旋转导向地面指令下传技术

石油工程化 工 设 计 通 讯

Petroleum Engineering

Chemical Engineering Design Communications

·23·

第44卷第11期

2018年11月

1 旋转导向地面下传指令装置

地面指令下传装置主要由旁通阀、气动执行器、高压管汇、基座和控制系统组成。旁通阀装置采用气动活塞驱动，通过气动活塞的往复运动，以实现旁通阀内部阀片的开启和关闭动作。在实际作业中旁通阀的进口与立管相连，出口与回路管线相连接到泥浆池。旁通阀开启时，10%~20%的泥浆流量分流回到泥浆池，在钻井管柱中产生泥浆负脉冲。当阀片关闭时，管柱中泥浆压力恢复正常，也就是说指令下传装置是通过对泥浆立管中的泥浆进行定量和定时的分流，使得井下靠泥浆工作的涡轮发电机转子的转速在一定范围内波动，然后通过仪器检测电路检测出电压变化并通过程序对地面系统下发的指令编码进行解码，再将解读出来的指令传输给旋转导向钻井工具的控制电路，用来控制旋转导向钻井工具的导向力和导向方向，从而实现旋转导向工具定向钻井的功能。2 下传指令编解码

2.1 下传指令编码

根据泥浆压力信号的特点以及所要下传控制命令和参数的特征，考虑编码效率和可靠性，设计了以帧为单位的指令下传机制。每一帧总体结构如图1所示：包括同步头（Wakeup Sequence ）、数据头（Header Byte ）、数据（Data ）、校验和（Check Sum ）。其中同步头、数据头、校验和为固定的长度，而数据的长度为为2bit 到12bit ，可同时传两个参数。

Wakeup Seq.

Check Sum

Data

Header Byte

图1 每一帧总体结构

（1）同步头

同步头是一帧数据的开始标志，起传输数据的同步作用。同时告知井下检测系统下传的数据位宽，数据位宽可设置为10s ，15s ，20s 。

同步头的形式：

L →H →Ln →H 。其中H 、L 分别代表1个数据位宽的高、低压力，Ln 代表n s 的低压。n s 低压后固定一个数据位宽的高压力以保证n s 低压时间保持不变。（2）数据头

数据头（结构见图2）包括4bit 的命令指令，3bit 的数据表示Data 位的长度，1bit 对整个数据头进行奇校验。数据头的作用是告知井下检测系统下传的指令和下传数据的长度。

$PNNBOE -FOHUI 1BSJUZ

图2 数据头结构

（3）校验和

长度为4bit ，大小为数据头和数据中1的个数。

2.2 下传指令解码

（1）下传指令信号

指令下传时，指令下传装置根据地面系统的指令对泥浆进行分流动作，导致进入钻杆的泥浆流量发生变化，引起了涡轮发电机转速相应的变化。指令解码板通过检测井下涡轮发电机转速的变化来解码从而得到下传的指令。涡轮发电机转速通过测量发电机输出电压的频率来获得：发电机稳压模块将涡轮发电机三相输出其中的一相转化为电平方波信号，并将方波信号发送至指令解码板，指令解码板接收方波信号并进行计数得到发电机的频率，从而得到涡轮发电机的转速。（2）下传指令解码算法

井下解码板在正确得到涡轮发电机的转速信号后，首先对转速信号进行带通滤波处理，消除了转速低频分量及高频波动的干扰。根据当前转速的大小计算并设置参考值，当微分信号值即转速变化值超过了参考值，说明地面指令下传装置发生了打开和关闭的编码动作，从而判断当前所下传指令的值。同步头状态共分为5个状态，其转换关系如图3所示

.

图3 转换关系图

同步头状态的转换根据当前状态下在规定时间窗口内检测到预期的信号变化则进入下一个状态，如果在规定时间窗口外监测到信号状态跳变，则说明解码有误，同步头状态回到最开始的空闲（D_idle ）状态。以D_syncL →D_syncLH 为例，D_syncL 是指解码板检测到转速信号上一个幅度超过参考值的下跳沿，在此后规定的时间窗口内，转速信号上应该出现一个幅度超过参考值的上升沿，如果出现，同步头状态转换为D_syncLH 。3 结束语

由于井下解码板对转速信号的采样时间与井上控制器的动作时间不一致，加上传输通道带宽、噪声等对传输压力信号的影响，对于数据位的判断会产生偏差，偏差过大会引起数据的错判，因此，系统需保证传输信号的偏差在一定范围内，解码系统需要对信号有足够的分辨率来辨识不同的信号。

参考文献

[1] 毛晓波.单片机原理及接口技术[M].北京：机械工业出版社，2015.

摘　要：主要叙述地面系统通过指令下传装置将命令发送到井下仪器的过程中，关于命令的数据结构、解码及算法的原理介绍。

关键词：指令下传；指令解码；技术中图分类号：TE921 文献标志码：B 文章编号：1003–6490（2018）11–0023–01

Rotary Guided Downlink Transmission Technology

Gao Bo-yue ，Li Gang ，Sun Shi-xian

Abstract ：This paper mainly describes the data structure ，decoding and algorithm of command in the process of sending command to downhole instrument by command download device in ground system.

Key words ：instruction downtransmission ；instruction decoding ；technology 旋转导向地面指令下传技术

高博跃，李 刚，孙师贤

（中海油田服务股份有限公司，天津 300459）

收稿日期：2018–09–20作者简介： 高博跃（1983—），男，天津人，工程师，主要从事石油

测井仪器检测维修工作。