近钻头测量的超声波信号编码与MWD接口研究

论文摘要

本论文所开展的研究工作是中石化重点攻关项目“近钻头无线随钻测斜系统研究”的一部分，主要是研究利用超声波来实现井斜角信号从近钻头处传递到动力钻具之上的MWD短节的实现问题。论文详细地论述了目前国内外在近钻头无线随钻测量方面的现状和进展，针对超声波的传播特性及井下复杂条件，提出了可行的信号编码方案，并通过试验验证此方案具有明显的优势。本系统充分考虑了钻进过程中近钻头部分的剧烈震动、高温、噪声、空间结构狭小、能源受限等特有问题，并针对这些问题在硬件设计中进行了有意义的探索。本文针对超声信号编码方案及硬件设计中的整体设计以及电源、实时时钟、串口通信、CCP等电路给出了较为详细的介绍，对有关的软件实现也给出了必要的说明。所设计的信号传递系统在室内进行了试验。通过对编码方案中超声波的信号的实际测量确定了可行的信号范围，并得到了最佳的载波频率，通过试验进一步确定了最优的单位信号持续时间。最终实现井下近钻头部分1000Bit/s的信号传输速率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题研究意义
• 1.2 国内外研究状况及发展现状
• 1.2.1 随钻技术的发展现状
• 1.2.2 近钻头测量的发展状况
• 1.3 信号的编码解码技术
• 1.4 研究内容和技术路线
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 技术路线
• 第二章 超声波信号的编码短传技术研究
• 2.1 超声波简介
• 2.1.1 超声波的特点
• 2.1.2 超声波在固体中的波型
• 2.2 二进制信号的调制解调理论
• 2.2.1 二进制振幅键控（2ASK）
• 2.2.2 二进制移频键控（2FSK）
• 2.2.3 二进制移相键控（2PSK）及二进制差分移相键控（2DPSK）
• 2.3 二进制调制系统性能比较
• 第三章 超声波信号二进制数字调制解调及收发电路
• 3.1 超声波信号2ASK 数字调制解调方案
• 3.2 超声波脉冲位置方式编码方案（PPM）
• 3.3 超声波2FSK 编码方案
• 3.3.1 超声波 2FSK 编码方案介绍
• 3.3.2 超声波 2FSK 编码方案实现
• 第四章 近钻头测量系统发送部分软硬件设计
• 4.1 近钻头测量系统发送部分功能简介
• 4.2 PIC 单片机简介
• 4.2.1 PIC 单片机特点
• 4.2.2 PIC18F6520 单片机的性能简介
• 4.2.3 PIC18F6520 单片机内部结构简介
• 4.3 开发工具 MPLAB ICD2 简介
• 4.4 近钻头发送模块部分硬件设计
• 4.4.1 超声换能器发送驱动电路设计
• 4.4.2 井斜角传感器接口电路设计
• 4.4.3 电源模块设计
• 4.4.4 单片机外围电路设计
• 4.4.5 发送部分整体硬件及原理图
• 4.5 发送部分程序设计
• 4.5.1 发送部分主程序流程图
• 4.5.2 实时时钟子程序
• 4.5.3 超声波编码发送子程序
• 4.5.4 井斜角信号读取子程序
• 4.5.5 ASCII 码转换子程序
• 4.5.6 外部 EEPROM 读写子程序
• 第五章 近钻头测量接收系统及MWD接口部分软硬件设计
• 5.1 接收部分整体介绍
• 5.2 接收系统供电及单片机外围电路设计
• 5.2.1 接收系统供电设计
• 5.2.2 接收系统单片机外围电路设计
• 5.3 超声波信号的解码
• 5.3.1 超声波滤波解码芯片 CX20106A
• 5.3.2 通过 PIC18F6520 实现的井斜角信号的读入
• 5.4 接收系统和 MWD 接口设计
• 5.4.1 RS-485 接口电路
• 5.4.2 PIC18F6520 串口介绍
• 5.4.3 接收系统与 MWD 接口程序
• 5.5 接收系统的抗干扰措施
• 第六章 近钻头测量系统室内试验及现场试验
• 6.1 近钻头测量系统室内试验
• 6.2 近钻头无线随钻测量系统现场试验
• 第七章 结论与建议
• 7.1 本文结论
• 7.2 建议
• 参考文献
• 附录
• 致谢