、所述基于甚低频电磁波的井下数据传输系统包括：传感器模块、信号接收和发送模块、第一信号放大器和第二信号放大器。

4、其中，所述传感器模块用于收集井下动态数据。

5、所述信号接收和发送模块与所述传感器模块相连，用于接收所述井下动态数据，并将所述井下动态数据调制得到第一msk调制信号，发送所述第一msk调制信号，以及，接收和解调第二msk调制信号，第二msk调制信号由地面的指令代码调制得到。

6、所述第一功率扩大器和所述信号接收和发送模块相连，用于扩大和发送所述第一msk调制信号。

7、所述第一信号放大器和所述信号接收和发送模块相连，用于扩大和发送所述第二msk调制信号。

8、其中，所述第一msk调制信号和第二msk调制信号通过甚低频电磁波进行传输。

9、在本发明基于甚低频电磁波的井下数据传输系统的一个示例性实施例中，所述系统还可包括下位机，所述下位机的螺旋磁耦合天线的高度可为500～700mm，螺距可为30～60mm，螺旋直径可为50～70mm，螺旋方向为右螺旋。

10、在本发明基于甚低频电磁波的井下数据传输系统的一个示例性实施例中，所述系统还可包括至少一个中继模块，所述中继模块可用于接收第三msk调制信号并进行解调和调制得到第四msk调制信号，以及，转发所述第四msk调制信号，所述第三msk调制信号为包含所述井下动态数据的msk调制信号或所述指令代码的msk调制信号。

11、在本发明基于甚低频电磁波的井下数据传输系统的一个示例性实施例中，所述中继模块可包括一个mcu模块，与至少一个第二信号放大器和一个第二功率扩大器分别相连，所述mcu模块用于对所述第三msk调制信号进行解调和调制得到第四msk调制信号，所述第二信号放大器用于扩大和发送所述第三msk调制信号，所述第二功率扩大器用于扩大和发送所述第四msk调制信号。

12、在本发明基于甚低频电磁波的井下数据传输系统的一个示例性实施例中，所述井下动态数据还可包括井下压力数据和温度数据。

13、在本发明基于甚低频电磁波的井下数据传输系统的一个示例性实施例中，所述井下动态数据可包括井下实时数据、历史数据和测试数据中的一种，所述指令代码可包括发射当前数据指令、停止发射指令、读取历史数据指令、清除历史数据指令和测试指令中的一种。

14、在本发明基于甚低频电磁波的井下数据传输系统的一个示例性实施例中，在所述调制前可采用差分脉冲编码调制算法进行压缩编码。

15、在本发明基于甚低频电磁波的井下数据传输系统的一个示例性实施例中，所述调制可包括：采用最小频移键控msk信号的正交调制来调制msk信号；所述解调可包括：采用msk等效为四相psk的前馈时钟估计算法对msk信号进行解调。

16、在本发明基于甚低频电磁波的井下数据传输系统的一个示例性实施例中，所述系统的掉包率可小于等于0.43％，井下数据传输效率可大于等于4组/min。

17、本发明又一方面提供了一种基于甚低频电磁波的井下数据传输方法，所述方法包括：利用上述任一所述的基于甚低频电磁波的井下数据传输系统传输井下动态数据。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：

19、(1)本发明所提供的基于甚低频电磁波的井下数据传输系统，创新破解不同电磁波频段在油气生产井筒的传输特性和适应性，提供了一种新的中继架构的搭建形式和信号编码解码方式，能够有效提高传输信号距离，单极传输距离可达到4500m。

20、(2)本发明所提供的基于甚低频电磁波的井下数据传输系统，决策者可以接收到实时的井下动态数据，随时可以掌握井下的动态。同时，井下还可以在接收到命令信号后控制执行单元执行相关动作，实现双向通讯。

21、(3)本发明所提供的基于甚低频电磁波的井下数据传输系统，使用了msk井筒信号调制方式，具有很好的抗干扰性能，可以很大程度消除干扰对幅度的影响，减小了误码率，且能够保留信号的能量来提高频谱效率。同时，还采用了msk基于前馈的时钟恢复算法，通过分别估计实部和虚部的同步误差的平均值得到综合估计时延，能够缩小误差，同时收敛快，用时少，对井下信号突发传输系统适应性强，算法复杂度也较低。