[发明专利]一种旋转导向工具地面指令下传系统及方法

权利要求书

1.一种旋转导向式地面指令下传系统，其特征在于，包括编码模块、控制模块、检测模块和信号处理模块；

所述编码模块，用于将地面控制指令编码为二进制码，二进制码经信号调制成码元序列，依据码元序列确定钻具的设定旋转转速；所述编码模块将地面控制指令编码为二进制码，二进制码经信号调制成码元序列并与旋转导向工具中钻具的旋转转速一一对应；所述钻具的旋转转速包括转速的大小和旋转的方向，依据不同的二进制码位序列对应不同的信号频率大小，并对应设定不同的旋转转速进行信号调制；

所述控制模块，用于通过顶驱装置控制钻具依照设定旋转转速进行作业；在变换旋转转速之前预留所述钻具底部接收旋转转速变化所需要的延时时间；钻具的扭转延时特性，综合考虑钻具的材质、尺寸以及钻进深度，同时考虑钻具的转动惯量以确定顶驱旋转速率与两端延时时间之间的系数关系；具体的，顶驱装置将旋转转速从ω₀变换为ω₁，变换时间为t₀，从钻具的顶部下传给钻具的底部，因柔性特征，依据钻具的材质、尺寸及钻井深度因素确定所需要扭转延时时间t₁，钻具底部旋转转速从ω₀变换为ω₁，变换时间为t₀+t₁；

所述检测模块，用于通过磁通门高速采集轴向瞬时的磁场信号，获得周期信号；

所述信号处理模块，用于将采集的周期信号依次通过滤波处理和解码处理，还原地面控制指令；所述信号处理模块包括信号预处理单元和解码单元；所述信号预处理单元，用于剔除失真信号片段和噪声处理；所述失真信号片段，是指考虑所述钻具的扭转延时特性，信号波形在周期信号频率变换的过程中出现波形失真的情况；

钻具旋转转速，用霍尔传感器和磁块的组合来检测；所述霍尔传感器安装在稳定平台上，在钻具钻杆内壁沿圆周均匀分布有若干个磁块，磁块与霍尔传感器位于垂直于钻杆轴线的同一圆截面上；在钻进过程中，底部钻具开始旋转作业，带动着钻杆内壁上磁块一起旋转，稳定平台上的霍尔传感器检测到磁块；在t₀～t₁内，霍尔传感器转过的角度为θ，稳定平台与钻具用轴承进行轴向与径向定位，稳定平台在轴承的支撑下自由旋转；当稳定平台不跟随底部钻具旋转时，霍尔传感器保持不动，则速度v＝θ/(t₁-t₀)；当稳定平台跟随底部钻具旋转时，霍尔传感器有一定的速度ω_s，则速度v＝θ/(t₁-t₀)-ω_s。

2.如权利要求1所示的一种旋转导向式地面指令下传系统，其特征在于，在深井钻进时，考虑柔性钻具的扭转延时特性，在变换旋转转速之前预留钻具底部接收旋转转速变化所需要的延时时间。

3.如权利要求1所示的一种旋转导向式地面指令下传系统，其特征在于，所述检测模块位于井下MWD仪器中，包括磁通门传感器和存储单元；所述磁通门传感器采集三轴方向上的瞬时磁场坐标，检测所述钻具的旋转转速；

所述磁通门传感器随所述钻具旋转并采集坐标数据，所述存储单元事实存储所述磁通门传感器采集的数据。

4.如权利要求1所示的一种旋转导向式地面指令下传系统，其特征在于，所述解码单元，用于将预处理后的信号经解码算法解码成地面控制指令。

5.如权利要求4所示的一种旋转导向式地面指令下传系统，其特征在于，所述噪声处理，是指对预处理后的信号通过滤波算法处理噪声信号，所述滤波算法选用低通滤波、滑动平均值滤波或卡尔曼滤波。

6.如权利要求4所示的一种旋转导向式地面指令下传系统，其特征在于，所述解码单元的解码过程为：

对预处理后的信号进行频谱分析，识别频谱图中各个频率峰值点；

根据信号调制时频率与旋转转速对应规则确定实际钻具对应的旋转转速；

通过编码对照表解码出二进制码序列，识别出地面控制指令。